干旱监测方法对农作物适用性研究综述进展

王雨晴 张成福 李晓鸿 杨宇娜 杨利英 贺帅 王志东

摘要：指出了目前国内外学者已开发出众多的干旱监测方法，但不是所有的方法都适用于农作物的干旱监测中，精准地评估旱情对粮食产量有着重要的影响。对目前常用的一些干旱监测方法进行了收集，并分析旱情对重要农作物不同生育期的响应及干旱监测方法在农作物中的适用性评价，以期找出最适合我国农作物干旱的监测方法，为我国大部分地区农作物的干旱监测提供一定的科学依据。

关键词：不同农作物;生育期;干旱指数;适用性探索

1引言

在氣候变化背景下，全球地表年平均温度都有所升高，中国地表年均温度增加值高于全球，温度变化的同时，降水格局也发生了变化，这可能会导致极端天气灾害增加的风险，1964～2007年极端天气气候事件导、致全球主要粮食作物（玉米、水稻、小麦）大面积减产，其中干旱灾害对农业产量影响很大，远远超过了其它灾害。全球大部分陆地都遭受着干旱的影响，干旱灾害对生活质量和经济发展都有着一定的危害。干旱具有反复性和累积性的特点，干旱的发生过程不易察觉，因此灾害开始和结束的时间很难判断。我国大部分地区处于干旱、半干旱地区，易受干旱灾害的影响，且我国是农业大国，农业是国民经济的基础，干旱的发生会直接影响到粮食的安全和可持续发展。因此，准确地预测干旱对农作物的影响仍是当前科学研究的一个热点问题。

到目前为止，全球已经开发出100多种可以评估干旱的监测方法，但不同干旱监测方法的开发机理不同，导致在不同区域中适用效果也不一样。单一的干旱指数很难全面准确地监测农作物的干旱情况，所以客观和合理地选择干旱监测方法，对合理评估旱情有重要的现实意义。

本文的目的是总结我国近年来大量的干旱评估研究成果，并分析旱情对主要农作物不同生育期的响应和干旱监测方法在农作物中的适用性评价，以期找出最适合我国农作物旱情的监测方法。

2常用的干旱监测方法

2.1基于气象站点的干旱统计模型

国内外学者基于气象站点的干旱统计模型，开发出众多的监测方法。这一方法是基于数学模型和长期气象观测资料监测旱情，方便集成于气候模型中，预测特定区域未来气候变化条件下的干湿变化趋势。大多数干旱指数在水分收支上的考虑是不同的，如Palmer干旱指数（Palmer drought severity index，PDSI）是通过降水、蒸发、土壤含水量等综合考虑的监测方法;标准降水指数（Standardized precipitation index，SPI）和降水量距平百分率（Precipitation anomaly percentage，PA）是仅以降水来衡量干旱程度的指数;标准化降水

蒸

散

指

数

（Standardized

precipitation evapotranspiration index，SPEI）和湿润度指数（Moisture index，MI）在考虑降水的基础上，考虑了蒸散发。我国于2017年发布《GB T 20481-2017国家气象干旱等级》，其中主要的监测方法有相对气象干旱综合指数（Meteorological composite index，MCI）、MI、SPI、SPEI、PDSI、PA干旱指数。基于站点气象观测数据的干旱监测方法被广泛开发和利用，但是该方法的不足之处在于基气象站点在部分地区分布上是稀疏和不均匀的地区，在用于大区域的干旱监测时，离气象站点越远的地方精度可能会越低，这会限制干旱评估和监测。

2.2基于遥感技术的干旱监测模型

基于遥感技术的干旱监测也是目前常用的手段它基于不同土壤质地、水分变化、植被变化等角度，从而对干旱造成的影响进行分析。植被和农作物受干旱影响分析时常用遥感手段进行监测，该方法根据植被的生态特征和覆盖度对干旱进行监测，具有实时性、监测范围广、成本低及准确性高的特点。如归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index.NDVI、归一化水指数（Normalized DifferenceWater Index，NDWI）E28]、归一化多波段干旱指数（Normalized Multi-band Drought Index，NMDI）、（Perpendicular Drought Index，PDI）、（Apparentthermal inertia，ATI）。但由于大部分通过监测植被的遥感监测方法不仅受干旱影响会发生变化，其他因素（洪涝、虫害、人为等）也会导致其发生变化，且遥感监测方法无法与大气温度和降水等气象因子相联系，该方法无法用来预测气候变化条件下干旱的变化趋势。

2.3基于气象站点和卫星遥感的综合干旱监测模型

综合干旱指数方法是基于地面气象站点观测的长期气象资料和卫星遥感观测的实时植被或土壤水分数据建立的干旱监测指数。因而，综合干旱指数方法兼具气象站点干旱监测和卫星遥感干旱监测的优点从而弥补了两者的不足。提高了干旱监测的时间和空间精度，并且可以用来预测气候变化对于区域干湿变化趋势的预测。优化气象干旱指数（Optimize meteorologicaldrought index，OMDI）、优化植被干旱指数（Optimize vegetation drought index，OVDI）、Vegetationdrought response Index，VegDRI）、综合地表干旱指数（Integrated Surface Drought Index，ISDI）、综合干旱监测指数（Standardized Drought Index，SDI）。归一化旱情综合指数（Scaled Drought Condition Index，SDCI）、微波集成干旱指数（Microwave Integrated Drought Index，MIDI）。但数据获得和计算方法是有复杂的。

3不同农作物的生育阶段对旱情的响应

在非灌溉区，干旱对农作物的生长发育起着直接的作用。农作物在不同生育期阶段对干旱的响应会有不同的表现特征，因此分阶段进行灾害的风险性分析对农作物生长健康及产量有着很大的现实意义。

玉米、小麦是我国主要的粮食作物。其中玉米是重要的粮食、饲料和经济作物。中国的玉米种植区主要分布于干旱、半干旱区域，相比其它农作物（小麦，高粱），玉米对水分变动是十分敏感的。东北地区作为中国玉米主产区，旱情对东北地区春玉米的灌浆一乳熟期的影响非常显著。在内蒙古地区也得类似结果。有研究表明干旱胁迫对春玉米的影响顺序依次为：孕穗期>抽雄期>拔节期>吐丝期>灌浆期>成熟期>苗期。旱情对南京地区夏玉米的抽雄期影响较大，也有研究表明旱情对夏玉米的影响与北方春玉米相同，生长后半期的影响高于前半期。有研究表明干旱胁迫对夏玉米的影响依次表现为：拔节期>乳熟期>苗期。在春玉米和夏玉米的不同生育阶段都表现出旱情在生长后期的影响高于生长前期的現象。这可能是由于玉米生长后期，特别是抽雄到乳熟阶段是水分临界期，对水分需求较多，因此对旱情的发生更加敏感。小麦的生长多集中在北方地区，是主要的粮食作物。关东地区冬小麦生育期中，返青期旱情大，从返青期到抽穗期旱情得到缓解。在半干旱地区，如在拔节期一抽穗期发生干旱，会导致春小麦减产。北方冬小麦旱情对返青一成熟（春季）的影响较大，而南方旱情对冬小麦发芽、出苗和分蘖（秋季）的影响较大，不同地区对小麦的影响是不同的。玉米和小麦在不同地区的发育阶段对旱情响应不同的原因可能是播种时间、气候条件及作物生长时需水量的差异等因素导致的。

4干旱监测方法在不同农作物F适用性研究

陆地生态系统受到干旱胁迫时会表现出植物光合作用下降和呼吸代谢降低等适应性生物学特性。因此，不同的植被面对干旱胁迫时其表现形式具有一定差异性。旱灾对农作物造成的危害程度不仅取决于干旱事件的强度，更取决于作物自身面对旱灾时表现出的脆弱性。因此，选择适合监测农作物的干旱监测方法显得非常重要。

综合干旱模型（Standardized drought index，SDI）对监测小麦和玉米生长期的干旱有良好的适用性。改进归一化植被指数（Modified normalized differencevegetation index，MNDVI）对监测吉林省农作物的生长状态有很好的适用性。SPEI指数对云南省夏玉米受干旱引起的产量变化有很好的适用性，灵敏的时间尺度监测可以更好的评价作物不同生长期对旱情的响应。在对湿润、半湿润地区的农作物进行干旱监测中，植被供水指数（Vegetation supply water index，VSWI））具有很好的适用性。农业干旱参考指数（Agricultural Reference Index for Drought，ARID）对我国西南地IXZ，米作物受干旱影响时的空间变化情况有很好的监测效果。在作物的不同生育阶段，可以选取不同的监测方法，在作物生长前期由于作物覆盖度较低，可以使用热惯量（Apparent thermal inertia，ATI）来监测干旱，该方法在植被地覆盖低的区域有很好的适用性。在生长后期作物覆盖度较高，可选取改进型垂直干旱指数（Modified Perpendicular drought index，MPDI）进行监测。

在不同气候区下，对农作物旱情评估可以考虑多个监测方法一起使用，从而增加其准确性。监测方法的选取可以侧重于实时监测和多时间尺度角度进行考虑。

5结语

干旱是我国常见的自然灾害，它会导致许多不利现象的产生。准确的评估和预测旱情对作物健康和产量都有一定的现实意义。对农作物进行干旱监测有一定的困难性，这是由于作物对旱情的响应不仅受农作物自身的生物学特性影响，还受下垫面及人为管理、耕作制度的影响。寻找可以准确地对农作物进行干旱监测的方法具有一定的现实意义。农作物的生长期相对较短，但是不同生长期对干旱的敏感性是不同的，因此可以选取多个监测方法，从而增加对农作物旱情分析的准确性。气象数据、作物生理物理特征和遥感监测相结合的干旱监测方法可能会成为未来对农作物旱情监测的一个方向。