受旱試驗與相對生長率相結(jié)合的小麥旱災系統(tǒng)敏感性識別與評估

許滸，蔣尚明*，袁宏偉，劉佳，金菊良

受旱試驗與相對生長率相結(jié)合的小麥旱災系統(tǒng)敏感性識別與評估

許滸1，蔣尚明1*，袁宏偉1，劉佳1，金菊良2,3

（1.安徽省水利部淮河水利委員會 水利科學研究院/水利水資源安徽省重點實驗室，合肥 230088；2.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，合肥 230009；3.合肥工業(yè)大學 水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所，合肥 230009）

【】揭示小麥不同生長發(fā)育過程中干旱致災因子危險性經(jīng)承災體脆弱性轉(zhuǎn)換為旱災損失的干旱致災機制。基于小麥受旱試驗，運用相對生長率生長函數(shù)，構建了小麥旱災系統(tǒng)敏感性曲線，據(jù)此進行小麥旱災系統(tǒng)敏感性的定量識別與評估。小麥分蘗期受旱脅迫均會造成干物質(zhì)累積總量相對生長率小幅降低（相對無受旱脅迫），但隨受旱脅迫度的增加變化幅度并不明顯，當期受旱會激發(fā)小麥的自適應能力，促進根系縱向生長，從而對后期生長發(fā)育有利；小麥拔節(jié)孕穗期輕度受旱對生長發(fā)育影響較小，但在重度受旱時系統(tǒng)敏感性最大；小麥抽穗開花期系統(tǒng)敏感性較大，輕度受旱即會對小麥生育造成較大影響；小麥灌漿成熟期系統(tǒng)敏感性也較大，輕度受旱就會顯著抑制小麥生長發(fā)育。小麥拔節(jié)孕穗期輕度受旱脅迫對小麥生長發(fā)育影響較小，但在重度受旱時系統(tǒng)敏感性最大，宜保證該生育期土壤含水率高于田間持水率的55%；小麥抽穗開花期和灌漿成熟期系統(tǒng)敏感性均較大，輕度受旱均會對小麥生育造成較大的影響，宜保證這2個生育期土壤含水率高于田間持水率的75%。

小麥；旱災系統(tǒng)敏感性；受旱脅迫；相對生長率；敏感性函數(shù)

0 引 言

【研究意義】旱災是當今世界上發(fā)生頻繁且影響深遠的重大自然災害之一，嚴重威脅國家或地區(qū)供水安全、糧食安全和生態(tài)安全[1-2]。1949—2017年，全國共出現(xiàn)了近43個嚴重干旱年份，農(nóng)業(yè)年均因旱受災面積0.21億hm2，年均因旱損失糧食162.6億kg；2006—2017年，農(nóng)業(yè)年均因旱損失糧食224.4億kg，年均因旱直接經(jīng)濟損失高達882.3億元，且旱災的發(fā)生頻次及損失均呈不斷上升的趨勢[3]。小麥是我國種植面積和總產(chǎn)量僅次于水稻的重要糧食作物，小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展直接關系我國糧食安全和社會穩(wěn)定[4-6]。【研究進展】我國小麥大多種植在北方干旱、半干旱地區(qū)，干旱缺水一直是制約我國小麥生產(chǎn)的重要瓶頸[7]。從致災過程看，旱災系統(tǒng)災損敏感性作為旱災系統(tǒng)脆弱性的重要組成部分，是指承災體本身在遭受干旱打擊時所反映出的可能受損的容易程度，在農(nóng)業(yè)旱災中表現(xiàn)為作物在不同生育期不同受旱脅迫強度下的損失敏感程度，其為干旱危險性演變?yōu)楹禐膿p失的關鍵轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)[8-11]。目前，作物不同生育期對受旱脅迫強度的敏感響應研究成果豐碩[12-13]，大多通過探尋作物不同生育期水分消耗與產(chǎn)量的定量關系，構建不同形式的水分生產(chǎn)函數(shù)來優(yōu)化作物灌溉制度[14-16]，描述作物水分消耗與產(chǎn)量的宏觀關系。【切入點】基于水分生產(chǎn)函數(shù)的作物不同生育期的敏感系數(shù)僅能靜態(tài)反映作物產(chǎn)量損失對相應生育期受旱脅迫強度變化的響應，但無法揭示作物不同生育期不同受旱脅迫強度下的生長發(fā)育和致災成災過程，因此，亟須從不同生育期受旱脅迫對作物生育響應機理出發(fā)，探尋作物受旱脅迫強度與作物生育指標之間的定量關系，以動態(tài)揭示作物不同生育期受旱脅迫災損敏感性[17-18]。【擬解決的關鍵問題】基于此，本文以淮北平原主要糧食作物小麥為研究對象，通過小麥不同生育期受旱脅迫專項試驗，運用作物干物質(zhì)累積相對生長率方法分生育期揭示小麥不同受旱脅迫度下的生育特性，實現(xiàn)對小麥旱災系統(tǒng)敏感性的分生育期識別與評估，以期為區(qū)域小麥灌溉制度優(yōu)化確定與旱災風險管理提供理論依據(jù)與技術支撐。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗于2016年10月—2018年5月在新馬橋農(nóng)水綜合試驗站進行，該站為安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院所屬的安徽省灌溉試驗中心站，地處皖北平原中南部，屬典型南北氣候與高低緯度過渡區(qū)，多年平均降雨900 mm左右，地下水埋深較淺、一般小于3 m，氣溫適中、光照充足，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)越。試驗區(qū)土壤為砂姜黑土，土體堅實，裂隙發(fā)育，土壤保水性能差，為安徽省淮北平原典型中低產(chǎn)田，土壤的田間持水率和凋萎含水率分別為28.0%、9.3%（質(zhì)量含水率）。供試盆栽測桶采用平均內(nèi)徑24 cm、高27 cm的塑料桶，供試小麥品種為煙農(nóng)19。2 a受旱脅迫試驗所有測桶樣本均只在小麥播種時施肥（復合肥7.2 g/桶、尿素2.7 g/桶），后期不再施追肥。為保證各處理樣本不同生育期土壤含水率在相應控制范圍之內(nèi)，2 a所有小麥測桶均置于自動啟閉防雨棚內(nèi)。

1.2 試驗設計

小麥受旱脅迫的生育期分別為：分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開花期、灌漿成熟期，每個生育期均設置輕度和重度2個受旱脅迫水平，其他生育期按充分灌溉處理。根據(jù)已有成果[18-19]和新馬橋農(nóng)水綜合試驗站多年作物受旱脅迫試驗經(jīng)驗，以土壤含水率占田間持水率的百分比為控制指標來確定各處理樣本土壤含水率下限，具體如下：無水分脅迫為75%（對照）、輕度受旱脅迫為55%、重度受旱脅迫為35%。小麥受旱脅迫專項試驗共設有9個處理，各生育期結(jié)束和收獲時的每個處理樣本均破壞5桶。試驗設計方案詳見表1。參照文獻[18]中大豆受旱脅迫試驗方案，結(jié)合新馬橋農(nóng)水綜合試驗站長序列小麥灌溉試驗成果及大田灌溉實踐經(jīng)驗確定試驗灌溉方式，具體為：當小麥盆栽樣本土壤含水率低于相應生育期土壤含水率下限后，灌水至田間持水率的90%，如此循環(huán)至相應生育期結(jié)束。試驗過程中各處理除水分控制條件不同外，其他田間管護措施保持一致。

表1 試驗設計方案

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤含水率

為精確獲取各處理日均土壤含水率，每天17:00用精度為0.01 g的電子天平（型號YP30KN）對所有小麥盆栽樣本進行稱質(zhì)量。為降低各處理小麥植株生長發(fā)育對盆栽土壤含水率換算帶來的誤差，各盆栽處理的稱質(zhì)量需扣除相應處理上一生育期末時小麥植株的濕質(zhì)量均值。考慮小麥盆栽土壤含水率的動態(tài)變化性，以盆栽樣本當天初始土壤含水率和末尾土壤含水率的均值來表征當天土壤含水率的均值[17]。

1.3.2 植株生物量

將小麥盆栽樣本整體置于水池浸泡1 h左右，使盆栽土體松散后用清水沖洗根系，然后取出完整的小麥植株。用直尺測定小麥植株的根、冠長度后，將植株根冠分離，分別洗凈擦干后，用1/10 000電子天平（型號JH502）稱取小麥植株的根、冠濕質(zhì)量。將小麥植株根冠分別置于烘箱烘干，稱取小麥植株的根、冠干物質(zhì)量。

1.4 基于土壤含水率的小麥受旱脅迫度

土壤含水率可有效表征農(nóng)田土壤、植物和大氣三者之間的水分交換關系[20]，在農(nóng)業(yè)旱情識別、評估與預報預警中得以廣泛應用[21-22]。現(xiàn)有成果大多只能靜態(tài)判定作物受旱與否，無法定量描述作物受旱累計過程與程度。而在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，土壤含水率在降雨和灌溉作用下具有顯著的動態(tài)變化特性，為此，蔣尚明等[18]依據(jù)新馬橋農(nóng)水綜合試驗站長序列作物受旱與灌溉試驗成果，提出了基于土壤含水率的旱作物受旱脅迫度的概念與計算式[18]，具體為：

式中：DS為盆栽第天的受旱脅迫度；θ，為盆栽第天的平均土壤含水率；s為作物適宜土壤含水率下限；f為田間持水率；w為凋萎含水率；0為計算生育期或時段的初始時間（d）；1為計算生育期或時段的結(jié)束時間（d）；SD為盆栽計算生育期或時段內(nèi)的平均受旱脅迫度。

1.5 作物干物質(zhì)累積相對生長率

作物干物質(zhì)累積相對生長率（Relative Growth Rate,）是英國學者Blachman于1919年提出的作物生長解析法中應用最為廣泛的生長函數(shù)之一[23]，可實現(xiàn)對作物生育特性與生長環(huán)境變化響應的定量表征[23]。本文運用相對生長率來揭示小麥不同生育期干物質(zhì)累積對受旱脅迫程度的響應規(guī)律，以定量評估小麥旱災系統(tǒng)敏感性。單位干物質(zhì)量在單位時間內(nèi)的干物質(zhì)增長速率即為相對生長率或相對生長速度，其微分表達式[24-25]為：

式中：為相對生長率（g/（g·d））；為作物總干物質(zhì)量（g）；為時間（d）。

通過對式（3）兩邊積分與取對數(shù)運算后，可得相對生長率的基本計算式[24-25]，具體為：

式中：0為時段初始時間（d）；1為時段結(jié)束時間（d）；0為0時的作物總干物質(zhì)量（g）；1為1時的作物總干物質(zhì)量（g）；為0～1時段內(nèi)的作物總干物質(zhì)相對生長率（g/（g·d））。

1.6 小麥旱災系統(tǒng)敏感性函數(shù)的構建

本文借鑒文獻[18]中大豆旱災系統(tǒng)敏感性定義，以干物質(zhì)累積總量的變化為響應方式來定量識別評估小麥旱災系統(tǒng)敏感性。小麥旱災系統(tǒng)敏感性函數(shù)構建包括致災因子強度的量化、旱災系統(tǒng)對致災因子強度的響應程度的量化、關系函數(shù)的構建等。具體構建過程如下：

①致災因子強度的量化

由式（1）計算各處理逐日受旱脅迫度，結(jié)合式（2）求取各處理受旱脅迫生育期內(nèi)平均受旱脅迫程度，反映各處理在受旱脅迫期內(nèi)的干旱致災因子強度，本文以小麥生育期內(nèi)平均受旱脅迫度為干旱致災因子強度的量化指標。

②旱災系統(tǒng)受旱脅迫響應的量化

由式（4）可計算各處理不同生育期的相對生長率，可定量描述小麥在干旱致災因子作用下生長發(fā)育狀況。為此，本文用小麥某一生育期內(nèi)不受旱脅迫樣本的相對生長率與受旱脅迫樣本的相對生長率的差值為小麥旱災系統(tǒng)受旱脅迫響應的量化指標。

③關系函數(shù)的構建

以各處理日均受旱脅迫度為橫坐標，該日均脅迫度對應的小麥樣本總干物質(zhì)相對生長率的減少量為縱坐標，進行S形曲線建模，構建基于受旱脅迫試驗與干物質(zhì)累積相對生長率的小麥旱災系統(tǒng)敏感性函數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥受旱脅迫下生育特征分析

由式（2）和式（4）分別求得2017年和2018年各處理共180份小麥盆栽樣本日均受旱脅迫度和受旱脅迫生育期內(nèi)的總干物質(zhì)相對生長率。以小麥盆栽樣本日均受旱脅迫度為橫坐標，該日均受旱脅迫度對應的總干物質(zhì)相對生長率為縱坐標，對2017年度和2018年度樣本數(shù)據(jù)進行半對數(shù)趨勢擬合，具體如圖1所示。

由圖1可知，①小麥進行受旱脅迫試驗的4個生育期的總干物質(zhì)相對生長率與日均受旱脅迫度均顯著負相關，2017年度和2018年度4個生育期半對數(shù)擬合平均決定系數(shù)2為0.782、0.722。②在相同日均受旱脅迫度下，小麥總干物質(zhì)相對生長率一般分蘗期和拔節(jié)孕穗期比較大，其次是抽穗開花期，灌漿成熟期最小。③小麥分蘗期受旱脅迫總干物質(zhì)相對生長率會出現(xiàn)一定幅度減小，但減小幅度不隨受旱脅迫度的增大而增加；小麥拔節(jié)孕穗期輕度受旱脅迫降低不明顯，但當受旱脅迫度超過0.5后顯著降低；小麥抽穗開花期受旱脅迫均會顯著降低，尤其是在重度受脅迫下會出現(xiàn)負增長；小麥灌漿成熟期受旱脅迫均出現(xiàn)負增長現(xiàn)象，但隨受旱脅迫度的增大減小幅度不明顯。

圖1 小麥不同生育期受旱脅迫下總干物質(zhì)相對生長率RGR

2.2 小麥旱災系統(tǒng)敏感性函數(shù)

以小麥各處理樣本不同生育期日均受旱脅迫度為橫坐標及相應總干物質(zhì)相對生長率降低量為縱坐標，通過對2 a相同生育期受旱脅迫的小麥樣本（4個生育期的擬合樣本數(shù)均為30）的S形曲線建模計算，構建基于受旱脅迫試驗與相對生長率的小麥旱災系統(tǒng)敏感性函數(shù)，具體見表2及圖2。

表2 基于相對生長率的小麥旱災系統(tǒng)敏感性函數(shù)

圖2 基于相對生長率的小麥旱災系統(tǒng)敏感性函數(shù)

由表2及圖2可知，1）小麥2017年度和2018年度不同生育期日均受旱脅迫度與相應總干物質(zhì)相對生長率降低量（相對無受旱脅迫）的S形曲線擬合的決定系數(shù)2都在0.669～0.796之間，表明用S形曲線擬合小麥旱災系統(tǒng)敏感性函數(shù)是合理準確的。

2）基于受旱脅迫試驗與相對生長率的小麥旱災系統(tǒng)敏感性函數(shù)由直線=0.2和=0.34大致可劃分為3個區(qū)域，分別揭示了小麥不同生育期輕度、中度和重度受旱脅迫下的系統(tǒng)敏感性。

3）小麥輕度受旱脅迫時（日均受旱脅迫度小于0.2），小麥旱災系統(tǒng)敏感性從大到小的順序為灌漿成熟期>抽穗開花期>分蘗期>拔節(jié)孕穗期，這主要是由于小麥在拔節(jié)孕穗期根系深扎、根量最大、根系活力最強，在輕度受旱脅迫時，根系能有效保障植株水量供給，幾乎不影響植株當期干物質(zhì)積累；小麥灌漿成熟期則進入生殖生長階段，根系逐漸萎縮、活力顯著降低，當期即使受輕度受旱脅迫就會顯著影響植物干物質(zhì)積累。

4）小麥中度受旱脅迫時（日均受旱脅迫度大于0.2而小于0.34），小麥旱災系統(tǒng)敏感性從大到小的順序為抽穗開花期>灌漿成熟期>分蘗期>拔節(jié)孕穗期，這主要由于小麥抽穗開花期遭遇中度水分脅迫就會顯著影響植株生長發(fā)育，導致小麥植株總干物質(zhì)相對生長率降低量較輕度受旱脅迫顯著增加。

5）小麥重度受旱脅迫時（日均受旱脅迫度大于0.34），小麥旱災系統(tǒng)敏感性從大到小的順序為拔節(jié)孕穗期>抽穗開花期>灌漿成熟期>分蘗期，這主要是由于小麥在拔節(jié)孕穗期生長最為旺盛，水肥需求最強，在輕度受旱時可通過發(fā)達的根系保證足夠的水分供給，而在重度受旱脅迫下小麥拔節(jié)孕穗期相對無受旱脅迫的減少顯著增加，導致小麥拔節(jié)孕穗期重度受旱脅迫下最為敏感。

3 討 論

作物產(chǎn)量的形成是一個復雜的生理過程，涉及光合作用、干物質(zhì)積累與分配、器官的生長發(fā)育、有機無機元素的吸收、利用及轉(zhuǎn)移等一系列過程，干物質(zhì)積累對作物產(chǎn)量有著重要作用。本研究運用相對生長率（）有效揭示了小麥不同生育期干物質(zhì)累積對受旱脅迫程度的響應規(guī)律，小麥分蘗期是營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長的轉(zhuǎn)折點且初始干物質(zhì)量小[26]，尤其是越冬結(jié)束后隨著氣溫和地溫的升高，根系向下深扎，根量增長迅速，導致分蘗期相對較大；小麥拔節(jié)孕穗期是營養(yǎng)生長和生殖生長并進時期，生長旺盛，是干物質(zhì)積累最大的生育期[26]，導致拔節(jié)孕穗期也相對較大；小麥抽穗開花期是進入生殖生長的轉(zhuǎn)折點，生殖生長逐漸占主導地位，導致抽穗開花期一般較小；小麥灌漿成熟期營養(yǎng)生長停止，干物質(zhì)積累停止[26]，進入黃熟期后莖、根、葉逐漸衰老脫落，導致灌漿成熟期最小，一般為負增長。

從災害系統(tǒng)論角度看，旱災系統(tǒng)敏感性是指旱災系統(tǒng)對干旱致災因子強度的響應程度或敏感程度，是旱災風險產(chǎn)生的必要條件，也是旱災系統(tǒng)由干旱危險性演變?yōu)楹禐膿p失的中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)[1,18]。本研究表明S形曲線在擬合小麥旱災系統(tǒng)敏感性函數(shù)時具有良好精度，可有效描述小麥不同生育期干物質(zhì)積累與該生育期內(nèi)受旱脅迫強度的定量關系，這與已有研究成果中用S形曲線構建大豆旱災系統(tǒng)敏感性函數(shù)是一致的[17-18]。這主要由于S形曲線各參數(shù)的物理意義明確，且作物干物質(zhì)積累與水分脅迫強度之間具有明顯的S形變化趨勢。

4 結(jié) 論

1）小麥分蘗期受旱脅迫均會造成干物質(zhì)累積總量相對生長率一定幅度的減少（相對無受旱脅迫），但隨著受旱脅迫程度的增加對小麥干物質(zhì)積累的抑制作用增強不明顯，且受旱脅迫會激發(fā)小麥的自適應能力，促進根系縱向生長，從而對后期生長發(fā)育有利，因此，該生育期可實施非充分供水控制，保證小麥苗全即可。

2）小麥拔節(jié)孕穗期是水肥需求最為迫切的時期，該生育期輕度受旱脅迫對小麥生長發(fā)育影響較小，但在重度受旱脅迫時系統(tǒng)敏感性最大，宜保證該生育期土壤含水率高于田間持水率的55%，以保障小麥充分的干物質(zhì)積累。

3）小麥抽穗開花期和灌漿成熟期均是產(chǎn)量形成的關鍵時期，系統(tǒng)敏感性均較大，輕度受旱脅迫均會對小麥生育造成較大的影響，宜保證這2個生育期土壤含水率高于田間持水率的75%，以保障小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

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Sensitivity of Winter Wheat to Drought Occurring at Different Growth Stages

XU Hu1, JIANG Shangming1*, YUAN Hongwei1, LIU Jia1, JIN Juliang2,3

(1.Key Laboratory of Water Conservancy and Water Resources of Anhui Province, Water Resources Research Institute ofAnhui Province and Huaihe River Commission, Ministry of Water Resources, Hefei 230088, China;2. School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;3. Institute of Water Resources and Environmental Systems Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

【】Sensitivity of crop to drought is a measure of the response of its growth and yield to water stress occurring at different growth stages. It is a key parameter characterizing the transition from drought risk to drought loss. The objective of this paper is to experimentally investigate how drought stresses occurring at different growth stages of winter wheat affect its eventual yield.【】The experiment was conducted in a winter wheat field, and drought of different degrees was imposed at different growth stages. In each treatment, we measured the changes in total dry matter accumulation and the final yield. A sensitivity function was derived based on the growth rate of the dry matter accumulation to assess the impact of the droughts.【】①Drought occurring at tillering stage reduced the growth rate of the total dry matter accumulation, but the reduced rate did not increase at significant level as the drought stress increased because the occurrence of the drought in this period stimulated roots to go deep to forage water in subsoil; this benefit continued to the late stage of the wheat.② Occurrence of mild drought at jointing or booting stage did not have significant effects on growth and development of the wheat, but the wheat was very sensitive to severe drought occurring at these stages.【】The growth rate of the total dry matter accumulation decreased asymptotically as the drought stress occurring at tillering stage increased. Since the drought did not inhibit dry matter accumulation, insufficient irrigation can be implemented at this stage without compromising yield. The wheat was sensitive to severe drought at the jointing or booting stage, and soil water content at these stages should be kept higher than 55% of the field capacity. The wheat was very sensitive to drought at heading and flowering stage and even a mild drought could significantly hinder the crop growth; soil moisture at this stage thus hould be kept higher than 75% of the field capacity.

wheat; sensitivity to drought; drought stress; relative growth rate; sensitivity function

S27

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020708

1672 – 3317（2021）08 - 0066 - 07

許滸, 蔣尚明, 袁宏偉, 等. 受旱試驗與相對生長率相結(jié)合的小麥旱災系統(tǒng)敏感性識別與評估[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(8): 66-72.

XU Hu, JIANG Shangming, YUAN Hongwei, et al. Sensitivity of Winter Wheat to Drought Occurring at Different Growth Stages[J]. Journal of Irrigation and Drainage,2021, 40(8): 66-72.

2020-12-21

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0301301）；國家自然科學基金項目（51409002）；山東省重點研發(fā)計劃項目（2017GSF20101）

許滸（1964-），男。高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)水旱災害防治研究。E-mail: xu-h@163.com

蔣尚明（1983-），男。高級工程師，主要從事農(nóng)村水利系統(tǒng)工程研究。E-mail: jiangshangming@163.com

責任編輯：趙宇龍