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：%100rr 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：∑=−=n1i 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)生理指标本身随植株体的时空变异性。

如不同叶龄、不同叶位、不同测定时间，叶水势及气孔开度存在很大差异，测定结果很不稳定；(2)测定时对作物生长产生扰动，影响作物进一步生长发育。

因此，用作物生理指标描述作物经历的干旱胁迫，还仅仅局限于短时效的微观研究。

尤其是用叶水势表示作物干旱胁迫，近年来遇到了严峻挑战。

因为在分根、分盆试验中发现，水分胁迫足以影响作物生长时，胁迫作物与充分供水作物的叶水势并没有差异[5]。

此外在1961年北方7省1市旱涝技术座谈会上提出了如下的农作物水分指标公式：g m 0gg 0e /E R /R R D ρρρρ+++−= （3）式中：R 为作物生长期降雨量；R e 为径流量的深层渗漏雨量；ρ0为作物生长初期根系层土壤含水量；ρg 为每1mm 降水量增加的土壤含水量；R g 为地下水补给量；E 0为可能蒸散发量；ρm 为适应作物正常生长所需土壤含水量。

农作物水分指标D 分别满足：D>1.3，0.8<D<1.3，0.5<D<0.8，D<0.5时的干旱程度分别为水分过多，正常，半干旱，干旱。

这个指标综合考虑了水量平衡的各个因素，并与农作物需水量相关联，在我国旱作农业区应用较广，但它的缺点同样是某些参数难以确定。

2.5 综合类指标综合类指标是指综合考虑了多种作用因素所得到的干旱指标。

比较常用的综合类指标有：2.5.1 供需水比例指标，其表达式为：w sg a D R R R R k −−−= (4)式中：R 为时段降雨量；R a 为前期影响降雨量；R g 为时段补给深层的地下水量； R s 为时段地表径流量；D w 为作物在同一时段的需水量。

该干旱指标k 分别满足：k ≥1.0，0.7<k<1.0，0.4<k<0.7，k<0.4时的干旱程度分别为正常，轻旱，中旱，大旱。

这一指标考虑了多种水分因素对作物干旱的影响，但有些因素，如径流深，在不同时段、不同区域较难计算，这给它的推广应用造成了很大的困难[13]。

2.5.2 作物缺水指标：是指用实际耗水量与潜在最大需水量之比来表示作物干旱的指标[14-15]。

用公式表示为：mET ET 1CWSI −= (5) 式中：CWSI 为作物缺水指标，ET 为作物实际蒸发蒸腾量即实际耗水量，ET m 为作物潜在的蒸发蒸腾量，即潜在最大需水量。

作物缺水指标反映了土壤、植物、气象三方面因素的综合影响，能比较真实地反映出作物水分亏缺状况，是常用的作物干旱诊断指标。

根据作物实际蒸散计算方法不同(如气孔阻力法、叶温法、土壤含水量法等)，作物缺水指标类型也相应不同。

2.5.3 Palmer 干旱指标，即Palmer Severity Drought Index( 简称PSDI )它是1965年由Palmer 提出的综合考虑降水、潜在蒸散、前期土壤湿度和径流的指标[16]，是一个被广泛用于旱情评估的指标。

PSDI 尽管被看成是气象干旱指标，但它可以考虑降水、蒸散发以及土壤水分等条件，所有这些都是农业干旱和水文干旱指标的因素，因此也可用PSDI 来识别全国或灌区农业干旱和水文干旱[17] 。

为了得出在时间和空间上相对独立的干旱指标，中国气象科学研究院的安顺清等人提出了适合我国气候特征的改进Palmer 干旱模型[18-20] ，模型中采用的旱度值为：D d k Z jj j ×=，0j j j R R D −= (6)式中： R 0j 为某一时段满足地区经济机制正常运行的降水量，可称为适宜降水量； R j 为时段实际降水量。

D 为年内R j 与R 0j 的绝对离差平均值；k j 为反映地区水资源供需关系的特征因子；d j 是某时段内的实际降雨量与适宜降水量的差额，该差额反映了地区自然条件下的缺(余)水程度。