干旱監測方法對農作物適用性研究綜述進展

王雨晴 張成福 李曉鴻 楊宇娜 楊利英 賀帥 王志東

摘要：指出了目前國內外學者已開發出眾多的干旱監測方法，但不是所有的方法都適用于農作物的干旱監測中，精準地評估旱情對糧食產量有著重要的影響。對目前常用的一些干旱監測方法進行了收集，并分析旱情對重要農作物不同生育期的響應及干旱監測方法在農作物中的適用性評價，以期找出最適合我國農作物干旱的監測方法，為我國大部分地區農作物的干旱監測提供一定的科學依據。

關鍵詞：不同農作物;生育期;干旱指數;適用性探索

1引言

在氣候變化背景下，全球地表年平均溫度都有所升高，中國地表年均溫度增加值高于全球，溫度變化的同時，降水格局也發生了變化，這可能會導致極端天氣災害增加的風險，1964～2007年極端天氣氣候事件導、致全球主要糧食作物（玉米、水稻、小麥）大面積減產，其中干旱災害對農業產量影響很大，遠遠超過了其它災害。全球大部分陸地都遭受著干旱的影響，干旱災害對生活質量和經濟發展都有著一定的危害。干旱具有反復性和累積性的特點，干旱的發生過程不易察覺，因此災害開始和結束的時間很難判斷。我國大部分地區處于干旱、半干旱地區，易受干旱災害的影響，且我國是農業大國，農業是國民經濟的基礎，干旱的發生會直接影響到糧食的安全和可持續發展。因此，準確地預測干旱對農作物的影響仍是當前科學研究的一個熱點問題。

到目前為止，全球已經開發出100多種可以評估干旱的監測方法，但不同干旱監測方法的開發機理不同，導致在不同區域中適用效果也不一樣。單一的干旱指數很難全面準確地監測農作物的干旱情況，所以客觀和合理地選擇干旱監測方法，對合理評估旱情有重要的現實意義。

本文的目的是總結我國近年來大量的干旱評估研究成果，并分析旱情對主要農作物不同生育期的響應和干旱監測方法在農作物中的適用性評價，以期找出最適合我國農作物旱情的監測方法。

2常用的干旱監測方法

2.1基于氣象站點的干旱統計模型

國內外學者基于氣象站點的干旱統計模型，開發出眾多的監測方法。這一方法是基于數學模型和長期氣象觀測資料監測旱情，方便集成于氣候模型中，預測特定區域未來氣候變化條件下的干濕變化趨勢。大多數干旱指數在水分收支上的考慮是不同的，如Palmer干旱指數（Palmer drought severity index，PDSI）是通過降水、蒸發、土壤含水量等綜合考慮的監測方法;標準降水指數（Standardized precipitation index，SPI）和降水量距平百分率（Precipitation anomaly percentage，PA）是僅以降水來衡量干旱程度的指數;標準化降水

蒸

散

指

數

（Standardized

precipitation evapotranspiration index，SPEI）和濕潤度指數（Moisture index，MI）在考慮降水的基礎上，考慮了蒸散發。我國于2017年發布《GB T 20481-2017國家氣象干旱等級》，其中主要的監測方法有相對氣象干旱綜合指數（Meteorological composite index，MCI）、MI、SPI、SPEI、PDSI、PA干旱指數?；谡军c氣象觀測數據的干旱監測方法被廣泛開發和利用，但是該方法的不足之處在于基氣象站點在部分地區分布上是稀疏和不均勻的地區，在用于大區域的干旱監測時，離氣象站點越遠的地方精度可能會越低，這會限制干旱評估和監測。

2.2基于遙感技術的干旱監測模型

基于遙感技術的干旱監測也是目前常用的手段它基于不同土壤質地、水分變化、植被變化等角度，從而對干旱造成的影響進行分析。植被和農作物受干旱影響分析時常用遙感手段進行監測，該方法根據植被的生態特征和覆蓋度對干旱進行監測，具有實時性、監測范圍廣、成本低及準確性高的特點。如歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index.NDVI、歸一化水指數（Normalized DifferenceWater Index，NDWI）E28]、歸一化多波段干旱指數（Normalized Multi-band Drought Index，NMDI）、（Perpendicular Drought Index，PDI）、（Apparentthermal inertia，ATI）。但由于大部分通過監測植被的遙感監測方法不僅受干旱影響會發生變化，其他因素（洪澇、蟲害、人為等）也會導致其發生變化，且遙感監測方法無法與大氣溫度和降水等氣象因子相聯系，該方法無法用來預測氣候變化條件下干旱的變化趨勢。

2.3基于氣象站點和衛星遙感的綜合干旱監測模型

綜合干旱指數方法是基于地面氣象站點觀測的長期氣象資料和衛星遙感觀測的實時植被或土壤水分數據建立的干旱監測指數。因而，綜合干旱指數方法兼具氣象站點干旱監測和衛星遙感干旱監測的優點從而彌補了兩者的不足。提高了干旱監測的時間和空間精度，并且可以用來預測氣候變化對于區域干濕變化趨勢的預測。優化氣象干旱指數（Optimize meteorologicaldrought index，OMDI）、優化植被干旱指數（Optimize vegetation drought index，OVDI）、Vegetationdrought response Index，VegDRI）、綜合地表干旱指數（Integrated Surface Drought Index，ISDI）、綜合干旱監測指數（Standardized Drought Index，SDI）。歸一化旱情綜合指數（Scaled Drought Condition Index，SDCI）、微波集成干旱指數（Microwave Integrated Drought Index，MIDI）。但數據獲得和計算方法是有復雜的。

3不同農作物的生育階段對旱情的響應

在非灌溉區，干旱對農作物的生長發育起著直接的作用。農作物在不同生育期階段對干旱的響應會有不同的表現特征，因此分階段進行災害的風險性分析對農作物生長健康及產量有著很大的現實意義。

玉米、小麥是我國主要的糧食作物。其中玉米是重要的糧食、飼料和經濟作物。中國的玉米種植區主要分布于干旱、半干旱區域，相比其它農作物（小麥，高粱），玉米對水分變動是十分敏感的。東北地區作為中國玉米主產區，旱情對東北地區春玉米的灌漿一乳熟期的影響非常顯著。在內蒙古地區也得類似結果。有研究表明干旱脅迫對春玉米的影響順序依次為：孕穗期>抽雄期>拔節期>吐絲期>灌漿期>成熟期>苗期。旱情對南京地區夏玉米的抽雄期影響較大，也有研究表明旱情對夏玉米的影響與北方春玉米相同，生長后半期的影響高于前半期。有研究表明干旱脅迫對夏玉米的影響依次表現為：拔節期>乳熟期>苗期。在春玉米和夏玉米的不同生育階段都表現出旱情在生長后期的影響高于生長前期的現象。這可能是由于玉米生長后期，特別是抽雄到乳熟階段是水分臨界期，對水分需求較多，因此對旱情的發生更加敏感。小麥的生長多集中在北方地區，是主要的糧食作物。關東地區冬小麥生育期中，返青期旱情大，從返青期到抽穗期旱情得到緩解。在半干旱地區，如在拔節期一抽穗期發生干旱，會導致春小麥減產。北方冬小麥旱情對返青一成熟（春季）的影響較大，而南方旱情對冬小麥發芽、出苗和分蘗（秋季）的影響較大，不同地區對小麥的影響是不同的。玉米和小麥在不同地區的發育階段對旱情響應不同的原因可能是播種時間、氣候條件及作物生長時需水量的差異等因素導致的。

4干旱監測方法在不同農作物F適用性研究

陸地生態系統受到干旱脅迫時會表現出植物光合作用下降和呼吸代謝降低等適應性生物學特性。因此，不同的植被面對干旱脅迫時其表現形式具有一定差異性。旱災對農作物造成的危害程度不僅取決于干旱事件的強度，更取決于作物自身面對旱災時表現出的脆弱性。因此，選擇適合監測農作物的干旱監測方法顯得非常重要。

綜合干旱模型（Standardized drought index，SDI）對監測小麥和玉米生長期的干旱有良好的適用性。改進歸一化植被指數（Modified normalized differencevegetation index，MNDVI）對監測吉林省農作物的生長狀態有很好的適用性。SPEI指數對云南省夏玉米受干旱引起的產量變化有很好的適用性，靈敏的時間尺度監測可以更好的評價作物不同生長期對旱情的響應。在對濕潤、半濕潤地區的農作物進行干旱監測中，植被供水指數（Vegetation supply water index，VSWI））具有很好的適用性。農業干旱參考指數（Agricultural Reference Index for Drought，ARID）對我國西南地IXZ，米作物受干旱影響時的空間變化情況有很好的監測效果。在作物的不同生育階段，可以選取不同的監測方法，在作物生長前期由于作物覆蓋度較低，可以使用熱慣量（Apparent thermal inertia，ATI）來監測干旱，該方法在植被地覆蓋低的區域有很好的適用性。在生長后期作物覆蓋度較高，可選取改進型垂直干旱指數（Modified Perpendicular drought index，MPDI）進行監測。

在不同氣候區下，對農作物旱情評估可以考慮多個監測方法一起使用，從而增加其準確性。監測方法的選取可以側重于實時監測和多時間尺度角度進行考慮。

5結語

干旱是我國常見的自然災害，它會導致許多不利現象的產生。準確的評估和預測旱情對作物健康和產量都有一定的現實意義。對農作物進行干旱監測有一定的困難性，這是由于作物對旱情的響應不僅受農作物自身的生物學特性影響，還受下墊面及人為管理、耕作制度的影響。尋找可以準確地對農作物進行干旱監測的方法具有一定的現實意義。農作物的生長期相對較短，但是不同生長期對干旱的敏感性是不同的，因此可以選取多個監測方法，從而增加對農作物旱情分析的準確性。氣象數據、作物生理物理特征和遙感監測相結合的干旱監測方法可能會成為未來對農作物旱情監測的一個方向。