1干旱對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程的影響
2干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的研究方法
干旱對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的研究主要通過(guò)2種方式：對(duì)歷史干旱影響過(guò)程進(jìn)行分析或通過(guò)設(shè)定干旱情景進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)外關(guān)于干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的研究方法主要集中在2類：農(nóng)學(xué)試驗(yàn)方法和機(jī)理模型。農(nóng)作物在不同的生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)生長(zhǎng)特性有所差異，對(duì)光照、溫度、水分等外界環(huán)境要素的需求也不盡相同。因此，在農(nóng)業(yè)研究中通常通過(guò)在作物生長(zhǎng)的某個(gè)特定階段，改變作物的生長(zhǎng)環(huán)境來(lái)分析作物的各種反應(yīng)。
2.1農(nóng)學(xué)試驗(yàn)方法
在農(nóng)學(xué)試驗(yàn)中通常采用梯度水分供應(yīng)的方式，在不同的水分供應(yīng)條件下測(cè)定作物某些特定指標(biāo)值來(lái)反映作物對(duì)水分脅迫的反應(yīng)。水分控制試驗(yàn)一般采用盆栽、池栽等方式進(jìn)行。盆栽是農(nóng)學(xué)試驗(yàn)的重要手段，高素華為了研究干旱脅迫對(duì)抽雄期玉米葉片光化效率和光合作用速率的影響，在抽雄期前10天將盆栽的玉米移入人工氣候室中，保證除水分條件之外的其他條件保持不變的前提下開(kāi)始土壤水分控制，將土壤水分設(shè)為5個(gè)等級(jí)，分別為占田間持水量80
%（對(duì)照試驗(yàn)）、60%（輕度干旱）、50%（中度干旱）、40%（中重度干旱）、30%（中度干旱）。在每個(gè)氣室均有5個(gè)水分處理，水分處理為4個(gè)重復(fù)，土壤濕度由80%降到處理30%，在不同溫度下光化效率可降低1%~8%，光合作用速率最大減幅達(dá)80%左右。盆栽試驗(yàn)較為限制作物根的生長(zhǎng)空間，難以推廣到大田作物，池栽則最大可能還原大田的實(shí)際生長(zhǎng)條件。白麗萍等[37]采用池栽研究土壤水分脅迫對(duì)玉米形態(tài)發(fā)育及產(chǎn)量的影響。每個(gè)實(shí)驗(yàn)池面積4m2，深1.5~2.0m，四周用水泥層隔離，池內(nèi)利用鋁管分層測(cè)定土壤含水量，播種時(shí)每池澆灌相同水量，在三葉期—成熟期進(jìn)行全程水分控制，以占田間持水量的百分比計(jì)算分為3個(gè)等級(jí)。并用大型活動(dòng)遮雨棚隔絕雨水。通過(guò)測(cè)定株高、莖粗、產(chǎn)量等要素分析不同干旱條件對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響，研究表明，土壤水分脅迫無(wú)論輕重均對(duì)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育有所阻礙，重旱在生育前期就已表現(xiàn)，輕旱則在大喇叭口期后才予以呈現(xiàn)，繼而導(dǎo)致玉米生物產(chǎn)量大幅降低。農(nóng)學(xué)試驗(yàn)依然是當(dāng)今干旱研究的重要手段，可以較準(zhǔn)確地反映干旱對(duì)作物生長(zhǎng)影響的各個(gè)方面，試驗(yàn)結(jié)果較為可靠，在試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的推廣性。但是，農(nóng)學(xué)試驗(yàn)一般需要1個(gè)或多個(gè)生長(zhǎng)季，耗時(shí)較長(zhǎng)，并且在大尺度上開(kāi)展難度較大，具有明顯的時(shí)空局限性。
2.2作物生長(zhǎng)機(jī)理模型模擬
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于作物生長(zhǎng)機(jī)理構(gòu)建的作物生長(zhǎng)模型已成為研究干旱對(duì)作物生長(zhǎng)影響的重要手段。作物生長(zhǎng)模型可以模擬作物在不同條件下的生長(zhǎng)過(guò)程，輸出模擬的作物產(chǎn)量以及作物生長(zhǎng)過(guò)程中的各種指標(biāo)（生物量、葉面積指數(shù)等），可以較好的模擬作物在受到包括水分脅迫在內(nèi)各種環(huán)境下的生長(zhǎng)過(guò)程。作物生長(zhǎng)模型可以模擬在植物生長(zhǎng)過(guò)程中水分對(duì)生長(zhǎng)影響的各個(gè)方面，包括降水、水分入滲和再分布、水分蒸發(fā)與吸收以及干旱對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量脅迫的過(guò)程，定量描述水分脅迫對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育狀況、干物質(zhì)積累與分配，較好地體現(xiàn)作物對(duì)水分不適的反應(yīng)。Lal等[42]利用CERES模型，模擬了印度西北部未來(lái)氣候缺情景下水稻的生長(zhǎng)狀況，發(fā)現(xiàn)水分虧缺對(duì)作物產(chǎn)量的影響不能通過(guò)CO2濃度的升高而減弱，經(jīng)減產(chǎn)達(dá)到20%。O’Neal等利用CERES-Maize模型研究降水的時(shí)空分布對(duì)玉米產(chǎn)量的影響。宋艷玲等則利用WOFOST模型，模擬了1961—2000年干旱對(duì)中國(guó)冬小麥產(chǎn)量的影響，結(jié)果顯示1961—1980年干旱使中國(guó)冬小麥平均減產(chǎn)4.6%，使北方冬麥區(qū)平均減產(chǎn)12%，并揭示了中國(guó)北方春季降雨量對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響的重要性。為了提高模型在干旱對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)影響方面的模擬精度，相關(guān)科學(xué)家進(jìn)行了驗(yàn)證和改進(jìn)工作。Jamieson通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了SUCROSE、CERES-Wheat、AFRCWHEAT2、Sirius、和SWHEAT模擬干旱條件下冬小麥生長(zhǎng)的精度。Ewert等[46]通過(guò)試驗(yàn)與模型相結(jié)合的方法研究干旱對(duì)于春小麥
生長(zhǎng)的影響，并探索提高模型反映CO2濃度升高與干旱共同作用的能力。作物生長(zhǎng)模型建立在對(duì)作物的生長(zhǎng)規(guī)律掌握和量化的基礎(chǔ)上，但是，農(nóng)作物的生長(zhǎng)受包括溫度、水分、養(yǎng)分等諸多因素影響，影響機(jī)制較為復(fù)雜，現(xiàn)階段作物生長(zhǎng)模型不能將所有的因素考慮周全，模擬結(jié)果的不確定性較大，并隨研究范圍的擴(kuò)大而增大。
3應(yīng)對(duì)干旱的優(yōu)化灌溉策略研究
農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是人為因素占主要地位的生態(tài)系統(tǒng)，人類活動(dòng)對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響較為突出。為應(yīng)對(duì)干旱等不利因素對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響，各種應(yīng)對(duì)措施包括加強(qiáng)農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、開(kāi)展抗旱品種的研制與推廣、改變種植結(jié)構(gòu)以及采取包括興修水利設(shè)施、節(jié)水優(yōu)化灌溉以肥養(yǎng)水等各項(xiàng)農(nóng)田管理措施等。在諸多干旱應(yīng)對(duì)措施之中，節(jié)水優(yōu)化灌溉技術(shù)則是應(yīng)用最為廣泛、且效果最為直接、顯著的抗旱方法，且尤其適用于水資源較為匱乏的地區(qū)。優(yōu)化灌溉不僅能提高抵御干旱的能力，提高作物產(chǎn)量，而且可有效提高水分利用效率。農(nóng)作物生長(zhǎng)有一定的需水規(guī)律，在不同發(fā)育階段對(duì)水分的需求有較大差異，并非全生長(zhǎng)期都要求土壤濕潤(rùn)才能穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。因此，通過(guò)提高對(duì)水分較為敏感、對(duì)產(chǎn)量影響較大的時(shí)期的灌溉量，可顯著提高水分利用效率，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。Choudhury等將小麥的
生長(zhǎng)期劃分成3個(gè)階段，通過(guò)分析每個(gè)階段的需水特點(diǎn)，最終得到合理的.灌溉策略。Erdem等在土耳其對(duì)西瓜進(jìn)行灌溉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)西瓜生長(zhǎng)過(guò)程中的開(kāi)花階段對(duì)水分脅迫的影響最為敏感。Li等利用這種方法分析了中國(guó)吉林玉米、大豆、高粱的水分敏感期。此外，相關(guān)學(xué)者還以作物水分脅迫指數(shù)(CWSI)等監(jiān)測(cè)作物體內(nèi)含水狀況的指標(biāo)為工具制定了應(yīng)對(duì)干旱的合理的灌溉方式。Yazar等提出了在美國(guó)德克薩斯州當(dāng)玉米的CWSI達(dá)到0.33時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行灌溉。Alderfasi等在美國(guó)試驗(yàn)得到了小麥的無(wú)水分脅迫基線，用于計(jì)算CWSI監(jiān)測(cè)小麥的生長(zhǎng)以及制定合理的灌溉策略。Orta等在美國(guó)進(jìn)行西瓜灌溉試驗(yàn)，試驗(yàn)得到CWSI，發(fā)現(xiàn)作物水分脅迫指數(shù)與西瓜的產(chǎn)量存在線性關(guān)系，并且得到整個(gè)生長(zhǎng)季CWSI的平均值為0.41時(shí)，可以得到最大的產(chǎn)量。作物生長(zhǎng)模型已成為水分管理研究的重要手段。作物生長(zhǎng)模型可以根據(jù)水分脅迫的程度靈活的控制灌溉量，從而更有利于進(jìn)行水分脅迫的適應(yīng)性研究。Bryant等利用EPIC作物生長(zhǎng)模型模擬不同的灌溉時(shí)間和灌溉量對(duì)作物產(chǎn)量的影響。Rinaldi等[56]利用EPIC模擬意大利向日葵在不同的灌溉策略下的生長(zhǎng)，結(jié)果表明開(kāi)花期為最需要灌溉的時(shí)期，并且認(rèn)為250~300mm的灌溉總量可以得到較高的水分利用效率。Panda等利用CERES-wheat模型制定了印度小麥生長(zhǎng)的最優(yōu)灌溉策略。Singh等利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)CERES和CropSyst模型模擬水分和營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)小麥的共同作用的能力進(jìn)行驗(yàn)證和提
高，擴(kuò)大了模型的應(yīng)用范圍。現(xiàn)階段依靠農(nóng)田實(shí)地試驗(yàn)和生長(zhǎng)模型模擬開(kāi)展的節(jié)水灌溉研究多集中在提高重要時(shí)期的灌溉效率方面，干旱發(fā)生后如何采取合理的應(yīng)對(duì)措施降低損失方面的研究較少。研究也多集中在站點(diǎn)尺度上，在區(qū)域或更大尺度上開(kāi)展的研究將更有利于為水資源的區(qū)域利用提供參考，以期提高整個(gè)地區(qū)抵御干旱的能力，降低干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。
4總結(jié)與展望
農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著作物產(chǎn)量的升高，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球碳循環(huán)的作用越來(lái)越大。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)物種較為單一，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，易受到外界因素的影響。近些年隨著全球氣候變化，干旱發(fā)生的頻率、等級(jí)逐漸升高，其對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響已成為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究的重點(diǎn)方向。農(nóng)作物是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主體，國(guó)內(nèi)外在干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響的研究主要集中在干旱影響農(nóng)作物生長(zhǎng)以及合理的農(nóng)田水分管理方面。在此方面的研究方法主要集中在2類：農(nóng)學(xué)試驗(yàn)方法和機(jī)理模型模擬。基于農(nóng)學(xué)試驗(yàn)，結(jié)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模擬模型，在不同尺度上開(kāi)展干旱對(duì)作物生長(zhǎng)影響是當(dāng)前研究的趨勢(shì)。掌握干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)影響機(jī)理，通過(guò)試驗(yàn)、模型等方法研究提高
水分利用效率的灌溉策略是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的新途徑。此外，目前干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響主要集中在微觀農(nóng)作物生長(zhǎng)、農(nóng)田尺度等較小尺度上開(kāi)展，針對(duì)區(qū)域及更大尺度上的研究較少；研究一般依托歷史數(shù)據(jù)或人為設(shè)定情景開(kāi)展，缺少干旱應(yīng)急管理方面的研究；研究多集中在單次干旱過(guò)程對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響，并沒(méi)有反映干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的變化。現(xiàn)今，全球氣候變化導(dǎo)致嚴(yán)重干旱等極端天氣頻發(fā)，在區(qū)域尺度上分析干旱對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力影響，已成為研究的一個(gè)重要目標(biāo)。
