复杂下垫面条件下冬小麦干旱机制辨析研究进展

发布时间：2020-04-13

　　摘要:对冬小麦干旱机制辨析研究目前主要有:冬小麦干旱灾害时空特征研究、冬小麦生长需水量研究、冬小麦生长有效降水量研究、冬小麦干旱过程的缺水环节和干旱形成机制研究、冬小麦干旱灾害风险研究。为了进一步开展冬小麦干旱研究，特别是冬小麦干旱形成机制，亟需加强的方面:一是细化需水量和有效降水量的空间格局研究，可尝试以田间试验数据为基础，综合考虑气候、地形地貌、土壤特性、植被等格网化的下垫面因素，研发中观尺度冬小麦需水量、有效降水量的新模式，同时借助格网概念，尝试将冬小麦干旱精准定位于空间格网上，为冬小麦干旱防灾减灾等提供技术支撑;二是确定冬小麦干旱的缺水环节，研究掌握冬小麦的干旱机制，可从“气候—土壤—冬小麦”系统角度出发构建缺水量空间分布模型。结合气候模式数据，对冬小麦缺水量进行深入的研究并探讨冬小麦干旱形成机制，开展不同气候变化情景下冬小麦需水量和缺水量的时空变异及模拟预测研究，识别冬小麦干旱时空演变特征，研判冬小麦干旱风险，为保障冬小麦生产提供理论依据。

　　关键词:冬小麦;需水量;有效降水量;缺水环节;干旱机制

　　气候变化已成为目前科学界普遍关注的环境问题之一，气候变化会对生态系统和社会经济产生灾难性影响，农业是受气候变化影响最脆弱的行业之一[1-3]。我国是世界上季风气候最显著的国家之一，气候复杂多样，加上地形复杂，地势高低悬殊，加剧了我国气候复杂的多样性，是世界上主要的“气候脆弱区”之一。我国农业的主要气象灾害分析表明，干旱灾害是对农作物产量影响最大、分布区域最广、发生最频繁的气象灾害。1990—2016年，我国平均每年干旱受灾面积约为1935万hm2，直接经济损失约553.68亿元。小麦是三大谷物之一，是我国北方地区种植面积最广的主要粮食作物，在农业生产中占有重要地位。冬小麦生长受影响的主要原因是农业气象灾害，也是一直困扰小麦生产的重要问题。因此，深入研究气候变化背景下冬小麦干旱形成机制等问题，对冬小麦生产的防灾减灾等具有重要的指导意义和理论价值[3]。

　　冬小麦干旱灾害风险形成过程的研究需深化。冬小麦干旱是由降水不足或异常减少引起水分供需矛盾，主要受地表温度、蒸散发、土壤特性和作物的生理或生态特性的综合影响[4]。在时间尺度上，冬小麦干旱灾害是逐渐发展而最终成灾的，发生非常缓慢，不易察觉，灾前无明显征兆，需要精准刻画其孕育、形成和发展的时间轴线。在空间尺度上，其形成原因和空间分布特征复杂，与众多的自然环境因素，如气象条件、水文条件、冬小麦生长条件、地貌、地质等下垫面因素有关，需要详尽推演其空间格局。冬小麦干旱缺水的原因虽然多而复杂，但归纳起来则不外乎气象、地形、农业生物和人类活动四个方面[5]。冬小麦干旱的实质是由于水资源时间和空间分布不匹配，造成下垫面上种植的冬小麦生长需水量与水资源供给量的不平衡所致[6，7]。

　　1冬小麦干旱灾害时空特征研究

　　冬小麦干旱判别指标:国际上，干旱一般被分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱四种类型。气象干旱的发展和结束速度相对较快，是造成其他三种干旱的根本原因。冬小麦等农业干旱发生与否由气象干旱发生的地点、时间和种植结构决定[8]。对冬小麦干旱判别的指标有四大类:①气象指标。如降水距平百分率、Z指数、Palmer干旱指数(PDSI)、标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)、Bhalme-Mooley干旱指标(BMDI)等[9，10]。②土壤墒情指标。如土壤相对湿度指标、土壤区域综合相对湿润指数等[11]。③生理生态指标。如叶水势指标、作物水分胁迫指数(CWSI)、水分亏缺指数(WDI)、气孔导度指标、光合速率指标和蒸腾速率指标等表征方法[12]。④综合性指标。在考虑有效供水量和作物实际需水量等因素基础上，构建的反映农作物旱涝状况的指标，如从作物水量供需平衡角度，选择有效供水量、作物需水量、地下水利用量指标综合评估干旱的形成和发展[13]。

　　冬小麦干旱时空过程研究:对时空过程的研究主要包括冬小麦干旱发生频率、强度和空间分布等方面。微观尺度上，以田间试验或单个气象站点数据为基础，从农作物水分供需平衡原理出发，构建冬小麦全生长阶段和关键发育阶段的旱涝指数，或构建单点作物模型，研究干旱发生时间的变迁过程等[14];宏观尺度上，以多个气象站点或行政区划单元内的降水、温度数据等为依托，借助不同的数学模型来模拟月尺度及其以上时间尺度的干旱过程，其空间分辨率较低，多数以区域性的干旱趋势分析和等级划分等研究为主[15]。冬小麦干旱时空过程研究新方向为:由于冬小麦干旱表现为连续、复杂的综合现象，在较短时间尺度上干旱表现特征在农作物方面难以察觉而被忽视，因此需要相对实时的干旱评估来判断农作物旱情。利用遥感技术可通过大尺度空间参数反演，得出农作物蒸散量、产量和水分生产力等[16]。因此，可尝试结合遥感、地理信息系统和能量平衡模型方法，对冬小麦干旱形成过程及其演化等开展研究[17]。

　　2冬小麦生长需水量研究

　　作物需水量概念:作物需水量一般是指在较适宜的土壤水分和肥力条件下，作物通过正常生长发育，获得在高产状态下的植株蒸腾、棵间蒸发和构成植株体的水量之和[18]。在冬小麦生长用水方面，冬小麦需水量是最主要的消耗部分，不但受地形、土壤特性等下垫面因素和气象因素等影响，而且随着作物的发育状况表现出较大差异[19]。

　　作物需水量测算方法:国内外对冬小麦需水量的研究较多，可以分为:①田间试验方法。主要有土壤水量平衡法和微气象学法两类[20]。土壤水量平衡法的原理是依据水量平衡，在计算固定时间内田间作物降水量、土壤储水量差值、灌溉水量、地下水补给量、地面径流量、土壤水分渗漏量的基础上，依据水量平衡公式计算得出作物一段时间内的蒸发蒸腾量作为需水量;微气象学法主要包括空气动力学、涡度相关和能量平衡—空气动力学阻抗综合法等，该方法是将水分、田间管理、气候条件等多种因素排列组合在一起，既耗时费力，又无法同时完成，且田间试验结果在拓展应用中的风险较大，难以从区域尺度上升到空间尺度[21]。②经验公式计算法。主要分为直接计算法和间接计算法。直接计算法是依据主要的气象因子与作物需水量的经验公式进行计算;间接计算法是通过参考作物需水与作物系数进行作物需水量计算。作物需水量的计算最常用的方法是通过计算参考作物蒸发蒸腾量，如Priestley-Taylor法、Blaney-Criddle法、FAO56Penman-Montieth法等。其中，FAO56Penman-Montieth是联合国粮农组织(FAO)推荐的标准计算方法，具有计算精度较高、物理学基础严密等特点[22]。③作物模型模拟方法。作物模型模拟方法是以作物生理生态原理为基础[23]，用以定量描述“气候—土壤—冬小麦”系统中光照、温度、水分等状况对作物生长发育的影响，核心是量化整个作物生产系统知识的综合和生理生态过程及其相互关系[24]。

　　冬小麦作物需水量研究内容:人们对冬小麦生长需水量的研究主要集中在:①冬小麦作物需水量规律研究，主要是关注田间试验下生长阶段、水分状况与冬小麦产量之间关系的研究，为合理的灌溉计划等做基础支撑[25，26]。②冬小麦需水量空间分布特征多采用绘制区域冬小麦需水量等直线分布图的方法，但多数研究基于气象观测站点计算单个站点代表的地区冬小麦需水量，再借助ArcGIS空间分析工具中的反距离权重法(IDW)或克里金(Kriging)等插值法[27，28]简单地由站点数据插值转换为区域数据。需水量由微观尺度的点数据扩展到区域宏观尺度的方法尚有改进空间，同时对下垫面因素的考虑也可进一步细化。

　　冬小麦作物需水量研究新视角:冬小麦需水研究方法一般是假定下垫面为均匀状态，但在区域需水量估算中，由于地形起伏或是裸地作物混存，大多冬小麦耕种的下垫面很少呈均匀状态。同时，冬小麦需水是一个涉及气象、水文、土壤等众多方面的复杂系统，因此区域尺度冬小麦需水量估算不宜仅采用田间尺度作物需水量的计算方法[29]。

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　　国内外对利用遥感技术估算区域作物蒸散发和需水的研究主要有:①在地表热量平衡方程的基础上，利用遥感数据获取土壤热通量和感热通量、地表热量平衡方程中的净辐射等相关参数[30-32];②以Penman-Monteith等蒸发量估算公式为基础，结合地表热量平衡方程，直接估算出蒸散量[33]。在区域作物需水研究中，遥感技术具有其他手段无法比拟的优势。随着地理信息系统的飞速发展，利用GIS技术的空间分析功能和DEM数据，开发基于栅格数据库和尺度先验知识的分布式估算模型，可用于处理作物需水量的空间分布不均匀性。区域尺度空间遥感技术突破了因下垫面几何结构和物理属性的水平非均匀性而难以将“点”上观测成果应用到“面”上的局限，避免了传统水量平衡方法在时间分辨率上的缺陷，因此区域尺度遥感技术将为今后区域尺度作物需水量的研究提供新方法、新思路[34]。

　　3冬小麦生长有效降水量研究

　　有效降水量概念:有效降水量是指作物生长期内降水量去除径流量、作物截留量等，实际补充到根层土壤中的净水量，即总降水量中的有效部分[35]。有效降水量受多种因素的影响，地形地貌、土壤特性、作物种类、农业耕作管理措施等因素都会直接或间接地影响有效降水量的大小[36]。

　　有效降水量估算方法:①田间仪器直接测定法。蒸渗仪是研究生态系统中水分平衡及其相关参数的一个重要方法，主要通过土壤称重系统、监测系统和数据采集系统来研究柱状土壤中水分运移、水分平衡等相关的影响因素。蒸渗仪测定法是目前精确研究有效降水量最有效、最直接的方法之一，但蒸渗仪测定仅局限于定点监测，无法实现对大面积土壤的实时动态监测[26]。②经验公式法。该法常在生产实践中使用有效利用系数来计算有效降水量，称为有效利用系数法，如Hershfield诺模图计算模式[37]和USDA-SCS计算模式等[38]。③水量平衡法。水量平衡法是众多学者研究的热点之一[39]。土壤水量平衡方法能描述确定地区有效降水量特征，同时考虑了所有必要的水量平衡项，如降水、径流、入渗、蒸散和深层渗漏。该模型以自然规律为基础，以天或周为时间步长，精确模拟实际土壤水分和气候条件的动态特性，适用于不同的土壤条件和气候。

　　冬小麦有效降水量研究内容:对冬小麦有效降水量的研究主要集中在:①改进冬小麦有效降水量估算方法，尝试改进有效降水量的计算模式[39]。②冬小麦各生育阶段生长期的有效降水量变化特征，计算冬小麦不同生育阶段有效降水量并分析其空间分布特征等，为提高降水利用率，制定科学灌溉决策方案提供支撑[40-42]。

　　冬小麦有效降水量研究新方向:冬小麦有效降水量研究主要从生态效应的角度出发，而有效降水量的本质是降水落到地面进入土壤后，再通过土壤水分间接被冬小麦利用或对其他生态环节产生影响。因此，从土壤水分迁移和转化的角度去研究有效降水能更好地理解这一概念。有效降水量等于总降水量减去径流量、蒸发量和深层渗漏量，保留在根区并能供植物利用，因此在计算有效降水量时需要考虑地形、岩性、土壤的影响。当前多数地区采用当地的经验公式，存在机理性缺乏，难于应用到其他地区。新的发展方向是在分析多种模型结果的基础上，把研究成果转化为标准形式，或通过在冬小麦生产过程中对复杂的地形和下垫面条件等环境变量进行相关分析，构建作物生育期有效降水量的优化模型及其与复杂下垫面因素如地形地貌和土壤特性等关系的多元地理空间模型，从区域尺度出发研究有效降水量的空间格局演化等[42]。

　　4冬小麦干旱过程的缺水环节和干旱形成机制

　　冬小麦缺水量概念:干旱缺水是限制冬小麦生产的主要因素。冬小麦需水量和有效降水量的差值为冬小麦缺水量[41]。为了缓解干旱给予冬小麦的灌溉措施等即是为弥补此部分的缺水量，研究缺水量的时空分布可为合理的灌溉提供科学依据，而若能精准预估缺水量空间分布格局，对制定合理的节水灌溉制度和提高农田水分利用效率具有重要的现实意义。

　　.冬小麦缺水量研究内容:①影响缺水量的因子分析。研究气象、地形等因子与冬小麦需水量和缺水量之间关系，分析影响缺水量的主导因子等[7]。②缺水量对冬小麦生长的影响。分析不同缺水量对冬小麦叶面积和茎秆直径等生理指标的影响等方面[43]。③缺水量空间分布模型研究。以水量平衡方程为基础，从冬小麦生产过程的有效降水量和作物需水量角度进行分析，构建空间分布模型;利用ENWATBAL模型[44]或作物生长模型DS-SAT和AquaCrop等[45]模型等对冬小麦耗水规律、缺水量进行时空分布模拟，分析干旱形成机制，为灌区的合理灌溉提供理论依据[46]。

　　冬小麦缺水环节和干旱形成机制研究:冬小麦干旱的发生强度、持续时间与气象、地形、土壤植被等下垫面因素密切相关，水分在这些因素之间迁移和转化，任何一个环节不畅都会影响冬小麦干旱的形成和发展，此类水分迁移不畅的环节称为冬小麦干旱缺水环节。对缺水环节和干旱形成机制的研究主要有:①从农作物的水分供需变化规律着手，从宏观上的流域或行政区划边界角度出发，在对气象站点观测数据分析的基础上，选定能反映农作物旱情、旱象的干旱指标，研究冬小麦缺水过程等问题[41]。②从冬小麦干旱胁迫的适应性和田间试验角度，研究土壤缺水导致的干旱胁迫对冬小麦生理生化系统的影响，侧重冬小麦作物生理特性适应干旱并增强土壤水分利用效率的研究等[47]。③从小麦抗旱对策角度，从冬小麦耕作制度角度出发，研究冬小麦干旱形成过程中涉及到的土壤前期底墒、植被涵养水源、径流补给、调节土壤水分状况、冬小麦地膜覆盖保墒等环节，探讨影响干旱形成因素，提出干旱缺水地区冬小麦生产的科学合理灌溉模式[48]。

　　综上所述，冬小麦缺水环节和干旱形成机制的研究目前较多的是从田间试验等微观尺度或从流域、行政区等宏观尺度出发，缺乏基于格网化的研究，以及同时考虑复杂下垫面因素介于微观和宏观尺度之间的研究。