农业干旱指标研究综述

农业干旱指标研究综述

王友贺，谷秀杰

河南省气象台，河南郑州 450003

摘要：干旱是对人类及其社会危害很大的一种自然灾害。总的来说，干旱可分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱，其中农业干旱是我国发生范围最广、频率最高、灾情和影响最严重的干旱类型。为了全面地认识农业干旱，有效地进行旱灾风险管理，减轻旱灾损失和影响，本文在参考了大量国内外有关文献的基础上，对目前比较有代表性的农业干旱分析指标系统地进行了归纳总结，指出了不同指标的优点和缺点，并对今后的研究方向进行了展望。

关键词：干旱；干旱分类；农业干旱；农业干旱指标

引言

干旱目前已是人们普遍关注的世界性问题。1990年国家科委出版的“中国科学技术蓝皮书”第五号《气候》，将干旱列为了我国气候灾害之首[1]。近几十年来，随着全球气候日趋变暖，干旱和旱灾造成的损失和影响越来越严重。干旱不仅直接导致农业减产，食物短缺而且其持续累积会使土地资源退化、水资源耗竭和生态环境受到破坏，制约可持续发展。因此，预防和减轻旱灾成为当今世界的重要课题之一。而全面认识旱灾本质、成因及其发生规律则是有效预防和减轻旱灾的前提[2]。本文将对国内外学者关于农业干旱研究的进展作一简介和综述。

1. 农业干旱的定义

对于干旱的研究，国内外已开展了大量工作，国外始于19世纪末，国内始于20世纪初。各部门对干旱定义有所不同，综合起来看，干旱可分为四类：气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱。就农业干旱而言，是指由外界环境因素造成作物体内水分失去平衡，发生水分亏缺，影响作物正常生长发育，进而导致减产或失收的现象。它涉及到土壤，作物、大气和人类对资源利用等多方面因素，所以是各类干旱中最复杂的一种。它不仅是一种物理过程，而且也与生物过程和社会经济有关。按其成因的不同还可以将农业干旱分为：土壤干旱、生理干旱和大气干旱[3]。

2. 农业干旱指标研究

农业干旱指标是对农业干旱评价的一个标准，依据这个标准可对干旱发生的强度作出定量评价。但由于农业干旱的发生有着极其复杂的机理，在受到各种自然因素如降水、温度、地形等影响的同时也受到人为因素的影响，如农作物布局、作物品种及生长状况等，因此农业干旱指标必然要涉及到与大气、作物、土壤有关的因子[4]。所以，农业干旱指标可以这样定义：指以植物体水分状况、土壤水分状况、植物冠层温度状况以及综合考虑植物、土壤、大气各种作用因素的一类干旱指标[5]。其大致可分为以下五类。

2.1 降水量指标

自然降水是农田水分的主要来源，是影响干旱的首要因素，特别是对地下水位深、无灌溉条件的地区而言降水则是唯一的水分来源。一般是某地某一时段(作物一个生长周期、某一生长段、年、季、月、旬、周或规定的天数内)的降雨量(观测值或预报值)与该地区该时段内的多年平均降雨量相比较而确定的旱涝指标，它是一种反映时段内降雨量与多年平均值平均降水值相对多少的一种定量指标，可以比较直观地反映出时段内降雨量与多年平均值的相对多少，能大致反映出干旱的发生趋势，但不能直接表示农作物遭受干旱影响的程度。由于此类指标资料容易获取、计算简单、直观明了，目前是一种最常用、最有效的作物干旱评价指标之一，在农业生产中应用中比较广泛 [6]。常用的指标评定有降水距平(百分率)、无雨日数及百分比法等。以降水距平百分率为例，表达式为：

%100r

r r k ×−= (1) 式中：r 为某年某时段的降水量，r 为该时段多年平均降雨量。

2.2 土壤水分指标

作物的水分供应主要来自土壤，土壤水分含量丰歉对作物的生长发育有直接的影响，当土壤水分降低到一定程度时作物就会出现旱象[7]。换言之，农业干旱的关键在于土壤水分的亏缺状况(目前一般认为当土壤相对含水量<40%时，作物受旱严重；当土壤相对含水量为40%～60%时，作物呈现旱象；60%～80%时为作物生长适宜含水量[4])，所以利用土壤水分表示作物遭受的干旱胁迫程度是最古老、又是行之有效、简单易行的方法。特别是随着现代测试手段的不断发展，土壤水分测定可选择的方法也越来越多，如负压计法、中子仪法、TDR 法等。中子仪和TDR 法的广泛应用，在不对作物生长产生扰动的同时，又能实现原地定位长期观测。因此，在农田墒情监测中，土壤水分指标有广泛应用。此外，在田间干旱胁

迫试验设计中，也经常使用土壤水分指标划分不同干旱胁迫处理。由于土壤水分对作物生长的影响随作物各发育阶段的生理特性而发生变化，因此土壤水分干旱指标的应用，是建立在广泛的试验基础之上的，也就是说，在使用这一指标之前，必须弄清作物不同生长发育阶段允许的土壤水分下限[8-9] 。

2.3 植物冠层温度指标

利用冠层温度作为干旱胁迫指标基于如下原理：叶片将吸收的太阳辐射能转化为热能，使叶片温度提高。而植物蒸腾又使叶片冷却，使温度下降。当土壤发生干旱时，植物蒸腾下降，从而蒸腾消耗的潜热随之减少，显热增加，引起作物冠层温度增加。Idso 等人[10] 首次提出，利用午间13～15时测定的冠层和空气温差可以作为作物水分胁迫的度量，该温差在整个生长期内的累积称为胁迫积温(Stress Degree Day )，简称为SDD ，计算公式为：

∑=−=n

1i i a c )T T (SDD (2)

式中：Tc 表示冠层温度(℃)；Ta 表示空气温度(℃)；i 代表作物生育期内任意一天；n 为生育期持续的天数。SDD 值越大，表示作物在整个生育期内的累积受旱状况越严重。受测定仪器的限制，早期研究冠层温度主要是测定单个叶片的温度，70年代则广泛应用红外测温仪进行作物冠层温度的测量[11]。而目前，随着遥感技术的兴起，将该指标与遥感技术相结合，通过遥感技术迅速而准确地测得大面积作物的冠温，对旱情进行评价，进而可以迅速地作出相应对策。Jensen 等人[12] 研究了不同灌水条件下冠层温度的变化规律。结果发现，在全球辐射较高的大气条件下(800～1000W/m 2)，冠层与空气的温差为8℃；而在全球辐射较

低的大气条件下(100～200W/m 2)，

对于严重胁迫的处理，冠层与空气的温差趋于0甚至变为负值。在大气蒸发强烈的条件下，充分供水与胁迫处理的冠层温差为6℃；而在大气蒸发较弱的条件下，对于严重胁迫的处理，二者的冠层温差趋于0。这说明，用冠层温度作为干旱指标，受大气环境影响很大。尤其在大气蒸发力较弱的条件下，它并不能真实反映出作物的受旱程度。

2.4 作物水分指标

干旱胁迫将影响作物生长的各种过程，从微观的生化、生理过程，到作物整体的宏观形态，所以目前作物水分指标研究是一个热点，其包括作物生态与生理指标。其中对作物生理指标与干旱胁迫的关系有大量研究。基于这些关系，提出了相应的干旱指标，如叶水势、气孔开度、光合、细胞汁液浓度等，这些指标间接体现了植物体水分状况，故可用以表达植物遭受的干旱程度。用直接测定的生理指标描述作物干旱胁迫主要存在两方面不足：(1)生理