復雜下墊面條件下冬小麥干旱機制辨析研究進展

李 鵬1,王 歡1,毛曉宇1,馮前進1,李 琦1,王 愷1,高 超

(1.河南省駐馬店水文水資源勘測局,河南 駐馬店450003;2.寧波大學 地理與空間信息技術系,浙江 寧波 315000)

氣候變化已成為目前科學界普遍關注的環境問題之一,氣候變化會對生態系統和社會經濟產生災難性影響,農業是受氣候變化影響最脆弱的行業之一[1-3]。我國是世界上季風氣候最顯著的國家之一,氣候復雜多樣,加上地形復雜,地勢高低懸殊,加劇了我國氣候復雜的多樣性,是世界上主要的“氣候脆弱區”之一。我國農業的主要氣象災害分析表明,干旱災害是對農作物產量影響最大、分布區域最廣、發生最頻繁的氣象災害。1990—2016年,我國平均每年干旱受災面積約為1935萬hm2,直接經濟損失約553.68億元。小麥是三大谷物之一,是我國北方地區種植面積最廣的主要糧食作物,在農業生產中占有重要地位。冬小麥生長受影響的主要原因是農業氣象災害,也是一直困擾小麥生產的重要問題。因此,深入研究氣候變化背景下冬小麥干旱形成機制等問題,對冬小麥生產的防災減災等具有重要的指導意義和理論價值[3]。

冬小麥干旱災害風險形成過程的研究需深化。冬小麥干旱是由降水不足或異常減少引起水分供需矛盾,主要受地表溫度、蒸散發、土壤特性和作物的生理或生態特性的綜合影響[4]。在時間尺度上,冬小麥干旱災害是逐漸發展而最終成災的,發生非常緩慢,不易察覺,災前無明顯征兆,需要精準刻畫其孕育、形成和發展的時間軸線。在空間尺度上,其形成原因和空間分布特征復雜,與眾多的自然環境因素,如氣象條件、水文條件、冬小麥生長條件、地貌、地質等下墊面因素有關,需要詳盡推演其空間格局。冬小麥干旱缺水的原因雖然多而復雜,但歸納起來則不外乎氣象、地形、農業生物和人類活動四個方面[5]。冬小麥干旱的實質是由于水資源時間和空間分布不匹配,造成下墊面上種植的冬小麥生長需水量與水資源供給量的不平衡所致[6,7]。

1 冬小麥干旱災害時空特征研究

冬小麥干旱判別指標:國際上,干旱一般被分為氣象干旱、農業干旱、水文干旱和社會經濟干旱四種類型。氣象干旱的發展和結束速度相對較快,是造成其他三種干旱的根本原因。冬小麥等農業干旱發生與否由氣象干旱發生的地點、時間和種植結構決定[8]。對冬小麥干旱判別的指標有四大類:①氣象指標。如降水距平百分率、Z指數、Palmer干旱指數(PDSI)、標準化降水指數(SPI)、標準化降水蒸散指數(SPEI)、Bhalme-Mooley干旱指標(BMDI)等[9,10]。②土壤墑情指標。如土壤相對濕度指標、土壤區域綜合相對濕潤指數等[11]。③生理生態指標。如葉水勢指標、作物水分脅迫指數(CWSI)、水分虧缺指數(WDI)、氣孔導度指標、光合速率指標和蒸騰速率指標等表征方法[12]。④綜合性指標。在考慮有效供水量和作物實際需水量等因素基礎上,構建的反映農作物旱澇狀況的指標,如從作物水量供需平衡角度,選擇有效供水量、作物需水量、地下水利用量指標綜合評估干旱的形成和發展[13]。

冬小麥干旱時空過程研究:對時空過程的研究主要包括冬小麥干旱發生頻率、強度和空間分布等方面。微觀尺度上,以田間試驗或單個氣象站點數據為基礎,從農作物水分供需平衡原理出發,構建冬小麥全生長階段和關鍵發育階段的旱澇指數,或構建單點作物模型,研究干旱發生時間的變遷過程等[14];宏觀尺度上,以多個氣象站點或行政區劃單元內的降水、溫度數據等為依托,借助不同的數學模型來模擬月尺度及其以上時間尺度的干旱過程,其空間分辨率較低,多數以區域性的干旱趨勢分析和等級劃分等研究為主[15]。 冬小麥干旱時空過程研究新方向為:由于冬小麥干旱表現為連續、復雜的綜合現象,在較短時間尺度上干旱表現特征在農作物方面難以察覺而被忽視,因此需要相對實時的干旱評估來判斷農作物旱情。利用遙感技術可通過大尺度空間參數反演,得出農作物蒸散量、產量和水分生產力等[16]。因此,可嘗試結合遙感、地理信息系統和能量平衡模型方法,對冬小麥干旱形成過程及其演化等開展研究[17]。

2 冬小麥生長需水量研究

作物需水量概念:作物需水量一般是指在較適宜的土壤水分和肥力條件下,作物通過正常生長發育,獲得在高產狀態下的植株蒸騰、棵間蒸發和構成植株體的水量之和[18]。在冬小麥生長用水方面,冬小麥需水量是最主要的消耗部分,不但受地形、土壤特性等下墊面因素和氣象因素等影響,而且隨著作物的發育狀況表現出較大差異[19]。

作物需水量測算方法:國內外對冬小麥需水量的研究較多,可以分為:①田間試驗方法。主要有土壤水量平衡法和微氣象學法兩類[20]。土壤水量平衡法的原理是依據水量平衡,在計算固定時間內田間作物降水量、土壤儲水量差值、灌溉水量、地下水補給量、地面徑流量、土壤水分滲漏量的基礎上,依據水量平衡公式計算得出作物一段時間內的蒸發蒸騰量作為需水量;微氣象學法主要包括空氣動力學、渦度相關和能量平衡—空氣動力學阻抗綜合法等,該方法是將水分、田間管理、氣候條件等多種因素排列組合在一起,既耗時費力,又無法同時完成,且田間試驗結果在拓展應用中的風險較大,難以從區域尺度上升到空間尺度[21]。②經驗公式計算法。主要分為直接計算法和間接計算法。直接計算法是依據主要的氣象因子與作物需水量的經驗公式進行計算;間接計算法是通過參考作物需水與作物系數進行作物需水量計算。作物需水量的計算最常用的方法是通過計算參考作物蒸發蒸騰量,如Priestley-Taylor法、Blaney-Criddle法、FAO56 Penman-Montieth法等。其中,FAO56 Penman-Montieth是聯合國糧農組織(FAO)推薦的標準計算方法,具有計算精度較高、物理學基礎嚴密等特點[22]。③作物模型模擬方法。作物模型模擬方法是以作物生理生態原理為基礎[23],用以定量描述“氣候—土壤—冬小麥”系統中光照、溫度、水分等狀況對作物生長發育的影響,核心是量化整個作物生產系統知識的綜合和生理生態過程及其相互關系[24]。

冬小麥作物需水量研究內容:人們對冬小麥生長需水量的研究主要集中在:①冬小麥作物需水量規律研究,主要是關注田間試驗下生長階段、水分狀況與冬小麥產量之間關系的研究,為合理的灌溉計劃等做基礎支撐[25,26]。②冬小麥需水量空間分布特征多采用繪制區域冬小麥需水量等直線分布圖的方法,但多數研究基于氣象觀測站點計算單個站點代表的地區冬小麥需水量,再借助ArcGIS空間分析工具中的反距離權重法(IDW)或克里金(Kriging)等插值法[27,28]簡單地由站點數據插值轉換為區域數據。需水量由微觀尺度的點數據擴展到區域宏觀尺度的方法尚有改進空間,同時對下墊面因素的考慮也可進一步細化。

冬小麥作物需水量研究新視角:冬小麥需水研究方法一般是假定下墊面為均勻狀態,但在區域需水量估算中,由于地形起伏或是裸地作物混存,大多冬小麥耕種的下墊面很少呈均勻狀態。同時,冬小麥需水是一個涉及氣象、水文、土壤等眾多方面的復雜系統,因此區域尺度冬小麥需水量估算不宜僅采用田間尺度作物需水量的計算方法[29]。

國內外對利用遙感技術估算區域作物蒸散發和需水的研究主要有:①在地表熱量平衡方程的基礎上,利用遙感數據獲取土壤熱通量和感熱通量、地表熱量平衡方程中的凈輻射等相關參數[30-32];②以Penman-Monteith等蒸發量估算公式為基礎,結合地表熱量平衡方程,直接估算出蒸散量[33]。在區域作物需水研究中,遙感技術具有其他手段無法比擬的優勢。隨著地理信息系統的飛速發展,利用GIS技術的空間分析功能和DEM數據,開發基于柵格數據庫和尺度先驗知識的分布式估算模型,可用于處理作物需水量的空間分布不均勻性。區域尺度空間遙感技術突破了因下墊面幾何結構和物理屬性的水平非均勻性而難以將“點”上觀測成果應用到“面”上的局限,避免了傳統水量平衡方法在時間分辨率上的缺陷,因此區域尺度遙感技術將為今后區域尺度作物需水量的研究提供新方法、新思路[34]。

3 冬小麥生長有效降水量研究

有效降水量概念:有效降水量是指作物生長期內降水量去除徑流量、作物截留量等,實際補充到根層土壤中的凈水量,即總降水量中的有效部分[35]。有效降水量受多種因素的影響,地形地貌、土壤特性、作物種類、農業耕作管理措施等因素都會直接或間接地影響有效降水量的大小[36]。

有效降水量估算方法:①田間儀器直接測定法。蒸滲儀是研究生態系統中水分平衡及其相關參數的一個重要方法,主要通過土壤稱重系統、監測系統和數據采集系統來研究柱狀土壤中水分運移、水分平衡等相關的影響因素。蒸滲儀測定法是目前精確研究有效降水量最有效、最直接的方法之一,但蒸滲儀測定僅局限于定點監測,無法實現對大面積土壤的實時動態監測[26]。②經驗公式法。該法常在生產實踐中使用有效利用系數來計算有效降水量,稱為有效利用系數法,如Hershfield諾模圖計算模式[37]和USDA-SCS計算模式等[38]。③水量平衡法。水量平衡法是眾多學者研究的熱點之一[39]。土壤水量平衡方法能描述確定地區有效降水量特征,同時考慮了所有必要的水量平衡項,如降水、徑流、入滲、蒸散和深層滲漏。該模型以自然規律為基礎,以天或周為時間步長,精確模擬實際土壤水分和氣候條件的動態特性,適用于不同的土壤條件和氣候。

冬小麥有效降水量研究內容:對冬小麥有效降水量的研究主要集中在:①改進冬小麥有效降水量估算方法,嘗試改進有效降水量的計算模式[39]。②冬小麥各生育階段生長期的有效降水量變化特征,計算冬小麥不同生育階段有效降水量并分析其空間分布特征等,為提高降水利用率,制定科學灌溉決策方案提供支撐[40-42]。

冬小麥有效降水量研究新方向:冬小麥有效降水量研究主要從生態效應的角度出發,而有效降水量的本質是降水落到地面進入土壤后,再通過土壤水分間接被冬小麥利用或對其他生態環節產生影響。因此,從土壤水分遷移和轉化的角度去研究有效降水能更好地理解這一概念。有效降水量等于總降水量減去徑流量、蒸發量和深層滲漏量,保留在根區并能供植物利用,因此在計算有效降水量時需要考慮地形、巖性、土壤的影響。當前多數地區采用當地的經驗公式,存在機理性缺乏,難于應用到其他地區。新的發展方向是在分析多種模型結果的基礎上,把研究成果轉化為標準形式,或通過在冬小麥生產過程中對復雜的地形和下墊面條件等環境變量進行相關分析,構建作物生育期有效降水量的優化模型及其與復雜下墊面因素如地形地貌和土壤特性等關系的多元地理空間模型,從區域尺度出發研究有效降水量的空間格局演化等[42]。

4 冬小麥干旱過程的缺水環節和干旱形成機制

冬小麥缺水量概念:干旱缺水是限制冬小麥生產的主要因素。冬小麥需水量和有效降水量的差值為冬小麥缺水量[41]。為了緩解干旱給予冬小麥的灌溉措施等即是為彌補此部分的缺水量,研究缺水量的時空分布可為合理的灌溉提供科學依據,而若能精準預估缺水量空間分布格局,對制定合理的節水灌溉制度和提高農田水分利用效率具有重要的現實意義。

冬小麥缺水量研究內容:①影響缺水量的因子分析。研究氣象、地形等因子與冬小麥需水量和缺水量之間關系,分析影響缺水量的主導因子等[7]。②缺水量對冬小麥生長的影響。分析不同缺水量對冬小麥葉面積和莖稈直徑等生理指標的影響等方面[43]。③缺水量空間分布模型研究。以水量平衡方程為基礎,從冬小麥生產過程的有效降水量和作物需水量角度進行分析,構建空間分布模型;利用ENWATBAL模型[44]或作物生長模型DS-SAT和AquaCrop等[45]模型等對冬小麥耗水規律、缺水量進行時空分布模擬,分析干旱形成機制,為灌區的合理灌溉提供理論依據[46]。

冬小麥缺水環節和干旱形成機制研究:冬小麥干旱的發生強度、持續時間與氣象、地形、土壤植被等下墊面因素密切相關,水分在這些因素之間遷移和轉化,任何一個環節不暢都會影響冬小麥干旱的形成和發展,此類水分遷移不暢的環節稱為冬小麥干旱缺水環節。對缺水環節和干旱形成機制的研究主要有:①從農作物的水分供需變化規律著手,從宏觀上的流域或行政區劃邊界角度出發,在對氣象站點觀測數據分析的基礎上,選定能反映農作物旱情、旱象的干旱指標,研究冬小麥缺水過程等問題[41]。②從冬小麥干旱脅迫的適應性和田間試驗角度,研究土壤缺水導致的干旱脅迫對冬小麥生理生化系統的影響,側重冬小麥作物生理特性適應干旱并增強土壤水分利用效率的研究等[47]。③從小麥抗旱對策角度,從冬小麥耕作制度角度出發,研究冬小麥干旱形成過程中涉及到的土壤前期底墑、植被涵養水源、徑流補給、調節土壤水分狀況、冬小麥地膜覆蓋保墑等環節,探討影響干旱形成因素,提出干旱缺水地區冬小麥生產的科學合理灌溉模式[48]。

綜上所述,冬小麥缺水環節和干旱形成機制的研究目前較多的是從田間試驗等微觀尺度或從流域、行政區等宏觀尺度出發,缺乏基于格網化的研究,以及同時考慮復雜下墊面因素介于微觀和宏觀尺度之間的研究。

5 冬小麥干旱災害風險研究

冬小麥干旱災害風險評估的主要內容(圖1):①致災因子的危險性評估。主要包括在不同孕災環境中的致災因子引發的災害種類,致災因子的時空分布、頻率、強度、持續時間、作用周期、致災因子等級及其概率等[49]。②承災體脆弱性或易損性評估。針對冬小麥生產對氣候變化的敏感性與脆弱性研究,不但探究農業生產面臨的氣候變異風險和氣候變化的響應,而且研究減緩氣候變化對農業生產的負面影響、開展適應行動等[50]。③災情期望損失評估和災害風險綜合評估。干旱對冬小麥產量影響的風險評估較復雜,目前多為冬小麥產量的風險評估或生產潛力的冬小麥風險評估[51]。

圖1 冬小麥干旱機制辨析與災害風險研究關系

冬小麥干旱災害風險評估方法:①指標綜合評估方法。以指標為核心,側重于災害風險指標的選取、優化以及權重的計算,干旱災害風險系統分為危險性、暴露性、災損敏感性、抗旱能力四個子系統,建立冬小麥干旱災害風險評估指標體系[52]。②數據概率評估方法。以歷史災害和災損數據為基礎,借助數學模型對數據進行統計分析和災害風險評估[53]。③情景模擬評估方法。綜合遙感、地理信息技術和數值模式等復雜系統仿真建模手段,模擬未來情景可能發生的災害過程,實現災害風險的可視化表達,對冬小麥干旱風險進行動態評估[54]。

冬小麥干旱災害風險評估研究展望:氣候變化對冬小麥干旱的影響主要表現在致災因子的變化和干旱形成的各個環節,同時對冬小麥干旱災害風險的致災因子、孕災環境、承災體和防災、減災能力等多個因素也會產生一定影響。在氣候變化背景下,應對冬小麥干旱災害風險的研究已成為災害風險管理新的方向[55]。揭示氣候變化背景下冬小麥干旱災害風險時空變化特征及其規律性,開展冬小麥干旱災害風險變化評估研究將成為未來的研究熱點。

6 研究述評

就冬小麥干旱缺水環節和形成機制而言,相關學者已開展大量研究工作,但仍有一定的提升空間,在研究方法上主要有:①以田間試驗為基礎進行冬小麥生理特征角度的干旱微觀尺度研究。②以不考慮下墊面影響的區域統計方法的冬小麥干旱宏觀尺度研究。但兩者之間不能相互結合,田間試驗和區域統計模型研究是互為補充的關系,可嘗試綜合考慮復雜下墊面地理要素的中觀尺度與上述兩種研究方法。③研究內容上,冬小麥干旱缺水量準確估算、缺水環節查找和干旱形成機理分析等有待深化。以往研究多建立在田間試驗或區域性氣象站點數據分析的基礎上,對冬小麥干旱缺水環節預測不準確。從宏觀上分析某個流域或行政區冬小麥干旱發生的可能性,不能具體定位哪些位置可能發生干旱,同時對冬小麥需水量的精確測算、有效降水量的確定等尚有改進空間,對冬小麥干旱的形成機制也需要進一步深入探討。

開展冬小麥干旱機制研究具有較好的理論和實踐研究意義:①從理論上豐富冬小麥干旱機制研究內容。綜合考慮復雜下墊面因素(地形地貌和土壤特性等)對冬小麥干旱的影響,嘗試細化冬小麥干旱形成的時間變遷和空間格局演化過程,分析復雜下墊面條件下格網尺度的冬小麥缺水環節和干旱形成機制,探索在連接點尺度上田間試驗的干旱機理研究與面尺度上區域宏觀的干旱分析研究,可為農業干旱研究提供新的思路和研究角度,為豐富農業干旱研究等提供支撐。②從實踐上加強冬小麥防災減災能力建設。從冬小麥干旱的缺水環節出發,構建格網尺度的冬小麥干旱評估模型,可精確評估干旱的時空分布特征,為合理灌溉等提供技術支撐;同時,結合氣候變化預估數據,評估不同氣候變化情景下冬小麥干旱災害風險,可為建立冬小麥干旱預警、積極應對氣候變化、減輕氣象災害帶來的損失和提高流域防災減災能力提供科學支撐。

7 研究展望

為進一步開展冬小麥干旱研究,特別是冬小麥干旱形成機制研究,亟需要加強的科學問題是:①如何細化需水量和有效降水量的空間格局研究？在當前的研究中,冬小麥需水量和有效降水量研究多數是基于微觀尺度上的田間觀測或宏觀尺度上的經驗公式估算,較少開展冬小麥需水量和有效降水量的空間格局特征研究,尤其是缺乏結合格網化下墊面因素的中觀尺度分析。以田間試驗數據為基礎,綜合考慮氣候、地形地貌、土壤特性、植被等格網化的下墊面因素,研究中觀尺度的冬小麥需水量、有效降水量的新模式,同時借助格網概念,嘗試將冬小麥干旱精準定位在空間格網上,為冬小麥干旱防災減災等提供技術支撐。②如何確定冬小麥干旱的缺水環節,干旱機制如何？干旱是冬小麥生長所需水分在時間和空間上沒有及時補給,水供給和分配環節出了問題。缺水是相對于作物的需水而言,作物缺水量即為有效降水量和需水量的差值。從農作物的水分供需變化規律著手,通過田間試驗和對下墊面因素分析,從“氣候—土壤—冬小麥”系統角度出發構建缺水量空間分布模型,對冬小麥缺水量進行深入研究并探討冬小麥的干旱形成機制。結合氣候模式數據,開展不同氣候變化情景下的冬小麥需水量和缺水量的時空變異與模擬預測研究,分析未來氣候變化背景下中觀尺度冬小麥干旱與氣象因子等的關系,識別冬小麥干旱的時空演變特征,研判冬小麥的干旱風險,為保障冬小麥生產提供理論依據。