李柏貞，周廣勝

(中國氣象科學(xué)研究院， 北京 100081)

干旱指標(biāo)研究進(jìn)展

李柏貞，周廣勝*

(中國氣象科學(xué)研究院， 北京 100081)

干旱作為全球最為常見的自然災(zāi)害之一，已經(jīng)對我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。為更好地預(yù)測影響作物的干旱并及時(shí)采取應(yīng)對措施，綜述了國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的各類干旱指標(biāo)，包括氣象指標(biāo)、土壤墑情指標(biāo)、作物生理生態(tài)指標(biāo)及其它綜合監(jiān)測指標(biāo)等，評述了各類干旱指標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn)以及在農(nóng)業(yè)上的適用性，探討了未來以作物干旱為核心的干旱指標(biāo)研究擬重視的方面，以為減緩和預(yù)防干旱對農(nóng)業(yè)的不良影響及制訂科學(xué)的政策提供依據(jù)。

干旱指標(biāo)；氣象指標(biāo)；土壤墑情指標(biāo)；作物生理生態(tài)指標(biāo)；綜合監(jiān)測指標(biāo)

大量礦物燃料的燃燒、亂砍濫伐等人類活動和工業(yè)化過程已經(jīng)導(dǎo)致地球環(huán)境的嚴(yán)重惡化及以氣候變暖為標(biāo)志的全球變化，包括冰川退縮、河道斷流、湖泊萎縮、沙漠化加劇、生物多樣性受損等，特別是干旱的發(fā)生日益頻繁，已經(jīng)成為全球最為常見的自然災(zāi)害之一[1- 2]。干旱作為長時(shí)間的累積過程，是正常的氣候現(xiàn)象。氣候變暖背景下，我國干旱呈現(xiàn)發(fā)生頻率高、分布面積大、時(shí)空分布不均勻、持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)[3]，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響尤其嚴(yán)重[4]，且農(nóng)業(yè)和農(nóng)村可能是未來50a受全球變化影響最大的部門和地區(qū)[1]。

影響作物的干旱發(fā)生發(fā)展非常復(fù)雜，不僅與作物本身的生物學(xué)特性有關(guān)，包括作物品種、作物生物特性、耐旱程度、種植布局、生長狀況等，還受到氣象和水文條件等自然因素、下墊面及人為管理、耕作制度的影響。

為減緩和預(yù)防干旱對作物生產(chǎn)帶來的不良影響，與作物密切相關(guān)的干旱指標(biāo)建立非常重要。正因?yàn)槿绱?，一系列干旱指?biāo)已被建立，包括氣象指標(biāo)、土壤墑情指標(biāo)、作物生理生態(tài)指標(biāo)及其它綜合監(jiān)測指標(biāo)等，其中較為常用的干旱指標(biāo)有土壤含水量、作物水分脅迫指數(shù)和帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)[5- 6]。

為建立反映作物水分脅迫的干旱指標(biāo)，本文將綜述近年來國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的各種干旱指標(biāo)，并分析其優(yōu)劣與適用性，探討未來反映作物水分脅迫的干旱指標(biāo)研究擬重視的方面，為減緩和預(yù)防干旱對農(nóng)業(yè)的不良影響及制訂科學(xué)的政策提供依據(jù)。

1 氣象指標(biāo)

氣象學(xué)認(rèn)為，干旱是一種長期干燥少雨且穩(wěn)定的氣候現(xiàn)象，實(shí)際上是由于缺乏足夠的降水引起，是氣候水熱不平衡的表現(xiàn)。自然降水是農(nóng)田水分的主要來源，是造成作物水分脅迫的主要原因。因此，降水量常被用于描述干旱。

1.1 降水量指標(biāo)

降水量指標(biāo)是一種以某地某時(shí)段的降水量確定旱澇標(biāo)準(zhǔn)的定量指標(biāo)，主要用于地下水位較深且無灌溉條件的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。該指標(biāo)形式多種多樣，但大多數(shù)指標(biāo)都是與該時(shí)期多年平均降水量進(jìn)行對比獲得。

1.1.1 降水距平百分率

降水距平百分率指某時(shí)期降水量與同期多年平均降水量的距平百分率，反映了該時(shí)期降水量相對于同期平均狀態(tài)的偏離程度，是一個(gè)具有時(shí)空對比性的相對指標(biāo)。

降水距平百分率的優(yōu)點(diǎn)在于意義明確、方法簡單直觀，但是其響應(yīng)慢、敏感性低，反映的旱澇程度較弱，而且該指標(biāo)未考慮底墑作用，對平均值的依賴性較大，對降水時(shí)空分布不均勻地區(qū)不能確定一個(gè)統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)，即相同的指標(biāo)值會對應(yīng)不同程度的旱澇，如我國的西北地區(qū)[7- 8]。

1.1.2 濕度指標(biāo)

濕度指標(biāo)是假設(shè)降水量為常態(tài)分布時(shí)的降水變異系數(shù)，用以表征旱澇程度，也稱標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)[11]。濕度指標(biāo)(I)定義如下：

1.1.3Z指數(shù)

Z指數(shù)是假設(shè)降水量服從概率密度函數(shù)Person-III分布對降水量進(jìn)行正態(tài)化處理，將降水量轉(zhuǎn)化為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，用以表征旱澇程度：

式中，Xi為降水的標(biāo)準(zhǔn)化變量，Xi的平均值為0，方差為1，消除了降水平均值不同而造成的影響；Cs為偏態(tài)系數(shù)，用來檢驗(yàn)觀測值是否服從正態(tài)分布，偏態(tài)系數(shù)越大，Z指數(shù)分析結(jié)果越好，越能反映出旱澇程度[7]。

式中，n為樣本數(shù)；S為樣本均方差。Z指數(shù)在描述旱澇程度時(shí)需要針對不同地區(qū)進(jìn)行修正，并給出了適用于不同地區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[7,12- 13]。該指標(biāo)計(jì)算起來較為簡便，意義明確，適合在我國北部和西北部使用，同時(shí)該指標(biāo)較降水距平百分率指標(biāo)更符合實(shí)際情況[7- 8,12]。

除以上常用指標(biāo)外，與降水量有關(guān)的旱澇指標(biāo)還有用于衡量與林火相關(guān)的干旱指標(biāo)Muger′s Index[14]、BMDI[15]、K指標(biāo)[4]、反映干旱強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)SPI[16]、連續(xù)無雨日數(shù)[17]等。

降水量指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)在于方法簡單明了、資料容易獲取、意義明確，但是該類指標(biāo)僅考慮了單一的降水量因子，沒考慮作物、下墊面及其它相關(guān)因素的影響，考慮到降水時(shí)空分布的不均勻性，降水量指標(biāo)只能大致反映干旱發(fā)生的趨勢，不能準(zhǔn)確反映某一段時(shí)間小范圍內(nèi)的干旱程度，也不能直接表示作物遭受干旱的影響程度。同時(shí)，由于降水時(shí)空結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局地性強(qiáng)，預(yù)報(bào)困難，所以降水量指標(biāo)難以大尺度使用，預(yù)報(bào)未來干旱的不確定性也較大。

1.2 溫度與降水共同影響的綜合指標(biāo)

溫度與降水共同影響的綜合指標(biāo)較單一的氣溫或降水指標(biāo)包含的應(yīng)用信息更豐富。溫度的高低反映了地面蒸發(fā)的多少，再結(jié)合降水量可綜合反映地面水分的收支狀況，從而可以間接反映作物水分收支狀況。

1.2.1 Ped干旱指數(shù)

Ped干旱指數(shù)(S)是指標(biāo)準(zhǔn)化氣溫距平與標(biāo)準(zhǔn)化降水量距平之差，可用于比較不同區(qū)域和不同年份的干旱頻率與敏感度[18]：

式中，ΔT、σT分別為月均氣溫的距平和均方差；ΔR、σR分別為月降水量的距平和均方差?；赑ed的干旱劃分為：中旱(23)。該干旱指數(shù)可作為短期氣候預(yù)報(bào)對象，服務(wù)于未來作物對水分脅迫的預(yù)測。

1.2.2 德馬頓(De. Martonne)干旱指標(biāo)

德馬頓(De. Martonne)干旱指標(biāo)(I)的計(jì)算公式為：

式中，R為月降水量；T為月均氣溫。當(dāng)?shù)埋R頓干旱指標(biāo)(I)小于30時(shí)，干旱開始發(fā)生[18]。由于溫度與蒸發(fā)有一定關(guān)系，該指標(biāo)在一定程度上考慮了水分收支情況，且資料易于獲取，計(jì)算簡單，在一定程度上指示了作物對水分脅迫的反應(yīng)。

1.2.3 水熱系數(shù)指標(biāo)

水熱系數(shù)指標(biāo)(Kw)是利用降水量和積溫表示的干旱指標(biāo)，由前蘇聯(lián)農(nóng)業(yè)氣候?qū)W家謝良尼諾夫于1971年提出：

Kw=∑P/0.1∑T≥10℃

式中，∑P、∑T≥10℃分別為日均氣溫≥10℃的降水量總和與積溫。該指標(biāo)雖然大多用于評價(jià)氣候干旱，但是積溫和降水量是作物正常生長發(fā)育的重要因子，因而也可作為作物對水分脅迫的指標(biāo)。

在各種干旱類型中，氣象干旱的表現(xiàn)最為明顯直接，是其它類型干旱發(fā)生的先導(dǎo)[19]。由于氣象指標(biāo)未考慮下墊面、作物等因素的影響，所以氣象指標(biāo)只能大致反映出干旱發(fā)生的趨勢，不能直接表示作物遭受干旱的影響程度。

2 土壤墑情指標(biāo)

土壤墑情指土壤的濕度狀況，也是反映作物對水分脅迫的最成熟的指標(biāo)之一[5]。作物生長發(fā)育的水分主要靠根系直接從土壤中獲取，土壤水分含量是限制作物生長發(fā)育的重要因子之一，可以以土壤含水量作為作物對水分脅迫指標(biāo)[20]。

2.1 土壤相對濕度

土壤相對濕度是指土壤含水量與田間持水量的百分比。根據(jù)土壤相對濕潤度(R)進(jìn)行干旱等級劃分：無旱(R>60%)、輕度干旱(50%

2.2 相對濕潤度指數(shù)

相對濕潤度指數(shù)(M)是中國氣象局2005年《干旱監(jiān)測和影響評價(jià)業(yè)務(wù)規(guī)定》中推薦的干旱指標(biāo)之一，能較好地反映土壤水分收支平衡：

式中，P為降水量；Ea為作物實(shí)際蒸散量，利用FAO推薦的Penman-Monteith修正公式與作物系數(shù)計(jì)算得到。

相對濕潤指數(shù)只能計(jì)算單一時(shí)段(季、月、旬等)的土壤水分收支平衡，不能反映前期的土壤水分盈虧對研究時(shí)段水分狀況的影響，也無法評定區(qū)域作物對水分脅迫的響應(yīng)。由于干旱是一個(gè)累積過程，為此有研究提出復(fù)合相對濕潤度指數(shù)和區(qū)域綜合相對濕潤度指數(shù)的干旱指標(biāo)[21]。

2.3 土壤有效水分存儲量

土壤有效水分存儲量(s)指存儲在作物根系活動層內(nèi)能被作物根系吸收的有效水分量：

s=0.1(w-ww)ρh

式中，w為土壤濕度；ww為凋萎濕度；ρ為土壤容重；h為土層厚度[22]。當(dāng)土壤有效水分存儲量s小到一定程度，即土壤濕度很小不足以提供作物生長發(fā)育所需的水分，作物將會發(fā)生萎蔫。因此，s可以用于評價(jià)作物缺水狀況。該指標(biāo)確定的干旱范圍需要根據(jù)土質(zhì)、作物和生長期等具體特性決定。

土壤墑情指標(biāo)是基于廣泛的試驗(yàn)而建立，土壤墑情直接影響作物各生理過程(如氣孔導(dǎo)度、葉水勢、光合速率等)[23]。由于不同作物不同生育期所需的水分不同，使用土壤墑情指標(biāo)時(shí)必須注意不同作物不同生長發(fā)育階段所需的土壤水分下限。同時(shí)，利用土壤墑情評價(jià)作物對水分脅迫響應(yīng)有其不確定性，單站土壤水分的觀測資料代表性較差，目前還不能很好地評估大尺度作物對水分脅迫的響應(yīng)[5]。

3 作物生理生態(tài)指標(biāo)

作物生理生態(tài)指標(biāo)主要包括作物生理指標(biāo)和作物形態(tài)指標(biāo)兩類。作物生理指標(biāo)包括利用葉片相對含水量、氣孔導(dǎo)度、葉水勢、光合速率、冠層溫度、蒸騰速率、細(xì)胞汁液濃度等建立的指標(biāo)；作物形態(tài)指標(biāo)是指利用作物長勢、長相來判斷作物的缺水程度。

3.1 葉水勢指標(biāo)

葉水勢指標(biāo)是反映作物對水分脅迫響應(yīng)程度的較好指標(biāo)，它不僅能夠反映氣候干旱特征，還能直接反映作物生理干旱特征，因?yàn)樗芏康胤从匙魑锶~片中的水分狀況，特別是在凌晨、干旱或半干旱區(qū)的9:00—12:00的葉水勢對于干旱程度的反映最為明顯[5,23- 24]。作物受旱時(shí)，葉水勢迅速下降。葉水勢指標(biāo)ψl與蒸騰速率、大氣水勢和葉片氣孔阻抗等因素有關(guān)：

ψl=ψa+TrRla

式中，ψa為大氣水勢，可根據(jù)氣溫和大氣相對濕度計(jì)算；Tr為蒸騰速率(μg·cm-2·s-1)，可利用能量平衡原理估算或LI- 6400直接測量；Rla為葉氣系統(tǒng)的水流阻力(s/m)，Rla=rl+ra，rl為氣孔阻抗，ra為空氣阻抗。

研究表明，葉水勢指標(biāo)是反映我國西北半干旱區(qū)作物對水分脅迫響應(yīng)最敏感的指標(biāo)[25]，并構(gòu)建了基于遙感信息的葉水勢估算模型[5]。不同地區(qū)、不同作物或不同生育期的葉水勢臨界值不同；同時(shí)，葉水勢指標(biāo)在水分脅迫足以影響作物生長時(shí)，充分供水作物和發(fā)生水分脅迫作物的葉水勢并沒有差異[23]，因此使用葉水勢指標(biāo)時(shí)需注意水分充足和不足的情況。

3.2 冠氣溫差指標(biāo)

冠層溫度是判斷作物水分虧缺最敏感的指標(biāo)之一[26]。冠氣溫差指標(biāo)是以作物冠層溫度與氣溫的差值作為判斷作物對水分脅迫響應(yīng)的依據(jù)。冠氣溫差曾被用作作物缺水狀況的指標(biāo)[27- 28]，如采用每日13:00—15:00冠氣溫差累計(jì)值S作為作物對水分脅迫響應(yīng)的指標(biāo)[29]：

式中，N為作物冠層溫度高于氣溫的連續(xù)天數(shù)，n=1為起始日期；Tc為作物冠層溫度；Ta為離作物冠層層頂2m處的氣溫。當(dāng)土壤水分減少到一定值時(shí)，作物冠層溫度將會高于氣溫，連續(xù)N天缺水后，如果S值大于作物開始缺水的臨界值S0，則表示作物發(fā)生干旱，且冠氣溫差越大，蒸騰速率也越大，缺水越多，作物受旱程度越嚴(yán)重。

不同作物(春小麥和棉花)的冠氣溫差與土壤含水量、氣象因素、環(huán)境因素之間的關(guān)系不同[30- 31]，冬小麥的冠氣溫差與產(chǎn)量存在很好的相關(guān)關(guān)系[26]，但冠氣溫差指標(biāo)受大氣環(huán)境影響較大，當(dāng)大氣蒸發(fā)力較弱時(shí)，該指標(biāo)不能真實(shí)地反映作物受水分脅迫的程度[32]。

3.3 作物水分脅迫指數(shù)

作物水分脅迫指數(shù)(CWSI)是以冠氣溫差作為主要計(jì)算因子，綜合考慮了太陽輻射、植物、大氣等各因素對作物水分狀況的影響[33]：

式中，ETd為作物實(shí)際蒸散發(fā)量；ETp為作物潛在蒸散發(fā)量[34]?；贑WSI的干旱劃分為[35]：重旱(CWSI>0.913)、中旱(0.765

當(dāng)引入冠氣溫差等計(jì)算因子后，CWSI可計(jì)算如下[37]：

(Tc-Ta)ll=A+B×VPD

(Tc-Ta)ul=A+B×VPG

式中，(Tc-Ta)為冠氣溫差，可以通過儀器觀測；(Tc-Ta)ll為作物潛在蒸發(fā)狀態(tài)下的冠氣溫差，是冠氣溫差的最小值；(Tc-Ta)ul為作物在完全沒有蒸騰作用下的冠氣溫差，是冠氣溫差的最大值；VPD為大氣飽和水汽壓差，可以通過溫度和濕度計(jì)算得到；VPG是指溫度分別Ta、Ta+A下的空氣飽和水汽壓之差；A、B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。冠氣溫差的上、下限值也可根據(jù)冠層單層能量平衡阻力模式計(jì)算，從而構(gòu)成了CWSI的理論公式[37]。CWSI在0—1之間，值越大表示受旱程度越嚴(yán)重。

該指標(biāo)能夠很好地反映冬小麥、棉花等作物的水分脅迫狀況[38- 40]，并可與遙感信息獲取的大面積作物冠層溫度相結(jié)合，及時(shí)了解作物對水分脅迫響應(yīng)的程度。但是，CWSI計(jì)算過于繁瑣，在葉面積指數(shù)較低(作物生長發(fā)育早期)時(shí)應(yīng)用效果較差，利用遙感也會額外引入地表溫度信息等噪音。

3.4 水分虧缺指數(shù)WDI

水分虧缺指數(shù)(WDI)是以冠層溫度為基礎(chǔ)擴(kuò)展而來的反映農(nóng)作物旱情的重要指標(biāo)之一，是基于能量平衡雙層模型建立起來的[41]：

式中，Ts為地表混合溫度，即作物和土壤的混合溫度；Ta為空氣溫度；(Ts-Ta)m、(Ts-Ta)x分別為地表與空氣溫差的最小值和最大值：

式中，SAVI為土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)；c0、c1、d0、d1可利用植被指數(shù)-溫度關(guān)系梯形(VIT梯形)解出。WDI越大，表明作物受旱程度越嚴(yán)重。

該指標(biāo)大多都利用了遙感信息，并克服了CWSI的不足，可以在葉面積指數(shù)較低時(shí)使用，而且遙感探測到的溫度信息更接近地表混合溫度，但在作物灌溉后遙感對于地表混合溫度反映的“滯后性”還不能解決[37]。

3.5 氣孔導(dǎo)度指標(biāo)

氣孔導(dǎo)度指標(biāo)是由水分虧缺指數(shù)(WDI)衍生而來，反映作物對水分脅迫響應(yīng)的指標(biāo)，因?yàn)閃DI在生理上反映了葉片氣孔導(dǎo)度與作物水分狀況之間的定量關(guān)系[42]。當(dāng)土壤水分虧缺，作物發(fā)生干旱時(shí)，作物葉片氣孔部分關(guān)閉，阻力增加，減少蒸騰失水速率，從而影響光合作用。干旱越嚴(yán)重，氣孔阻力越大，導(dǎo)度越小。因此，氣孔導(dǎo)度是天氣條件與土壤水分狀況等因素綜合影響的結(jié)果。氣孔阻力可用MK3和AP- 4氣孔儀測定，根據(jù)試驗(yàn)資料可建立氣孔導(dǎo)度動態(tài)模式，進(jìn)而確定作物缺水狀況。不同作物及其不同生育期的氣孔導(dǎo)度變化不同，對土壤水分閾值的響應(yīng)也不同[23]。

研究認(rèn)為，該指標(biāo)較利用蒸散量估算作物缺水狀況更準(zhǔn)確、更簡單[42]，如基于氣孔導(dǎo)度建立的冬小麥缺水指標(biāo)[37]。氣孔導(dǎo)度是反映作物對水分脅迫響應(yīng)較好的指標(biāo)，但它具有雙重調(diào)節(jié)功能，有時(shí)變化較為復(fù)雜[25]。

3.6 光合速率指標(biāo)

光合作用是植物重要的生理活動之一，是產(chǎn)生有機(jī)物質(zhì)的主要源泉。水分是進(jìn)行光合作用的重要原料，光合速率大小與作物體內(nèi)的水分狀況有直接關(guān)系，而作物體內(nèi)的水分大部分是由根系從土壤中獲取，所以光合速率大小間接地與土壤水分狀況密切相關(guān)。不同作物的光合速率對土壤水分變動的閾值響應(yīng)不相同[23]。

研究表明，玉米在輕度干旱時(shí)的光合速率會受到一定程度的抑制[43]，而高粱、糜子等作物在輕度缺水時(shí)，光合速率幾乎不受影響，甚至有些特定生育期的作物在輕度干旱時(shí)，對光合速率有促進(jìn)作用，如小麥灌漿期[44]。當(dāng)土壤水分低于15%時(shí)，冬小麥不同生育期內(nèi)的葉片光合速率隨土壤水分的減小而明顯降低[44]；冬小麥的光合速率與減產(chǎn)率具有較強(qiáng)的相關(guān)性[45]，從而為作物受旱程度的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測和產(chǎn)量監(jiān)測提供了依據(jù)。

3.7 蒸騰速率指標(biāo)

為維持作物正常生長發(fā)育的水分需求，作物主要靠蒸騰作用將水分運(yùn)輸?shù)阶魑锏母髌鞴僦腥ァ．?dāng)作物發(fā)生干旱時(shí)，作物將會自動調(diào)節(jié)自身的蒸騰速率以減少水分虧缺，干旱越嚴(yán)重，蒸騰速率也越小。研究表明，作物蒸騰速率變化對土壤水分含量有明顯的閾值反應(yīng)[23,44]；當(dāng)水分下降到植株有效水分的25%—30%時(shí)，蒸騰速率開始顯著降低[44]。

3.8 葉綠素指標(biāo)

葉綠素含量是顯示作物健康程度的生理生化指標(biāo)。當(dāng)作物發(fā)生干旱時(shí)，作物健康程度受影響。隨著植物生育期進(jìn)程，葉綠素含量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是由植物自身的生理特征決定的。作物缺水時(shí)，葉綠素含量不會呈現(xiàn)單一的增加或降低的趨勢。

研究表明，冬小麥中度缺水時(shí)葉綠素含量最大，嚴(yán)重水分脅迫時(shí)葉綠素含量最低，輕度缺水則處于居中位置，并且在嚴(yán)重缺水時(shí)，葉綠素含量隨生育期進(jìn)程變化非常緩慢[45]。玉米葉片的葉綠素合成也對水分感應(yīng)較為敏感，對土壤水分含量也存在明顯的閾值反應(yīng)，但該指標(biāo)與作物減產(chǎn)率的相關(guān)性較低，所以該指標(biāo)最好作為一個(gè)輔助指標(biāo)使用[46]。

同時(shí)，用于反映作物對水分脅迫響應(yīng)的作物生理生態(tài)指標(biāo)還有傷流量指標(biāo)、胞汁液濃度指標(biāo)等[47]。作物生理生態(tài)指標(biāo)是最能直接反映作物受旱程度的指標(biāo)，但是作物形態(tài)指標(biāo)常為定性指標(biāo)，帶有一定的主觀性，而作物生理指標(biāo)大都是在田間取植株或葉片進(jìn)行測定，不同測定時(shí)間、不同葉齡、不同葉位的測定結(jié)果存在差異，所以取樣的代表性很關(guān)鍵，該類指標(biāo)更適于小范圍的作物旱情監(jiān)測[32,48]。

4 其它監(jiān)測指標(biāo)

4.1 作物供需水指標(biāo)

作物供需水指標(biāo)是指在大氣-土壤-作物系統(tǒng)中從農(nóng)作物的水分供需變化出發(fā)，以農(nóng)田水量平衡為依據(jù)，通過田間試驗(yàn)及現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的統(tǒng)計(jì)分析，綜合考慮研究時(shí)段內(nèi)降水、地下水利用、灌溉水量、作物需水量等供水和需水因素，提出的能合理反映農(nóng)作物旱象、旱情的一種綜合性指標(biāo)。

陜西省作物旱情預(yù)報(bào)系統(tǒng)就是從作物旱情測報(bào)出發(fā)提出的反映作物受旱程度的作物供需水指標(biāo)Kd[49]：

式中，P為有效供水量(mm)；W為作物需水量(mm)；P0為時(shí)段內(nèi)有效降水量(mm)；G為時(shí)段內(nèi)地下水利用量(mm)；W0、W1、W2分別為作物根系活動層內(nèi)土壤凋萎含水量(mm)、時(shí)段初期土壤含水量(mm)、時(shí)段末期土壤含水量(mm)；I為時(shí)段內(nèi)灌溉水量(mm)；ET為時(shí)段內(nèi)充分供水時(shí)的作物需水量(mm)。據(jù)此提出的陜西省作物供需水指標(biāo)Kd為[49]：偏澇(Kd>1.3)、正常(1.3≥Kd>0.8)、輕旱(0.8≥Kd>0.6)、中等干旱(0.6≥Kd>0.4)、重旱(0.4≥Kd>0)、極端干旱(作物凋萎、死亡)(Kd=0)。

該指標(biāo)涉及多種水分因子，物理概念明確，所需參數(shù)可利用氣象資料、實(shí)驗(yàn)資料或計(jì)算求得，實(shí)際應(yīng)用效果較好。

4.2 減產(chǎn)百分率模型指標(biāo)

減產(chǎn)百分率模型指標(biāo)(L)是以不同生育階段水分虧缺對作物產(chǎn)量影響，綜合確定的作物對水分脅迫響應(yīng)的指標(biāo)：

式中，Y為實(shí)際產(chǎn)量；Ym為使用作物光溫生產(chǎn)潛力計(jì)算的最大產(chǎn)量；n為作物的生育階段；λi為作物在第i階段的水分敏感系數(shù)，反映不同生育期缺水對作物產(chǎn)量的影響程度；ETa為實(shí)際耗水量；ETm為最大耗水量。據(jù)此，給出的冬小麥干旱指標(biāo)為[50]：輕旱(減產(chǎn)10%以下)、中旱(10%—20%)、重旱(20%—30%)、嚴(yán)重干旱(大于30%)。該指標(biāo)對產(chǎn)量預(yù)報(bào)具有重要意義。

4.3 農(nóng)作物水分綜合指標(biāo)

農(nóng)作物水分綜合指標(biāo)D計(jì)算如下：

式中，P為作物生長期內(nèi)的降水量；Re為無效降水量，即徑流量與深層滲漏量之和；ρ0為作物生長初期根系層的平均土壤含水量；ρg為根系層內(nèi)1mm降水量引起土壤含水量的增加量；Rg為同時(shí)段地下水補(bǔ)給量；E0為作物生長期內(nèi)的潛在蒸發(fā)量；ρm為作物正常生長發(fā)育所要求的適宜土壤含水量。據(jù)此，給出的農(nóng)作物水分綜合指標(biāo)D劃分為：水分過多(D>1.3)、正常(0.8

4.4 PDSI干旱指標(biāo)

帕爾默干旱指標(biāo)PDSI是以土壤水量平衡為依據(jù)，綜合考慮水文循環(huán)的各項(xiàng)因子(如降水、蒸散、徑流等)及相應(yīng)影響作物對水分脅迫響應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，是一種被廣泛應(yīng)用于評估作物旱情的綜合性干旱指標(biāo)[51]：

PDSI=kid

d=P-P0=P-(αiPET+βiPR+γiPRO-δiPL)

Ki=17.67K′/∑DK′

K′=1.5lg{[(PET+R+RO)/(P+L)+2.8]/D}+0.5

式中，P為實(shí)際降水量；P0為氣候適宜的降水量；PET、PR、PR0、PL分別為可能的蒸散量、土壤水補(bǔ)給量、徑流量、損失量；R、R0、L分別為實(shí)際的土壤水補(bǔ)給量、徑流量、損失量；D為各月水分距平d的絕對值的平均值；α、β、γ、δ分別為各項(xiàng)對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，其值取決于研究區(qū)域的氣候特征。該指標(biāo)被廣為應(yīng)用并修正，如基于PDSI的適于較大空間尺度的作物水分指標(biāo)CMI[52]、自適應(yīng)帕默爾干旱指數(shù)(SC-PDSI)[53]、修正帕爾默干旱指數(shù)(MPDSI)[54- 55]和適于中國的帕爾默干旱指數(shù)[56- 57]。

PDSI指標(biāo)是迄今為止應(yīng)用最廣泛、最成功、最具突破性進(jìn)展的干旱指標(biāo)，基本上能描述干旱發(fā)生、發(fā)展直至結(jié)束的全過程，具有較好的時(shí)間、空間可比性，但該指標(biāo)考慮因子較多，對資料條件要求高，計(jì)算也過于繁瑣，具有較大的任意性，無法實(shí)現(xiàn)逐日作物對水分脅迫響應(yīng)的監(jiān)測[6,19,21,58]。

4.5 干旱經(jīng)濟(jì)計(jì)量指標(biāo)

干旱經(jīng)濟(jì)計(jì)量指標(biāo)是以作物產(chǎn)量、收益、價(jià)格、糧食供需情況等經(jīng)濟(jì)因子來評估干旱影響程度的指標(biāo)，如在尼日利亞的干旱區(qū)，采用供給響應(yīng)函數(shù)作為主要糧食作物小米對水分脅迫響應(yīng)的指標(biāo)[59]：

Qmt=α0+α1RAINt+α2(RAIN)2+α3Pmt-1+α4Pst-1+α5T+Ut

式中，Qmt為t時(shí)段小米產(chǎn)量；RAINt為t時(shí)段降水指數(shù)，即該時(shí)段降水量與多年平均降水量之比；Pmt-1為剔除通貨膨脹后上一年的小米價(jià)格；Pst-1為剔除通貨膨脹后上一年的高粱(競爭糧食作物)價(jià)格；T是由于生產(chǎn)技術(shù)改變而產(chǎn)生的時(shí)間趨勢項(xiàng)；Ut為t時(shí)段隨機(jī)誤差；α0、α1、α2、α4、α5為各項(xiàng)對應(yīng)的參數(shù)估計(jì)。降水量越少，干旱越嚴(yán)重，小米產(chǎn)量越低，供給量則越少。研究表明[59]，降水量減少1%，小米產(chǎn)量將降低0.45%。

干旱經(jīng)濟(jì)計(jì)量指標(biāo)考慮了人文、環(huán)境、社會等非農(nóng)業(yè)因素，不能直接反映作物的實(shí)際干旱程度，同時(shí)，該指標(biāo)滯后性大，對實(shí)際應(yīng)對農(nóng)業(yè)干旱效果不顯著。

4.6 遙感干旱監(jiān)測指標(biāo)

隨著地面遙感、衛(wèi)星遙感、雷達(dá)遙感、微波遙感等多種遙感手段的增加，為作物旱情監(jiān)測開辟了一條新途徑。目前，遙感干旱監(jiān)測從溫度、土壤水分、作物長勢等角度，建立了基于水分平衡和能量平衡的多種監(jiān)測模型，主要利用方法有熱慣量法、蒸散法、植被指數(shù)法、微波遙感法等[35]。同時(shí)，基于作物光譜信息可反映作物的水分狀況[60]。

遙感技術(shù)為作物水分脅迫指數(shù)CWSI、水分虧缺指數(shù)WDI等干旱指標(biāo)的計(jì)算與資料獲取提供了方便，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)期、大范圍的動態(tài)干旱監(jiān)測[61]，但是遙感信息的“滯后性”問題有待進(jìn)一步解決。

5 問題與展望

國內(nèi)外科學(xué)家已就干旱指標(biāo)開展了大量研究，具有代表性的氣象指標(biāo)、土壤墑性指標(biāo)和作物生理生態(tài)指標(biāo)分別從大氣干燥程度、土壤供水能力和作物耐旱能力方面描述了作物的缺水程度；而且各類干旱指標(biāo)都具有一定的時(shí)間與空間尺度范圍[62]，還不能綜合反映不同地區(qū)的自然條件、下墊面、作物品種、人類活動等因素影響，都具有一定的局限性。迄今為止，還沒有建立起一個(gè)可用于作物對水分脅迫響應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)指標(biāo)即作物干旱，更沒有將作物干旱與其光合能力聯(lián)系起來進(jìn)行作物干旱分級，制約著減緩和預(yù)防干旱對農(nóng)業(yè)不良影響的科學(xué)政策與措施的制定。

為此，迫切需要開展作物干旱監(jiān)測預(yù)警及評價(jià)關(guān)鍵技術(shù)的研究。通過分析主要作物不同生育期對不同等級氣象干旱與土壤水分及其持續(xù)時(shí)間響應(yīng)的生物學(xué)特征，揭示作物干旱對氣象干旱與土壤干旱的響應(yīng)特征與關(guān)系；建立作物對氣象干旱與土壤干旱響應(yīng)的生物學(xué)指標(biāo)體系、作物干旱與土壤水分關(guān)系模型及作物干旱與氣象干旱關(guān)系模型；結(jié)合遙感監(jiān)測信息，完善作物干旱的遙感監(jiān)測指標(biāo)；研發(fā)耦合遙感信息的作物干旱監(jiān)測指標(biāo)體系及作物干旱等級劃分與災(zāi)損評估技術(shù)，開發(fā)作物干旱監(jiān)測預(yù)警及評估業(yè)務(wù)系統(tǒng)，以科學(xué)地制定作物應(yīng)對干旱的對策措施，確保作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。

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Advance in the study on drought index

LI Bozhen, ZHOU Guangsheng*

ChineseAcademyofMeteorologicalSciences,Beijing100081,China

Drought as one of the most common natural disaster in the world, had caused serious influence on agricultural production in China. To accurately predict the drought affecting agricultural production, this paper reviews various kinds of drought indices which are widely used at home and abroad in recent years, including meteorological index, soil moisture index, crop physiological and ecological index, and other comprehensive monitoring index. Moreover, this paper also analyzes the advantage and disadvantage of different drought indices and their adaptabilities in agriculture, and discusses the important tasks of drought index research centering on crop drought in the future, in order to mitigate and prevent the negative impact of drought on agricultural and provide reference for the manage countermeasures.

drought index; meteorological index; soil moisture content index; crop physiological and ecological index; comprehensive monitoring index

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB951303)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(200903003)

2012- 10- 20;

2013- 06- 21

10.5846/stxb201210201457

*通訊作者Corresponding author.E-mail: gszhou@ibcas.ac.cn

李柏貞，周廣勝.干旱指標(biāo)研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(5):1043- 1052.

Li B Z, Zhou G S.Advance in the study on drought index.Acta Ecologica Sinica,2014,34(5):1043- 1052.