棉花障礙型冷害的人工模擬試驗(yàn)研究

鄒　陳，楊明鳳，張　玲，朱惠芝，吉春容*

棉花障礙型冷害的人工模擬試驗(yàn)研究

鄒陳1，2，楊明鳳2，張玲2，朱惠芝2，吉春容1，2*

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所；新疆維吾爾自治區(qū)樹(shù)木年輪生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；中國(guó)氣象局樹(shù)木年輪理化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830002；2.烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，新疆石河子832000）

為了確定引起棉花障礙型冷害的主導(dǎo)氣象因子，達(dá)到及時(shí)預(yù)報(bào)、減輕損失的目的，2007—2008年在新疆石河子棉區(qū)烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站內(nèi)，通過(guò)智能人工氣候箱對(duì)石河子主栽品種297-5實(shí)施低溫模擬試驗(yàn)，研究不同范圍低溫（9~17.5℃和11.5~17.5℃），及低溫持續(xù)時(shí)間（2~4 d）對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明：石河子棉區(qū)棉花在遭受不同強(qiáng)度低溫冷害后，其葉片、蕾和幼鈴都出現(xiàn)異常脫落現(xiàn)象，且其減少程度與冷害強(qiáng)度有關(guān)，相同最高溫度，最低溫度值越小，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)其減少率越高；棉花在遭受相同強(qiáng)度的低溫后，其蕾、鈴先于葉片出現(xiàn)異常脫落現(xiàn)象，并且減少率高于葉片15%~40%。但在一定強(qiáng)度范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度再次升高到滿(mǎn)足其生長(zhǎng)條件后，仍然可以繼續(xù)穩(wěn)定生長(zhǎng)。

棉花；低溫模擬；障礙型冷害

鄒陳，楊明鳳，張玲，等.棉花障礙型冷害的人工模擬試驗(yàn)研究[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（3）：89-94.

新疆是我國(guó)最大的產(chǎn)棉省區(qū)，其平均單產(chǎn)及總產(chǎn)居全國(guó)各省區(qū)第一位[1，2]。北疆的石河子綠洲棉區(qū)是新疆一個(gè)重要的優(yōu)質(zhì)商品棉生產(chǎn)基地，對(duì)北疆經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重大影響。近年來(lái)，雖然在全球氣候變暖的背景下，新疆氣候表現(xiàn)出明顯的變暖增濕趨勢(shì)[3，4]，但由于石河子棉區(qū)地處中緯度，是新疆棉花生產(chǎn)的北界，盛夏易受到北方冷空氣的影響[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[6]，盛夏（7月10日—8月15日），天山北部棉花生長(zhǎng)易受障礙型冷害的影響，1961—2003年盛夏，沿天山一帶棉區(qū)共出現(xiàn)12次持續(xù)2 d以上的低溫過(guò)程。一些研究[7，8]表明：對(duì)新疆棉花生產(chǎn)影響最大的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害不是霜凍、風(fēng)沙等災(zāi)害，而是生長(zhǎng)季低溫所引起的低溫冷害。2001年7月28日—8月1日北疆棉花正處于大量開(kāi)花、結(jié)鈴時(shí)期出現(xiàn)的異常低溫連陰雨天氣，使石河子、沙灣等地棉花受害嚴(yán)重[9]。因此利用現(xiàn)代化技術(shù)科學(xué)地研究新疆夏季異常低溫對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響就顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)已有學(xué)者[10]通過(guò)研究夏季異常低溫天氣發(fā)生時(shí)的氣象因子與棉花產(chǎn)量的關(guān)系，得出低溫對(duì)棉花產(chǎn)量的影響，也有學(xué)者[11-16]通過(guò)分析熱量條件與棉花產(chǎn)量及品質(zhì)的關(guān)系，得到不同熱量條件對(duì)棉花產(chǎn)量及其纖維品質(zhì)的影響，還有學(xué)者[17-19]通過(guò)分析棉花生長(zhǎng)發(fā)育觀測(cè)資料與其所在棉區(qū)內(nèi)氣象站逐旬氣象觀測(cè)資料的相關(guān)關(guān)系，從而對(duì)棉區(qū)內(nèi)棉花生長(zhǎng)期延遲型低溫冷害的氣象指標(biāo)進(jìn)行了初步探討，還有部分學(xué)者[20-21]從天氣學(xué)角度分析夏季新疆各棉區(qū)棉花障礙型冷害發(fā)生前后，其異常低溫天氣的發(fā)生成因。本文運(yùn)用智能人工氣候箱人為控制溫、濕度及光強(qiáng)，模擬石河子棉區(qū)異常低溫天氣過(guò)程，研究引起石河子棉區(qū)棉花障礙型冷害的主導(dǎo)氣象因子對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響，旨在為進(jìn)一步揭示棉花障礙型低溫冷害的發(fā)生機(jī)理以及為研究低溫冷害的溫度、濕度及光強(qiáng)指標(biāo)提供理論依據(jù)。

2　材料與方法

2.1供試品種與處理

試驗(yàn)于2007—2008年在石河子棉區(qū)烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站內(nèi)（地處44°17＇N，85°49＇E，海拔高度468.2 m）進(jìn)行，應(yīng)用智能人工氣候箱（武漢產(chǎn)，HP1000GS型，內(nèi)膽尺寸：620×1100×1450 mm3）人為控制溫度、濕度和光照強(qiáng)度。以當(dāng)年石河子主栽品種297-5為供試品種，分5個(gè)播期進(jìn)行分期播種。盆栽試驗(yàn)花盆規(guī)格：上內(nèi)徑28 cm，下內(nèi)徑24 cm，深度27 cm），盆缽埋于氣象觀測(cè)場(chǎng)東北約30 m的試驗(yàn)田內(nèi)，當(dāng)各播期供試樣品出現(xiàn)2~4個(gè)大鈴時(shí)，分批次放入智能人工氣候箱中，同一處理每次2盆（2年共8盆），進(jìn)行不同范圍低溫9℃（日最低溫度，下同）~17.5℃（日最高溫度，下同）和11.5~17.5℃，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的程序，把范圍溫度分為24個(gè)時(shí)段，以08時(shí)溫度為一天當(dāng)中溫度最低值，以15時(shí)溫度為一天當(dāng)中溫度最高值，來(lái)模擬一天當(dāng)中溫度的日變化，溫度在整點(diǎn)時(shí)變化；并對(duì)樣品做2~4 d不同天數(shù)的處理。同時(shí)把光照強(qiáng)度分為4個(gè)等級(jí)，模擬一天當(dāng)中的日夜變化：22—05時(shí)（夜間）光照強(qiáng)度為0 （0 lux），06—07時(shí)（凌晨）、19—21時(shí)（傍晚）光照強(qiáng)度為1（900 lux），08—10時(shí)（上午）、16—18時(shí)（下午）光照強(qiáng)度為2（1800 lux），11—15時(shí)（中午）光照強(qiáng)度為3（2800 lux）；相對(duì)濕度一直控制在85%。供試樣品在低溫處理完之后放回原處，試驗(yàn)田內(nèi)供試樣品不使用任何化學(xué)調(diào)控劑，其它栽培管理措施按高產(chǎn)棉田要求進(jìn)行，每個(gè)處理留2~3個(gè)對(duì)照樣品。

2.2測(cè)定項(xiàng)目

當(dāng)盆栽棉花樣品長(zhǎng)出2~4個(gè)大鈴時(shí)，選同播期樣品4盆放入智能人工氣候箱中，放入前對(duì)供試盆栽棉花樣品進(jìn)行掛牌觀測(cè)，記錄其幼齡數(shù)、大鈴數(shù)、蕾數(shù)、花和葉片數(shù)，取出后對(duì)上述項(xiàng)目再次進(jìn)行測(cè)定，以后每隔2~4 d觀測(cè)、記錄一次，直到第17 d以后停止測(cè)定。

2.3減少率計(jì)算

為了精確地對(duì)比出不同低溫范圍溫度處理后和未做過(guò)低溫處理的棉花樣品間的差別，并消除后期某些棉花植株基數(shù)較小給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)的偏差，采用公式

式中yi為第i次觀測(cè)后所計(jì)算出的觀測(cè)項(xiàng)目減少率，a為供試棉花樣品放入智能人工氣候箱前所測(cè)觀測(cè)項(xiàng)目的數(shù)量，bi為供試棉花樣品搬出智能人工氣候箱后第i次所測(cè)的觀測(cè)項(xiàng)目的數(shù)量。

3　結(jié)果與分析

3.1葉片減少率

棉花的花鈴期是對(duì)熱量需求最敏感的時(shí)期，也是棉花品質(zhì)與產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期。通過(guò)人工氣候箱精細(xì)地模擬不同范圍溫度、濕度和光照等環(huán)境條件，觀測(cè)供試樣本對(duì)不同氣象條件的響應(yīng)，不受偶然因素的影響，因而所得冷害指標(biāo)較準(zhǔn)確。

處理結(jié)果見(jiàn)圖1，經(jīng)過(guò)相同最高溫度，不同最低溫度的受害范圍低溫、寡照、高濕處理不同天數(shù)之后，供試樣品的葉片隨時(shí)間有不同程度的異常脫落現(xiàn)象。在不同范圍低溫、持續(xù)時(shí)間相同的情況下，隨供試樣品搬出時(shí)間增加其葉片減少率呈上升趨勢(shì)，其葉片減少率：9~17.5℃處理>11.5~17.5℃處理>對(duì)照（處理天數(shù)相同），說(shuō)明最高溫度相同，最低溫度越低葉片脫落率越大。經(jīng)過(guò)相同范圍低溫、不同持續(xù)時(shí)間處理后，從各范圍低溫葉片減少率與對(duì)照的對(duì)比可以看出：經(jīng)受低溫時(shí)間長(zhǎng)其葉片減少率高，并且在兩種范圍低溫處理下的植株葉片減少率隨各處理時(shí)間增加，其葉片減少趨勢(shì)有較好的一致性，都呈上升趨勢(shì)，且其減少率：4 d>3 d>2 d（范圍低溫相同），說(shuō)明相同受害范圍低溫，低溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)葉片脫落率越大。但是從圖1可以看出：供試樣品的葉片數(shù)并不是在受害低溫處理完搬出氣候箱后立刻就有明顯的減少，大都是在搬出人工氣候箱后的第3~4 d葉片數(shù)較對(duì)照開(kāi)始明顯減少，直至第14 d，處理14 d之后受害植株葉片減少速率下降，其葉片減少率趨向于平穩(wěn)不再減少。這說(shuō)明該品種棉花在此發(fā)育期進(jìn)程內(nèi)具有一定的抵抗低溫能力，在經(jīng)受一定強(qiáng)度的異常低溫（未致整株死亡）后，棉花植株通過(guò)脫落部分葉片減少消耗來(lái)抵御低溫帶來(lái)的損害，當(dāng)環(huán)境滿(mǎn)足其生長(zhǎng)條件后，又能繼續(xù)生長(zhǎng)，但受害植株對(duì)環(huán)境的響應(yīng)速度有一定的滯后性，包括降溫和升溫。

3.2蕾鈴數(shù)減少率

處理結(jié)果見(jiàn)圖2，經(jīng)過(guò)相同最高溫度，不同最低溫度的受害范圍低溫、寡照、高濕處理不同天數(shù)之后，供試樣品的蕾、鈴有不同程度的異常脫落現(xiàn)象。在不同的受害范圍低溫、持續(xù)時(shí)間相同的情況下，隨供試樣品搬出時(shí)間增加其總蕾鈴數(shù)減少率上升，總蕾鈴減少率：9~17.5℃處理>11.5~17.5℃處理>對(duì)照（低溫處理相同天數(shù)），說(shuō)明最高溫度相同，最低溫度越低蕾鈴脫落越多。經(jīng)過(guò)相同范圍低溫、不同持續(xù)時(shí)間處理后，從各范圍低溫總蕾鈴數(shù)減少率與對(duì)照的對(duì)比可以看出：經(jīng)受低溫時(shí)間長(zhǎng)其總蕾鈴減少率高，并且在兩種范圍低溫處理下植株總蕾鈴的減少率隨各處理時(shí)間增加，其總蕾鈴數(shù)的減少率都呈上升趨勢(shì)，且其減少率：4 d>3 d>2 d（范圍低溫相同），說(shuō)明相同受害范圍低溫，低溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)蕾鈴脫落率越多。并且從圖2可以看出：與對(duì)照的樣品相比，供試樣品的總蕾鈴數(shù)在受害低溫處理完搬出氣候箱后就明顯減少，除9~17.5℃處理4 d外，其他供試樣品總蕾鈴數(shù)持續(xù)減少至第14 d后受害植株總蕾鈴數(shù)減少速率下降，其總蕾鈴數(shù)減少率趨向于平穩(wěn)，而9~17.5℃處理4 d的供試樣品總蕾鈴數(shù)減少率有持續(xù)增大的趨勢(shì)，說(shuō)明該品種棉花在此發(fā)育期進(jìn)程內(nèi)雖然具有一定的抵抗低溫的能力，在經(jīng)受一定強(qiáng)度的異常低溫（未致整株死亡）后，棉花植株通過(guò)脫落部分蕾鈴減少消耗來(lái)抵御低溫帶來(lái)的損害，當(dāng)環(huán)境滿(mǎn)足其生長(zhǎng)條件后，又能持續(xù)生長(zhǎng)，然而當(dāng)受害低溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，超出植株的抗低溫能力，會(huì)導(dǎo)致受害植株在處于滿(mǎn)足其生長(zhǎng)的環(huán)境下仍然表現(xiàn)為受害，不再具有可逆性。

圖1　模擬試驗(yàn)后葉片數(shù)減少率

3.3綜合影響比較

綜合分析圖1和圖2得出，經(jīng)過(guò)不同受害范圍低溫和不同天數(shù)處理之后，供試棉花樣品的蕾、鈴先于葉片出現(xiàn)異常脫落現(xiàn)象。供試棉花樣品的總蕾鈴數(shù)在搬出氣候箱的1~3 d就出現(xiàn)明顯地異常脫落現(xiàn)象，而同一植株的葉片數(shù)是在搬出氣候箱的第3 d后才出現(xiàn)異常脫落現(xiàn)象。在經(jīng)過(guò)不同范圍低溫和天數(shù)處理之后，供試棉花樣品的蕾、鈴受低溫冷害的影響程度遠(yuǎn)大于葉片，供試棉花樣品其總蕾鈴數(shù)減少率達(dá)45%~95%，而葉片數(shù)減少率僅20%~65%。

圖2　模擬試驗(yàn)后總蕾鈴數(shù)減少率

4　結(jié)論

本研究結(jié)果表明，棉花在遭受不同強(qiáng)度低溫冷害后，其葉片、蕾和幼鈴都出現(xiàn)異常脫落現(xiàn)象，且其減少程度與冷害強(qiáng)度有關(guān)，相同的日最高溫（17.5℃），日最低溫度值越小（9℃），持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)（4 d）其減少率高；棉花在遭受相同強(qiáng)度的低溫后，其蕾、鈴先于葉片出現(xiàn)異常脫落現(xiàn)象，并且數(shù)量的減少率也高于葉片（15%~40%），但在一定強(qiáng)度范圍內(nèi)，當(dāng)環(huán)境溫度恢復(fù)至滿(mǎn)足其生長(zhǎng)條件后，棉珠仍可以繼續(xù)穩(wěn)定生長(zhǎng)。這與文獻(xiàn)[22-23]的研究相同最低溫度、不同最高溫度處理不同時(shí)間得出的結(jié)果一致，但文獻(xiàn) [23]得出較低的溫度致受害棉株葉片持續(xù)減少，本研究發(fā)現(xiàn)相同范圍的低溫，持續(xù)時(shí)間達(dá)4 d或以上時(shí)，也能導(dǎo)致受害棉株蕾鈴數(shù)持續(xù)減少，沒(méi)有減緩或停止的趨勢(shì)，失去抗逆性。

本文結(jié)果分析是從兩年試驗(yàn)結(jié)果中得出的，試驗(yàn)點(diǎn)較單一。由于棉花的耐冷性有品種間的差異，中36品種在范圍溫度達(dá)11.5~22.5℃處理2 d以上就表現(xiàn)為持續(xù)受害[23]，而297-5品種抗冷性表現(xiàn)優(yōu)于中36，在范圍溫度達(dá)9~17.5℃處理4 d時(shí)才表現(xiàn)為持續(xù)受害。而且各地品種更新?lián)Q代速度較快，所以沒(méi)有給出明確的障礙型冷害指標(biāo)。障礙型冷害指標(biāo)問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究和完善。

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Experiments and Studies of Simulating Low Temperatures about Sterile-type Cool Injury of Cotton in Shihezi

ZOU Chen1，2，YANG Mingfeng2，ZHANG Ling2，ZHU Huizhi2，JI Chunrong1，2
（1.Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration，Urumqi 830002，China；2.Wulanwusu Agro-meteorological Experimental Station，Shihezi 832000，China）

In order to determine the main meteorological factors for sterile-type cool injury of cotton,to achieve the goal of timely forecasting the disaster and making use of suitable and effective measures of its prevention.The simulating experiment of low temperature,applying intelligent artificially climate box,was carried out during 2007-2008 in Wulanwusu Agro-meteorological Experiment Station in Shihezi of Xinjiang.The responses of cotton low temperature and duration of the low temperature were studied using intelligent artificial climate box,and the temperature conditions were controlled artificially.The results showed that:the cotton leaves,buds and bells felled off abnormally after suffering from chilling damage.Moreover,decrease in the number of the cotton leaves,buds and bells was related to increase of chilling damage intensity,and with the same maximum temperature,the lower the minimum temperature was,the longer the duration of low temperature was,the higher reduction ratio was.With the same chilling damage intensity,the responses of buds and bells were more sensitive than the leaves,and the extent of injure was more serious than the leaves.But injury could not be completely.The cotton may have certain vitality and will restore at a certain range.

cotton；low temperature simulate experiments；sterile-type cool injury

S426

B

1002-0799（2016）03-0089-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2016.03.014

2015-01-15；

2015-06-16

公益性行業(yè)（氣象）科研專(zhuān)項(xiàng)（GYHY（QX）201506001）；國(guó)家自然基金（41375122）；公益性行業(yè) （氣象） 科研專(zhuān)項(xiàng)（GYHY201106025）。

鄒陳（1979-），男，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail：zoucheng@idm.cn

吉春容（1983-），女，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail：jcr83@163.com