霍治國 尚 瑩 鄔定榮 吳 立 范雨嫻 王培娟 楊建瑩 王純枝
1)(中國氣象科學研究院, 北京 100081) 2)(南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210044) 3)(福建省氣象服務中心, 福州 350001) 4)(湖南省益陽市氣象局, 益陽 413000) 5)(國家氣象中心, 北京 100081)
小麥干熱風災害是危害我國北方麥區(qū)的主要農(nóng)業(yè)氣象災害之一?;谝延醒芯砍晒蛯嶋H災情,從干熱風的概念、分類及研究方法出發(fā),對小麥干熱風災害的危害機理、氣象環(huán)境成因、致災指標、時空分布、監(jiān)測預報及防御措施等方面進行了系統(tǒng)歸納闡述,并對未來小麥干熱風災害研究方向進行展望。我國小麥干熱風災害主要分為高溫低濕型、雨后青枯型及旱風型3種,形成的氣象環(huán)境成因主要受干熱風天氣系統(tǒng)、氣候變暖、土壤墑情的影響,致災指標主要分為形態(tài)學、氣象學、綜合指數(shù)指標。小麥干熱風災害的危害總體呈東西兩邊重、中間輕的分布格局,主要發(fā)生在黃淮海平原、河西走廊和新疆3個地區(qū)。氣候變暖背景下,大部分地區(qū)的干熱風年日數(shù)在20世紀80—90年代出現(xiàn)突變,近30年呈明顯加重擴大趨勢?;谕寥缐勄橛绊懙男←湼蔁犸L災害等級指標構建、小麥干熱風過程的災害監(jiān)測預警方法、氣候變化背景下小麥干熱風災害時空分布新變化及其氣象環(huán)境成因等是今后研究的重點方向。
政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第4次、第5次報告指出,全球變暖影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),造成作物生產(chǎn)不穩(wěn)定性增強,農(nóng)業(yè)災害頻發(fā)。氣候變化造成極端氣候事件愈強愈多[1-3],農(nóng)業(yè)氣象災害格局發(fā)生改變[4],對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及糧食安全造成顯著影響[5-9]。僅2016年因農(nóng)業(yè)氣象災害導致的農(nóng)作物受災面積就達2.62×107hm2,占全國農(nóng)作物種植面積的15.7%。我國是糧食生產(chǎn)大國,小麥是僅次于水稻的第二大糧食作物。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植業(yè)管理司統(tǒng)計顯示,2016年我國小麥產(chǎn)量達1.29×108t,占糧食總量的20.9%。干熱風是影響我國小麥產(chǎn)量的主要農(nóng)業(yè)氣象災害之一,一般年份會造成減產(chǎn)5%~10%,嚴重年份減產(chǎn)20%~30%[10]。如1982年我國北方13個省(市、區(qū))小麥受干熱風災害嚴重危害,受災面積達1.44×107hm2,占小麥種植面積的70.9%,導致小麥減產(chǎn)1.84×109~3.68×109kg[11]。
我國自20世紀50年代后期開始對干熱風進行研究,小麥干熱風災害研究成果多集中于70年代末至80年代初,以北方小麥干熱風科研協(xié)作組為代表,在小麥干熱風氣象指標、危害機理、分布規(guī)律、氣候區(qū)劃、環(huán)流特征及防御措施等方面取得重要研究成果。20世紀80年代末至21世紀初,有關小麥干熱風氣象指標及環(huán)流特征的研究進一步發(fā)展。近20年來,研究多集中于小麥干熱風災害的區(qū)域時空變化。隨著遙感技術、地面監(jiān)測儀器、天氣預報模式的發(fā)展,近10年小麥干熱風的監(jiān)測預報技術有了較大進步。但在氣候變暖背景下,小麥干熱風災害發(fā)生格局呈擴大加重態(tài)勢,已有的干熱風氣象指標已不能滿足業(yè)務需求,針對干熱風災害的深入研究亟待加強。
本文綜合多方面研究成果,對小麥干熱風災害的概念、分類、致災指標、危害機理、氣象環(huán)境成因、時空分布、監(jiān)測預報、預測及防御等方面進行梳理整合,以期為我國小麥種植布局調(diào)整、防災減災提供科學依據(jù)。
1.1.1 干熱風
干熱風是一種高溫低濕并伴有一定風力的農(nóng)業(yè)災害性天氣,通常發(fā)生在作物生長旺盛期,高溫、低濕導致作物生理干旱,風力則加劇干旱程度。干熱風天氣一般在4—8月對我國小麥、棉花[12]、玉米[13]、水稻[14]、油菜[15]、柑橘[16]、葡萄、桑樹、茶樹[17]等作物產(chǎn)生危害,約2~4年出現(xiàn)1次嚴重的干熱風年。如湖南省婁底地區(qū)在1981年6月、1985年5月、1988年5月發(fā)生3次干熱風災害,共造成柑橘損失2.84×104t,經(jīng)濟損失約3200多萬元[16]。新疆哈密墾區(qū)在2001—2002年共發(fā)生2次干熱風災害,造成棉花減產(chǎn)達10%~15%[18]。國外干熱風主要發(fā)生在俄羅斯歐洲部分的南部和東南部及中亞沙漠東部到西伯利亞森林草原地帶、烏克蘭、美國的南部和中西部、日本的西南溫帶、北非的撒哈拉一帶以及中東和澳大利亞[10]。
1.1.2 小麥干熱風
小麥干熱風是指在小麥揚花灌漿期間出現(xiàn)的一種高溫低濕并伴有一定風力的災害性天氣。它可使小麥水分代謝失衡,嚴重影響小麥各種生理功能,千粒重明顯下降,導致顯著減產(chǎn)。危害輕年造成小麥減產(chǎn)5%~10%,千粒重下降1~3 g;危害重年導致小麥減產(chǎn)20%~30%或30%以上,千粒重下降4~5 g及以上。2000—2005年青海省諾木洪地區(qū)有無干熱風年份的春小麥千粒重對比表明,出現(xiàn)干熱風年份春小麥千粒重比無干熱風年份春小麥千粒重低1.47~4.03 g[19]。1971—2010年內(nèi)蒙古包頭市因干熱風天氣過程導致小麥減產(chǎn)共有11年,平均減產(chǎn)18%,最高減產(chǎn)38%,最低減產(chǎn)1%[20]。據(jù)2017年小麥干熱風災情實地調(diào)查記錄,2017年5月25—30日河南省商丘睢陽區(qū)出現(xiàn)一次干熱風過程,導致小麥干尖炸芒、干枯逼熟,千粒重減少2~3 g,與前一年相比降低5%。
基于干熱風發(fā)生時氣象要素不同組合對小麥影響與危害結果的差異,我國小麥干熱風災害分為高溫低濕型、雨后青枯型及旱風型3種。
1.2.1 高溫低濕型
高溫低濕型在小麥揚花灌漿過程中均有可能發(fā)生,通常發(fā)生在小麥開花后20 d前后至蠟熟期,是我國北方麥區(qū)干熱風發(fā)生的主要類型。干熱風發(fā)生時,溫度突升,空氣濕度驟降,伴有一定風速。高溫低濕型干熱風特點為發(fā)生地域廣,常造成小麥大面積干枯逼熟死亡,產(chǎn)量下降明顯。河南省商丘地區(qū)此類干熱風占總干熱風類型發(fā)生的80%~90%[21]。1982年5月初起河北省1個月內(nèi)出現(xiàn)6次干熱風,導致9個地區(qū)小麥受災6.67×105hm2[22]。2014年5月26—30日華北中南部、黃淮大部出現(xiàn)輕至重度干熱風天氣,部分地區(qū)麥田受災,冬小麥灌漿速率下降,造成減產(chǎn)。
1.2.2 雨后青枯型
雨后青枯型又稱雨后熱枯型、雨后枯熟型或青干,一般發(fā)生在乳熟后期,即小麥成熟前10 d左右,在一次降水過后天氣放晴,溫度突升,濕度驟降,引起小麥青枯早熟,多出現(xiàn)在黃淮海、寧夏以及青海地區(qū)。有時連陰雨天氣過后,高溫低濕天氣也可造成小麥青枯早熟。雨后氣溫回升越快,溫度越高,青枯發(fā)生越早,危害越重。如1967年5月末山西臨汾盆地、萬榮縣、長治盆地、晉中介休等平川地帶出現(xiàn)雨后青枯型干熱風,天氣表現(xiàn)為雨后暴熱,導致小麥青干,千粒重比1965年降低15%~25%,祁縣全縣2.0×103hm2小麥未成熟即青干枯死[23]。但有時雨后濕度并不低,無風同樣可造成青枯,導致嚴重經(jīng)濟損失。據(jù)2017年小麥干熱風災情實地調(diào)查記錄,2017年5月30日河南省禹州出現(xiàn)雨后猛晴天氣,日最高氣溫在32℃左右,14:00(北京時,下同)相對濕度約為40%,14:00風速為1 m/s,小麥出現(xiàn)青枯癥狀。
1.2.3 旱風型
旱風型又稱熱風型,多在干旱年份發(fā)生,主要發(fā)生在新疆地區(qū)及西北黃土高原的多風地帶。表現(xiàn)為在小麥揚花灌漿期,風速大、濕度低,配合一定的高溫。旱風型對小麥危害與高溫低濕型相似,同時大風加劇了大氣干燥程度,促使農(nóng)田蒸散作用加強,造成小麥葉片卷縮成繩狀,或葉片撕裂破碎。如2004年6月12—15日新疆奎屯河流域出現(xiàn)旱風型干熱風,40℃以上高溫連續(xù)出現(xiàn),4~6級大風持續(xù)4 h,導致小麥芒變干,黃熟期縮短5 d,千粒重降低,減產(chǎn)10%~15%[24]。
目前小麥干熱風災害研究主要有模擬試驗與數(shù)值模擬兩種方法,主要開展干熱風對小麥生理機能、災害損失等影響的定量研究。
1.3.1 模擬試驗方法
模擬試驗方法是指在農(nóng)場試驗田[25]、模擬箱[26]等環(huán)境中模擬干熱風災害過程,通過人工控制小麥在不同生育時段下的氣象環(huán)境、受災時長等條件,研究干熱風與小麥受災癥狀、千粒重、產(chǎn)量的相關關系,揭示災害對小麥生理生化過程及產(chǎn)量損失的影響。如王邦錫等[27]在1971年制作簡易木條玻箱,以電熱絲做熱源、排氣電風扇做風源的模擬干熱風裝置研究春小麥在干熱風條件下的生理變化。2011—2012年,成林等[28]于河南省鄭州農(nóng)業(yè)氣象試驗站,利用簡易氣候箱模擬干熱風發(fā)生氣象條件,定量探究干熱風過程對冬小麥不同灌漿時段及千粒重的影響。趙鳳華等[29]自制干熱風便攜模擬裝置,在2012年5月15日于位于山東省的中國科學院禹城綜合試驗場進行干熱風對冬小麥脅迫試驗,探究干熱風對灌漿期冬小麥旗葉光合蒸騰的影響。
模擬試驗方法具有較強的可控性,剔除多因子干擾影響,可在小麥生長過程中定量測定干熱風災害對其各項生理功能、產(chǎn)量構成因素等的影響[30],是最早用于干熱風災害過程定量影響的研究方法。但模擬裝置無法完全還原干熱風過程的天氣條件,同時試驗周期長,對模擬裝置及模擬過程也有很高的要求。
1.3.2 數(shù)值模擬方法
數(shù)值模擬方法分為兩類:一類利用作物生長模型模擬計算干熱風對小麥產(chǎn)量影響;另一類基于氣象模式模擬干熱風過程要素特征[31],探究干熱風的發(fā)生機制和物理特性等。如朱玉潔等[32]以河南省5個地區(qū)的9個典型干熱風年份為例,利用作物模型提取小麥干熱風災害損失并與實際災損值進行比較,二者的標準均方根誤差為0.36,平均準確率為68.69%,決定系數(shù)為0.81。王姝等[33]基于陜西省楊凌地區(qū)2010—2012年的氣象數(shù)據(jù),比對得出中尺度氣象模式(WRF)對干熱風過程的溫度、濕度、風速氣象要素場模擬較為準確,相對誤差范圍分別為-13.55%~8.41%,2.87%~28.33%,-12.41%~12.62%;北京大學陸面模式(PKULM)對植物的感熱、潛熱通量模擬優(yōu)于中尺度氣象模式(WRF)。
數(shù)值模擬方法隨著近幾十年作物模型及數(shù)值模式的不斷發(fā)展逐漸被采用,該方法節(jié)省人力物力,高效便捷。但目前小麥生長模型在參數(shù)選取等對模型結果影響方面還存在不確定性[34];在作物模型中單獨提取干熱風災害對小麥造成的損失也是干熱風研究的難點;模式參數(shù)化方案在定量植物生化過程及模式精度等方面有待細化[31]。
干熱風出現(xiàn)在小麥不同生育時段,對小麥造成的損傷、產(chǎn)量影響差異明顯,出現(xiàn)在小麥灌漿期對小麥的影響超過出現(xiàn)在小麥開花期。當干熱風出現(xiàn)在小麥開花期會使花藥破裂從而無法授粉,增加了不實小穗數(shù)[35],穗粒數(shù)減少。而出現(xiàn)在小麥灌漿期會明顯影響產(chǎn)量,其中灌漿中后期影響大于灌漿初期。試驗測定結果表明:在小麥灌漿后期重度、灌漿中期重度、灌漿中期輕度干熱風分別導致千粒重降低5.4 g,3.64 g和1.78 g,降幅達14.5%,9.7%和4.8%[28]。
2.1.1 蒸騰加劇、旗葉損傷、根系活力減弱
干熱風天氣過程會不同程度地對小麥旗葉造成蒸騰脅迫、損傷旗葉,增加根系傷流量、減弱根系吸水能力。在干熱風脅迫下,小麥植株蒸騰強度比平時高30%~50%,最高可達66.7%[36],造成葉溫升高,呼吸作用加強,增加消耗,阻礙小麥正常生理活動。從旗葉損傷癥狀上看,受危害的小麥初始階段旗葉凋萎,1~2 d后青枯變脆[20],連續(xù)幾日則衰老凋亡[37]。從根系傷流量增加情況看,在輕、重干熱風試驗處理下,小麥根系傷流量的脅迫量分別為15.5%,40.1%;處理后次日10:00根系傷流量測定結果表明:輕度、重度干熱風處理,小麥根系傷流量分別為0.00505 g/h,0.00560g/h,均高于無干熱風條件下小麥的根系傷流量0.00475 g/h[38]。
2.1.2 灌漿期縮短及干物質(zhì)累積降低
干熱風會降低小麥灌漿速度,縮短灌漿日期,減少干物質(zhì)累積,導致小麥千粒重下降。以河南省干熱風典型年為例,1979年5月24-30日干熱風過程致使小麥灌漿期縮短5 d,千粒重較前一年下降15.1 g[39]。2000年5月18—21日河南省新鄉(xiāng)出現(xiàn)干熱風,導致小麥提前5~7 d進入成熟期[40]。小麥日灌漿速度主要受干熱風日數(shù)和日最高氣溫影響,低濕和風則會加重日灌漿速度下降[41]。高溫通過對小麥蛋白質(zhì)和淀粉粒脅迫,造成蛋白質(zhì)合成速度降低,淀粉充實不良[42],減少干物質(zhì)累積,其中當灌漿期溫度超過30℃,總淀粉含量下降,溫度達到40℃時,總淀粉含量最低[43]。
2.1.3 葉綠素含量減少及光合速率下降
干熱風可損傷小麥細胞膜系統(tǒng),降低葉綠素含量,導致小麥光合速率下降。當出現(xiàn)在小麥灌漿結束期,小麥葉片葉綠素含量可減少80%以上[44-45],溫度越高對葉綠素破壞速度越快。日最高氣溫在32℃以下,小麥葉綠素含量無明顯變化,日最高氣溫高于32℃時,葉綠素含量急劇下降,34℃為葉綠素半致死溫度[46]。北方小麥干熱風科研協(xié)作組曾于1980年在河南省鄭州市進行干熱風測定試驗,干熱風天氣條件下,平均每天葉綠素含量下降19.11%,干熱風第3天,小麥葉綠素含量降低57%以上;而在無干熱風條件下,葉綠素含量平均每天下降僅為6.67%[11]。
干熱風出現(xiàn)在小麥灌漿中期對光合作用抑制程度大于出現(xiàn)在灌漿前期。通常在灌漿中期輕干熱風條件下光合速率脅迫量為9.7%~20.2%[39]。
雨后青枯型干熱風的危害機理與高溫低濕型有很大差異。降水前后氣溫呈現(xiàn)明顯的高、低、高“V”字型變化趨勢,是造成小麥青枯的主要原因,高低溫差越大,小麥青枯程度越重,降水時段和降水量僅是造成小麥青枯的間接原因。河南省小麥青枯研究協(xié)作組于1986年利用溫室和網(wǎng)室模擬雨后青枯型氣象條件變化,證實了青枯型干熱風的危害成因[47]。雨后高溫或雨后天氣轉(zhuǎn)晴,導致小麥蒸騰加劇,小麥灌漿中后期根系衰老,蒸騰強度平均可增加28%,根系吸水能力平均下降16%[48]。吸水滿足不了蒸騰消耗,導致小麥植株細胞生理失水而受害[49]。
雨后青枯型干熱風發(fā)生時氣象環(huán)境劇烈變化,使有害的氮代謝產(chǎn)物在植株內(nèi)累積,麥株枯萎。植株內(nèi)氮含量高導致植株無法正常落黃,外表即表現(xiàn)為青枯,小麥灌漿停止。河南省農(nóng)業(yè)科學院測定的數(shù)據(jù)表明:自然落黃的小麥旗葉在灌漿中期、后期含氮量為2.5%及低于0.9%,而青枯的小麥旗葉在灌漿中期、后期含氮量分別為3.5%,2%[50]。
干熱風是一種大范圍的災害性天氣,形成于特定的大尺度環(huán)流背景下。干熱風的出現(xiàn)與500 hPa和700 hPa環(huán)流場及850 hPa溫度場關系密切;各高度環(huán)流場、850 hPa干暖區(qū)強度差異造成干熱風輕重程度不同[51];干熱風持續(xù)時間受大氣環(huán)流形勢移動速度影響,當系統(tǒng)移動緩慢,干熱風維持時間較長[24]。鑒于干熱風天氣條件的區(qū)域差異性,通常將我國北方麥區(qū)劃分為黃淮海地區(qū)、西北地區(qū)分別進行干熱風天氣系統(tǒng)的研究。
3.1.1 黃淮海地區(qū)
黃淮海地區(qū)出現(xiàn)的干熱風大多是由于北方冷空氣南下,高空至地面為下沉氣流,絕熱增溫使近地面變干變熱[52]。此時也正值北方雨季來臨前,天氣晴朗、少雨,東亞大槽強度減弱,主體東移,在120°E附近仍有小槽,黃淮海地區(qū)處槽后厚而廣的西北氣流之下[53-54]。
從熱力、動力角度看,干熱風產(chǎn)生有兩種典型機制:一種為西北干空氣局地加熱作用,另一種為南風越山氣流的焚風效應[33]。從波型上分析,500 hPa高度場平均距平圖中,貝加爾湖附近呈現(xiàn)高壓脊與干熱風出現(xiàn)有顯著關系[55],可分為兩槽一脊型、西北氣流型、一槽一脊型及東亞大槽型4種類型。據(jù)山西省長治地區(qū)1977—2006年出現(xiàn)的干熱風天氣500 hPa環(huán)流形勢統(tǒng)計,兩槽一脊型發(fā)生占比最高為63%,其次為西北氣流型發(fā)生幾率為23%,一槽一脊型及東亞大槽型較少出現(xiàn),分別為10%,4%[56]。對1959—1978年黃淮海地區(qū)78次干熱風天氣在700 hPa高空圖上直接影響系統(tǒng)進行歸類分析,700 hPa系統(tǒng)可分為西北氣流型、高壓脊型以及高壓后部型3種類型[10]。
3.1.2 西北地區(qū)
西北麥區(qū)主要包括蒙、甘、寧春麥區(qū)及新疆冬、春麥區(qū)。蒙、甘、寧春麥區(qū)干熱風發(fā)生當日700 hPa環(huán)流形勢可分為烏拉爾山高脊型、蒙古暖脊型以及貝加爾湖阻高型[57-58]。新疆干熱風天氣受500 hPa暖高壓脊控制,可劃分為5種類型,即北大西洋東部及西南歐長槽型、歐洲脊東移與青藏高壓脊疊加型、沙特-伊朗副熱帶高壓與青藏高壓結合北突型、青藏-新疆長脊型、沙特-伊朗副熱帶高壓和北支鋒區(qū)脊在中亞疊加型[58]。
干熱風對氣候變化響應極其敏感,干熱風災害年代際變化與我國溫度變化具有一致性。1950—2015年我國溫度增幅約0.25℃/(10 a)[59],以1987年為界,前期為冷期,我國溫度小幅度波動;后期為暖期,我國溫度明顯上升,1990—2009年近20年,我國氣溫增幅約為0.45℃/(10 a)[60]。而我國多數(shù)干熱風經(jīng)常發(fā)生地區(qū),在20世紀80—90年代存在突變,即20世紀80—90年代前期干熱風日數(shù)總體呈下降趨勢,80—90年代后期呈上升趨勢且強度不斷加強[61-63]。
20世紀90年代以來,氣候變暖及極端干旱導致小麥干熱風災害發(fā)生頻次、強度增加,發(fā)生區(qū)域擴大,危害加重。
1961—2010年黃淮海地區(qū)干熱風發(fā)生頻次總體表現(xiàn)為波動下降趨勢[64-65],風速顯著減弱是災害整體趨勢下降的主要原因之一[66]。其中在20世紀90年代干熱風發(fā)生頻次達到最低,但從90年代末開始,干熱風發(fā)生頻次呈明顯增加且程度加重趨勢。如河南干熱風發(fā)生臺站數(shù)從1997年起以每年2.01%比例遞增[67];山東省濱州市干熱風年平均日數(shù),90年代為1.1 d, 2001—2009年明顯增加,達2.6 d[68]。
在西北地區(qū),寧夏1961—2014年以1992年為突變點,干熱風平均年發(fā)生站數(shù)由21增加至45,發(fā)生頻次由每年0.8日次上升到每年2.2日次[69]。氣溫升高是造成寧夏20世紀90年代后期以來干熱風次數(shù)顯著增加的主要原因[69]。青海高原干熱風發(fā)生站次90年代較80年代偏多7站次,較2001—2010年偏少6.2站次;干熱風發(fā)生區(qū)域擴大,如湟源、貴南等在1961—2009年幾乎未發(fā)生過干熱風的地區(qū),僅2010年就出現(xiàn)了兩次[70]。
20世紀80年代后期以來,我國小麥干熱風年代際變化存在周期性特征。如對京津冀地區(qū)1971—2001年重度干熱風發(fā)生總站數(shù)進行Morlet小波分析,發(fā)現(xiàn)重度干熱風發(fā)生總站數(shù)具有10年左右周期[71];基于功率譜分析方法,河南省1967—1996年干熱風發(fā)生日數(shù)存在準6年和準3年周期性[72];甘肅省干熱風次數(shù)自1980年起存在6年準周期性且呈不斷增強趨勢[71-73];淮北地區(qū)20世紀80年代起平均5~8年出現(xiàn)1次重度干熱風天氣過程,大范圍輕度干熱風年型以3~4年為周期居多[63]。
氣候變暖導致區(qū)域小麥干熱風年代際變化差異顯著。1971—2005年河北省重度干熱風發(fā)生總?cè)諗?shù)年代際變化明顯,1981—1990年、1991—2000年、2001—2005年3個階段重度干熱風總?cè)諗?shù)平均分別為2.7 d,1.8 d,4.2 d;但重度干熱風平均總?cè)諗?shù)與干熱風平均總?cè)諗?shù)沒有明顯的對應關系,20世紀80年代后期至90年代,河北省干熱風發(fā)生總?cè)諗?shù)平均為35年間的最少階段[55]。青海省1961—2010年干熱風平均站次數(shù)變化,20世紀80年代較70年代偏少1.1站次,較90年代偏少7站次,90年代站次數(shù)又較2001—2010年偏少6.2站次[70]。甘肅省干熱風次數(shù)在1961—1975年相對較多,1976—1989年相對較少,1990—2006年迅速增多[73]。
土壤墑情可影響小麥干熱風的發(fā)生與危害程度。一方面,土壤墑情可改變地表間的熱通量和動量交換,從而影響小麥立地環(huán)境的溫度和降水[74-75]。另一方面,土壤墑情的變化可影響小麥的干旱脅迫,當土壤墑情上升一定程度,小麥受脅迫情況得以緩解,反之土壤墑情降低一定程度,小麥受脅迫程度加劇[76]。當溫度由30℃升至34~36℃時,植物的耗水量會突增60%[77];當耕作層有效水分儲存量少于10 mm,干旱脅迫使小麥根系干物質(zhì)累積下降、加速衰亡,降低產(chǎn)量[78-79]。1965年7月下旬甘肅省酒泉、張掖兩市出現(xiàn)干熱風過程,灌溉地區(qū)小麥平均減產(chǎn)30~37.5 kg/hm2,未灌溉地區(qū)小麥平均減產(chǎn)60~75 kg/hm2,灌溉明顯減輕了干熱風的危害程度。
在土壤墑情好的年份,可減輕干熱風的危害程度。實際生產(chǎn)中,由于土壤墑情好,曾觀測到輕度干熱風未對小麥造成明顯影響的個例。1989年、1992年青海均出現(xiàn)干熱風過程,由于土壤墑情好,干熱風危害較輕。2017年5月27—28日山東省莘縣出現(xiàn)一次輕度干熱風過程,由于該地區(qū)土壤墑情好,小麥無受害癥狀,當年也未造成減產(chǎn)。目前對土壤墑情可進行地面觀測及高空遙感監(jiān)測[80]。姜亞珍等[81]利用遙感資料監(jiān)測2010年河北省干熱風期間的土壤墑情,驗證了可根據(jù)土壤墑情情況判定干熱風嚴重程度。
小麥干熱風災害指標是判別干熱風發(fā)生的標準,目前已有小麥干熱風災害指標主要分為3類,即形態(tài)學指標、氣象學指標、綜合指數(shù)指標。
4.1.1 形態(tài)學指標
形態(tài)學指標即依據(jù)干熱風災害后小麥植株形態(tài)變化,判別干熱風輕重等級。干熱風導致的小麥生理機能下降,在小麥的葉、穗、桿上呈現(xiàn)出癥狀變化。正常成熟的小麥外部形態(tài)呈現(xiàn)為金黃色。當小麥受高溫低濕型干熱風危害后,輕度表現(xiàn)為芒尖干枯,炸芒,穎殼發(fā)白,葉片卷曲凋萎;重度表現(xiàn)為嚴重炸芒,頂部小穗、穎殼和葉片大面積干枯,呈灰白色,葉片卷曲呈繩狀,枯黃死亡。當小麥受雨后熱枯型干熱風危害后,穗下節(jié)由青綠色變?yōu)榍嗷疑?,頂部小穗枯萎、炸芒,穎殼和芒青枯干,穎殼閉合,粒離臍,穗下莖及莖節(jié)呈暗綠色[58,82]。
形態(tài)學指標對判別干熱風災害的優(yōu)點在于方法簡單,無需器具,便于操作。但由于受人為主觀性影響,造成判別結果存在差異。同時對判別時間有高度要求,即要在干熱風過程結束后10 d內(nèi)對小麥進行實地災情調(diào)查。形態(tài)學指標不具備對干熱風災害實時監(jiān)測能力,無法利用該指標對災害進行預報。故該指標多用于災后調(diào)查干熱風災害等級的輔助判別。
4.1.2 氣象學指標
氣象學指標是根據(jù)干熱風災害發(fā)生的氣象因子同小麥生理變化及產(chǎn)量損失的關系所構建的指標,具有生物學和氣象學雙重意義。國內(nèi)外學者對氣象學指標的研究較為豐富。蘇聯(lián)學者從20世紀 30年代起從農(nóng)學、氣象、氣候、農(nóng)業(yè)氣象、植物生理各個學科對干熱風指標進行研究,主要分為農(nóng)業(yè)指標、氣象指標及農(nóng)業(yè)氣象綜合指標[58],將溫度、相對濕度、風速、蒸發(fā)率及飽和差等作為判別因子構建干熱風的氣象學指標,并將干熱風分為輕、中、嚴重、很嚴重4個等級[79]。
我國學者從20世紀50年代后期,借鑒蘇聯(lián)干熱風指標研究思路,選用溫度、相對濕度、風速3個氣象因子,結合我國干熱風危害特征,開展干熱風指標研究。80年代初,以小麥灌漿速度下降值、減產(chǎn)程度反映受災情況,篩選致災因子,利用統(tǒng)計分析方法構建指標。如北方小麥干熱風科研協(xié)作組,在多個干熱風發(fā)生地按照統(tǒng)一試驗方案進行氣象要素與小麥品種、逐日灌漿速度、蒸騰強度、傷流量、葉含水率、光合強度、土壤濕度及小麥千粒重的關系試驗,利用多元回歸分析方法,構建了我國第1個全國性的小麥干熱風災害氣象學指標[82]。
針對我國小麥干熱風災害發(fā)生的區(qū)域差異性,有學者對氣象學指標進行了本地化改進。主要表現(xiàn)為致災因子的重新組合、判別因子的多重選取。溫度可選取日最高氣溫、14:00溫度,濕度可選取14:00 相對濕度、日最小相對濕度或14:00飽和差,風可選用風速、風力或風向。如河西走廊地區(qū)干熱風發(fā)生特點風向為偏東,風速小且14:00通常為靜風[83],故選擇風向作為當?shù)馗蔁犸L氣象學指標判別因子。簡魏民等[84]統(tǒng)計飽和差和溫度之間存在正相關關系,相關系數(shù)為0.87,故以飽和差綜合代表新疆地區(qū)溫度和濕度情況。牛晉源等[85]以日蒸散量作為參考值,對干熱風進行等級劃分。屈振江等[86]以陜西地區(qū)地勢海拔500 m為界限進一步對干熱風指標進行本地劃分。
為便于全國小麥干熱風災害的時空比較及農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務應用,在前人研究基礎上,霍治國等[87]于2007年以日最高氣溫、14:00相對濕度、14:00風速3個氣象要素組合作為劃分干熱風等級的指標,起草了中華人民共和國氣象行業(yè)標準《小麥干熱風災害等級》。
分生育時段指標是針對區(qū)域小麥不同生育時段對干熱風災害的敏感性差異所建立。劉靜等[88]將春小麥揚花灌漿期細分為抽穗揚花期、灌漿乳熟期及乳熟成熟期3個時段,利用分離產(chǎn)量、聚類分析方法確定了寧夏灌區(qū)干熱風等級指標。
氣象學指標以干熱風過程出現(xiàn)的氣象條件為客觀依據(jù),消除了形態(tài)學指標人為判別的主觀性,可應用于災害監(jiān)測、災后評估及災害預測。分生育時段指標是在氣象學指標的基礎上進一步細分小麥的生育時段,提高了指標的針對性,但對大范圍地區(qū)的適用性有待考證。
4.1.3 綜合指數(shù)指標
綜合指數(shù)指標是基于氣象學指標中的日最高氣溫、14:00空氣相對濕度、14:00風速3個因子,對干熱風災害影響效應的差異性采用加權求和方法構建的綜合評價指數(shù)。綜合指數(shù)值可直接劃分干熱風災害等級,用于站點或區(qū)域?qū)Ρ取S捎谛←湽酀{速度下降值同氣溫、相對濕度、風速具有明顯的相關關系,干熱風氣象因子權重系數(shù)可通過氣象因子回歸系數(shù)得出。北方小麥干熱風科研協(xié)作組、王春乙等[89]均根據(jù)此方法分別構建干熱風強度綜合指數(shù)(Qi)及干熱風綜合指數(shù)(DHW):
(1)
(2)
其中,N1為干熱風出現(xiàn)時段的始日,N2為干熱風出現(xiàn)時段的終日。Ti為日最高氣溫,Ri為14:00相對濕度,Vi為14:00風速;W1為氣溫權重系數(shù),W2為相對濕度權重系數(shù),W3為風速權重系數(shù);T0,R0,V0分別為冬小麥停止灌漿上限邊界值,Ti≥T0,Ri≤R0,Vi≥V0同時成立時DHW有效,否則DHW=0。
由于干熱風對小麥的危害程度取決于干熱風出現(xiàn)的時間、強度及維持日數(shù)[90],干熱風綜合指數(shù)可較好反映干熱風過程的累積影響及不同因子影響的差異性,便于進行區(qū)域性聯(lián)系、比較。但干熱風強度綜合指數(shù)的準確性對判別因子權重系數(shù)要求極高,而目前可追溯最近的權重系數(shù)為20世紀90年代初計算得出,適用性有待進一步考證。
在小麥揚花灌漿期間出現(xiàn)1個或以上干熱風日的天氣過程,稱為小麥干熱風過程。年內(nèi)出現(xiàn)的所有小麥干熱風過程綜合導致的最終危害程度,稱為小麥干熱風年型。目前小麥干熱風過程及年型指標研究主要是針對高溫低濕型干熱風,可分為兩類。
一類是根據(jù)高溫低濕型干熱風指標判定干熱風日,用干熱風天氣過程中出現(xiàn)的干熱風日等級日數(shù)組合確定過程等級,用過程等級組合確定年型的輕、重等級。如北方小麥干熱風科研協(xié)作組確立了以干熱風日數(shù)定過程,以過程定年型強度的干熱風指標系統(tǒng)[82]。基于此,霍治國等[87]考慮氣候變化的影響,對干熱風天氣過程等級指標及干熱風年型等級指標稍作改進,當連續(xù)出現(xiàn)大于等于2 d重干熱風日,或在1次干熱風天氣過程中出現(xiàn)2 d不連續(xù)重干熱風日,或1個重日加2個以上輕日即為重干熱風天氣過程;除重干熱風天氣過程所包括的輕干熱風日外,當連續(xù)出現(xiàn)大于等于2 d輕干熱風日,或1輕1重連續(xù)2 d干熱風日,或出現(xiàn)1 d重干熱風日即為輕干熱風天氣過程。當1年中有2次以上重干熱風過程,或2輕1重、或4次以上輕干熱風過程,或過程中重干熱風日連續(xù)4 d以上,或輕干熱風日連續(xù)7 d以上即為重干熱風年;當1年中有2次以上輕干熱風過程,或1次重干熱風過程,或輕干熱風日連續(xù)大于等于4 d即為輕干熱風年。
另一類是通過構建干熱風綜合指數(shù),采用指數(shù)閾值劃分年型等級,以反映小麥受干熱風日數(shù)和強度變化的綜合影響。如王春乙等[89]采用干熱風綜合指數(shù)(DHW)劃分重干熱風年(DHW>2.00)、輕干熱風年(1.20≤DHW<2.00)、無干熱風年型(DHW<1.20),孔德胤等[57]采用基于溫度、濕度、風速3個要素建立的干熱風危害指數(shù)(E),劃分嚴重干熱風年(E≥155),中等偏重干熱風年(100≤E≤154),中等干熱風年(45≤E≤99),中等偏輕干熱風年(20≤E≤44),無干熱風年(0≤E≤19)。
干熱風災害主要發(fā)生于當?shù)匦←準斋@前1個月,我國小麥干熱風災害一般是從5月上旬開始,由南向北、由東南向西北逐漸推遲,至7月中下旬大部終止,青海地區(qū)最晚可至8月,冬麥區(qū)早于春麥區(qū);主要對黃淮海平原、新疆、河西走廊、河套地區(qū)的小麥造成危害。黃淮海地區(qū)冬小麥干熱風主要發(fā)生在5月中下旬至6月上旬。河南省商丘地區(qū)1967—2006年5月下旬至6月上旬干熱風的發(fā)生頻率為60%~80%[21]。河西走廊、寧夏平原春小麥干熱風發(fā)生時段晚于黃淮海地區(qū),早于河套地區(qū),主要在6月中旬至7月下旬[62]。甘肅省1961—2006年80個站6—7月干熱風發(fā)生次數(shù)占全年總次數(shù)52%~76%[73];青海地區(qū)1961—2010年7月、8月干熱風發(fā)生次數(shù)分別占年總次數(shù)的50.1%,38.1%[70]。內(nèi)蒙古河套春麥區(qū)干熱風通常發(fā)生在6月下旬至7月下旬[57]。新疆冬、春麥區(qū)受干熱風危害持續(xù)時間最長。南疆自5月中旬至7月中旬出現(xiàn)小麥干熱風,北疆小麥干熱風則多集中在6月中旬至7月出現(xiàn)[58]。北疆阿勒泰地區(qū)1961—1995年65%的干熱風主要發(fā)生在6—7月,其中福海、富蘊縣達70%~75%[91]。
我國北方小麥干熱風災害的空間分布特征為東西兩邊重、中間輕。東部干熱風重區(qū)主要集中在冬小麥主產(chǎn)區(qū)的黃淮海平原。西部干熱風重區(qū)多集中在新疆沙漠地帶,河西走廊的敦煌、安西盆地。
黃淮海地區(qū)干熱風日數(shù)總體呈中部高南北低的分布特征。干熱風重區(qū)多分布于黃淮海平原東部,幾乎每年都有干熱風發(fā)生。以河南省為例,1967—1996年30個站每年出現(xiàn)干熱風日數(shù)為0.5~3.9 d,干熱風發(fā)生次數(shù)為0.4~0.9次/a[72]。魯西南菏澤地區(qū)1961—2013年的干熱風日數(shù)共161 d,年平均發(fā)生3.04 d[92]。京津冀地區(qū)干熱風自南向北逐漸減輕,輕干熱風重區(qū)出現(xiàn)在最南部的邯鄲附近,1981—2005年輕干熱風年平均日數(shù)為3.5 d[71]。山西地區(qū)輕、重干熱風日分布呈現(xiàn)從東到西、從北至南逐步遞增的分布特點,1971—2013年長治、晉城東部為輕、重干熱風發(fā)生日數(shù)少區(qū),年平均日數(shù)分別為3 d,0.5 d左右;臨汾南部、運城大部為輕、重干熱風發(fā)生重區(qū),年平均日數(shù)分別為6.5 d,2 d 左右[61]。淮北地區(qū)干熱風發(fā)生規(guī)律基本上也呈南少北多、南輕北重的特點。1957—2010年淮北中北部埇橋區(qū)、碭山為干熱風多發(fā)區(qū),年平均日數(shù)超過2.3 d,淮北南部的泗縣則為少發(fā)區(qū),年平均日數(shù)不足2 d[63]。
我國西部新疆、寧夏、青海、內(nèi)蒙古河套等地為干熱風多發(fā)區(qū),干熱風發(fā)生程度隨海拔升高而降低,海拔1700~1800 m以上幾乎無干熱風出現(xiàn),且盆地干熱風重于山區(qū)干熱風。新疆最重區(qū)出現(xiàn)在海平面以下的吐魯番、鄯善盆地,塔里木盆地東部的鐵干里克、若羌地區(qū)。1959—1978年吐魯番地區(qū)年平均干熱風日數(shù)為6~19 d,10年中干熱風可能發(fā)生5~10次,且皆為重干熱風年[58]。新疆奎屯河流域南區(qū)農(nóng)七師所屬墾區(qū)海拔略高于北區(qū)烏蘇以南農(nóng)業(yè)區(qū),1965—2004年南區(qū)的干熱風程度輕于北區(qū)[24]。甘肅省敦煌、鼎新、民勤、臨澤、肅州、玉門鎮(zhèn)、山丹、肅北、民樂各地海拔從1139.6 m至2271.5 m依次升高,1961—2006年6—7月各地的干熱風平均次數(shù)從5.9至0.1依次下降,肅北、民樂海拔均高于1800 m,近45年幾乎無干熱風發(fā)生[73]。青海高原干熱風災害具有明顯的區(qū)域性,西部柴達木盆地與東部海東地區(qū)均為災害高發(fā)區(qū)[70]。
小麥干熱風監(jiān)測預報是在結合實時或未來天氣氣候條件和小麥生育特性的基礎上,參照小麥干熱風災害指標,監(jiān)測預報小麥是否受到危害,危害的時間、程度以及可采取的防御措施。目前對小麥干熱風的監(jiān)測主要有地面氣象監(jiān)測、高空遙感監(jiān)測兩種方法,預報方法可分為天氣形勢歸類預報、統(tǒng)計預報及數(shù)值預報產(chǎn)品釋用預報3類。按預報時效可分為中短期及長期預報兩類,中短期預報側(cè)重對干熱風發(fā)生時間、日數(shù)、強度及干熱風對小麥危害程度進行預報,長期預測則側(cè)重對干熱風年型進行預測。
地面氣象監(jiān)測多根據(jù)氣象站實時監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù),基于小麥干熱風災害氣象學指標判別干熱風是否出現(xiàn)以及出現(xiàn)的干熱風級別。遙感監(jiān)測通過監(jiān)測反演干熱風災害程度、范圍等,具有大面積同步監(jiān)測等優(yōu)勢。劉靜等[93]研究表明,可以利用EOS MODIS遙感資料大面積提取寧夏地區(qū)春小麥干熱風受害程度。李穎等[94]利用遙感監(jiān)測2013年5月12—13日河南麥區(qū)出現(xiàn)的一次干熱風過程,發(fā)現(xiàn)干熱風災害越重,遙感監(jiān)測越明顯。
天氣形勢歸類預報是從干熱風天氣過程環(huán)流背景場入手進行歸類分析,賦予干熱風預報天氣學原理,從而達到預報目的。如王正旺等[56]通過對1977—2006年長治地區(qū)出現(xiàn)的30次干熱風天氣過程天氣形勢進行聚類分析,歸類得出4種500 hPa高空形勢圖,再以近地面850 hPa干暖區(qū)強度作為輔助判別干熱風輕重程度,構建干熱風預報模型,應用該模型對2009年山西省長治地區(qū)出現(xiàn)干熱風過程進行預報,經(jīng)實際發(fā)生情況檢驗,預報結果較好。
統(tǒng)計預報是根據(jù)統(tǒng)計學方法建立干熱風是否發(fā)生、危害程度同氣象因子或大氣環(huán)流、海溫因子的關系模型進行預報。目前采用的方法主要包括相關分析[92, 95]、聚類分析[56]、回歸分析[96]、灰色系統(tǒng)理論[86]等。其中,回歸分析法使用較為廣泛,多以篩選致災因子,結合產(chǎn)量進行回歸性分析構建預報模型。如張翠英等[92, 95]基于1954—2001年山東省菏澤地區(qū)的氣象資料,采用逐步回歸法建立以旬為單位的干熱風預報模型,逐年5月中、下旬及6月上旬的干熱風發(fā)生擬合率分別為96%,71%及69%。曹玲等[96]基于1956—1995年甘肅省張掖、高臺、臨澤、山丹的氣象資料,通過復合因子選取建立了模糊多元回歸方程,對1986—1994年河西走廊中部的干熱風過程進行回代、1995年干熱風過程進行預報,歷史擬合率達92%,預報準確率達89%。
干熱風長期預報即年度預測。如孔德胤等[57]基于已構建的干熱風危害指數(shù),選取7個海溫環(huán)流因子作為預報因子,通過多元線性回歸,構建了河套地區(qū)干熱風危害指數(shù)預報方程,歷史擬合率為94.4%。屈振江等[86]利用1981—2010年陜西地區(qū)氣象資料,應用灰色系統(tǒng)災變方法,預測陜西省富平縣未來發(fā)生重干熱風年份。
數(shù)值預報產(chǎn)品釋用預報是基于已有數(shù)值預報產(chǎn)品,對輸出溫度場、濕度場、風場釋用加工進而對干熱風預報。數(shù)值預報產(chǎn)品近年來得到較大發(fā)展,但對干熱風進行數(shù)值預報產(chǎn)品釋用預報研究報道較少。呂學梅等[97]通過比對完全預報法(PPM)與模式誤差訂正法(MEC)在MM5中尺度數(shù)值預報中的預報效果,對山東省臨沂的干熱風進行預報,準確率達80%,證明了MEC方法在干熱風天氣預報中較為可行。
選用早熟、抗逆品種可防御干熱風。選用早熟品種可爭取小麥早抽穗、早成熟躲避高溫。如青海省貴德縣三河地區(qū)為冬、春小麥混種區(qū),7月上旬正值春小麥灌漿乳熟期,受干熱風危害較重,冬小麥較春小麥早60 d成熟,可有效減輕或避免干熱風危害[98]。據(jù)龔紹先[99]和陸正鐸等[100]研究,耐鹽、抗逆品種受干熱風影響較小,矮桿、無芒、晚熟的品種受干熱風影響較大,品種選擇應因地制宜[101]。
合理灌溉、保持田間土壤水分適宜可增加大氣濕度,有效抵御干熱風導致的高溫和低濕田間環(huán)境。如2010年5月19—20日天津市出現(xiàn)一次高溫低濕型干熱風過程,但由于16—18日天津市出現(xiàn)大范圍降水,土壤墑情好,干熱風對小麥未造成影響[102]。在干熱風來臨前灌水的小麥產(chǎn)量比未灌水小麥產(chǎn)量高31%[103]。麥田后期1次灌水后,地表溫度可降低約3℃,小麥株間土壤相對濕度可增加4%~5%[104]。
對小麥種子進行生化制劑處理,可在一定程度上防御干熱風的影響。如使用氯化鈣悶種,溶液濃度1%,拌種后5~6 h進行播種,試驗表明:該方法對抗干熱風有一定的防御效果,穗粒數(shù)增加0.5~2粒[51],一般增產(chǎn)3%~20%[24]。
在小麥生育后期,干熱風來臨前適當噴施防控制劑或微肥,如草木灰水、磷酸二氫鉀、石油助長劑、硼肥、鋅肥等可改善小麥營養(yǎng)狀態(tài)、調(diào)節(jié)新陳代謝能力、增加植株活力,從而有效抵御干熱風對灌漿的危害[105]。白黎軍等[106]對春小麥噴施植物生長調(diào)節(jié)劑(磷鉀動力、天達、碧護、萬代紅4組)抵御干熱風影響的試驗結果表明:植物生長調(diào)節(jié)劑可有效抵御干熱風對小麥灌漿的危害,可使小麥產(chǎn)量增加3.9%~15.0%,效果上萬代紅優(yōu)于磷鉀動力優(yōu)于碧護。
植樹造林、營造農(nóng)田防護林、實行林糧間作,可改善農(nóng)田小氣候,減輕干熱風的危害。中原冬小麥和泡桐間作有降溫度、增濕度、削風速、減蒸發(fā)的作用[105]。在平原地區(qū)實行林網(wǎng)化,可降低30%的風速,在干熱風期間可降低0.3~0.7℃的日最高氣溫,提高3%~7%的相對濕度及3%左右的土壤濕度,有效降低干熱風對小麥的危害[51]。
本文基于已有研究成果,從干熱風災害概念與分類出發(fā),對干熱風的危害機理、氣象環(huán)境成因、致災指標、時空分布、監(jiān)測預報、防御措施等方面進行總結闡述,系統(tǒng)評述了中國小麥干熱風災害研究新進展。總體上,我國小麥干熱風災害主要研究成果集中于20世紀80年代,尤其是在干熱風的類型劃分、危害機理、天氣成因、致災指標等方面取得的標志性成果,為后續(xù)研究奠定了堅實的基礎。近30年來,干熱風災害環(huán)境成因、時空分布、監(jiān)測預報、防御措施等方面研究成果較豐富,對干熱風危害機理等系統(tǒng)性研究成果偏少,有關干熱風指標的研究進展緩慢。
近年來,受全國小麥種植布局、氣候、灌溉、管理方式等變化的影響,小麥干熱風部分研究成果已不能滿足實際生產(chǎn)、業(yè)務服務的需求。農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務上使用的《小麥干熱風災害等級》行業(yè)標準,由于未考慮土壤墑情對小麥干熱風的影響、分級缺少中度指標,致使土壤墑情較好的麥區(qū)災害評估預警等級偏高,難以開展中度災害評估預警業(yè)務服務。干熱風對小麥產(chǎn)量影響的量化評估,尚存在一定的不確定性;已有研究表明:1981—2010年華北地區(qū)冬小麥開花、成熟期均有提前趨勢[107],因此,對干熱風監(jiān)測時段變化需進一步探討,干熱風遙感監(jiān)測在識別精度、效果檢驗等方面仍有待深入研究。
今后針對小麥干熱風災害應重點開展如下研究:基于土壤墑情的影響,研究完善小麥干熱風災害等級指標;基于小麥干熱風過程,研究災害監(jiān)測評估、預警預報方法、模型與業(yè)務應用技術;基于氣候變化背景下全國小麥種植布局的變化,揭示小麥干熱風災害時空新變化及其氣象環(huán)境成因,研究氣候變化對小麥干熱風的影響預估及適應對策。