干旱影響農(nóng)業(yè)生態(tài)論文
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作物具有一定的生長特性，在各個物候期的需水量存在差異，因此干旱的發(fā)生時期不同，對作物影響方面和對產(chǎn)量的影響程度也存在差異。此外，干旱的發(fā)生也會對加速或延遲物候期，從而改變作物的生長時間。拔節(jié)期干旱脅迫對小麥葉片影響最大，抽穗期干旱脅迫對莖稈影響最大，開花期干旱脅迫對穗數(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)可以作為計算各個階段水分虧缺對產(chǎn)量影響的重要工具。Zhang等利用Jensen作物水分生產(chǎn)函數(shù)，通過對華北地區(qū)不同地區(qū)開展的針對冬小麥的水分控制試驗計算各個物候期的水分敏感系數(shù)，發(fā)現(xiàn)作物生長中期（抽穗、開花）對產(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個光合作用高峰，小麥產(chǎn)量的70%以上來源于開花后光合產(chǎn)物。冬小麥開花后輕度的干旱脅迫能使其在較長時間內(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)育階段對水分脅迫的敏感性的基礎(chǔ)上構(gòu)建了冬小麥生長模式，并與不同水分處理的實測值的誤差在10%左右，將有助于實現(xiàn)不同階段干旱對冬小麥最終生物量的影響評估。就干旱對冬小麥物候期長短的影響而言，前期干旱會明顯縮短籽粒灌漿過程，灌漿峰值較水分適宜時低。即使前期供水適宜，孕穗、抽穗、灌漿連續(xù)缺水，也會明顯縮短灌漿持續(xù)時間，出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，穗粒數(shù)減少，粒重降低，導(dǎo)致減產(chǎn)。對玉米而言，Igbadun等利用多種作物水分生產(chǎn)函數(shù)都驗證了在開花階段的水分脅迫對產(chǎn)量的影響最為明顯。在抽雄—灌漿中期，恰為營養(yǎng)轉(zhuǎn)向生殖生長，同時進(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養(yǎng)物質(zhì)需向籽粒轉(zhuǎn)移。干旱脅迫對作物同化物質(zhì)積累和儲藏極為不利，進(jìn)而影響營養(yǎng)物質(zhì)傳輸與再分配。水分充足條件下，莖稈營養(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。楊國虎等通過不同的水分處理，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。就干旱對玉米生長期時長的影響而言，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干旱對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的研究方法
干旱對生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的研究主要通過2種方式：對歷史干旱影響過程進(jìn)行分析或通過設(shè)定干旱情景進(jìn)行研究。國內(nèi)外關(guān)于干旱對農(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)試驗方法和機(jī)理模型。農(nóng)作物在不同的生長時期內(nèi)生長特性有所差異，對光照、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)研究中通常通過在作物生長的某個特定階段，改變作物的生長環(huán)境來分析作物的各種反應(yīng)。
2.1農(nóng)學(xué)試驗方法
在農(nóng)學(xué)試驗中通常采用梯度水分供應(yīng)的方式，在不同的水分供應(yīng)條件下測定作物某些特定指標(biāo)值來反映作物對水分脅迫的反應(yīng)。水分控制試驗一般采用盆栽、池栽等方式進(jìn)行。盆栽是農(nóng)學(xué)試驗的重要手段，高素華為了研究干旱脅迫對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個等級，分別為占田間持水量80%（對照試驗）、60%（輕度干旱）、50%（中度干旱）、40%（中重度干旱）、30%（中度干旱）。在每個氣室均有5個水分處理，水分處理為4個重復(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。盆栽試驗較為限制作物根的生長空間，難以推廣到大田作物，池栽則最大可能還原大田的實際生長條件。白麗萍等[37]采用池栽研究土壤水分脅迫對玉米形態(tài)發(fā)育及產(chǎn)量的影響。每個實驗池面積4m2，深1.5~2.0m，四周用水泥層隔離，池內(nèi)利用鋁管分層測定土壤含水量，播種時每池澆灌相同水量，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算分為3個等級。并用大型活動遮雨棚隔絕雨水。通過測定株高、莖粗、產(chǎn)量等要素分析不同干旱條件對玉米生長的影響，研究表明，土壤水分脅迫無論輕重均對玉米的生長發(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)確地反映干旱對作物生長影響的各個方面，試驗結(jié)果較為可靠，在試驗區(qū)范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的推廣性。但是，農(nóng)學(xué)試驗一般需要1個或多個生長季，耗時較長，并且在大尺度上開展難度較大，具有明顯的時空局限性。
2.2作物生長機(jī)理模型模擬
隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于作物生長機(jī)理構(gòu)建的作物生長模型已成為研究干旱對作物生長影響的重要手段。作物生長模型可以模擬作物在不同條件下的生長過程，輸出模擬的作物產(chǎn)量以及作物生長過程中的各種指標(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)境下的生長過程。作物生長模型可以模擬在植物生長過程中水分對生長影響的各個方面，包括降水、水分入滲和再分布、水分蒸發(fā)與吸收以及干旱對作物生長和產(chǎn)量脅迫的過程，定量描述水分脅迫對作物生長發(fā)育狀況、干物質(zhì)積累與分配，較好地體現(xiàn)作物對水分不適的反應(yīng)。Lal等[42]利用CERES模型，模擬了印度西北部未來氣候缺情景下水稻的生長狀況，發(fā)現(xiàn)水分虧缺對作物產(chǎn)量的影響不能通過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模型研究降水的時空分布對玉米產(chǎn)量的影響。宋艷玲等則利用WOFOST模型，模擬了1961—2000年干旱對中國冬小麥產(chǎn)量的影響，結(jié)果顯示1961—1980年干旱使中國冬小麥平均減產(chǎn)4.6%，使北方冬麥區(qū)平均減產(chǎn)12%，并揭示了中國北方春季降雨量對冬小麥產(chǎn)量影響的重要性。為了提高模型在干旱對農(nóng)作物生長影響方面的模擬精度，相關(guān)科學(xué)家進(jìn)行了驗證和改進(jìn)工作。Jamieson通過試驗驗證了SUCROSE、CERES-Wheat、AFRCWHEAT2、Sirius、和SWHEAT模擬干旱條件下冬小麥生長的精度。Ewert等[46]通過試驗與模型相結(jié)合的方法研究干旱對于春小麥生長的影響，并探索提高模型反映CO2濃度升高與干旱共同作用的能力。作物生長模型建立在對作物的生長規(guī)律掌握和量化的基礎(chǔ)上，但是，農(nóng)作物的生長受包括溫度、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)，人類活動對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響較為突出。為應(yīng)對干旱等不利因素對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響，各種應(yīng)對措施包括加強(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)水等各項農(nóng)田管理措施等。在諸多干旱應(yīng)對措施之中，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)作物生長有一定的需水規(guī)律，在不同發(fā)育階段對水分的需求有較大差異，并非全生長期都要求土壤濕潤才能穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。因此，通過提高對水分較為敏感、對產(chǎn)量影響較大的時期的灌溉量，可顯著提高水分利用效率，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。Choudhury等將小麥的生長期劃分成3個階段，通過分析每個階段的需水特點(diǎn)，最終得到合理的灌溉策略。Erdem等在土耳其對西瓜進(jìn)行灌溉試驗，發(fā)現(xiàn)西瓜生長過程中的開花階段對水分脅迫的影響最為敏感。Li等利用這種方法分析了中國吉林玉米、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)測作物體內(nèi)含水狀況的指標(biāo)為工具制定了應(yīng)對干旱的合理的灌溉方式。Yazar等提出了在美國德克薩斯州當(dāng)玉米的CWSI達(dá)到0.33時需要對其進(jìn)行灌溉。Alderfasi等在美國試驗得到了小麥的無水分脅迫基線，用于計算CWSI監(jiān)測小麥的生長以及制定合理的灌溉策略。Orta等在美國進(jìn)行西瓜灌溉試驗，試驗得到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，并且得到整個生長季CWSI的平均值為0.41時，可以得到最大的產(chǎn)量。作物生長模型已成為水分管理研究的重要手段。作物生長模型可以根據(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作物生長模型模擬不同的灌溉時間和灌溉量對作物產(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，結(jié)果表明開花期為最需要灌溉的時期，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的最優(yōu)灌溉策略。Singh等利用試驗結(jié)果對CERES和CropSyst模型模擬水分和營養(yǎng)元素對小麥的共同作用的能力進(jìn)行驗證和提高，擴(kuò)大了模型的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)階段依靠農(nóng)田實地試驗和生長模型模擬開展的節(jié)水灌溉研究多集中在提高重要時期的灌溉效率方面，干旱發(fā)生后如何采取合理的應(yīng)對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，以期提高整個地區(qū)抵御干旱的能力，降低干旱對農(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)對全球碳循環(huán)的作用越來越大。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、等級逐漸升高，其對農(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，國內(nèi)外在干旱對農(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)試驗方法和機(jī)理模型模擬。基于農(nóng)學(xué)試驗，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作物生長影響是當(dāng)前研究的趨勢。掌握干旱對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)理，通過試驗、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、農(nóng)田尺度等較小尺度上開展，針對區(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程對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響，并沒有反映干旱對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力在較長時間尺度上的變化。現(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農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響，已成為研究的一個重要目標(biāo)。
作者：劉明 呂愛鋒 武建軍 李小涵 王前鋒 單位：民政部國家減災(zāi)中心 中國科學(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
