棉田干旱指标研究进展

吉春容，白书军，胡启瑞，王 森，江远安*

（1.新疆兴农网信息中心/新疆维吾尔自治区农业气象台，新疆 乌鲁木齐830002；2.乌兰乌苏农业气象试验站，新疆 石河子832000）

干旱是最主要的气候灾害之一，因其频繁发生，持续时间长，影响范围广，对社会经济尤其是农业生产有着巨大影响[1]。据统计，我国平均每年农田受旱面积2.15×107hm2左右，占农田总受灾面积的60%，损失粮食100×108～150×108kg[2]。新疆是我国最大的棉花生产基地，其主要植棉地区棉田面积高达作物播种面积的60%～85%[3]，而地处干旱半干旱气候区的新疆，干旱及水资源缺乏已成为棉花产业发展的重大限制因素。2015年监测数据显示，6—9月全国棉花监测县旱灾的发生面积分别为 10.63×104、17.22×104、7.65 ×104hm2和 1.08×104hm2，分别占监测县棉花种植面积的8.2%、13.7%、6.4%和1%；而从区域来看，西北内陆棉区9月的旱灾发生面积占监测县旱灾总发生面积的98.8%[4-5]。

干旱一般分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱[6]，其中以农业干旱最为严重，2000年发生了建国以来最为严重的旱灾，全国农作物受灾面积达 4.054×107hm2，其中成灾 2.678×107hm2，绝收8×106hm2[1]。作为影响作物生长发育的主要非生物胁迫因素之一，干旱所造成的危害超过了一切逆境因子的总和，严重制约植物的生长发育及产量[7-9]。因此，从不同角度研究棉花干旱胁迫监测预测指标及各指标间的相互关系，对于棉花生产趋利避害具有重要的指导价值[10-11]。在棉花品种、栽培技术和种植模式不断更新的情况下，国内外研究人员已在棉花干旱指标方面取得了许多成果。

对于西北干旱地区绿洲农业来说，覆膜种植与滴灌技术相结合的膜下滴灌枢纽，不同程度地改变了棉田水分运移模式及植株对水分的需求规律，那么在节水灌溉技术快速应用的种植模式下，绿洲棉田作物耐旱能力是否有所变化，现有干旱指标对其的适用性和指导性是否一致，本文在分析已有干旱指标研究成果的基础上，从形态、生理生化、产量构成、土壤水分、气象因子等方面讨论其对绿洲棉田干旱监测的指导意义，并对进一步开展滴灌模式下绿洲棉田干旱指标研究提出相关建议，为棉花安全生产提供理论参考。

1 棉花干旱形态特征指标

形态指标在棉花抗旱育种中采用得最早，是指利用作物长相、长势等外观特征来判断作物是否缺水及其程度，具有简单、实用性强的特点。抗旱性强的作物较非抗旱性作物在水分胁迫下表现出不同的植株性状，而这些植株性状，如根系发达程度、茎的水分输导能力、叶的形态（如叶片大小、形状、角度、叶片卷曲程度、果枝始节的节位等）均可作为作物抗旱性鉴定指标[12]。王延琴等[13]研究了水分胁迫对棉花种子萌发的影响表明，棉花种子在受到不同程度的干旱胁迫时，其发芽率、发芽速度、发芽指数、苗高、根长、根茎比、幼苗干鲜重等均出现不同程度的降低。张原根等[14]研究发现，棉花抗旱品种幼苗的侧根条数、根重、根苗比远高于不抗旱品种。

形态特征可供参考的其他指标包括株高、出叶速率、干物质累积量、叶面积、主茎生长速度、主茎高度、果枝数、“三桃”比重以及蕾铃脱落率等。李秉柏等[15]研究表明，棉花在干旱条件下，生长首先受抑，株高、出叶速率明显减慢。俞希根等[16]通过对棉花不同土壤干旱程度处理得出，在试验中苗期达到中旱，棉株生长延缓不明显，不良影响在苗期前期影响大于后期。蕾期中旱使棉花生育进程加快。花铃期达到中旱时，对生长影响较大，不但棉株增长缓慢，叶片也相应变小。果枝量少，且伸展慢。重旱时生长停止，产生自然封顶现象；花铃期任何阶段缺水，都会使棉株的总干物质累积量减少[17-18]。

生产中用来进行棉花干旱胁迫比较和分析的形态指标常为定性指标，具有直观的监测指导意义，适用于区域内小范围棉田旱情诊断评估。

2 棉花干旱生理生化指标

干旱对于棉花各个生育期的影响视持续时间和受旱程度而定，生理生化指标是指通过干旱引起棉花生长发育过程发生变异的各项生理生化表征来判断是否受旱及受害程度。

2.1 生理特征指标

在棉花干旱监测方面，利用冠层温度监测水分状况的研究应用较多。冠层温度是判断作物是否水分亏缺的敏感指标之一，研究发现[19-20]，在50%田间持水量处理下，棉花的冠层温度明显比75%和100%田间持水量处理下的高，且表现出皮棉产量下降，而在75%田间持水量的水分处理条件下，皮棉产量则无明显下降，这表明合理的节水灌溉是不会影响棉花产量的。对不同土壤水分条件下棉花冠层温度的变化规律研究表明[21-22]，土壤水分对冠层温度的影响在9:00以前和15:00以后较小、12:00—15:00最大，可选择这一期间晴朗而且稳定的天气条件下的冠层温度来诊断棉花水分状况。棉花冠层温度与细胞液浓度之间存在良好的关系，利用其与净辐射、相对湿度和土壤含水量的关系可以评价作物的缺水状况，并可利用该指标进行棉花干旱监测。

冠气温差、水分胁迫指数、水分亏缺指数等是以冠层温度为基础不断衍生的可用于棉花的干旱生理指标。作物冠层温度与气温的差值即冠气温差可用来判断水分胁迫对作物的影响及响应[23]，如计算每日13:00—15:00冠气温差累计值，若该值大于作物开始缺水的临界值，则表示作物发生干旱；也有研究表明，当大气蒸发力较弱时，冠气温差不能真实反映作物受水分胁迫程度[24-26]。

作物水分胁迫指数（CWSI）以计算作物实际、潜在蒸散发量比值为基础[27-28]，综合考虑太阳辐射、植物、大气等不同因子对作物水分状况的影响，将干旱划分为重旱、中旱、轻旱、正常等不同等级；也可利用仪器观测的冠气温差值、通过冠层单层能量平衡阻力模式得来的冠气温差上下界限值进行CWSI计算，CWSI在0～1，值越大说明受旱程度越严重；与遥感信息相结合，该指标在不同区域的棉花干旱监测中具有较好的适用性[29-31]，但在叶面积指数较低的生长时期或区域则对应用效果存在影响。

水分亏缺指数（WDI）是基于地表混合温度、地表与空气温差等为主要计算因子来反映作物旱情的生理指标，大部分利用遥感探测得到作物和土壤混合温度，因此可在叶面积指数较低时使用，但若作物进行了灌溉，地表混合温度对遥感探测具有的“滞后性”对利用该指标进行干旱监测存在影响[23]。

2.2 生化特征指标

水分是影响作物生长发育的重要因素，干旱的发生会引起棉花叶绿体结构、光合蒸腾作用过程、生物膜系统、酶活性、细胞渗透调节物质等发生改变，进而影响棉花生长发育和产量，因此叶绿素含量、光合速率、蒸腾速率、气孔导度、叶片水势、叶片相对含水量、脯氨酸含量、可溶性糖含量、丙二醛含量和保护酶活性等生理生化指标的差异变化均可反映作物对水分的胁迫响应。

2.2.1 叶绿素与光合、蒸腾特征

叶绿素荧光参数极易受逆境的影响，是快速、灵敏无损伤研究和探测植物光合生理状况及植物与逆境胁迫关系的理想方法。叶绿素含量作为反映作物健康程度的生理生化指标之一[23]，在作物发生干旱时，利用仪器直接观测的叶片叶绿素含量高低，可直接反映受影响程度。作为植物重要的生理活动光合作用，光合速率大小与作物体内的水分状况直接相关，而土壤中的水分是作物体内水分的直接供应者，因此光合速率大小与土壤水分状况间接相关。另外，作物主要依靠蒸腾作用将水分运送至各器官，当水分亏缺时，蒸腾速率会有所下降。同时，植物的光合、蒸腾作用均通过植株气孔完成，土壤水分不足作物发生干旱时，植株叶片气孔部分关闭、气孔阻力增加、气孔导度变小，蒸腾速率会下降，光合作用也会受到影响。

叶片（植株）相对含水量、叶片水势能定量反映作物叶片中的水分状况，直接反映作物生理干旱特征。作物受旱时，叶片水势会迅速下降，其与蒸腾速率、大气水势和叶片气孔阻抗等因素有关[23]，特征值可以通过仪器直接观测而得。研究表明[25]，干旱处理显著降低了棉株叶水势、土壤相对含水量、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率，导致叶温升高，进而影响了棉株的光合生理过程和干物质形成。但在不同生育期影响棉花的关键指标有所不同[9]，苗期为叶片相对含水量和叶绿素含量，盛蕾期为叶绿素含量和叶面积，花铃期为相对含水量，而吐絮期为叶绿素含量和叶面积。叶片叶绿素含量几乎和各个生育期的抗旱性都密切相关，对棉花抗旱性有重要作用，而棉花植株含水量随干旱胁迫程度增加呈降低趋势，二者均能够作为监测反映棉花干旱胁迫的指标。

2.2.2 渗透调节物质与酶活性特征

渗透调节是植物体耐受胁迫环境的重要生理机制，植物细胞可通过脯氨酸、可溶性糖等物质的含量来保持渗透势平衡，含量越高、调节能力越大、抗逆境能力越强。同样，植物细胞内的保护酶系统如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）等，酶活性越高，消除自由基的能力越强，植物的抗逆性也越强。而丙二醛作为膜脂过氧化的分解产物，其含量变化可以反映植物受伤害的程度[25]。

研究表明[32]，干旱胁迫下，棉花叶片脯氨酸、可溶性糖等渗透调节物质的含量增加，CAT、SOD、POD保护酶活性提高，抵御干旱的能力增强。耐旱型棉花品种通过增加根系渗透调节物质游离脯氨酸含量来提高其耐旱性，其SOD活性随着干旱处理时间延长而增加[33-35]。大田棉花叶片的脯氨酸含量、丙二醛含量、可溶性糖含量均随干旱胁迫程度的增加而增加[32,36]。随干旱胁迫加强，百棉1号叶片中脯氨酸表现为处理2 d后开始线性增加[37]；不同品种棉叶中游离脯氨酸含量呈上升趋势[38]，抗旱品种新陆早7号在干旱胁迫前期游离氨基酸含量增加慢，后期增加快；但抗旱性较差的新陆早24号游离氨基酸含量的变化趋势与新陆早7号相反，上升趋势不明显[33]。棉花叶片脯氨酸含量随灌水量的降低而升高，且与土壤含水率呈负相关关系[19]；干旱胁迫下不同品种各部位果枝叶中脯氨酸含量均比对照增加[24]，脯氨酸可以作为棉花抗旱性的参考生理指标，作为灌溉管理的依据。

刘灵娣等[39]指出干旱胁迫导致棉花不同部位内围果枝叶片可溶性糖含量均有不同程度的增加。花铃期短期干旱结束时，棉花叶片可溶性蛋白含量、丙二醛（MDA）含量增加[25]；干旱胁迫条件下棉花的纤维可溶性蛋白含量较正常灌水处理显著降低，丙二醛（MDA）含量增加；在复水后第10 d，干旱处理棉花MDA含量降低[26]，干旱后一定时间内进行复水可一定程度上缓解干旱胁迫带来的不利影响，但复水的时间点非常关键。

生产中利用生理生化指标进行棉花干旱判断，主要是通过田间取样（植株或器官）进行测定，其对绿洲棉田干旱监测具有科学的理论指导意义，更适用于科学试验研究，且不同时间、方法、部位的观测结果均会存在差异，因此取样的代表性至关重要。

3 棉花干旱产量构成指标

作物的抗旱性最终要体现在产量的高低上，抗旱系数[4]（抗旱系数=胁迫下的平均产量/非胁迫下的平均产量）和干旱敏感指数[4]（SI=[1-抗旱系数]/环境胁迫程度），是从产量上反映抗旱性的重要指标。俞希根等[16]研究表明中度干旱对产量的影响大小趋势，苗期<成熟期<蕾期<花铃期和全生育期。花铃期是棉花需水的临界期，也是灌溉的重要关键期；蕾期对水分的反应比较敏感，亦是水分关键期。从子棉产量与构成因素、持续干旱对棉花衣分和产量器官干物质积累效率的影响等方面研究了棉花花铃期土壤持续干旱胁迫对产量形成的调节效应，其结果表明持续干旱对子棉产量影响为单株成铃数>成铃率>单铃重，而短期干旱胁迫则增加成铃数最终使得子棉增产[40-42]。

减产百分率模型指标（L）是反映不同生育期缺水对作物产量的影响，引入耗水量及作物在不同生育阶段水分敏感系数进行综合计算确定[23]。公式为：

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，λi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。在冬小麦应用中提出的干旱指标分为4级，轻旱（减产10%）、中旱（10%～20%）、重旱（20%～30%）、严重干旱（＞30%）。

作物产量按对其影响因素的性质可分解为趋势产量（Yt）和气象产量（Yw），即 Y=Yt+Yw，趋势产量反映了因时间延长、生产水平提高而不断上升的部分，气象产量体现了天气气候变化引起的波动部分。研究表明[43]，棉花整个生长期内，各生育阶段降水均对产量影响较大，可利用气象产量与影响显著的降水因子进行模拟构建棉花生产旱灾损失模型，从而阐明降水对棉花各生育阶段的影响程度，及早对干旱风险进行评估。

作物对不同阶段缺水的敏感性不同，不同生育阶段发生干旱缺水对作物的危害有所不同。根据作物在各个生长阶段的最大蒸散量与相应的作物产量、全生育期作物的干旱模拟计算结果，结合水分生产函数选用Jensen模型可模拟计算作物由于缺水所造成的减产量[44]。

式中，n为生育阶段数，ETj为第j生育阶段实际蒸散量，ETmj为最大蒸散量，λj为第j生育阶段水分敏感系数，Y为作物实际产量，Ym为作物最大产量。

干旱对棉花的影响，最终的影响均通过产量或产量结构来体现。此类指标在绿洲棉田产量预报方面具有重要的指导意义，同时需要考虑覆膜滴灌模式下绿洲棉田水分利用效率的改变，进而对应的产量干旱响应指标敏感程度会有所不同。

4 棉花干旱土壤水分指标

土壤干旱指标主要基于土壤湿度状况描述作物对水分胁迫的响应，间接反映了土壤含水量对作物生长发育的限制作用，主要包括土壤相对湿度、相对湿润度指数、土壤有效水分存储量、农作物水分综合指标、作物供需水指标、帕尔默干旱指数等。

4.1 土壤水分指标

土壤水分指标是棉花在干旱胁迫下指导灌溉的一个最直接和有效的指标，一般用田间持水量来反映。对棉花适宜土壤水分下限的研究表明[16,43]，棉花漫灌模式下，各生育阶段适宜水分下限指标（占田间持水量百分数）为苗期55%、蕾期60%、花铃期70%、成熟期55%，提出比适宜水分下限低10%～

式中，P为生长期内降水量；Re为无效降水量，为径流量与深层渗漏量的和；ρ0表示作物生长初期根系层平均土壤含水量，ρg表示根系层内1 mm降水量引起土壤含水量的增加量，ρm表示作物生长发育所需的适宜土壤含水量，Rg表示计算时段内地下水的补给量，E0表示作物生长期内的潜在蒸发量。

综合考虑作物生长期内的降水、灌溉、地下水等相关因素，以农田水量平衡为依据，陕西省作物旱情预报系统提出的作物供需水指标（Kd）[23,30]，能反映作物受旱程度并进行作物旱情测报；提出陕西省的作物需水等级指标，极端干旱（Kd=0）、重旱（0

土壤含水量与田间持水量的百分比为土壤相对湿度（R），根据R进行的干旱等级划分标准包括5个级别，分别为特旱（R≤30%）、重旱（30%

土壤有效水分存储量（S）是指能被作物根系吸收的根系活动层内有效水分量[23]，S=0.1（土壤湿度-凋萎湿度）/（土壤容重×土层厚度）；当土壤湿度较小不能满足作物生长发育所需的水分，作物将会发生萎蔫，因此主要用于作物缺水状况评价。

4.2 作物水分指标

农作物水分综合指标[23,29]（D）分为5个等级，分别为干旱（D<0.5）、半干旱（0.51.3），通过计算降水量、土壤含水量等综合而得，对于旱作农业区的干旱监测应用较为广泛，计算因子相对复杂。式中，P为有效降水量；W为作物需水量，P0为某一时段有效降水量，G 为地下水利用量，W0、W1、W2分别表示作物根系活动层土壤凋萎含水量、某一时段初期和末期土壤含水量，I为灌溉量，ET为某一时段内作物需水量。

帕尔默干旱指数[23,46-47]（PDSI）广泛应用于水文、气象、农业等领域进行作物旱情综合评估，是一种包含降水量、蒸散量、径流量和土壤有效水分存储量在内的水分平衡模式。该指数被广泛应用并修正，包括帕尔默修正干旱指数（MPDSI）、自适应帕尔默干旱指数（SC-PDSI）等。

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、土壤水分补给量、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绝对值的平均值；α、β、γ、δ分别为各项对应的权重系数。

土壤含水量是反映作物对水分胁迫程度的最直接指标，膜下滴灌技术的应用改变了绿洲棉田土壤水分运移规律、棉田蒸散及耗水量，作物的耐旱程度是否因此而发生变化，因此各干旱监测指标的临界点、界限阈值等在绿洲棉田干旱监测中均需要考虑其差异变化。

5 棉花干旱气象指标

气象学认为，干旱实际上是由于缺乏足够的降水引起的，是气候水热不平衡的表现。气象干旱指标主要基于降水或降水与温度的共同作用来反映地面水分的收支平衡，从而间接反映作物的水分收支状况。主要有降水量指标、温度与降水共同影响的综合指标两类[23]。

5.1 降水量指标

降水量指标是通过降水量定量化描述旱涝标准，主要用于地下水位较深、雨养农业区[38]。降水距平百分率、Z指数等为比较常用的降水量指标，与降水量有关的还有反映干旱强度和持续时间的标准化降水指数（SPI）、连续无雨日数等[48]。降水量指标以反映干旱发生趋势为主，对于某一时段小范围内的干旱程度、作物遭受干旱的影响程度基本不能准确反映。

降水距平百分率（Mi）[29]是指某时段内降水量与同期多年平均降水量的距平百分率，Mi=（降水量-多年平均降水量）/多年平均降水量×100%，反映该时间段降水量的偏离程度。该指标广泛应用于气象业务与服务，具有很强的地域性，在雨养、灌溉农业区需要考虑其差异性。

Z指数[23,49]是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。Z指数分析结果越好，越能反映出旱涝程度，在绿洲棉田干旱监测应用中需要根据地区进行修正，给出相对应的等级标准。

式中，Xi为降水的标准化变量，Cs为偏态系数，n为样本数，S为样本均方差。

标准化降水指数（SPI）[10]的计算原理，是将某一时段内的降水量时间系列假设服从某种分布，通过降水量的分布概率密度函数推求累积概率，将累积概率转化呈标准正态分布而得，常用Gamma分布进行拟合。

式中，Xi为降水的标准化变量，μ为样本系列的均值，σ为其标准差。

5.2 温度与降水综合指标

Ped干旱指数、水热系数指标[31]（Kw）等均是温度与降水共同影响的综合指标，温度的高低反映了地面蒸发情况，结合降水可综合反映地面水分收支平衡，进而间接表明作物收发收支状况[50]。

Ped干旱指数（S）[23,27]通过计算标准化气温距平与降水量距平之差，来比较区域、时间内干旱频率与敏感度，划分为重旱（S>3）、中旱（3>S>2），在未来作物对水分胁迫的预测服务中应用较多。

式中，ΔT、ΔR分别为月平均气温、月降水量的距平，σT、σR分别为月平均气温、月降水量的均方差。

而水热系数指标[23,31]（Kw）是利用降水量和积温来表示的干旱指标，大多用于评价气候干旱和作物对水分的胁迫。

式中，∑P、∑T≥10℃分别表示日平均气温≥10℃降水量总和与积温。

也有分别选取能反映气象干旱和土壤干旱的具体指标，通过确定各干旱指标的权重系数，进而建立的反映作物水分收支状况的干旱指标[51]，如列入气象干旱等级国家标准（GB/T 20481-2006）的综合气象干旱指数（CI）。CI指数[52-53]是利用近 30 d（月尺度）和近90 d（季尺度）标准化降水指数、相对湿润度指数进行符合计算而得。指数越小，干旱越严重，既反映月季尺度降水量异常情况，也可反映短时间内影响作物生长的水分亏缺情况。

式中，a为近30 d标准化降水系数，平均取0.4；b为近90 d标准化降水系数，平均取0.8；c为近30 d相对湿润系数，平均取0.8；Z30、Z90分别为近30 d和近90 d标准化降水指数SPI；M30为近30 d相对湿润指数。

气象干旱的表现在各种干旱类型中最为明显直接，是其他类型干旱发生的先导。由于其只能大致反映干旱发生的趋势，绿洲棉田干旱评价中不能用该指标直接反映作物受干旱的影响程度。

6 问题与展望

干旱及水分亏缺所造成的危害超过了一切逆境因子的总和[7]，水分管理质量就成为决定作物产量和品质高低的关键因素之一[9-10,67]。覆膜种植与滴灌技术相结合而成的膜下滴灌枢纽，能够根据作物的不同生长时期定时、定量、均匀及滴状地对作物根系的发达区域进行节水灌溉，在节水的前提下促进棉花的快速生长发育，最大限度的提高棉花的产量，作为一种优质水分管理灌溉技术，对新疆绿洲棉业发展有着非常重要的作用[54-58]。

棉田或棉花发生干旱后是否需要灌溉，可根据土壤含水量以及作物的形态指标和生理指标来判断。土壤含水量指标因作物不同生长发育阶段的水分需求和土壤条件等因素而异，且土壤水分具有高度的空间变异性。但作物的水分状况及生理指标能更早地反映植株内部的水分状况，也因此成为比较常用的棉田或棉花干旱诊断指标。

膜下滴灌技术的应用改变了绿洲棉田土壤水分肥料运移规律、根系生长状况、棉田蒸散及耗水量等[59-61]，进而影响了棉花生长及产量。但已有的部分棉花干旱指标[16]是研究棉田漫灌方式下以棉花受旱程度进行分级，提出当各生育阶段土壤水分比适宜土壤水分下限值低10%～15%时为中等干旱,＜10%时为轻度干旱，＞15%时为重度干旱。此外，滴灌模式下棉花干旱研究成果，主要集中在棉花品种抗旱性评价[32,35,62]、棉花对干旱胁迫的生理生化响应[33,37,39,43,25]、干旱区棉田蒸散过程[3,63]、不同滴灌优化灌溉技术[64-66]等不同方面。

因此，应加强膜下滴灌绿洲棉田干旱监测预警关键技术方面的研究：（1）膜下滴灌种植模式下棉花干旱致灾条件是否发生了变化，（2）滴灌棉田干旱的发生发展过程特征，（3）滴灌棉花因旱受害程度的生育阶段差异，（4）滴灌棉花干旱敏感性指标及临界阈值等均有待于进一步深入研究与确定，这对于科学诊断棉花干旱、制定棉花生产应对干旱对策措施具有重要的理论和应用价值，也可为进行合理的节水灌溉提供参考依据，服务于棉花安全生产。