棉花苗期风沙危害指标试验

郭燕云， 李新建， 李战超， 刘纪疆， 蔡芸瞳

（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. 乌鲁木齐市气象局，新疆 乌鲁木齐 830002）

0 引言

新疆棉花在我国棉花产业中占据主导地位，已成为国民经济和社会发展的重要产业[1-2]。棉花占新疆农作物种植面积的45%～50%，植棉收益占棉农总收入的60%～65%[3]。然而特殊的干旱气候、裸露度较大的下垫面条件和不合理的土地利用方式，使新疆绿洲农区成为我国受风沙危害最严重的地区，每年近66.7 万hm2耕地受灾，棉花、林果、温室大棚等农业直接经济损失十几亿元[4]。新疆棉花苗期在4—6 月，其间风沙灾害分布广、突发性强、频率高、破坏性极大，尤其对于南疆地区，风沙灾害频发，是棉花苗期最主要的气象灾害[5-6]。

国内外在风沙引起的农田沙埋、土壤风蚀、植物受损及风沙灾害防治等方面开展了较多的研究[7-14]。胡云喜等[15]探讨了不同风力强度对棉花生长发育的影响。马瑞等[16]研究了不同结构类型棉秆沙障的防风固沙效应。罗玻军[17]研究了阿拉尔垦区棉花播种出苗期风灾类型及抗灾措施。徐宇等[18]研究认为，受灾后的棉株单株生产能力、棉铃的性状、纤维品质及霜前花率均随着风沙灾害危害程度的加重而降低。然而已有风沙对植物影响的研究主要集中在沙生植物和城市绿化树中，对主要农作物生理生态过程的影响方面研究较少。有关风沙灾害对农业的影响侧重于风沙灾情调查分析和灾后防御措施的研究等方面，如农业部门进行棉花播种出苗期受损情况及经济损失分析，探讨风沙危害态势，提出风沙灾害防御措施[19]。风沙危害指标研究方面，以往研究多通过灾情调查资料与气象台站观测的气象要素分析来筛选有关风、温、湿等气象作为风沙危害指标[20]。很多研究只是借助气象观测资料总结了风沙的某些规律特征，并未与棉花生长发育联系起来研究[21]。有的研究又仅仅局限于大风对棉花的影响，并没有涉及风沙，研究并不全面[22]。

本文开展风沙灾害对棉花生长的危害程度研究，通过不同风速和持续时间的风沙模拟试验，得到棉花1 真叶到5 真叶（苗期）风沙危害的指标。研究结果能为新疆优质棉基地建设和棉花风沙灾害的防御提供科学依据，可减轻绿洲农业风沙危害损失。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选择北疆棉区的主栽品新陆早13 号，为早熟陆地棉，生育期121 d 左右。2018 年7 月下旬于乌鲁木齐市分4 期进行播种，使得每次进行风沙模拟试验处理的样本材料处于相同的生长发育时期。每个播期种植200 盆，在200 盆中选择180 盆健康、长势均匀的植株作为供试样本，同一发育期的处理60 个样本，3 个重复，共180 个样本。盆栽试验花盆规格为66 cm×27 cm×21 cm，盆栽土壤为花肥营养土，不覆膜，灌溉等管理措施同当地常规措施。每盆种28 粒棉种，出苗后定苗至每盆棉花有14 株长势、大小一致的棉花幼苗。

1.2 试验设计

试验设备：利用中国航空工业空气动力研究院建造的直流开口吹气式风洞进行棉花风沙影响模拟试验，风洞试验段长8 m，其中具有移测架导轨实际可测量距离为3.9 m，风洞宽1.3 m、高1.0 m，如图1 所示。

图1 风洞试验断面布置Fig. 1 Cross section layout of wind tunnel test

分别将处于1 真叶、2 真叶、3 真叶和5 真叶期的盆栽棉花放在风洞中部进行风洞模拟试验。

气流状况：分为净风、挟沙风2 种处理。试验中挟沙风分两种沙量：10 m/s 以上每5 min 加一次沙，10 m/s 以下每10 min 加一次沙。

风速：6、8、10、12、14 和17 m/s 共/6 种风速处理。

风向：纵、横2 种，即盆栽棉花与风向平行（图2a）和垂直（图2b）2 种处理。

图2 风洞试验2 种风向处理示意Fig. 2 Schematic diagram for treatment of two wind directions in wind tunnel test

持续时间：5、10、20、30、60 和90 min 共6 种试验处理。

1.3 测定指标

测定时间：风洞试验后1、24、48 和96 h。测定指标：观测记录棉花外观形态（叶片萎蔫失水程度、叶片损伤、植株死亡等）的变化，根据棉花受损形态指标将棉花幼苗受害等级分为轻微、轻度、中度、重度、死亡5 个等级（表1）。

表1 棉花幼苗受灾等级指标划分Tab. 1 Classification of disaster grade indicators for cotton seedlings

2 结果与分析

2.1 随风含沙尘与不含沙尘对棉花幼苗的影响

用3 真叶期棉花幼苗，进行8 和10 m/s 两种风速、10 和60 min 两个持续时间、纵与横两种风向、含沙尘与不含沙尘的风洞试验，结果如表2 所示。随风的沙尘对棉花损伤起比较明显的加大作用。风速较小（8 m/s）且持续时间较短（60 min 以内）时，对棉花幼苗造成轻度以内损伤，24～48 h 棉苗即可恢复正常；随着风速加大（≥10 m/s）且持续时间（≥60 min）变长，对棉花幼苗造成重度损伤，叶片受到功能性损伤。风速8 m/s、持续时间为10 min，含沙尘与不含沙尘的处理对棉花幼苗造成的损伤没有差别；风速8 m/s、持续时间为60 min 或风速10 m/s、持续时间为10 min 时含沙尘与不含沙尘的横向风处理对棉花幼苗造成的损伤已出现了差别；风速10 m/s、持续时间60 min，含沙尘与不含沙尘的处理对棉花幼苗的损伤出现显著差别。

表2 随风含沙尘与不含沙尘对棉苗的影响Tab. 2 Effects of wind with and without sand and dust on cotton seedlings

2.2 风沙对不同发育期棉花幼苗的影响

通过对不同风沙处理的棉苗损伤资料（表3）分析发现：对于同一时期的幼苗，横向风沙对棉花幼苗损伤大于纵向，风速由 6 m/s 增大至17 m/s、持续时间由5 min 增加至90 min 的过程中，棉苗受损伤程度逐渐增大；1 真叶到5 真叶的处理都具有基本相同表现；风向和风速及其交互作用对于棉花幼苗寿命都有非常显著的影响。

表3 风沙对不同发育期棉花幼苗的影响Tab. 3 Effects of sandstorm hazard on cotton seedlings at different developmental stages

试验中观察到风沙作用对棉花幼苗的损伤表现为其叶片组织的损伤，分析其原因有两个方面：一是风力作用下引起的幼苗摇摆和振动，叶片间相互打击；二是幼苗受风力作用秆茎弯曲，叶片与地面之间产生摩擦和击打。1 真叶期，风速10 m/s 持续30 min，出现幼苗死亡；2 真叶期，风速10 m/s 持续60 min，出现幼苗死亡；3 真叶期，风速10 m/s 持续60 min，出现幼苗重度损伤；5 真叶期，风速10 m/s 持续60 min，出现幼苗死亡。从1 真叶到3 真叶，棉苗抗风沙能力随生长进程的推进不断增强，苗期的棉花幼苗对风沙的抵抗能力在5 真叶期发生突变。

2.3 棉花苗期风沙危害指标

综合棉花1 真叶到5 真叶不同风速和持续时间的风沙模拟试验结果，得出棉花苗期风沙危害的初步指标（表4）。结果表明，当试验风速由 8 m/s 增大至17 m/s 过程中，棉花幼苗寿命随风速增大而急剧减少；风速由14 m/s 变化到17 m/s 过程中，幼苗寿命已经变得非常短；当风速＞17 m/s 后，幼苗已经不能够承受风力影响，会在短时间内遭到损毁。因此，可将风沙变化对棉花苗期的影响划分为3 个阶段：8～14 m/s 为影响增长阶段，14～17 m/s 为影响严重阶段，＞17 m/s 为损毁阶段。而实际棉花生产中，自然风的风力大小、方向及持续时间等会呈现周期性变化，影响严重阶段的风力持续时间一般很少达到试验记录寿命值，可以认为该阶段对棉花生产没有影响或者影响比较小，损毁阶段为极端天气，很难采取棉田防风沙的工程措施。

表4 棉花苗期风沙危害指标Tab. 4 Indexes of sandstorm hazard in cotton seedling stage

3 讨论与结论

研究发现：对于同一时期的幼苗，横向风沙对棉花幼苗损伤大于纵向，风速由6 m/s 增大至17 m/s、持续时间由5 min 增加至90 min 的过程中，棉苗受损伤程度逐渐增大，1 真叶到5 真叶的处理都具有基本相同表现；风向和风速及其交互作用对于棉花幼苗寿命都有非常显著的影响。实践中应加强棉田生态环境保护，防止因风起沙。从1 真叶至3 真叶，棉苗抗风沙能力随生长进程的推进不断增强，苗期的棉花幼苗对风沙的抵抗能力在5 真叶期发生突变，发生这种情况的可能原因是，1 真叶至3 真叶期，幼苗矮小、叶面积小且叶片与地面夹角较小，与风沙接触面小因而受损伤较小。5 真叶期，与风沙接触的棉花叶片面积增大，受损伤较大。根据棉花苗期风沙危害的指标，将风沙变化对棉花苗期的影响划分为3 个阶段：8～14 m/s 为影响增长阶段，14～17 m/s 为影响严重阶段，＞17 m/s 为损毁阶段。在实际生产过程中可根据具体天气预报，结合棉花苗期风沙危害指标，采取适当的风沙天气预防措施。然而，本研究仅基于1 次试验数据，这些结论还有待多年或多次试验验证；此外，本研究仅根据棉花受损形态指标作为棉花幼苗受害等级指标，棉花受风沙危害的综合受害等级指标需要进一步深入研究后得出。