农田涝渍灾害研究进展

俄有浩，马玉平

（中国气象科学研究院，北京 100081）

引言

农田涝渍灾害指因强降水或持续性降水导致农作物遭受较长时间淹涝或其根系土壤水分长时间处于过饱和状态而造成作物生理或形态损伤并减产的自然灾害［1-4］，是我国传统的农业气象灾种之一，持续危害沿江、河、湖及其中下游平原的低、平、洼等区域农业生产。1980 s年代以来，随着灾害学理论在我国多学科的广泛应用，农田洪涝和涝渍灾害的致灾因子辨识［5-7］、孕灾环境演变［8-10］、涝渍胁迫对小麦、玉米、水稻、油菜、棉花和大豆等农作物生理［11-34］、形态和产量的影响［35-107］、农田排水标准与指标确定［108-120］、灾害等级指标划分［121-126］、灾害损失评估［127-131］、灾害风险分布及区划［132-135］等方面持续开展了大量研究工作并取得了比较丰富的成果。由于不同的研究者从各自的研究目的出发，研究方法、试验设计、试验观测条件等不尽一致，研究得出的结果不尽相同，尤其在涝渍胁迫对不同作物的影响过程、致灾等级阈值、致灾减产率等方面有较大差异。在气候变化背景下，随着孕灾环境的变化和农业农村的社会、经济条件的改变，农田涝渍灾害仍然时有发生并有新问题出现［2］。同时，有些致灾因子的致灾机理还不完全清楚，农作物灾后机能恢复机理和过程等还缺乏深入研究，涝渍灾害的动态评估等仍然是难点。为了解我国近40多年农田涝渍灾害方面的研究现状和进展，本文在厘清洪、涝、渍以及洪涝、涝渍等概念基础上，梳理归纳我国农田涝渍灾害影响过程、致灾机理、涝渍指标等级、灾害风险及灾损评估、涝渍灾害防控技术等方面研究进展和取得成果，统计分析了涝渍胁迫持续影响小麦、玉米、水稻、油菜、棉花和大豆等主要农作物的株高、根干重、叶面积、叶绿素含量、光合速率、产量构成三要素和作物细胞活性氧清除酶系统等程度。总结了农田涝渍灾害研究存在的主要问题并展望未来，以期推进我国农田涝渍灾害研究深入发展。

1 农田涝渍灾害概念及构成要素

1.1 农田涝渍灾害概念辨析

在农业领域，水灾害主要有洪灾、涝灾和渍害［3-4］，三者之间既有区别，又有联系。许多文献中容易将洪涝和涝渍灾害混淆，造成一定的混乱，有必要加以厘清。在概念上，洪、涝、渍有明确的内涵和外延。一般而言：（1）洪是指暴涨而外溢的水流。洪水来源于暴雨、冰雪快速融化或水库等水体溃坝外泄。洪灾的主要表现特征是洪水的冲毁和淹没，造成农田设施的物理性损毁和作物的物理性损伤或毁坏。（2）涝灾是指农田积水较深，作物受淹时间较长，超过农作物耐淹能力，积水退落后引起作物倒伏等而致灾。致涝积水来源于田外洪水、暴雨或连续降水引起的本地积水。农田涝灾主要表现特征是作物植株部分或全部遭受淹没，并引起植株倒伏，造成植株气孔关闭和部分器官或组织受损。涝灾最严重程度是作物植株全部受淹或大面积倒伏，导致作物光合和呼吸作用中断，造成绝收。（3）渍害（也称湿害）是因洪、涝积水或因地下水位上升过高，造成土壤含水率过高甚至饱和，作物根系土层空气活动受阻而厌氧条件占据优势［9］，导致作物根系长期缺氧并引起植株发育不良而减产。农田渍害特征是田间有较少积水甚至没有积水，但地下水位超过作物耕作层以上，土壤水分接近饱和或超饱和状态。

现实中洪、涝、渍往往同时或连续发生［3-4，9］，有时很难明确区分和界定。一般情况下，洪、涝、渍的递进转化关系是：因洪致涝，或因暴雨就地起涝，因涝致渍。同时，洪与涝相连，涝与渍并行。因此，在开展相关研究过程中，又形成了洪涝和涝渍2个词语。大多数文献对应的英文词分别使用“Flood”和“Waterlogging”。根据牛津词典和维基百科，“Flood”主要指洪水，其动词引申为淹没。洪涝（Flood）灾害是因洪致涝，其承灾体是农业设施或农作物。因此，洪涝灾害研究关注的重点是农业设施和农作物遭受洪水的物理性冲毁或淹没损毁造成的损失。Waterlogging意指水侵和饱和，可引申为涝渍，是洪、涝过后农田积水淹没作物或因地下水过高引起的土壤水分饱和状态。涝渍灾害研究重点关注作物受淹和根系厌氧导致的农作物减产和损失。因此，在农业领域，洪涝侧重于农业设施和农作物的机械性损害和损失，涝渍更侧重于农作物形态和生理性损害及损失。明确了洪、涝、渍以及洪涝和涝渍概念的内涵、外延及其承灾主体和研究的侧重点等，能够更好地把握灾害的致灾成因和机理。

1.2 农田涝渍灾害构成要素

孕灾环境、致灾因子和承灾体是自然灾害构成的基本要素［4-7］。农田涝渍灾害范畴中，农作物是农田涝渍灾害的承灾体。平坦的地形、粘重的土壤类型、丰富的河网渠系等水系统、适易农业生产的社会经济和人文环境以及雨水丰沛的气象条件和湿润的环境等是农田涝渍灾害的孕灾环境。致灾因子是直接或间接造成农作物伤害并导致减产的因素。涝渍致灾因子分为自然致灾因子和人为致灾因子［8］。本文仅对农田涝渍灾害中对农作物直接造成灾害的自然致灾因子进行分析。积水淹没深度、积水或渍水时长、耕作层土壤水分含量、地下水位埋深等是农田涝渍灾害的主要致灾因子。由于田间积水深度、积水时间、土壤水分状况与降水和日照等气象条件相关，在一些研究中，以降水量、降水日数、日照时数等气象要素作为农田涝渍灾害的致灾因子。因此，可将积水深度、积水或渍水时长、地下水位埋深称为农田涝渍灾害的直接致灾因子，降水量、降水日数、日照时数等称为传导性致灾因子。农作物的空间分布和对涝渍的敏感生长发育期等是承灾体的时间和空间暴露性［6］。根据我国种植业分布状况和气候特点，长期频繁发生农田涝渍灾害的孕灾环境、致灾因子和承灾体及其暴露性见表1。

表1 农田涝渍灾害要素及其暴露性Table 1 The essential factors and its exposure of waterlogging disaster

2 农田涝渍致灾过程与机理

2.1 农田涝渍灾害形成与影响程度

涝渍胁迫首先阻止作物根系生长，导致根系总根长、总表面积、总根尖数减少［11］，严重涝渍胁迫甚至导致大量烂根，危害根系组织和器官的功能。根系是作物吸收水分、养分和能量传输的主要器官，也有支撑植株、储存营养、参与代谢和繁殖等功能［11］。根系功能遭受破坏后，进一步引起叶片萎蔫发黄、功能叶光合作用和蒸腾作用减弱甚至停止［13］。由于作物根系和叶片是为作物营养生长和生殖生长提供物质和转运能量的主要器官和载体，根系和叶片功能遭受涝渍破坏后，引起植株变矮、发育期延迟、地上和地下干物质积累下降，小麦、油菜、大豆、水稻等结实率降低，玉米秃尖率提高，棉花铃数和单铃重下降，导致农作物减产或绝收，造成灾害。

在农田涝渍灾害形成和发展过程中，农作物对涝渍胁迫的敏感生育时段和涝渍胁迫持续时间是影响农田涝渍灾害形成和灾害程度大小的主要因素。不同农作物对涝渍胁迫的敏感生育阶段和忍耐程度各不相同。相关研究表明，冬小麦的孕穗至灌浆期是关键生育阶段，对涝渍胁迫最敏感［36-54］，汪宗立等［20-21］研究指出小麦拔节后15 d至抽穗期涝渍对产量的影响最大，是小麦涝渍灾害临界期，其次是开花期和灌浆期。李金才等［25，51］研究认为，灌浆期涝渍胁迫对小麦叶面积和叶绿素含量的影响最大，孕穗期次之，而孕穗期对产量的影响大于灌浆期。玉米苗期和拔节期均是玉米的关键生育时期［59-74］。玉米在苗期对涝渍胁迫最为敏感，对玉米形态、生理和产量的影响最大，尤其在4叶期［59］，其次是拔节期，灌浆期及后期影响较小。油菜的蕾薹期至角果期对涝渍胁迫比较敏感，其中，蕾薹期和花期最敏感，对产量形成影响最大，其次是角果期和苗期［77-81］。大豆在开花期涝渍胁迫受灾最严重，其次是初花期和结荚鼓粒期，苗期最轻［79-84］。棉花在现蕾期至花铃期对涝渍胁迫最敏感，其中，花铃期涝渍胁迫的减产作用最大，蕾期次之，吐絮期最小［85-95］。Zhang［87-89］研究结果表明棉花蕾期淹水减产幅度最大（58.3%），花期次之（39.7%），铃期最小（17.4%）。水稻作为沼生植物，在渍水环境下也会出现缺氧胁迫，但是比小麦和玉米等旱作物有更强的耐涝渍特性，对渍害的敏感性较低。但水稻对淹涝胁迫比较敏感，尤其是水稻在孕穗期和开花期对超过植株体2/3及以上的淹水胁迫很敏感［96-107］。

涝渍胁迫持续时间是决定涝渍灾害程度的另一个关键因素。涝渍胁迫持续时间越长，影响程度越严重。随着涝渍胁迫时间的持续，主要影响根系生长及地下干物质积累、植株高生长（株高）、叶面积、叶绿素含量、光合和蒸腾速率、产量构成（穗数、穗粒数、千粒重），最终影响产量形成，导致减产。统计分析国内外学术期刊关于中国小麦、玉米、水稻、油菜和棉花等5类主要农作物敏感生育期涝渍胁迫持续时间影响作物形态和功能的相关试验研究结果表明（表2），随着涝渍胁迫日数增加，小麦、棉花等农作物根干重损失率逐渐增大，损失率为4%～53%。玉米根系虽然能够通过次生根和通气组织的生长来减缓和适应涝渍胁迫［14，74］，然而，随着涝渍胁迫持续日数增加，其主根系干物质积累逐渐受损，造成根系干物质随着涝渍持续日数增加而减少，损失率达到6%～62%。涝渍胁迫对农作物株高影响差异较大。一般在涝渍初期涝渍胁迫有助于植株高生长，随着涝渍持续日数增加，株高受一定程度的影响，涝渍持续10 d后植株高生长受损6%～37%。然而，水稻遭受淹水后，大部分的样本表现为随着淹水持续日数增加株高有增加趋势，增加幅度5%～20%，反映了水稻淹水后茎间节有延长能力的适应性功能［16-17］。随着涝渍胁迫持续日数增加，叶面积指数（LAI）（2%～68%）、叶绿素含量（5%～48%）、光合速率（0.5%～76%）和产量构成要素的穗数（4%～63%）、穗粒数（3%～76%）、千粒重（2%～52%）等生长要素的损失率逐渐增加，表明涝渍胁迫持续时间延长逐渐加重了涝渍灾害程度。

表2 涝渍胁迫持续时间与作物生长要素损失率（%）的关系Table 2 The relationship between the losses percent of crop growth elements and duration of waterlogging

涝渍胁迫除了影响农作物的根系、叶片、茎鞘和产量构成等生长要素外，最终主要影响作物产量，导致减产。图1为国内外学术期刊中我国小麦、玉米、水稻、油菜、棉花和大豆等6类主要农作物减产率与涝渍胁迫持续时间关系。小麦的平均减产率为24.5%（n=67，SD=19.3），涝渍胁迫持续10 d左右减产率达20%以上，涝渍持续10～15 d，减产率达到40%～50%，持续20～30 d，减产率最高可达80%以上。玉米的平均减产率为43.7%（n=51，SD=25.3）。玉米遭受涝渍胁迫的减产率幅度最大。涝渍持续6 d左右，玉米减产率可达50%，而涝渍持续日数超过10 d，就可达到绝收的灾害程度（减产率80%以上）。棉花的平均减产率为35.5 %（n=59，SD=16.5），涝渍持续10 d以上，皮棉减产率达到50%-60%。油菜的平均减产率为25.1%（n=17，SD=11.4）。涝渍持续10 d以上，油菜减产率达到20%-40%。大豆的平均减产率为25.6 %（n=14，SD=20.5）。涝渍持续6 d，大豆减产率达到30%，持续10 d以上，减产率超过40%。水稻的平均减产率为21.3 %（n=19，SD=11.2）。水稻淹水在株高2/3以下持续5 d以内，减产率20%左右，持续5～6 d以上，减产率达到30%～40%。但是，水稻在全淹没状态下减产幅度很大，淹水5～7 d可达到绝收的灾害程度。

表2和图1中，样本数据的标准差比较大。一方面可能由于各个试验研究的处理方法和观测精度不尽相同，造成数据存在很大变率。另一方面，可能由于涝灾、渍害和涝渍灾害的影响程度不一致所导致。现实农田中，渍害可以单独成灾，但是，一般情况下，有涝就会发生渍害，造成涝和渍相随共存。根据相关研究证明，单独涝害对作物产量的影响比单独渍害的影响大，而涝渍共同胁迫比单独涝或单独渍害对作物的产量、地上干物质、灌浆速度、叶面积等影响更大。朱建强等、钱龙等研究结果表明涝和渍对作物产量的影响程度系数分别为0.76和0.24［92-93］。余卫东等［63-64］夏玉米涝渍胁迫研究结果数据计算得到叶面积、产量和穗数等指标的淹水受损率是渍水受损率的5.3～8.0倍。因此，平均而言，淹水试验的减产率和作物生长指标损失率是渍水试验结果的3～5倍。

图1 主要农作物涝渍持续日数与减产率关系Fig.1 The relationship between duration of waterlogging and reduction rate of grain yield

2.2 农田涝渍致灾机理

2.2.1 涝渍胁迫对生理生化的影响

农田涝渍胁迫引起农作物根系干重、株高、叶面积、叶绿素含量、光合和蒸腾速率等生长要素及穗数、穗粒数、千粒重等产量构成要素降低是农田涝渍灾害的外在表现。农作物涝渍致灾的本质是涝渍环境下作物根际土壤缺氧引发根系、叶片和植株体细胞内各种酶、内源性激素、电解质等浓度或活性发生变化，造成根系对水分、养分等物质和能量传输及新陈代谢功能受阻，进而危害叶片的生长和光合与蒸腾作用的发挥，导致能量积累受损，干物质及分配比例降低，逐渐形成灾害。

农田涝渍胁迫首先造成根际土壤和根系缺氧。根际土壤缺氧后，土壤电化势（Eh）下降，还原性金属离子特别是Fe2+、Mn2+、S2-、HS-积累，对作物根系产生毒害作用［20，27-34］。土壤中的厌氧微生物通过无氧呼吸产生醋酸、乳酸和丁酸等有机酸，增加土壤酸度［12，27］。根际微生物种群发生演变，好气性微生物被嫌气性微生物代替，细菌繁殖快于真菌及放线菌，促生性菌类受到抑制，导致根系生长环境恶化［16］。在恶化的土壤环境下，根系缺氧后，根系新陈代谢从好氧模式转为厌氧模式［12，16］，无氧呼吸效率降低，产生的乳酸、乙醛、乙醇等中间产物对细胞产生毒害作用，产生的ATP能量减少70%～97%［16］，削弱了根系对水分、矿物质和氮（N）、磷（P）、钾（K）等养分的吸收和向上运输能力，阻碍茎鞘内的N向功能叶片运输，限制P在地上部各器官中的分配［22］。叶片感知到根系吸收水分和养分等能力和数量下降后，部分或全部关闭气孔响应来自根际的变化［16］，造成叶片和植株体缺氧。根系和叶片先后缺氧，引发根系、叶片和植株体细胞内各种酶、内源性激素、电解质等活性和浓度发生变化，造成根系对水分、养分等物质和能量传输及新陈代谢等功能下降。导致作物根系、茎鞘和叶片各种功能下降的生理机理是涝渍胁迫下活性氧自由基的过氧化作用。活性氧自由基是植物或植物的任何一部分从正常含氧量条件进入缺氧环境，或从缺氧返回到有氧环境的过渡中产生［12］。活性氧自由基主要包括：氧离子（O2-）、过氧化氢（H2O2）、羟自由基（OH·）、超氧阴离子自由基和NO等［12-13，18，59］，具有非常强的氧化能力［18］。活性氧自由基对植物产生伤害的一个重要机制是直接或间接启动对蛋白质、核酸、酶结构和脂质等的过氧化作用［12，15］。尤其是膜脂中的不饱和双链酸最易受自由基的攻击发生过氧化反应。正常环境下，细胞内自由基、活性氧的产生与清除处于动态平衡状态，其浓度较低，不会造成伤害［18］。当遭遇涝渍等胁迫后，制衡系统平衡被打破，活性氧自由基等浓度逐渐升高，当浓度超过一定“阈值”，过氧化反应引起膜脂中不饱和脂肪酸含量降低，造成膜透性增大，质子泄漏，液泡膜内陷呈极度松弛状态，最终造成膜破裂，导致植物细胞伤害或死亡［12］。

活性氧自由基过氧化的最终产物是丙二醛（Malondialdehyde，MDA）［18］。已经证明MDA的积累来自不饱和脂肪酸的降解［19］。MDA的积累在一定程度上也反映了植株体内活性氧自由基活动的状态。MDA积累越多，羟自由基和超氧阴离子自由基等含量也越高，两者存在极显著正相关关系［［59］。MDA还能强烈地与细胞内各种成分发生反应，引起酶和膜的严重损伤，膜电阻及膜的流动性降低，造成膜的结构及生理完整性破坏。因此，MDA和OH·和等都是对细胞生命活动极其有害的基团［18］。

为了中和活性氧自由基的毒性，作物在长期的系统进化过程中，演化形成了内源性酶防御系统［12］，也称活性氧清除酶系统［18，20，59］。活性氧清除酶系统主要包括：超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）、过氧化物酶（Peroxidase，POD），以及其代谢产物，如，谷胱甘肽（Glutathione，GSH）、生育酚（Tocopherol）、脯胺酸（Proline，PRO）、抗坏血酸（Ascorbic acid，AsA）、抗坏血酸过氧化酶（Ascorbate Peroxidase，AP）等［12］，是活性氧清除酶系统中重要的保护酶。在各种清除酶系统中，SOD处于第一道防线［20］，能清除并产生歧化产物H2O2，对作物体内和H2O2浓度起支配作用。脯氨酸是细胞质中重要的防脱水剂，能降低细胞渗透势，提高植物组织的持水力。脯氨酸的积累可增强耐渗透胁迫的能力，对植物体内的酶和膜起保护作用。涝渍胁迫下当植物体缺氧引起活性氧自由基形成速率和含量升高后，这些活性氧清除酶发挥清除和保护作用，并造成清除酶自身活性或含量降低。另外，农作物长期进化，形成了适应涝渍胁迫的茎部通气组织（Aerenchyma）和不定根。通气组织和不定根是在根系缺氧环境下由乙烯（Ethylene）诱发生成并进行调节［14，16］。

在农作物涝渍胁迫致灾过程中，作物根系和叶片先后缺氧，引起活性氧自由基含量升高、活性增强，引发对植物体蛋白质、核酸、酶结构和脂质等过氧化反应，并产生MDA累积。通过检测活性氧自由基生成速率或含量、活性氧的过氧化产物MDA含量、活性氧清除酶活性等三者中任何几种或全部，都可评价农田涝渍胁迫和灾害程度。大量试验研究表明，涝渍胁迫导致生成速率和H2O2迅速增加，涝渍胁迫持续5 d以上分别增加了311.2%和310.8%，张艳军等研究棉花涝渍胁迫结果表明，涝渍胁迫10、15和20 d，H2O2含量增加了489.3%、673.7%和496.3%［87］。晏斌等［59］研究表明，玉米涝渍5 d后和H2O2含量分别升高了263%和62%，并且玉米下部叶片增幅高于上部叶片，是玉米叶片自下向上变黄的原因。统计分析相关研究文献数据表明，作为活性氧自由基过氧化的产物，小麦、玉米、水稻和棉花等作物叶片和根系MDA含量随着涝渍持续日数增加而升高，涝渍20 d最高增加140%（图2（a）），SOD、CAT的活性持续下降，涝渍持续10 d后活性下降60%～80%（图2（c）、图2（d）），脯胺酸（PRO）活性持续增加，涝渍持续10 d后活性增加60%以上（图2（b））。而POD活性在涝渍持续10 d以内表现为增强，涝渍持续10 d后有降低趋势（图2（e））。李金才等［25］发现POD活性先增强，之后随着渍水天数延长而下降。前者渍水3 d左右下降，后者渍水10 d后下降。分析现有的MDA、SOD、CAT、POD、PRO等含量和活性随涝渍持续日数变化数据表明，MDA、SOD、CAT、POD、PRO含量和活性变化与农作物种类没有相关性，仅反映作物涝渍胁迫的程度。

图2 涝渍持续日数与MDA含量和SOD，CAT，PRO，POD活性变化率关系Fig.2 The relationships between the rates of MDA content，SOD，CAT，PRO，POD activities and the waterlogging duration

2.2.2 涝渍胁迫对干物质分配的影响

涝渍胁迫不仅影响农作物生理和生长要素变化，而且影响干物质积累和分配比例，最终导致减产。首先，不同生长阶段的涝渍胁迫都影响农作物干物质积累。统计表明，涝渍胁迫导致小麦、玉米、水稻、油菜、棉花和大豆等农作物干物质平均减少30.2%（n=167，SD=18.3）其中，营养生长阶段减少干物质积累28.6%～41.3%，生殖生长阶段减少干物质积累32.4%～53.7%［40，43，69，76］。Jiang等［43］研究表明，涝渍不仅减少了小麦储存在营养器官中的干物质向籽粒的再分配数量和百分比（0.213 g/茎，11.6%），也显著地减少了转移到籽粒的花后光合同化物（平均减少26.5%）。其次，研究发现，涝渍胁迫对根系的危害大于地上部，造成根系干物质积累比地上干物质积累慢，根冠比减少［22］，为黄叶增多和叶片老化埋下隐患。另外，李金才等研究发现，与正常生长的小麦比较，涝渍胁迫不但降低了干物质在穗、茎鞘、叶片和根系的比例5%～13%，而且，由于涝渍导致叶片变黄老化和干枯，影响了叶片光合能力，导致小麦籽粒增重来自灌浆期光合产物的比例由正常生长小麦的68%～69%降低到31%左右，而近2/3的干物质需要从前期各器官中积累的干物质中再分配［24］。由于涝渍胁迫本已经减少了前期各器官中干物质的积累，从而导致穗粒数和籽粒重降低，影响产量构成。

3 农田涝渍灾害指标与等级

农田涝渍过程能否成灾，与致灾因子的危险性密切相关。致灾因子的危险性包含致灾因子数量及其持续时间2个参量。确定致灾因子数量及其持续时间与减产或灾损之间的量化关系是相关研究的目标。经过30多年的不断探索，我国在农田涝渍灾害等级指标研究方面形成了以农作物关键生育时段田间淹水深度和地下水累积埋深等为主要度量的涝渍水深指标或涝渍排水控制指标［8］，以及，以作物关键生育时段降水量、降水日数和日照时数等为考量的涝渍灾害等级指标两大指标体系。

3.1 农田涝渍排水指标

张蔚榛等［108-109］较早开展农田排水指标的研究，以降水后一定时间内地下水位下降到一定深度确定排水指标，在总结国内外涝渍田间地下水排水指标基础上，推荐1964年荷兰人Sieben提出的地下水位累积超标深度指标SEWx和Hiler于1969年提出的抑制天数指标SDI作为排水设计指标，并在我国试验和应用。基于SEW30于1997年又提出了累积减产指标CRI。试验研究表明SEW30、抑制天数指标SDI和累积减产指标CRI与小麦相对产量均有良好的线性关系。提出小麦播种-拔节期、拔节-抽穗期、抽穗-乳熟期等生育期地下水埋深0.3 m，0.5 m和0.8 m作为适宜地下水埋深排水标准指标。一次降水后小麦拔节期、棉花花铃期、水稻晒田期地下水位降到适宜地下水埋深的时间分别是3～5 d和3～6 d［108-109］。汤广民［117］提出了涝渍连续抑制天数指标CSDI和涝害权重系数CW，并建立了作物相对产量与CSDI的关系模型。研究结果表明，棉花相对产量与地下水连续动态指标SEW30和CSDI均具有良好的线性关系。认为CSDI能够将除涝与降渍两者有机统一起来，更符合农田排水的客观实际。沈荣开等［9，111］将地表水排除与雨后地下水排水作为一个连续过程评估除涝和治渍的效果。研究了以作物淹水深度和淹水历时作为作物受涝程度的控制指标和以地下水位在特定历时降至设定埋深作为作物受渍灾害程度的控制指标，提出了累计淹水深度指标SFW和小于特定临界地下水位累计埋深指标SEW，以及融合SFW和SEW的作物涝渍水深综合指标SFEW（SFEW＝SFW+SEW）和以淹水历时SFD和地下水位降至特定临界水位的日数SWDx的等效淹渍天数指标SFWD（SFWD=SFD+SWDx），并建立了作物相对产量与各个指标的经验模型。试验研究表明，当淹水历时不变时，地下水埋深越小或地下水位上升越快，减产程度越大。比较涝渍水深指标（SFEW）和等效淹渍历时指标（SFWD）发现，以等效淹渍历时作为涝渍程度的指标最优，其中尤以SFWD40最佳。邵光成等［113］验证了涝渍连续抑制天数指标（CSDI）的适用性，表明冬小麦相对产量与SEW50和CSDI均具有较好的线性关系。指出在涝渍连续情况下，涝渍连续抑制天数指标（CSDI）作为控制排水指标比较合理。王矿等［114］研究表明，灌浆期冬小麦相对产量（减产率）与涝渍综合水深指标SFEW30、SFEW50和SFEW80都有显著的线性负相关性，其中，与SFEW50的相关性最高。认为涝渍综合排水指标SFEW50参数少，可行性较高。确定了减产10%相对应的涝渍综合水深指标SFEW50指标值为360 cm·d。Cao等［86］试验表明在棉花不同生育时段SFEW30与棉花相对产量都存在显著地相关关系。吴启侠等［116］提出小麦减产15%的田间渍涝排除标准是：孕穗期和灌浆期能承受的渍涝时间分别为3.6 d和6.4 d，田间积水排除后3 d内将地下水位降至70 cm以下。朱建强等［120］以SEW30作为油菜持续受渍的指标，提出油菜减产10%～15%的花果持续受渍排水控制指标宜取80～120 cm·d。指导我国农田涝渍排水指标归纳见表3。这些涝渍排水指标的优点是针对淹水深度、地下水埋深和涝渍历时等农田涝渍灾害直接致灾因子的动态变化和目标减产率，确定和指导田间积水或地下水排除，具有直接、便用、可操作性强、成效快等特点。

表3 农田涝渍排水指标Table 3 The drainage index of waterlogging disaster

3.2 农田涝渍灾害等级指标

农田涝渍灾害除了因强降水或连续性降水导致农作物受淹或地下水位升高造成灾害以外，长时间的阴雨和寡照也是造成冬小麦、油菜等作物严重渍害的主要原因。大量的气象观测数据和产量数据的统计分析表明，长江和淮河中下游降水量、降水日数和日照时数与小麦、油菜、玉米等作物的减产率有显著性相关关系［25，124，129，132，134-135］。因此，在开展农田涝渍灾害监测、评估和风险分析中，建立了以作物关键生育时段降水量、降水日数和日照时数等为主要致灾因子的农作物涝渍灾害等级指标（表4）。黄毓华等［135］利用降雨量、日照时数作为致灾因子，构建了旬降水距平百分率与旬日照距平百分率之差的阴湿系数的渍害判定阈值指标，能够很好地判定包含连阴雨和寡照的三麦涝渍灾害程度和等级。霍治国等［121］利用旬尺度降水量、降水日数和日照时数，构建小麦和油菜涝渍指数模型，并利用涝渍指数和减产率进行相关分析，建立了冬小麦和油菜不同发育期涝渍等级指标。盛绍学等［124］利用降水量、降水日数和日照时数构建油菜涝渍分级指数模型，以油菜减产率5%、10%和20%为轻度、中度和重度涝渍灾害阈值下限，并与涝渍指数进行关联，确定安徽省油菜涝渍灾害等级指标。马晓群等［129］用作物潜在蒸散量取代参考作物蒸散量，并考虑前期旱涝程度对当前旱涝状况的累积影响，以逐旬相对湿润度指数为基础，建立了可反映旱涝渐变的累积湿润指数。在气象业务中有较好的应用效果。刘聪等［123］构建改进权重湿润指数，以样本t-分布95%置信区间下线值，确定东北地区春玉米不同生育阶段涝渍灾害强度分级阈值。张桂香等［126］以本旬和前2旬的降水量作为致灾因子构建有效降水量表达的夏玉米涝渍灾害等级指数，确定江淮地区的夏玉米出苗-拔节，拔节-抽雄和抽雄-成熟3个关键生育阶段涝渍灾害等级和指标阈值。杨宏毅等［125］以本旬和前2旬的降水量计算当量降水量，将江汉和湖南西部春玉米涝溃灾害程度划分为轻度、中度、重度3级，并确定了春玉米出苗-拔节，拔节-抽雄和抽雄-成熟3个关键生育阶段涝渍灾害轻度、中度、重度的当量降水量指标阈值。张浩等［130］利用冬小麦需水量盈余指数大于0为标准，确定典型涝渍年型，以累积湿润指数确定涝渍灾害强度，建立冬小麦涝渍灾害损失评估统计模型。以减产率大于5%以上的样本数作为涝渍灾害的总体样本，以灾害样本的50%、30%和20%比例确定轻度、中度和重度等级，得到减产率5%～15.9%、16%～27.9%和大于28%为轻度、中度和重度灾害的等级指标。张成［53］利用安徽省降水量和冬小麦产量数据统计分析，确定了安徽省淮北和江淮地区不同涝渍等级的降水量和降水日数指标查找表，有利于农田涝渍动态研判和预警判断。

表4 主要农作物涝渍灾害等级指标Table 4 The waterlogging disaster grade index

4 农田涝渍灾害风险与灾损评估

4.1 涝渍灾损评估与风险分析

农田涝渍灾害损失评估是对涝渍灾害发生程度及其后果的定量描述，是确定涝渍灾害粮食产量损失和经济损失的依据。涝渍灾害损失评估一般分为灾中评估和灾后评估［4］。灾中评估是对正在发生的涝渍胁迫对农作物生长的影响程度、后期作物可能恢复性及对最终产量的可能影响进行估算。灾中评估可为灾害防御和预警提供实时性指导。实际上，大量已经开展的通过盆栽或田间淹涝、渍水等试验研究工作属于灾中评估的一部分。然而，在现实生产和作物生长过程中，农作物可能遭遇多次或连续性涝渍胁迫［93］，也经常遭遇干湿交替、旱涝交叉胁迫的情况［2］。农作物的灾后恢复能力受涝渍胁迫程度、作物发育时段、后期气象条件、田间管理水平等多方面影响。因此，植物生长的复杂性、作物生长环境和气象条件的多变性，给涝渍灾中评估带来困难，尤其给涝渍灾害动态评估增加了难度。到目前，虽然已经开展了大量的盆栽或田间试验观测研究，但还缺乏对不同涝渍程度影响农作物后期长势的评估方法、评价标准等。灾后评估主要估算涝渍灾害对农作物最终产量的影响程度。灾后评估方法包括：田间调查、遥感估算、模型等。蒋尚明等［128］现场调查淮北平原8个县市2010年9月6～8日暴雨过程对玉米、大豆、花生淹没范围、淹水深度、受灾面积、作物成熟后灾损取样等调查，评估了当年一次暴雨导致的主要农作物产量损失，为其它缺乏涝渍灾损基础数据的评估提供了方法参考和灾损数据验证。马晓群等［129］利用减产率和致灾因子间的关系函数，构建了安徽省区域冬小麦渍涝灾害损失模型和综合评估模型，分别评估了淮北、沿淮和江淮3个区域以及安徽省多年冬小麦产量涝渍灾损。评估结果平均误差小于5%。张浩等［130］利用冬小麦涝渍灾害损失评估统计模型，评估了淮河流域冬小麦涝渍灾害产量损失与减产率，评估误差小于8%，能够满足气象业务的需要。

农田涝渍灾害风险分析是对涝渍灾害事件可能发生的概率及其后果的评估，并提出涝渍风险区划和降低风险的减灾对策［5，133］。狭义的风险分析主要针对致灾因子进行风险评估，即包括风险辨识、风险评估和风险评价［7］。风险辨识是对涝渍致灾因子、孕灾环境、承灾体及其灾害特征的分析和识别，风险评估是估算涝渍灾害发生强度及其发生概率和灾损大小［5］。

针对致灾因子的农田涝渍灾害风险分析是一个时期以来农业气象灾害风险分析的热点，开展了大量研究工作。盛绍学等［127］利用建立的安徽省江淮地区冬小麦涝渍指数分级指标，计算了江淮地区冬小麦涝渍脆弱性系数，分析了冬小麦涝渍灾害轻度、中度和重度风险空间分布，并进行了安徽省冬小麦涝渍灾害风险区划。吴洪颜等［134］利用构建的风险指数模型分析了江苏省冬小麦湿渍害风险等级和湿渍害风险分布，并将灾害等级指数与减产率进行对应。张桂香等［126］利用夏玉米涝渍等级指数，分析了江淮地区夏玉米不同发育时段涝渍灾害发生概率，估算了涝渍灾害损失，并进行了涝渍灾害风险空间分布。杨宏毅等［125］对江汉平原和江南西部春玉米涝渍灾害发生概率、灾害程度和灾害风险空间分布进行了评估。在农田涝渍灾害风险分析实践中，涝渍灾害风险的动态评估难度较大、准确率较低，是当前的难点。当前，涝渍风险分析还缺乏农田涝渍灾害的系统性综合分析，对孕灾环境的生态灾害风险分析较少，涝渍的生态环境破坏与污染影响评估还未引起足够的重视［8］。

4.2 涝渍孕灾环境变化对灾害形成的影响

孕灾环境是涝渍灾害形成的背景条件［7］。从灾害学的视角看，涝渍孕灾环境变化既包括孕灾环境自身的变化，如，农田土壤结构变化、土壤理化性变化、田间排水系统老化和废弃等改变、土地利用改变等等，也包括农作物种植结构和农业产业布局调整造成的承灾体在孕灾环境中的暴露性发生的变化，如，旱作物种植比例和面积提高、高产值高附加值农作物面积增大等。谈广鸣等［8］指出，在变化环境下涝渍灾害表现出内涝积水增加、蓄滞水能力降低、排水能力下降、涝渍灾害损失增加等特点，表明随着全球气候变化和我国农业生产条件、政策等变化，农田涝渍灾害的孕灾环境已经发生了较大变化。一方面，由于农田大量使用农药化肥和除草剂等生物化学产品，导致农田土壤结构和理化性发生改变，土壤微生物和有机质含量降低、土壤团聚体增加，土壤通透性下降导致土壤透水性和透气性降低［137］。在田间排水设施方面，部分地区存在大量田间涝渍排水设施老化损毁、排水沟填埋复耕现象［10］，造成农田排水能力下降。在农业种植结构方面，高附加值的经济作物种植面积增加，例如，设施农业大棚增多，面积增加，其实质上增大了涝渍孕灾环境的暴露度，必然导致灾害损失增大的概率。另外，在全球气候变化背景下，极端天气/气候事件与灾害频率和强度明显增大，长江中下游区域强降水事件更趋频繁［138］已成事实。例如，2020年7月发生在长江中下游和淮河流域的持续强降水，2021年8月发生在河南郑州等地的持续性强降水，导致城市和农田大量内涝积水，鄱阳湖等圩内积水深达20多米，给农田排水造成困难。同时，基于流域或系统性考量的原因，许多农田内涝积水需要限制性有序排出，延长了农田内涝积水在孕灾环境中暴露时间，加重了涝渍灾害程度。虽然，国内外在农排区汇流和田间排水模型研发和模拟方法等方面开展了较多工作，但是，在变化环境下还需要增加和考量极端性强降水导致的田间汇流积水和排水的复杂性。

5 农田涝渍灾害防控技术

农田涝渍灾害防控技术的研发和应用是降低涝渍灾害风险、减轻涝渍灾害损失的有效手段。随着对农田涝渍灾害形成过程和致灾机理的深入研究，针对农田涝渍致灾因子危险性、孕灾环境易损性和承灾体脆弱性等问题，不断发展和形成了适合农田涝渍灾害防控和治理的技术。这些技术主要包括综合排水技术、作物种植结构和种植方式调整技术、作物涝渍胁迫调控技术、作物耐涝渍基因分子育种技术等等。

农田涝渍灾害是降水导致田面积水或地下水位过高造成的。因此，发展农田排水技术一直是国内外治理农田涝渍灾害的有效措施。1980 s年代以来，我国形成了以大型骨干河道和大沟排水单元为主，明沟暗管结合、涝水明排浅排、渍水暗排深排等涝渍兼治排水技术，淮北平原和江汉平原还设计建设了闸坝控制排水兼灌溉水利工程系统［1-3，10，110］。这些排水技术具有操作便利、直观可控、排涝降渍效果好等优点，多年来是我国农田涝渍灾害防治的主要措施。但是，由于我国田块面积碎小、农村青壮劳动力短缺、农田排涝工程维修费用高、占地面积大、投入和受益作物产出比较低等特点，出现了排水设施老化和严重损毁、排水沟填埋复耕等许多问题。

作物种植结构和种植方式调整技术就是通过调整易涝作物种类和种植模式等改变孕灾环境，达到涝渍灾害防控和减灾目的。近年来，在江淮平原和长江中下游区域，新发展的稻虾共作种养模式［136］，具有绿色环保、经济高效的特点，对涝渍灾害高风险区域防止农田涝渍灾害有较大发展和推广前景。另外，王成雨等［68］研究宽行垄作种植模式结果表明，相同涝渍胁迫下，夏玉米采用宽行垄作种植模式，夏玉米功能叶SPAD值和光合速率比传统平作模式提高了12.3%，抗倒伏指标提高18%，减产率平均降低10.4%。表明通过局部性改变田间孕灾环境能够很好地减缓涝渍灾害程度。

作物涝渍胁迫调控技术是利用生物调节剂和喷施生化制剂来缓解涝渍胁迫对农作物生长的危害程度。晏斌等［60］研究表明，夏玉米涝渍灾后喷施苯基脲、脱落酸、抗坏血酸加6-苄基腺嘌呤复合配方、抗坏血酸等制剂能够快速恢复功能叶的光合能力，提高穗重，减产率平均降低5%。生物调节剂涝渍胁迫调控技术对涝渍灾害作物恢复、减少涝渍灾损有积极的作用和意义。

近年来，随着分子育种技术的不断发展，利用农作物品种数量性状基因定位（quantitative trait locus，QTL）、耐涝渍性状分子辅助标记［141-142］和克隆等技术，培育了许多具有耐涝渍特性的玉米、水稻、大豆、棉花等新品种。分子标记辅助育种技术具有目标明确、效果显著等特点，对于防控农田涝渍灾害和减缓涝渍灾损有非常重要的作用，是未来从承灾体脆弱性方面进行涝渍防控的主要手段。

6 问题分析与研究展望

经过40多年的发展和多个学科许多科研工作者的不断努力，农田涝渍灾害研究取得了很大进步，为我国农业减灾防灾提供了有力的科技支撑。但是，由于农田涝渍灾害形成的复杂性，在农田涝渍灾害研究中还存在许多问题。本文就灾害的形成机理、致灾因子与孕灾环境相互作用、涝渍灾害的评估体系、涝渍灾害风险分析等方面提出几点具体的问题与研究展望，以期对农田涝渍灾害进一步深入研究提供借鉴。

（1）缺乏农作物对涝渍胁迫敏感性与涝渍致灾性的全局性和统一性考量；涝渍胁迫对干物质分配和减产的作用机理还需要深入研究。

许多涝渍胁迫对农作物生长和产量影响的试验研究中，都讨论了作物对涝渍胁迫的敏感性及敏感生育时段，如，玉米的4叶期、小麦的拔节期等对涝渍胁迫最敏感［59，25］。但是，涝渍影响的最敏感和最严重时期并不一定对产量影响最大。Ding等［46］研究表明茎伸长期涝渍对冬小麦影响最严重，是粒重而不是穗粒数决定着涝渍对减产的作用。Collaku等［139］研究表明小麦减产损失是粒数和分蘖数减少的组合效应。造成作物对涝渍胁迫最敏感时期与减产影响期不一致的主要原因：一方面，涝渍胁迫最敏感时段可能也是涝渍胁迫解除后作物恢复最快的时段。说明单纯只考虑了涝渍的影响作用，缺乏对作物恢复性研究的进一步跟进。另一方面，敏感性评价指标是干物质和作物形态生理指标的变化，而减产要素评价是产量三要素结构。存在各自评价，缺乏全局性和统一性。穗数、穗粒数和千粒重是构成产量的三要素。粒重由灌浆期光合作用和灌浆速率决定，而穗数（分蘖数）和穗粒数分别由分蘖期的分蘖程度和穗分化期穗分化数和小花受孕率等决定［140］。涝渍胁迫对作物不同生育阶段的影响并不仅仅影响某个时段，应该是涝渍的影响与作物的恢复综合效应的结果。而对产量的影响是涝渍胁迫研究的最主要目的。因此，涝渍胁迫下作物在营养生长阶段、营养与生殖生长并进阶段和生殖生长阶段干物质积累、生殖器官发育和干物质分配及对产量结构的影响机理还需要进一步深入研究。

（2）灌区尺度上涝渍致灾因子与孕灾环境各要素之间缺乏相互作用和相互关联的精细化研究。

农田淹水深度、淹水历时、地下水埋深、土壤水分含量、降水量、降水日数和日照时数等都被作为农田涝渍灾害的致灾因子进行了大量相关研究。但是，在灌区尺度上，不同地面坡度、土壤类型和不同河网渠系密度等孕灾环境下，不同强度和持续时间的降水量在农田内涝积水汇流、积水深度、地下水补给、地下水动态及影响和转化关系缺乏精细化模拟和定量化关系指标。缺乏考虑不同降水量和降水历时及不同阴湿条件的涝渍排水标准和方案设计。

（3）农田涝渍灾害评估标准差异大，缺乏分作物种类的农田涝渍灾害评估体系建设。

与洪涝灾害的突发性（Flash Flood）特性不同，涝渍灾害属于渐变型灾害，不易被及时发现，不被大众和媒体重视，甚至被忽视［33］。因此，到目前并没有形成农田涝渍灾害的评估体系。在大部分灾害年鉴和灾害大典中，农田涝渍灾害并没有被单独分列及损失核算，更没有分作物种类的农田涝渍灾害调查数据库。以减产率评估涝渍灾害程度时，评估标准差异较大。例如，盛绍学等［124，127］以减产率10%、20%、30%和减产率5%、10%和20%，张浩等［130］以减产率5%、16%和28%作为淮河流域油菜、冬小麦轻度、中度和重度涝渍灾害等级指标阈值。这些指标也与我国统计年鉴等资料中的灾害受灾面积、成灾面积、绝收面积的标准（指灾害分别造成减产10%、30%和80%以上的面积）不一致，给我国农田涝渍灾害评估和减灾防灾工作造成严重障碍。因此，在今后研究中，收集我国农田涝渍灾害数据，归纳分析农田涝渍灾害研究成果，制定涝渍灾害等级指标，构建分作物种类的农田涝渍灾害评估体系有重要意义。

（4）农田涝渍灾害风险分析空间尺度大，缺乏对农田涝渍灾害系统进行风险评估和农田排水等措施引起的生态问题与生态风险进行研究。

当前开展的农田涝渍灾害风险分析空间尺度大，对孕灾环境尤其对地形坡度、河网渠系等要素缺乏考虑，造成部分丘陵山区也出现涝渍灾害的研究结果，与实际情况出现偏差。另外，涝渍分析没有精细化到灌区尺度，对涝渍灾害减灾防灾指导意义不大。也缺乏开展涝渍灾害系统性地分析和评估，没有将农田排水等措施引起的生态问题与生态风险等纳入涝渍灾害的系统性风险分析研究中。因此，开展涝渍灾害风险的系统性分析研究是未来一个重要研究趋势。

（5）任何单一的涝渍灾害防控技术应用的效果都有局限性。

未来，集成农田排水技术、作物种植结构和方式调整技术、作物涝渍胁迫生化调控技术和耐涝渍基因分子育种技术，形成农田涝渍灾害综合防控技术体系和防控模式，是气候变化背景下农田涝渍灾害防控的重点方向。