干旱影響農(nóng)業(yè)生態(tài)論文

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1干旱對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程的影響

作物具有一定的生長(zhǎng)特性，在各個(gè)物候期的需水量存在差異，因此干旱的發(fā)生時(shí)期不同，對(duì)作物影響方面和對(duì)產(chǎn)量的影響程度也存在差異。此外，干旱的發(fā)生也會(huì)對(duì)加速或延遲物候期，從而改變作物的生長(zhǎng)時(shí)間。拔節(jié)期干旱脅迫對(duì)小麥葉片影響最大，抽穗期干旱脅迫對(duì)莖稈影響最大，開花期干旱脅迫對(duì)穗數(shù)和穗粒數(shù)影響最大，開花后持續(xù)干旱則主要影響千粒重。抽穗期之前根、冠同步生長(zhǎng)呈正相關(guān)，之后則變?yōu)樨?fù)相關(guān)。作物水分生產(chǎn)函數(shù)可以作為計(jì)算各個(gè)階段水分虧缺對(duì)產(chǎn)量影響的重要工具。Zhang等利用Jensen作物水分生產(chǎn)函數(shù)，通過(guò)對(duì)華北地區(qū)不同地區(qū)開展的針對(duì)冬小麥的水分控制試驗(yàn)計(jì)算各個(gè)物候期的水分敏感系數(shù)，發(fā)現(xiàn)作物生長(zhǎng)中期（抽穗、開花）對(duì)產(chǎn)量的影響最大。開花至成熟是小麥一生中耗水的高峰期，也是小麥一生中第2個(gè)光合作用高峰，小麥產(chǎn)量的70%以上來(lái)源于開花后光合產(chǎn)物。冬小麥開花后輕度的干旱脅迫能使其在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持較高的光合速率，有利于籽粒充分灌漿而獲得高產(chǎn)；中度脅迫和重度脅迫處理開花前雖然光合速率較高，但開花后卻急劇下降，造成灌漿受阻、產(chǎn)量降低。而王石立則在考慮作物不同發(fā)育階段對(duì)水分脅迫的敏感性的基礎(chǔ)上構(gòu)建了冬小麥生長(zhǎng)模式，并與不同水分處理的實(shí)測(cè)值的誤差在10%左右，將有助于實(shí)現(xiàn)不同階段干旱對(duì)冬小麥最終生物量的影響評(píng)估。就干旱對(duì)冬小麥物候期長(zhǎng)短的影響而言，前期干旱會(huì)明顯縮短籽粒灌漿過(guò)程，灌漿峰值較水分適宜時(shí)低。即使前期供水適宜，孕穗、抽穗、灌漿連續(xù)缺水，也會(huì)明顯縮短灌漿持續(xù)時(shí)間，出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，穗粒數(shù)減少，粒重降低，導(dǎo)致減產(chǎn)。對(duì)玉米而言，Igbadun等利用多種作物水分生產(chǎn)函數(shù)都驗(yàn)證了在開花階段的水分脅迫對(duì)產(chǎn)量的影響最為明顯。在抽雄—灌漿中期，恰為營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)向生殖生長(zhǎng)，同時(shí)進(jìn)入開花授粉階段，達(dá)到灌漿高峰期。這期間作物體內(nèi)新陳代謝旺盛，莖稈和葉片等的大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需向籽粒轉(zhuǎn)移。干旱脅迫對(duì)作物同化物質(zhì)積累和儲(chǔ)藏極為不利，進(jìn)而影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳輸與再分配。水分充足條件下，莖稈營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移量大，有限供水次之，而重旱脅迫下，莖稈營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)移量小且遲緩，由此影響到玉米果穗性狀和產(chǎn)量。楊國(guó)虎等通過(guò)不同的水分處理，發(fā)現(xiàn)干旱條件下在大喇叭口期—乳熟期具有較大的葉面積對(duì)于獲取較高的生物量和籽粒產(chǎn)量具有很大作用。就干旱對(duì)玉米生長(zhǎng)期時(shí)長(zhǎng)的影響而言，陶世蓉等利用大型防雨設(shè)備池載，在玉米的不同階段設(shè)置干旱情景發(fā)現(xiàn)，生育前期遇到干旱脅迫將使生育進(jìn)程明顯延緩，嚴(yán)重干旱時(shí)可使抽雄和吐絲期滯后，導(dǎo)致成熟期推遲，最終影響產(chǎn)量。白麗萍等發(fā)現(xiàn)，由于玉米生育前期遭受干旱脅迫，將致使生育進(jìn)程明顯延緩，嚴(yán)重干旱脅迫可使抽雄、吐絲期平均滯后4天左右。

2干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的研究方法

干旱對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的研究主要通過(guò)2種方式：對(duì)歷史干旱影響過(guò)程進(jìn)行分析或通過(guò)設(shè)定干旱情景進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)外關(guān)于干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的研究方法主要集中在2類：農(nóng)學(xué)試驗(yàn)方法和機(jī)理模型。農(nóng)作物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)生長(zhǎng)特性有所差異，對(duì)光照、溫度、水分等外界環(huán)境要素的需求也不盡相同。因此，在農(nóng)業(yè)研究中通常通過(guò)在作物生長(zhǎng)的某個(gè)特定階段，改變作物的生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)分析作物的各種反應(yīng)。

2.1農(nóng)學(xué)試驗(yàn)方法

在農(nóng)學(xué)試驗(yàn)中通常采用梯度水分供應(yīng)的方式，在不同的水分供應(yīng)條件下測(cè)定作物某些特定指標(biāo)值來(lái)反映作物對(duì)水分脅迫的反應(yīng)。水分控制試驗(yàn)一般采用盆栽、池栽等方式進(jìn)行。盆栽是農(nóng)學(xué)試驗(yàn)的重要手段，高素華為了研究干旱脅迫對(duì)抽雄期玉米葉片光化效率和光合作用速率的影響，在抽雄期前10天將盆栽的玉米移入人工氣候室中，保證除水分條件之外的其他條件保持不變的前提下開始土壤水分控制，將土壤水分設(shè)為5個(gè)等級(jí)，分別為占田間持水量80%（對(duì)照試驗(yàn)）、60%（輕度干旱）、50%（中度干旱）、40%（中重度干旱）、30%（中度干旱）。在每個(gè)氣室均有5個(gè)水分處理，水分處理為4個(gè)重復(fù)，土壤濕度由80%降到處理30%，在不同溫度下光化效率可降低1%~8%，光合作用速率最大減幅達(dá)80%左右。盆栽試驗(yàn)較為限制作物根的生長(zhǎng)空間，難以推廣到大田作物，池栽則最大可能還原大田的實(shí)際生長(zhǎng)條件。白麗萍等[37]采用池栽研究土壤水分脅迫對(duì)玉米形態(tài)發(fā)育及產(chǎn)量的影響。每個(gè)實(shí)驗(yàn)池面積4m2，深1.5~2.0m，四周用水泥層隔離，池內(nèi)利用鋁管分層測(cè)定土壤含水量，播種時(shí)每池澆灌相同水量，在三葉期—成熟期進(jìn)行全程水分控制，以占田間持水量的百分比計(jì)算分為3個(gè)等級(jí)。并用大型活動(dòng)遮雨棚隔絕雨水。通過(guò)測(cè)定株高、莖粗、產(chǎn)量等要素分析不同干旱條件對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響，研究表明，土壤水分脅迫無(wú)論輕重均對(duì)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育有所阻礙，重旱在生育前期就已表現(xiàn)，輕旱則在大喇叭口期后才予以呈現(xiàn)，繼而導(dǎo)致玉米生物產(chǎn)量大幅降低。農(nóng)學(xué)試驗(yàn)依然是當(dāng)今干旱研究的重要手段，可以較準(zhǔn)確地反映干旱對(duì)作物生長(zhǎng)影響的各個(gè)方面，試驗(yàn)結(jié)果較為可靠，在試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的推廣性。但是，農(nóng)學(xué)試驗(yàn)一般需要1個(gè)或多個(gè)生長(zhǎng)季，耗時(shí)較長(zhǎng)，并且在大尺度上開展難度較大，具有明顯的時(shí)空局限性。

2.2作物生長(zhǎng)機(jī)理模型模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于作物生長(zhǎng)機(jī)理構(gòu)建的作物生長(zhǎng)模型已成為研究干旱對(duì)作物生長(zhǎng)影響的重要手段。作物生長(zhǎng)模型可以模擬作物在不同條件下的生長(zhǎng)過(guò)程，輸出模擬的作物產(chǎn)量以及作物生長(zhǎng)過(guò)程中的各種指標(biāo)（生物量、葉面積指數(shù)等），可以較好的模擬作物在受到包括水分脅迫在內(nèi)各種環(huán)境下的生長(zhǎng)過(guò)程。作物生長(zhǎng)模型可以模擬在植物生長(zhǎng)過(guò)程中水分對(duì)生長(zhǎng)影響的各個(gè)方面，包括降水、水分入滲和再分布、水分蒸發(fā)與吸收以及干旱對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量脅迫的過(guò)程，定量描述水分脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況、干物質(zhì)積累與分配，較好地體現(xiàn)作物對(duì)水分不適的反應(yīng)。Lal等[42]利用CERES模型，模擬了印度西北部未來(lái)氣候缺情景下水稻的生長(zhǎng)狀況，發(fā)現(xiàn)水分虧缺對(duì)作物產(chǎn)量的影響不能通過(guò)CO2濃度的升高而減弱，經(jīng)減產(chǎn)達(dá)到20%。O’Neal等利用CERES-Maize模型研究降水的時(shí)空分布對(duì)玉米產(chǎn)量的影響。宋艷玲等則利用WOFOST模型，模擬了1961—2000年干旱對(duì)中國(guó)冬小麥產(chǎn)量的影響，結(jié)果顯示1961—1980年干旱使中國(guó)冬小麥平均減產(chǎn)4.6%，使北方冬麥區(qū)平均減產(chǎn)12%，并揭示了中國(guó)北方春季降雨量對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的重要性。為了提高模型在干旱對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響方面的模擬精度，相關(guān)科學(xué)家進(jìn)行了驗(yàn)證和改進(jìn)工作。Jamieson通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了SUCROSE、CERES-Wheat、AFRCWHEAT2、Sirius、和SWHEAT模擬干旱條件下冬小麥生長(zhǎng)的精度。Ewert等[46]通過(guò)試驗(yàn)與模型相結(jié)合的方法研究干旱對(duì)于春小麥生長(zhǎng)的影響，并探索提高模型反映CO2濃度升高與干旱共同作用的能力。作物生長(zhǎng)模型建立在對(duì)作物的生長(zhǎng)規(guī)律掌握和量化的基礎(chǔ)上，但是，農(nóng)作物的生長(zhǎng)受包括溫度、水分、養(yǎng)分等諸多因素影響，影響機(jī)制較為復(fù)雜，現(xiàn)階段作物生長(zhǎng)模型不能將所有的因素考慮周全，模擬結(jié)果的不確定性較大，并隨研究范圍的擴(kuò)大而增大。

3應(yīng)對(duì)干旱的優(yōu)化灌溉策略研究

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是人為因素占主要地位的生態(tài)系統(tǒng)，人類活動(dòng)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響較為突出。為應(yīng)對(duì)干旱等不利因素對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響，各種應(yīng)對(duì)措施包括加強(qiáng)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、開展抗旱品種的研制與推廣、改變種植結(jié)構(gòu)以及采取包括興修水利設(shè)施、節(jié)水優(yōu)化灌溉以肥養(yǎng)水等各項(xiàng)農(nóng)田管理措施等。在諸多干旱應(yīng)對(duì)措施之中，節(jié)水優(yōu)化灌溉技術(shù)則是應(yīng)用最為廣泛、且效果最為直接、顯著的抗旱方法，且尤其適用于水資源較為匱乏的地區(qū)。優(yōu)化灌溉不僅能提高抵御干旱的能力，提高作物產(chǎn)量，而且可有效提高水分利用效率。農(nóng)作物生長(zhǎng)有一定的需水規(guī)律，在不同發(fā)育階段對(duì)水分的需求有較大差異，并非全生長(zhǎng)期都要求土壤濕潤(rùn)才能穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。因此，通過(guò)提高對(duì)水分較為敏感、對(duì)產(chǎn)量影響較大的時(shí)期的灌溉量，可顯著提高水分利用效率，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。Choudhury等將小麥的生長(zhǎng)期劃分成3個(gè)階段，通過(guò)分析每個(gè)階段的需水特點(diǎn)，最終得到合理的灌溉策略。Erdem等在土耳其對(duì)西瓜進(jìn)行灌溉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)西瓜生長(zhǎng)過(guò)程中的開花階段對(duì)水分脅迫的影響最為敏感。Li等利用這種方法分析了中國(guó)吉林玉米、大豆、高粱的水分敏感期。此外，相關(guān)學(xué)者還以作物水分脅迫指數(shù)(CWSI)等監(jiān)測(cè)作物體內(nèi)含水狀況的指標(biāo)為工具制定了應(yīng)對(duì)干旱的合理的灌溉方式。Yazar等提出了在美國(guó)德克薩斯州當(dāng)玉米的CWSI達(dá)到0.33時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行灌溉。Alderfasi等在美國(guó)試驗(yàn)得到了小麥的無(wú)水分脅迫基線，用于計(jì)算CWSI監(jiān)測(cè)小麥的生長(zhǎng)以及制定合理的灌溉策略。Orta等在美國(guó)進(jìn)行西瓜灌溉試驗(yàn)，試驗(yàn)得到CWSI，發(fā)現(xiàn)作物水分脅迫指數(shù)與西瓜的產(chǎn)量存在線性關(guān)系，并且得到整個(gè)生長(zhǎng)季CWSI的平均值為0.41時(shí)，可以得到最大的產(chǎn)量。作物生長(zhǎng)模型已成為水分管理研究的重要手段。作物生長(zhǎng)模型可以根據(jù)水分脅迫的程度靈活的控制灌溉量，從而更有利于進(jìn)行水分脅迫的適應(yīng)性研究。Bryant等利用EPIC作物生長(zhǎng)模型模擬不同的灌溉時(shí)間和灌溉量對(duì)作物產(chǎn)量的影響。Rinaldi等[56]利用EPIC模擬意大利向日葵在不同的灌溉策略下的生長(zhǎng)，結(jié)果表明開花期為最需要灌溉的時(shí)期，并且認(rèn)為250~300mm的灌溉總量可以得到較高的水分利用效率。Panda等利用CERES-wheat模型制定了印度小麥生長(zhǎng)的最優(yōu)灌溉策略。Singh等利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)CERES和CropSyst模型模擬水分和營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)小麥的共同作用的能力進(jìn)行驗(yàn)證和提高，擴(kuò)大了模型的應(yīng)用范圍。現(xiàn)階段依靠農(nóng)田實(shí)地試驗(yàn)和生長(zhǎng)模型模擬開展的節(jié)水灌溉研究多集中在提高重要時(shí)期的灌溉效率方面，干旱發(fā)生后如何采取合理的應(yīng)對(duì)措施降低損失方面的研究較少。研究也多集中在站點(diǎn)尺度上，在區(qū)域或更大尺度上開展的研究將更有利于為水資源的區(qū)域利用提供參考，以期提高整個(gè)地區(qū)抵御干旱的能力，降低干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。

4總結(jié)與展望

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著作物產(chǎn)量的升高，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球碳循環(huán)的作用越來(lái)越大。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物種較為單一，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，易受到外界因素的影響。近些年隨著全球氣候變化，干旱發(fā)生的頻率、等級(jí)逐漸升高，其對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響已成為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)方向。農(nóng)作物是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主體，國(guó)內(nèi)外在干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的研究主要集中在干旱影響農(nóng)作物生長(zhǎng)以及合理的農(nóng)田水分管理方面。在此方面的研究方法主要集中在2類：農(nóng)學(xué)試驗(yàn)方法和機(jī)理模型模擬。基于農(nóng)學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模擬模型，在不同尺度上開展干旱對(duì)作物生長(zhǎng)影響是當(dāng)前研究的趨勢(shì)。掌握干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)理，通過(guò)試驗(yàn)、模型等方法研究提高水分利用效率的灌溉策略是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的新途徑。此外，目前干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響主要集中在微觀農(nóng)作物生長(zhǎng)、農(nóng)田尺度等較小尺度上開展，針對(duì)區(qū)域及更大尺度上的研究較少；研究一般依托歷史數(shù)據(jù)或人為設(shè)定情景開展，缺少干旱應(yīng)急管理方面的研究；研究多集中在單次干旱過(guò)程對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響，并沒(méi)有反映干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的變化?，F(xiàn)今，全球氣候變化導(dǎo)致嚴(yán)重干旱等極端天氣頻發(fā)，在區(qū)域尺度上分析干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響，已成為研究的一個(gè)重要目標(biāo)。

作者：劉明 呂愛(ài)鋒 武建軍 李小涵 王前鋒 單位：民政部國(guó)家減災(zāi)中心 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院