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行业专项成果综述-玉米干旱致灾临界气象条件及其监测预警技术

发布者:张岳   来源:   发布时间:2021/7/21 10:30:47   标签:   浏览次数:1901

项目编号GYHY201506019

研究周期2015年1月-2018年12月

国拨经费305万元

项目负责人】周 莉

项目骨干成员】许振柱、宋艳玲、李森、吕晓敏、房世波、何延波、李君、钟海玲、段居琦、蔡雯悦、韩丽娟、麻雪艳、刘二华、张峰、宋兴阳、周怀林、李义博、宋贺、王秋玲、胡明新等

项目承担单位中国气象科学研究院

项目协作单位】中国科学院植物研究所、国家气候中心、国家气象中心

主要研究成果

一、主要成果

项目围绕任务书关于玉米干旱致灾机理与致灾临界气象条件进行研究,完成了任务书计划的各项任务。

1.阐明了玉米干旱致灾机理,并给出其致灾临界气象条件。玉米干旱发生发展过程表现为土壤水分不足直接影响茎含水率,并通过茎含水率间接影响叶含水率,叶含水率会直接影响叶片的光合作用和叶面积扩张,其影响在植株个体水平上表现为叶面积的改变,而叶面积的大小会影响植株蒸腾作用以及辐射能的吸收,进而影响玉米的干物质积累。玉米水分利用效率具有空间稳定性与年龄的保守性。分析了玉米对干旱响应的敏感指标,其中气孔导度>蒸腾速率>净光合速率、茎含水率>叶含水率。指出玉米植株水分状况、光合生理指标主要受当前土壤水分状况影响,而形态结构和生物量指标与累积水分变化量的关系更加密切。提出了基于统计容忍区间的玉米干旱致灾临界气象条件确定方法,指出玉米苗期茎、叶含水率、蒸腾速率、光合速率、气孔导度和叶面积发生显著性变化的临界土壤相对湿度(0~30cm)分别为72%65%62%60%58%46%。当叶片含水量为84.1%时,第1片叶净光合速率达到最大值;并且当叶片含水量为68.3%时,第1片叶净光合速率为零。指出叶片光合作用限制因素由气孔限制向非气孔限制转换时叶片含水率分约为75.5%73.0%-77.4%)。

2.发展了玉米干旱发生发展模拟模型,包括反映干旱强度与持续时间的干旱程度模拟模型与等级划分以及遥感信息驱动的作物干旱监测模型,即基于NDVI与环境湿度的作物水分亏缺指数(WDI)模拟模型、基于NDVI与气温的作物土壤水分模拟模型以及基于高光谱遥感的作物冠层含水量模拟模型。研究指出,玉米冠层含水量(CWC)对不同水分处理的响应敏感,具有明显的单峰型季节变化趋势,是作物水分监测理想的高光谱遥感指标;绿光叶绿素指数(CIgreen)、红边比值植被指数( NRred edge)和红边叶绿素指数(CIred edge)对水分变化最敏感,是CWC高光谱遥感估算的最优植被指数。采用阈值指标分类分析法(TITAN),集合玉米形态特征(叶面积,株高)和生物量(茎干重、叶干重和总干重)对干旱程度的响应规律,将玉米受旱程度划分为无旱、轻旱、中旱和重旱4个等级。

3.玉米干旱监测预警系统。分别分析玉米生长季内水分胁迫下(各发育阶段土壤相对湿度低于对应阶段玉米发生干旱时的土壤相对湿度上限值)的逐日平均土壤相对湿度(X)与平均MCI指数(Y)的之间的关系,建立MCI指数与土壤相对湿度的关系模型。在国家气候中心业务系统“气象灾害风险管理系统”中加入“玉米影响评估”模块,实时计算全国玉米逐日干旱累计指数,计算干旱对玉米产量的影响。挖掘土壤水分自动观测数据,构建了土壤有效含水量玉米干旱指数及干旱监测技术流程,在现有国家级农业气象业务系统框架基础上,开发了土壤有效含水量指数干旱监测业务模块。

二、创新点及成果所解决的主要问题

提出了叶片含水量干旱监测指标、方法与等级,为监测技术提供科技支撑

研究指出,玉米第一位叶的叶片含水量与土壤水分及净光合速率的相关性最强,且第一位叶净光合为零时的临界叶片含水量最小,可以作为干旱监测的代表性叶片。发展了基于统计容忍区间的玉米干旱致灾临界气象条件确定方法,发现不同叶位的叶片最大含水量略有差异,平均约为83.7%82.6%-85.1%);不同叶位叶片光合作用为零的叶片含水量均约为72.0%70.1%-74.0%)。叶片光合作用限制因素由气孔限制向非气孔限制转换时叶片含水量分约为75.5%73.0%-77.4%)。发展了反映干旱强度与持续时间的干旱程度模拟模型与遥感信息驱动的作物干旱监测模型,即基于归一化植被指数(NDVI)与环境湿度的作物水分亏缺指数(WDI)模拟模型、基于NDVI与气温的作物土壤水分模拟模型、基于高光谱遥感的作物冠层含水量模拟模型以及基于遥感信息的植物生理生态干旱指标与等级。提出了阈值指标分类分析法(TITAN)的干旱等级划分方法,综合考虑形态特征(叶面积,株高)和生物量(茎干重、叶干重和总干重)对干旱程度的响应,将玉米受旱程度划分为无旱、轻旱、中旱和重旱4个等级。

 

成果应用情况

1.研发了国标《气象干旱等级》,指导全国干旱服务业务

在原有干旱指数SPIWAPMI基础上,根据我国实际干旱情况,研发了新的干旱指数MCIMCI考虑了近30天相对湿润度指数,近90天标准化降水指数,近150天标准化降水指数,近60天标准化权重降水指数。其中,MCI: 气象干旱综合指数,MI30:近30天相对湿润度指数,SPI90:近90天标准化降水指数,SPI150:近150天标准化降水指数,SPIW60:近60天标准化权重降水指数,abcd为权重系数,Ka为季节调节系数。

2017年底中华人民共和国国标《气象干旱等级》GB/T 20481-2017正式对外发布,解决了国家局和省市局干旱指数不一致的问题,指导了全国干旱服务业务,近几年重大干旱事件服务中都采用了该干旱指数,该指数监测的干旱范围和干旱中心基本与实际情况一致。

2.撰写决策服务材料,为国家防旱抗旱战略部署提供支撑

研究成果转化为国家气候中心业务系统“干旱预测预警系统”的部分内容,该业务系统可以对全国干旱情况进行逐日监测,并且对全国玉米干旱风险进行预估。利用这些业务产品撰写的报告有5篇,这些报告以重大气象信息专报的形式上报两办,有2篇报告获得中央领导批示,为国家防旱抗旱战略部署提供了科技支撑。包括:

(1)20164月,“入汛以来南方降水偏多,华北干旱露头,未来一段时间上述态势仍将维持”获得批示。

(2)20174月,“东北西部、华北北部暖干气候持续,需密切关注春旱对当地农业生产的影响”上报两办。

(3)20175月,“东北和华北等地干旱持续发展,将给春耕春播和森林防火带来不利影响”上报两办。

(4)20196月,“全球变暖背景下我国干旱灾害风险增大,应高度重视对农业生产的影响” 获得批示。

        (5)201910月,“7月下旬以来鄂湘赣皖闽等地降水显著偏少 造成旱情凸显 10月气象干旱持续或进一步发展”上报两办。


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