全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 渊杂匀耘晕郧栽粤陨 载哉耘月粤韵冤
摇 摇 第 猿源卷 第 缘期摇 摇 圆园员源年 猿月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
干旱指标研究进展 李柏贞袁周广胜 渊员园源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
气候变化对作物矿质元素利用率影响研究进展 李垄清袁吴正云袁张摇 强袁等 渊员园缘猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
森林生态系统中植食性昆虫与寄主的互作机制尧假说与证据 曾凡勇袁孙志强 渊员园远员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
线虫区系分析指示土壤食物网结构和功能研究进展 陈云峰袁韩雪梅袁李钰飞袁等 渊员园苑圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
中国省际水足迹强度收敛的空间计量分析 赵良仕袁孙才志袁郑德凤 渊员园愿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高原河谷城市植被时空变化及其影响因素要要要以青海省西宁市为例 高摇 云袁谢苗苗袁付梅臣袁等 渊员园怨源冤噎噎
土地利用和环境因子对表层土壤有机碳影响的尺度效应要要要以陕北黄土丘陵沟壑区为例
赵明月袁赵文武袁钟莉娜 渊员员园缘冤
噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
赤子爱胜蚓和毛利远盲蚓对添加造纸污泥土壤的化学和生物学特征的影响
陈旭飞袁张摇 池袁戴摇 军袁等 渊员员员源冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
钾与信号抑制剂对外生菌根真菌分泌乙酸的调控作用 杨红军袁李摇 勇袁袁摇 玲袁等 渊员员圆远冤噎噎噎噎噎噎噎噎
砷诱导蚕豆气孔保卫细胞死亡的毒性效应 薛美昭袁仪慧兰 渊员员猿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
石油污染土壤中苯酚降解菌 葬凿园源怨的鉴定及降解特性 胡摇 婷袁谷摇 洁袁甄丽莎袁等 渊员员源园冤噎噎噎噎噎噎噎噎
紫花苜蓿对铜胁迫生理响应的傅里叶变换红外光谱法研究 付摇 川袁余顺慧袁黄怡民袁等 渊员员源怨冤噎噎噎噎噎噎
播种期对晚季香稻香气 圆鄄乙酰鄄员鄄吡咯啉含量和产量的影响 杨晓娟袁唐湘如袁闻祥成袁等 渊员员缘远冤噎噎噎噎噎
外源钙渊悦葬冤对毛葱耐镉渊悦凿冤胁迫能力的影响 王巧玲袁邹金华袁刘东华袁等 渊员员远缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于植被指数的北京军都山荆条灌丛生物量反演研究 高明亮袁宫兆宁袁赵文吉袁等 渊员员苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
三种暖季型草坪草对二氧化硫抗性的比较 李摇 西袁王丽华袁刘摇 尉袁等 渊员员愿怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
恩施烟区无翅桃蚜在烤烟田空间动态的地统计学分析 夏鹏亮袁王摇 瑞袁王昌军袁等 渊员员怨愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
啮齿动物捕食和搬运蒙古栎种子对种群更新的影响 张晶虹袁刘丙万 渊员圆园缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高原鼠兔有效洞穴密度对高寒草甸优势植物叶片和土壤氮磷化学计量特征的影响
李倩倩袁赵摇 旭袁郭正刚 渊员圆员圆冤
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
光尧温限制后铜绿微囊藻和斜生栅藻的超补偿生长与竞争效应 谢晓玲袁周摇 蓉袁邓自发 渊员圆圆源冤噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
人工巢箱繁殖鸟类主要巢捕食者及其影响因素 张摇 雷袁李东来袁马锐强袁等 渊员圆猿缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
泉州湾蟳埔潮间带大型底栖动物群落的时空分布 卓摇 异袁蔡立哲袁郭摇 涛袁等 渊员圆源源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
不同尺度因子对滦河流域大型底栖无脊椎动物群落的影响 张海萍袁武大勇袁王赵明袁等 渊员圆缘猿冤噎噎噎噎噎噎
呼兰河湿地夏尧秋两季浮游植物功能分组演替及其驱动因子 陆欣鑫袁刘摇 妍袁范亚文 渊员圆远源冤噎噎噎噎噎噎噎
江西桃红岭国家级自然保护区梅花鹿生境适宜性评价 李摇 佳袁李言阔袁缪泸君袁等 渊员圆苑源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
中国自然保护综合地理区划 郭子良袁崔国发 渊员圆愿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
近 员园年来蒙古高原植被覆盖变化对气候的响应 缪丽娟袁蒋摇 冲袁何摇 斌袁等 渊员圆怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
人类活动与气候变化对洪湖春旱的影响 刘可群袁 梁益同袁周金莲袁等 渊员猿园圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
圆园园园要圆园员园年武汉市中心城区湖泊景观变化 淡永利袁王宏志袁张摇 欢袁等 渊员猿员员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
三江源区冬虫夏草资源适宜性空间分布 李摇 芬袁吴志丰袁徐摇 翠袁等 渊员猿员愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员源鄄园猿
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 插秧季节的桂西要要要圆园园怨要圆园员员年袁我国广西尧云南尧贵州尧四川尧重庆等西南地区遭受了百年不遇的特大旱灾袁其中
广西西北部尧云南大部尧贵州西部等石漠化地区最为严重袁农作物大面积绝收袁千百万人和大牲畜饮水困难袁这种危
害是巨大的尧现实的遥 从对 圆园园怨要圆园员员年我国西南地区旱灾程度及其对植被净初级生产力影响结果显示院圆园园怨要
圆园员员年西南地区年均降水量和湿润指数明显低于 员怨愿园要圆园园愿年均值袁植被净初级生产力低于 圆园园员要圆园园愿年均值袁
造成的碳损失约占我国总碳汇的 苑援怨员豫遥 全球气候变暖给大气环流提供了动力袁也造成了许多极端灾害天气袁因此
如何应对气候变化形势显得更加紧迫遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 5 期
2014年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.5
Mar.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2010CB951303);公益性行业(农业)科研专项经费项目(200903003)
收稿日期:2012鄄10鄄20; 摇 摇 修订日期:2013鄄06鄄21
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: gszhou@ ibcas.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201210201457
李柏贞,周广胜.干旱指标研究进展.生态学报,2014,34(5):1043鄄1052.
Li B Z, Zhou G S.Advance in the study on drought index.Acta Ecologica Sinica,2014,34(5):1043鄄1052.
干旱指标研究进展
李柏贞,周广胜*
(中国气象科学研究院, 北京 100081)
摘要:干旱作为全球最为常见的自然灾害之一,已经对我国的农业生产造成了严重影响。 为更好地预测影响作物的干旱并及时
采取应对措施,综述了国内外广泛应用的各类干旱指标,包括气象指标、土壤墒情指标、作物生理生态指标及其它综合监测指标
等,评述了各类干旱指标的优缺点以及在农业上的适用性,探讨了未来以作物干旱为核心的干旱指标研究拟重视的方面,以为
减缓和预防干旱对农业的不良影响及制订科学的政策提供依据。
关键词:干旱指标;气象指标;土壤墒情指标;作物生理生态指标;综合监测指标
Advance in the study on drought index
LI Bozhen, ZHOU Guangsheng*
Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: Drought as one of the most common natural disaster in the world, had caused serious influence on agricultural
production in China. To accurately predict the drought affecting agricultural production, this paper reviews various kinds of
drought indices which are widely used at home and abroad in recent years, including meteorological index, soil moisture
index, crop physiological and ecological index, and other comprehensive monitoring index. Moreover, this paper also
analyzes the advantage and disadvantage of different drought indices and their adaptabilities in agriculture, and discusses
the important tasks of drought index research centering on crop drought in the future, in order to mitigate and prevent the
negative impact of drought on agricultural and provide reference for the manage countermeasures.
Key Words: drought index; meteorological index; soil moisture content index; crop physiological and ecological index;
comprehensive monitoring index
摇 摇 大量矿物燃料的燃烧、乱砍滥伐等人类活动和
工业化过程已经导致地球环境的严重恶化及以气候
变暖为标志的全球变化,包括冰川退缩、河道断流、
湖泊萎缩、沙漠化加剧、生物多样性受损等,特别是
干旱的发生日益频繁,已经成为全球最为常见的自
然灾害之一[1鄄2]。 干旱作为长时间的累积过程,是正
常的气候现象。 气候变暖背景下,我国干旱呈现发
生频率高、分布面积大、时空分布不均匀、持续时间
长等特点[3],对农业生产的影响尤其严重[4],且农业
和农村可能是未来 50a受全球变化影响最大的部门
和地区[1]。
影响作物的干旱发生发展非常复杂,不仅与作
物本身的生物学特性有关,包括作物品种、作物生物
特性、耐旱程度、种植布局、生长状况等,还受到气象
和水文条件等自然因素、下垫面及人为管理、耕作制
度的影响。
为减缓和预防干旱对作物生产带来的不良影
响,与作物密切相关的干旱指标建立非常重要。 正
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因为如此,一系列干旱指标已被建立,包括气象指
标、土壤墒情指标、作物生理生态指标及其它综合监
测指标等,其中较为常用的干旱指标有土壤含水量、
作物水分胁迫指数和帕尔默干旱指数(PDSI) [5鄄6]。
为建立反映作物水分胁迫的干旱指标,本文将
综述近年来国内外广泛应用的各种干旱指标,并分
析其优劣与适用性,探讨未来反映作物水分胁迫的
干旱指标研究拟重视的方面,为减缓和预防干旱对
农业的不良影响及制订科学的政策提供依据。
1摇 气象指标
气象学认为,干旱是一种长期干燥少雨且稳定
的气候现象,实际上是由于缺乏足够的降水引起,是
气候水热不平衡的表现。 自然降水是农田水分的主
要来源,是造成作物水分胁迫的主要原因。 因此,降
水量常被用于描述干旱。
1.1摇 降水量指标
降水量指标是一种以某地某时段的降水量确定
旱涝标准的定量指标,主要用于地下水位较深且无
灌溉条件的雨养农业区。 该指标形式多种多样,但
大多数指标都是与该时期多年平均降水量进行对比
获得。
1.1.1摇 降水距平百分率
降水距平百分率指某时期降水量与同期多年平
均降水量的距平百分率,反映了该时期降水量相对
于同期平均状态的偏离程度,是一个具有时空对比
性的相对指标。
Mi =
R i - 軈R
軈R
伊 100%
式中,Mi为降水距平百分率,R i为某年某时期降水
量; 軈R为同期多年平均降水量。 该方法在我国气象
部门日常业务中经常使用,基于该指标已提出了不
同地区的干旱划分标准[7鄄8]及特定作物的气候干旱
指数[9]。 BMDI、RAI等均属于基于降水距平百分率
的干旱指标[10]。
降水距平百分率的优点在于意义明确、方法简
单直观,但是其响应慢、敏感性低,反映的旱涝程度
较弱,而且该指标未考虑底墒作用,对平均值的依赖
性较大,对降水时空分布不均匀地区不能确定一个
统一的划分标准,即相同的指标值会对应不同程度
的旱涝,如我国的西北地区[7鄄8]。
1.1.2摇 湿度指标
湿度指标是假设降水量为常态分布时的降水变
异系数,用以表征旱涝程度,也称标准差指标[11]。
湿度指标( I)定义如下:
I = X
- 軈X
滓
式中,X为某地某年的降水量; 軈X为该地多年平均降水
量;滓为该地多年降水量的标准差。 基于该指标的旱涝
标准划分如下[11]:大旱(I < - 2.0)、旱( - 2.0 < I <
- 1.0)、正常( - 1.0 < I < 1.0)、涝(1.0 < I < 2郾 0)、
大涝( I > 2.0),但不同研究者所用的标准不同,如鞠
笑生[7] 给出的旱涝标准为:重旱( I 臆 - 1.5)、大旱
( - 1.5 < I臆- 0.8)、偏旱( - 0.8 < I臆 - 0.3)、正常
( - 0.3 < I < 0.3)、偏涝(0.3 臆 I < 0郾 8)、大涝
(0.8 臆I < 1.5)、重涝( I逸1.5)。 该指标的特点是简
单易行,但由于其对旱涝响应太快,有时会过分夸大
实际的旱涝程度。
1.1.3摇 Z指数
Z指数是假设降水量服从概率密度函数 Person鄄
III分布对降水量进行正态化处理,将降水量转化为
以 Z为变量的标准正态分布,用以表征旱涝程度:
Z i =
6
Cs
Cs
2
X i +
æ
è
ç
ö
ø
÷1
1 / 3
- 6
Cs
+
Cs
6
式中,X i为降水的标准化变量,X i的平均值为 0,方差
为 1,消除了降水平均值不同而造成的影响;Cs为偏
态系数,用来检验观测值是否服从正态分布,偏态系
数越大,Z 指数分析结果越好,越能反映出旱涝
程度[7]。
Cs =
移
n
i = 1
(R i - R) 3
nS3
式中,n为样本数;S 为样本均方差。 Z 指数在描述
旱涝程度时需要针对不同地区进行修正,并给出了
适用于不同地区的划分标准[7,12鄄13]。 该指标计算起
来较为简便,意义明确,适合在我国北部和西北部使
用,同时该指标较降水距平百分率指标更符合实际
情况[7鄄8,12]。
除以上常用指标外,与降水量有关的旱涝指标
还有用于衡量与林火相关的干旱指标 Muger忆 s
Index[14]、BMDI[15]、K 指标[4]、反映干旱强度和持续
时间的标准化降水指标 SPI[16]、 连续无雨日
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数[17]等。
降水量指标的优点在于方法简单明了、资料容
易获取、意义明确,但是该类指标仅考虑了单一的降
水量因子,没考虑作物、下垫面及其它相关因素的影
响,考虑到降水时空分布的不均匀性,降水量指标只
能大致反映干旱发生的趋势,不能准确反映某一段
时间小范围内的干旱程度,也不能直接表示作物遭
受干旱的影响程度。 同时,由于降水时空结构复杂,
局地性强,预报困难,所以降水量指标难以大尺度使
用,预报未来干旱的不确定性也较大。
1.2摇 温度与降水共同影响的综合指标
温度与降水共同影响的综合指标较单一的气温
或降水指标包含的应用信息更丰富。 温度的高低反
映了地面蒸发的多少,再结合降水量可综合反映地
面水分的收支状况,从而可以间接反映作物水分收
支状况。
1.2.1摇 Ped干旱指数
Ped干旱指数(S)是指标准化气温距平与标准
化降水量距平之差,可用于比较不同区域和不同年
份的干旱频率与敏感度[18]:
S = 驻T
滓T
- 驻R
滓R
式中,驻T、滓T分别为月均气温的距平和均方差;驻R、
滓R分别为月降水量的距平和均方差。 基于 Ped 的干
旱划分为:中旱(2
可作为短期气候预报对象,服务于未来作物对水分
胁迫的预测。
1.2.2摇 德马顿(De. Martonne)干旱指标
德马顿(De. Martonne)干旱指标( I)的计算公
式为:
I = 12R
T + 10
式中,R为月降水量;T 为月均气温。 当德马顿干旱
指标( I)小于 30 时,干旱开始发生[18]。 由于温度与
蒸发有一定关系,该指标在一定程度上考虑了水分
收支情况,且资料易于获取,计算简单,在一定程度
上指示了作物对水分胁迫的反应。
1.2.3摇 水热系数指标
水热系数指标(Kw)是利用降水量和积温表示
的干旱指标,由前苏联农业气候学家谢良尼诺夫于
1971年提出:
Kw =移P / 0.1移T 逸10益
式中,移P 、移T逸10益分别为日均气温逸10益的
降水量总和与积温。 该指标虽然大多用于评价气候
干旱,但是积温和降水量是作物正常生长发育的重
要因子,因而也可作为作物对水分胁迫的指标。
在各种干旱类型中,气象干旱的表现最为明显
直接,是其它类型干旱发生的先导[19]。 由于气象指
标未考虑下垫面、作物等因素的影响,所以气象指标
只能大致反映出干旱发生的趋势,不能直接表示作
物遭受干旱的影响程度。
2摇 土壤墒情指标
土壤墒情指土壤的湿度状况,也是反映作物对
水分胁迫的最成熟的指标之一[5]。 作物生长发育的
水分主要靠根系直接从土壤中获取,土壤水分含量
是限制作物生长发育的重要因子之一,可以以土壤
含水量作为作物对水分胁迫指标[20]。
2.1摇 土壤相对湿度
土壤相对湿度是指土壤含水量与田间持水量的
百分比。 根据土壤相对湿润度(R)进行干旱等级划
分:无旱(R>60%)、轻度干旱(50%
旱等级因作物的不同而不同。 研究表明,安徽省各
地作物在同等减产率的情况下,水稻受旱时的土壤
相对湿度较旱作作物要高[20]。
2.2摇 相对湿润度指数
相对湿润度指数(M)是中国气象局 2005 年《干
旱监测和影响评价业务规定》中推荐的干旱指标之
一,能较好地反映土壤水分收支平衡:
M =
P - Ea
Ea
式中,P为降水量;Ea为作物实际蒸散量,利用 FAO
推荐的 Penman鄄Monteith 修正公式与作物系数计算
得到。
相对湿润指数只能计算单一时段(季、月、旬等)
的土壤水分收支平衡,不能反映前期的土壤水分盈
亏对研究时段水分状况的影响,也无法评定区域作
物对水分胁迫的响应。 由于干旱是一个累积过程,
为此有研究提出复合相对湿润度指数和区域综合相
对湿润度指数的干旱指标[21]。
5401摇 5期 摇 摇 摇 李柏贞摇 等:干旱指标研究进展 摇
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2.3摇 土壤有效水分存储量
土壤有效水分存储量( s)指存储在作物根系活
动层内能被作物根系吸收的有效水分量:
s = 0.1(w - ww)籽h
式中,w为土壤湿度;ww为凋萎湿度;籽为土壤容重;h
为土层厚度[22]。 当土壤有效水分存储量 s 小到一定
程度,即土壤湿度很小不足以提供作物生长发育所
需的水分,作物将会发生萎蔫。 因此,s 可以用于评
价作物缺水状况。 该指标确定的干旱范围需要根据
土质、作物和生长期等具体特性决定。
土壤墒情指标是基于广泛的试验而建立,土壤
墒情直接影响作物各生理过程(如气孔导度、叶水
势、光合速率等) [23]。 由于不同作物不同生育期所
需的水分不同,使用土壤墒情指标时必须注意不同
作物不同生长发育阶段所需的土壤水分下限。 同
时,利用土壤墒情评价作物对水分胁迫响应有其不
确定性,单站土壤水分的观测资料代表性较差,目前
还不能很好地评估大尺度作物对水分胁迫的
响应[5]。
3摇 作物生理生态指标
作物生理生态指标主要包括作物生理指标和作
物形态指标两类。 作物生理指标包括利用叶片相对
含水量、气孔导度、叶水势、光合速率、冠层温度、蒸
腾速率、细胞汁液浓度等建立的指标;作物形态指标
是指利用作物长势、长相来判断作物的缺水程度。
3.1摇 叶水势指标
叶水势指标是反映作物对水分胁迫响应程度的
较好指标,它不仅能够反映气候干旱特征,还能直接
反映作物生理干旱特征,因为它能定量地反映作物
叶片中的水分状况,特别是在凌晨、干旱或半干旱区
的 9:00—12:00的叶水势对于干旱程度的反映最为
明显[5,23鄄24]。 作物受旱时,叶水势迅速下降。 叶水势
指标 鬃l与蒸腾速率、大气水势和叶片气孔阻抗等因
素有关:
鬃l = 鬃a + TrR la
式中,鬃a为大气水势,可根据气温和大气相对湿度计
算;Tr为蒸腾速率(滋g·cm
-2·s-1),可利用能量平衡
原理估算或 LI鄄 6400 直接测量;R la为叶气系统的水
流阻力( s / m),R la = rl + ra, rl为气孔阻抗, ra为空气
阻抗。
研究表明,叶水势指标是反映我国西北半干旱
区作物对水分胁迫响应最敏感的指标[25],并构建了
基于遥感信息的叶水势估算模型[5]。 不同地区、不
同作物或不同生育期的叶水势临界值不同;同时,叶
水势指标在水分胁迫足以影响作物生长时,充分供
水作物和发生水分胁迫作物的叶水势并没有差
异[23],因此使用叶水势指标时需注意水分充足和不
足的情况。
3.2摇 冠气温差指标
冠层温度是判断作物水分亏缺最敏感的指标之
一[26]。 冠气温差指标是以作物冠层温度与气温的
差值作为判断作物对水分胁迫响应的依据。 冠气温
差曾被用作作物缺水状况的指标[27鄄28],如采用每日
13:00—15:00冠气温差累计值 S作为作物对水分胁
迫响应的指标[29]:
S =移
N
n = 1
(Tc - Ta)
式中,N为作物冠层温度高于气温的连续天数,n = 1
为起始日期;Tc为作物冠层温度;Ta为离作物冠层层
顶 2m处的气温。 当土壤水分减少到一定值时,作物
冠层温度将会高于气温,连续 N天缺水后,如果 S 值
大于作物开始缺水的临界值 S0,则表示作物发生干
旱,且冠气温差越大,蒸腾速率也越大,缺水越多,作
物受旱程度越严重。
不同作物(春小麦和棉花)的冠气温差与土壤含
水量、气象因素、环境因素之间的关系不同[30鄄31],冬
小麦的冠气温差与产量存在很好的相关关系[26],但
冠气温差指标受大气环境影响较大,当大气蒸发力
较弱时,该指标不能真实地反映作物受水分胁迫的
程度[32]。
3.3摇 作物水分胁迫指数
作物水分胁迫指数(CWSI)是以冠气温差作为
主要计算因子,综合考虑了太阳辐射、植物、大气等
各因素对作物水分状况的影响[33]:
CWSI = 1 -
ETd
ETp
式中,ETd为作物实际蒸散发量;ETp为作物潜在蒸散
发量[34]。 基于 CWSI 的干旱划分为[35]:重旱(CWSI
>0.913)、中旱(0.765
(CWSI<0.321)。 研究表明,将作物实际蒸散量替换
6401 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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成自然降水提出的作物水分亏缺指数(CWDI)在我
国不同区域具有较好的适用性[36]。
当引入冠气温差等计算因子后,CWSI 可计算
如下[37]:
CWSI =
(Tc - Ta) - (Tc - Ta) ll
(Tc - Ta) ul - (Tc - Ta) ll
(Tc - Ta) ll = A + B 伊 VPD
(Tc - Ta) ul = A + B 伊 VPG
式中,(Tc-Ta)为冠气温差,可以通过仪器观测;(Tc-
Ta) ll为作物潜在蒸发状态下的冠气温差,是冠气温
差的最小值;(Tc-Ta) ul为作物在完全没有蒸腾作用
下的冠气温差,是冠气温差的最大值;VPD为大气饱
和水汽压差,可以通过温度和湿度计算得到;VPG是
指温度分别 Ta、Ta+A下的空气饱和水汽压之差;A、B
为经验系数。 冠气温差的上、下限值也可根据冠层
单层能量平衡阻力模式计算,从而构成了 CWSI的理
论公式[37]。 CWSI在 0—1 之间,值越大表示受旱程
度越严重。
该指标能够很好地反映冬小麦、棉花等作物的
水分胁迫状况[38鄄40],并可与遥感信息获取的大面积
作物冠层温度相结合,及时了解作物对水分胁迫响
应的程度。 但是,CWSI 计算过于繁琐,在叶面积指
数较低(作物生长发育早期)时应用效果较差,利用
遥感也会额外引入地表温度信息等噪音。
3.4摇 水分亏缺指数 WDI
水分亏缺指数(WDI)是以冠层温度为基础扩展
而来的反映农作物旱情的重要指标之一,是基于能
量平衡双层模型建立起来的[41]:
WDI =
(Ts - Ta) - (Ts - Ta)m
(Ts - Ta) x - (Ts - Ta)m
式中,Ts为地表混合温度,即作物和土壤的混合温
度;Ta为空气温度;(Ts -Ta)m、(Ts -Ta) x分别为地表
与空气温差的最小值和最大值:
(Ts - Ta)m = c0 - c1(SAVI)
(Ts - Ta) x = d0 - d1(SAVI)
式中,SAVI为土壤调节植被指数;c0、c1、d0、d1可利用
植被指数鄄温度关系梯形(VIT 梯形)解出。 WDI 越
大,表明作物受旱程度越严重。
该指标大多都利用了遥感信息,并克服了 CWSI
的不足,可以在叶面积指数较低时使用,而且遥感探
测到的温度信息更接近地表混合温度,但在作物灌
溉后遥感对于地表混合温度反映的“滞后性冶还不能
解决[37]。
3.5摇 气孔导度指标
气孔导度指标是由水分亏缺指数(WDI)衍生而
来,反映作物对水分胁迫响应的指标,因为 WDI 在
生理上反映了叶片气孔导度与作物水分状况之间的
定量关系[42]。 当土壤水分亏缺,作物发生干旱时,
作物叶片气孔部分关闭,阻力增加,减少蒸腾失水速
率,从而影响光合作用。 干旱越严重,气孔阻力越
大,导度越小。 因此,气孔导度是天气条件与土壤水
分状况等因素综合影响的结果。 气孔阻力可用 MK3
和 AP鄄4气孔仪测定,根据试验资料可建立气孔导度
动态模式,进而确定作物缺水状况。 不同作物及其
不同生育期的气孔导度变化不同,对土壤水分阈值
的响应也不同[23]。
研究认为,该指标较利用蒸散量估算作物缺水
状况更准确、更简单[42],如基于气孔导度建立的冬
小麦缺水指标[37]。 气孔导度是反映作物对水分胁
迫响应较好的指标,但它具有双重调节功能,有时变
化较为复杂[25]。
3.6摇 光合速率指标
光合作用是植物重要的生理活动之一,是产生
有机物质的主要源泉。 水分是进行光合作用的重要
原料,光合速率大小与作物体内的水分状况有直接
关系,而作物体内的水分大部分是由根系从土壤中
获取,所以光合速率大小间接地与土壤水分状况密
切相关。 不同作物的光合速率对土壤水分变动的阈
值响应不相同[23]。
研究表明,玉米在轻度干旱时的光合速率会受
到一定程度的抑制[43],而高粱、糜子等作物在轻度
缺水时,光合速率几乎不受影响,甚至有些特定生育
期的作物在轻度干旱时,对光合速率有促进作用,如
小麦灌浆期[44]。 当土壤水分低于 15%时,冬小麦不
同生育期内的叶片光合速率随土壤水分的减小而明
显降低[44];冬小麦的光合速率与减产率具有较强的
相关性[45],从而为作物受旱程度的风险预测和产量
监测提供了依据。
3.7摇 蒸腾速率指标
为维持作物正常生长发育的水分需求,作物主
要靠蒸腾作用将水分运输到作物的各器官中去。 当
作物发生干旱时,作物将会自动调节自身的蒸腾速
7401摇 5期 摇 摇 摇 李柏贞摇 等:干旱指标研究进展 摇
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率以减少水分亏缺,干旱越严重,蒸腾速率也越小。
研究表明,作物蒸腾速率变化对土壤水分含量有明
显的阈值反应[23,44];当水分下降到植株有效水分的
25%—30%时,蒸腾速率开始显著降低[44]。
3.8摇 叶绿素指标
叶绿素含量是显示作物健康程度的生理生化指
标。 当作物发生干旱时,作物健康程度受影响。 随
着植物生育期进程,叶绿素含量呈现先增大后减小
的趋势,这是由植物自身的生理特征决定的。 作物
缺水时,叶绿素含量不会呈现单一的增加或降低的
趋势。
研究表明,冬小麦中度缺水时叶绿素含量最大,
严重水分胁迫时叶绿素含量最低,轻度缺水则处于
居中位置,并且在严重缺水时,叶绿素含量随生育期
进程变化非常缓慢[45]。 玉米叶片的叶绿素合成也
对水分感应较为敏感,对土壤水分含量也存在明显
的阈值反应,但该指标与作物减产率的相关性较低,
所以该指标最好作为一个辅助指标使用[46]。
同时,用于反映作物对水分胁迫响应的作物生
理生态指标还有伤流量指标、胞汁液浓度指标
等[47]。 作物生理生态指标是最能直接反映作物受
旱程度的指标,但是作物形态指标常为定性指标,带
有一定的主观性,而作物生理指标大都是在田间取
植株或叶片进行测定,不同测定时间、不同叶龄、不
同叶位的测定结果存在差异,所以取样的代表性很
关键,该类指标更适于小范围的作物旱情监测[32,48]。
4摇 其它监测指标
4.1摇 作物供需水指标
作物供需水指标是指在大气鄄土壤鄄作物系统中
从农作物的水分供需变化出发,以农田水量平衡为
依据,通过田间试验及现有文献资料的统计分析,综
合考虑研究时段内降水、地下水利用、灌溉水量、作
物需水量等供水和需水因素,提出的能合理反映农
作物旱象、旱情的一种综合性指标。
陕西省作物旱情预报系统就是从作物旱情测报
出发提出的反映作物受旱程度的作物供需水指
标 Kd [49]:
Kd =
P
W
=
P0 + G + (W1 - W0) + I
(W2 - W0) + ET
式中, P 为有效供水量 ( mm);W 为作物需水量
(mm);P0为时段内有效降水量(mm);G 为时段内地
下水利用量(mm);W0、W1、W2分别为作物根系活动
层内土壤凋萎含水量(mm)、时段初期土壤含水量
(mm)、时段末期土壤含水量(mm);I 为时段内灌溉
水量(mm);ET 为时段内充分供水时的作物需水量
(mm)。 据此提出的陕西省作物供需水指标 Kd
为[49]:偏涝(Kd > 1. 3)、正常(1. 3逸Kd > 0郾 8)、轻旱
(0郾 8逸Kd>0.6)、中等干旱(0.6逸Kd>0.4)、重旱(0.4
逸Kd>0)、极端干旱(作物凋萎、死亡)(Kd = 0)。
该指标涉及多种水分因子,物理概念明确,所需
参数可利用气象资料、实验资料或计算求得,实际应
用效果较好。
4.2摇 减产百分率模型指标
减产百分率模型指标(L)是以不同生育阶段水
分亏缺对作物产量影响,综合确定的作物对水分胁
迫响应的指标:
L = (1 - Y
Ym
) 伊 100% = [1 - 仪
n
i = 1
(
ETa
ETm
)
姿i
i
] 伊 100%
式中,Y 为实际产量;Ym为使用作物光温生产潜力计
算的最大产量;n为作物的生育阶段;姿 i为作物在第 i
阶段的水分敏感系数,反映不同生育期缺水对作物
产量的影响程度;ETa为实际耗水量;ETm为最大耗水
量。 据此,给出的冬小麦干旱指标为[50]:轻旱(减产
10%以下)、中旱(10%—20%)、重旱(20%—30%)、
严重干旱(大于 30%)。 该指标对产量预报具有重要
意义。
4.3摇 农作物水分综合指标
农作物水分综合指标 D计算如下:
D =
P - Re + 籽0 / 籽g + Rg
E0 + 籽m / 籽g
式中,P 为作物生长期内的降水量;Re为无效降水
量,即径流量与深层渗漏量之和;籽0为作物生长初期
根系层的平均土壤含水量;籽g为根系层内 1mm 降水
量引起土壤含水量的增加量;Rg为同时段地下水补
给量;E0为作物生长期内的潜在蒸发量;籽m为作物正
常生长发育所要求的适宜土壤含水量。 据此,给出
的农作物水分综合指标 D 划分为:水分过多(D >
1郾 3)、正常(0.8
泛[22],但有些因子,如径流量较难计算,对该指标的
推广应用造成了一定的困难。
8401 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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4.4摇 PDSI干旱指标
帕尔默干旱指标 PDSI 是以土壤水量平衡为依
据,综合考虑水文循环的各项因子(如降水、蒸散、径
流等)及相应影响作物对水分胁迫响应的权重系数,
是一种被广泛应用于评估作物旱情的综合性干旱
指标[51]:
PDSI = kid
d = P - P0 = P - (琢iPET + 茁iPR + 酌iPRO - 啄iPL)
K i = 17.67K忆 /移DK忆
K忆 = 1.5lg{[(PET + R + RO) / (P + L) + 2.8] / D} +
0.5
式中,P 为实际降水量;P0为气候适宜的降水量;
PET、PR、PR0、PL分别为可能的蒸散量、土壤水补给
量、径流量、损失量;R、R0、L 分别为实际的土壤水补
给量、径流量、损失量;D 为各月水分距平 d 的绝对
值的平均值;琢、茁、酌、啄 分别为各项对应的权重系数,
其值取决于研究区域的气候特征。 该指标被广为应
用并修正,如基于 PDSI 的适于较大空间尺度的作物
水分指标 CMI[52]、自适应帕默尔干旱指数 ( SC鄄
PDSI) [53]、修正帕尔默干旱指数(MPDSI) [54鄄55]和适
于中国的帕尔默干旱指数[56鄄57]。
PDSI 指标是迄今为止应用最广泛、最成功、最
具突破性进展的干旱指标,基本上能描述干旱发生、
发展直至结束的全过程,具有较好的时间、空间可比
性,但该指标考虑因子较多,对资料条件要求高,计
算也过于繁琐,具有较大的任意性,无法实现逐日作
物对水分胁迫响应的监测[6,19,21,58]。
4.5摇 干旱经济计量指标
干旱经济计量指标是以作物产量、收益、价格、
粮食供需情况等经济因子来评估干旱影响程度的指
标,如在尼日利亚的干旱区,采用供给响应函数作为
主要粮食作物小米对水分胁迫响应的指标[59]:
Qmt =琢0 +琢1RAINt +琢2(RAIN) 2 +琢3Pmt-1 +琢4Pst-1 +琢5T
+Ut
式中,Qmt为 t 时段小米产量;RAINt为 t 时段降水指
数,即该时段降水量与多年平均降水量之比;Pmt-1为
剔除通货膨胀后上一年的小米价格;Pst-1为剔除通货
膨胀后上一年的高粱(竞争粮食作物)价格;T 是由
于生产技术改变而产生的时间趋势项;Ut为 t时段随
机误差;琢0、琢1、琢2、琢4、琢5为各项对应的参数估计。
降水量越少,干旱越严重,小米产量越低,供给量则
越少。 研究表明[59],降水量减少 1%,小米产量将降
低 0.45%。
干旱经济计量指标考虑了人文、环境、社会等非
农业因素,不能直接反映作物的实际干旱程度,同
时,该指标滞后性大,对实际应对农业干旱效果不
显著。
4.6摇 遥感干旱监测指标
随着地面遥感、卫星遥感、雷达遥感、微波遥感
等多种遥感手段的增加,为作物旱情监测开辟了一
条新途径。 目前,遥感干旱监测从温度、土壤水分、
作物长势等角度,建立了基于水分平衡和能量平衡
的多种监测模型,主要利用方法有热惯量法、蒸散
法、植被指数法、微波遥感法等[35]。 同时,基于作物
光谱信息可反映作物的水分状况[60]。
遥感技术为作物水分胁迫指数 CWSI、水分亏缺
指数 WDI 等干旱指标的计算与资料获取提供了方
便,可实现长时期、大范围的动态干旱监测[61],但是
遥感信息的“滞后性冶问题有待进一步解决。
5摇 问题与展望
国内外科学家已就干旱指标开展了大量研究,
具有代表性的气象指标、土壤墒性指标和作物生理
生态指标分别从大气干燥程度、土壤供水能力和作
物耐旱能力方面描述了作物的缺水程度;而且各类
干旱指标都具有一定的时间与空间尺度范围[62],还
不能综合反映不同地区的自然条件、下垫面、作物品
种、人类活动等因素影响,都具有一定的局限性。 迄
今为止,还没有建立起一个可用于作物对水分胁迫
响应的业务服务指标即作物干旱,更没有将作物干
旱与其光合能力联系起来进行作物干旱分级,制约
着减缓和预防干旱对农业不良影响的科学政策与措
施的制定。
为此,迫切需要开展作物干旱监测预警及评价
关键技术的研究。 通过分析主要作物不同生育期对
不同等级气象干旱与土壤水分及其持续时间响应的
生物学特征,揭示作物干旱对气象干旱与土壤干旱
的响应特征与关系;建立作物对气象干旱与土壤干
旱响应的生物学指标体系、作物干旱与土壤水分关
系模型及作物干旱与气象干旱关系模型;结合遥感
监测信息,完善作物干旱的遥感监测指标;研发耦合
遥感信息的作物干旱监测指标体系及作物干旱等级
9401摇 5期 摇 摇 摇 李柏贞摇 等:干旱指标研究进展 摇
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划分与灾损评估技术,开发作物干旱监测预警及评
估业务系统,以科学地制定作物应对干旱的对策措
施,确保作物稳产高产。
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2501 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
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促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
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本期责任副主编摇 象伟宁摇 摇 摇 编辑部主任摇 孔红梅摇 摇 摇 执行编辑摇 刘天星摇 段摇 靖
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主摇 摇 编摇 王如松
主摇 摇 管摇 中国科学技术协会
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