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干旱對農業(yè)生態(tài)的影響論文
1干旱對作物生長(cháng)過(guò)程的影響
作物具有一定的生長(cháng)特性，在各個(gè)物候期的需水量存在差異，因此干旱的發(fā)生時(shí)期不同，對作物影響方面和對產(chǎn)量的影響程度也存在差異。此外，干旱的發(fā)生也會(huì )對加速或延遲物候期，從而改變作物的生長(cháng)時(shí)間。拔節期干旱脅迫對小麥葉片影響最大，抽穗期干旱脅迫對莖稈影響最大，開(kāi)花期干旱脅迫對穗數和穗粒數影響最大，開(kāi)花后持續干旱則主要影響千粒重。抽穗期之前根、冠同步生長(cháng)呈正相關(guān)，之后則變?yōu)樨撓嚓P(guān)。作物水分生產(chǎn)函數可以作為計算各個(gè)階段水分虧缺對產(chǎn)量影響的重要工具。Zhang等利用Jensen作物水分生產(chǎn)函數，通過(guò)對華北地區不同地區開(kāi)展的針對冬小麥的水分控制試驗計算各個(gè)物候期的水分敏感系數，發(fā)現作物生長(cháng)中期（抽穗、開(kāi)花）對產(chǎn)量的影響最大。開(kāi)花至成熟是小麥一生中耗水的高峰期，也是小麥一生中第2個(gè)光合作用高峰，小麥產(chǎn)量的70%以上來(lái)源于開(kāi)花后光合產(chǎn)物。冬小麥開(kāi)花后輕度的干旱脅迫能使其在較長(cháng)時(shí)間內保持較高的光合速率，有利于籽粒充分灌漿而獲得高產(chǎn)；中度脅迫和重度脅迫處理開(kāi)花前雖然光合速率較高，但開(kāi)花后卻急劇下降，造成灌漿受阻、產(chǎn)量降低。而王石立則在考慮作物不同發(fā)育階段對水分脅迫的敏感性的基礎上構建了冬小麥生長(cháng)模式，并與不同水分處理的實(shí)測值的誤差在10%左右，將有助于實(shí)現不同階段干旱對冬小麥最終生物量的影響評估。就干旱對冬小麥物候期長(cháng)短的影響而言，前期干旱會(huì )明顯縮短籽粒灌漿過(guò)程，灌漿峰值較水分適宜時(shí)低。即使前期供水適宜，孕穗、抽穗、灌漿連續缺水，也會(huì )明顯縮短灌漿持續時(shí)間，出現早衰現象，穗粒數減少，粒重降低，導致減產(chǎn)。對玉米而言，Igbadun等利用多種作物水分生產(chǎn)函數都驗證了在開(kāi)花階段的水分脅迫對產(chǎn)量的影響最為明顯。在抽雄—灌漿中期，恰為營(yíng)養轉向生殖生長(cháng)，同時(shí)進(jìn)入開(kāi)花授粉階段，達到灌漿高峰期。這期間作物體內新陳代謝旺盛，莖稈和葉片等的大量營(yíng)養物質(zhì)需向籽粒轉移。干旱脅迫對作物同化物質(zhì)積累和儲藏極為不利，進(jìn)而影響營(yíng)養物質(zhì)傳輸與再分配。水分充足條件下，莖稈營(yíng)養物質(zhì)向籽粒轉移量大，有限供水次之，而重旱脅迫下，莖稈營(yíng)養物質(zhì)向籽粒的轉移量小且遲緩，由此影響到玉米果穗性狀和產(chǎn)量。楊國虎等通過(guò)不同的水分處理，發(fā)現干旱條件下在大喇叭口期—乳熟期具有較大的葉面積對于獲取較高的生物量和籽粒產(chǎn)量具有很大作用。就干旱對玉米生長(cháng)期時(shí)長(cháng)的影響而言，陶世蓉等利用大型防雨設備池載，在玉米的不同階段設置干旱情景發(fā)現，生育前期遇到干旱脅迫將使生育進(jìn)程明顯延緩，嚴重干旱時(shí)可使抽雄和吐絲期滯后，導致成熟期推遲，最終影響產(chǎn)量。白麗萍等發(fā)現，由于玉米生育前期遭受干旱脅迫，將致使生育進(jìn)程明顯延緩，嚴重干旱脅迫可使抽雄、吐絲期平均滯后4天左右。
2干旱對農業(yè)生態(tài)系統生產(chǎn)力影響的研究方法
干旱對生態(tài)系統生產(chǎn)力影響的研究主要通過(guò)2種方式：對歷史干旱影響過(guò)程進(jìn)行分析或通過(guò)設定干旱情景進(jìn)行研究。國內外關(guān)于干旱對農業(yè)生態(tài)系統生產(chǎn)力影響的研究方法主要集中在2類(lèi)：農學(xué)試驗方法和機理模型。農作物在不同的生長(cháng)時(shí)期內生長(cháng)特性有所差異，對光照、溫度、水分等外界環(huán)境要素的需求也不盡相同。因此，在農業(yè)研究中通常通過(guò)在作物生長(cháng)的某個(gè)特定階段，改變作物的生長(cháng)環(huán)境來(lái)分析作物的各種反應。
2.1農學(xué)試驗方法
在農學(xué)試驗中通常采用梯度水分供應的方式，在不同的水分供應條件下測定作物某些特定指標值來(lái)反映作物對水分脅迫的反應。水分控制試驗一般采用盆栽、池栽等方式進(jìn)行。盆栽是農學(xué)試驗的重要手段，高素華為了研究干旱脅迫對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，將土壤水分設為5個(gè)等級，分別為占田間持水量80%（對照試驗）、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，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80%左右。盆栽試驗較為限制作物根的生長(cháng)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(cháng)條件。白麗萍等[37]采用池栽研究土壤水分脅迫對玉米形態(tài)發(fā)育及產(chǎn)量的影響。每個(gè)實(shí)驗池面積4m2，深1.5~2.0m，四周用水泥層隔離，池內利用鋁管分層測定土壤含水量，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算分為3個(gè)等級。并用大型活動(dòng)遮雨棚隔絕雨水。通過(guò)測定株高、莖粗、產(chǎn)量等要素分析不同干旱條件對玉米生長(cháng)的影響，研究表明，土壤水分脅迫無(wú)論輕重均對玉米的生長(cháng)發(fā)育有所阻礙，重旱在生育前期就已表現，輕旱則在大喇叭口期后才予以呈現，繼而導致玉米生物產(chǎn)量大幅降低。農學(xué)試驗依然是當今干旱研究的重要手段，可以較準確地反映干旱對作物生長(cháng)影響的各個(gè)方面，試驗結果較為可靠，在試驗區范圍內具有較強的推廣性。但是，農學(xué)試驗一般需要1個(gè)或多個(gè)生長(cháng)季，耗時(shí)較長(cháng)，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(cháng)機理模型模擬
隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，基于作物生長(cháng)機理構建的作物生長(cháng)模型已成為研究干旱對作物生長(cháng)影響的重要手段。作物生長(cháng)模型可以模擬作物在不同條件下的生長(cháng)過(guò)程，輸出模擬的作物產(chǎn)量以及作物生長(cháng)過(guò)程中的各種指標（生物量、葉面積指數等），可以較好的模擬作物在受到包括水分脅迫在內各種環(huán)境下的生長(cháng)過(guò)程。作物生長(cháng)模型可以模擬在植物生長(cháng)過(guò)程中水分對生長(cháng)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)與吸收以及干旱對作物生長(cháng)和產(chǎn)量脅迫的過(guò)程，定量描述水分脅迫對作物生長(cháng)發(fā)育狀況、干物質(zhì)積累與分配，較好地體現作物對水分不適的反應。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(cháng)狀況，發(fā)現水分虧缺對作物產(chǎn)量的影響不能通過(guò)CO2濃度的升高而減弱，經(jīng)減產(chǎn)達到20%。O’Neal等利用CERES-Maize模型研究降水的時(shí)空分布對玉米產(chǎn)量的影響。宋艷玲等則利用WOFOST模型，模擬了1961—2000年干旱對中國冬小麥產(chǎn)量的影響，結果顯示1961—1980年干旱使中國冬小麥平均減產(chǎn)4.6%，使北方冬麥區平均減產(chǎn)12%，并揭示了中國北方春季降雨量對冬小麥產(chǎn)量影響的重要性。為了提高模型在干旱對農作物生長(cháng)影響方面的模擬精度，相關(guān)科學(xué)家進(jìn)行了驗證和改進(jìn)工作。Jamieson通過(guò)試驗驗證了SUCROSE、CERES-Wheat、AFRCWHEAT2、Sirius、和SWHEAT模擬干旱條件下冬小麥生長(cháng)的精度。Ewert等[46]通過(guò)試驗與模型相結合的方法研究干旱對于春小麥生長(cháng)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(cháng)模型建立在對作物的生長(cháng)規律掌握和量化的基礎上，但是，農作物的生長(cháng)受包括溫度、水分、養分等諸多因素影響，影響機制較為復雜，現階段作物生長(cháng)模型不能將所有的因素考慮周全，模擬結果的不確定性較大，并隨研究范圍的擴大而增大。
3應對干旱的優(yōu)化灌溉策略研究
農業(yè)生態(tài)系統是人為因素占主要地位的生態(tài)系統，人類(lèi)活動(dòng)對農業(yè)生態(tài)系統的影響較為突出。為應對干旱等不利因素對農業(yè)生態(tài)系統的影響，各種應對措施包括加強農田基礎設施建設、開(kāi)展抗旱品種的研制與推廣、改變種植結構以及采取包括興修水利設施、節水優(yōu)化灌溉以肥養水等各項農田管理措施等。在諸多干旱應對措施之中，節水優(yōu)化灌溉技術(shù)則是應用最為廣泛、且效果最為直接、顯著(zhù)的抗旱方法，且尤其適用于水資源較為匱乏的地區。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。農作物生長(cháng)有一定的需水規律，在不同發(fā)育階段對水分的需求有較大差異，并非全生長(cháng)期都要求土壤濕潤才能穩產(chǎn)高產(chǎn)。因此，通過(guò)提高對水分較為敏感、對產(chǎn)量影響較大的時(shí)期的灌溉量，可顯著(zhù)提高水分利用效率，達到節水灌溉的目的。Choudhury等將小麥的生長(cháng)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等在土耳其對西瓜進(jìn)行灌溉試驗，發(fā)現西瓜生長(cháng)過(guò)程中的開(kāi)花階段對水分脅迫的影響最為敏感。Li等利用這種方法分析了中國吉林玉米、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(CWSI)等監測作物體內含水狀況的指標為工具制定了應對干旱的合理的灌溉方式。Yazar等提出了在美國德克薩斯州當玉米的CWSI達到0.33時(shí)需要對其進(jìn)行灌溉。Alderfasi等在美國試驗得到了小麥的無(wú)水分脅迫基線(xiàn)，用于計算CWSI監測小麥的生長(cháng)以及制定合理的灌溉策略。Orta等在美國進(jìn)行西瓜灌溉試驗，試驗得到CWSI，發(fā)現作物水分脅迫指數與西瓜的產(chǎn)量存在線(xiàn)性關(guān)系，并且得到整個(gè)生長(cháng)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(cháng)模型已成為水分管理研究的重要手段。作物生長(cháng)模型可以根據水分脅迫的程度靈活的控制灌溉量，從而更有利于進(jìn)行水分脅迫的適應性研究。Bryant等利用EPIC作物生長(cháng)模型模擬不同的灌溉時(shí)間和灌溉量對作物產(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(cháng)，結果表明開(kāi)花期為最需要灌溉的時(shí)期，并且認為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(cháng)的最優(yōu)灌溉策略。Singh等利用試驗結果對CERES和CropSyst模型模擬水分和營(yíng)養元素對小麥的共同作用的能力進(jìn)行驗證和提高，擴大了模型的應用范圍�，F階段依靠農田實(shí)地試驗和生長(cháng)模型模擬開(kāi)展的節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對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，在區域或更大尺度上開(kāi)展的研究將更有利于為水資源的區域利用提供參考，以期提高整個(gè)地區抵御干旱的能力，降低干旱對農業(yè)生態(tài)系統生產(chǎn)力的影響。
4總結與展望
農業(yè)生態(tài)系統是陸地生態(tài)系統的重要組成部分。隨著(zhù)作物產(chǎn)量的升高，農業(yè)生態(tài)系統對全球碳循環(huán)的作用越來(lái)越大。農業(yè)生態(tài)系統物種較為單一，生態(tài)系統較為脆弱，易受到外界因素的影響。近些年隨著(zhù)全球氣候變化，干旱發(fā)生的頻率、等級逐漸升高，其對農業(yè)生態(tài)系統生產(chǎn)力的影響已成為農業(yè)生態(tài)系統研究的重點(diǎn)方向。農作物是農業(yè)生態(tài)系統的主體，國內外在干旱對農業(yè)生態(tài)系統生產(chǎn)力影響的研究主要集中在干旱影響農作物生長(cháng)以及合理的農田水分管理方面。在此方面的研究方法主要集中在2類(lèi)：農學(xué)試驗方法和機理模型模擬�；谵r學(xué)試驗，結合農業(yè)生態(tài)系統模擬模型，在不同尺度上開(kāi)展干旱對作物生長(cháng)影響是當前研究的趨勢。掌握干旱對農業(yè)生態(tài)系統影響機理，通過(guò)試驗、模型等方法研究提高水分利用效率的灌溉策略是發(fā)展節水農業(yè)的新途徑。此外，目前干旱對農業(yè)生態(tài)系統的影響主要集中在微觀(guān)農作物生長(cháng)、農田尺度等較小尺度上開(kāi)展，針對區域及更大尺度上的研究較少；研究一般依托歷史數據或人為設定情景開(kāi)展，缺少干旱應急管理方面的研究；研究多集中在單次干旱過(guò)程對農業(yè)生態(tài)系統生產(chǎn)力的影響，并沒(méi)有反映干旱對農業(yè)生態(tài)系統生產(chǎn)力在較長(cháng)時(shí)間尺度上的變化�，F今，全球氣候變化導致嚴重干旱等極端天氣頻發(fā)，在區域尺度上分析干旱對農業(yè)生態(tài)系統生產(chǎn)力影響，已成為研究的一個(gè)重要目標。
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