气候变化对我国棉花生长的影响及适应措施分析

王海江，高嵩，李瑞春，赵丹，王超，王子胜

（辽宁省经济作物研究所，辽宁 辽阳 111000）

温室气体的排放导致全球变暖，降雨、蒸发、径流等水文循环模式发生改变，引起水资源在时间和空间上重新分配，在我国主要表现为华北地区极端高温天气频繁发生，东北地区高、低温阈值与最长热浪天数呈现波动上升趋势，西北地区60 年来的平均升温速率是全球平均增速的2 倍以上[1-2]。IPCC 第五次评估报告中对未来气候变化的频率和强度的预测结果表明，到21 世纪中叶，我国温度增长幅度可以达到1.3℃～5℃，严重影响作物的物候和生长规律[3]。研究表明，气温每升高1℃，中国三大粮食作物的单产整体下降约2.6%。棉花属于热带和亚热带多年生植物，生长发育需要较高的温度和较长的生长期，在≥15℃的活动积温超过2 500℃、无霜期大于150 d 或7 月份平均气温高于24℃的地区方可种植[4]。该文针对棉花生长的主要气候影响因素进行分析，制定可行的适应性措施，以期为棉花生长提供参考。

1 不同棉区气候资源变化

棉花在我国栽培历史悠久，主要有三大种植优势区：长江流域、黄河流域和西北内陆区[5]。1961—2017 年，三大棉区热量资源总体增加，全生育期生长度日(GDD)和高温度日整体呈现增加趋势。光照资源总体减少，太阳辐射较30 多年前减少了458.07 MJ/m2，日照时数整体减少了126 h，对北方农作物生长有积极作用。无霜期在北部和西部地区都有不同程度的增加，≥5℃积温较前30 年增幅大多在1%～2%。生长季降雨百分率总量增加，但大部分面积的降水呈减少趋势[6]。

1.1 长江、黄河流域

长江流域存在春末夏初梅雨、秋季持续降雨和光照不足的特点，每年降雨量较为充足，约为1 000 mm，而且85%的降雨量发生在棉花生产季，通常不需要灌溉。过量的降雨往往会引发涝渍，淹水环境会导致土壤供氧不足，减弱棉花根系呼吸，从植物生理角度分析，根系在缺氧条件下，O-2过量累积使植物体内酶保护系统受损，导致质膜破坏，容易引起生物代谢反应紊乱[7]。涝渍对棉花地下部和地上部的生长都有破坏作用，最终使得棉花吐絮不良、烂铃，进而导致棉花产量减少[8]。

黄河流域年均降雨量约500 mm，棉花生长季的平均温度为19℃～22℃，土壤相对比较肥沃，光照条件充足，降水适中，晴天较多，十分适宜种植棉花。1990—2020 年，我国气候变化积温呈上升趋势，降水变化极不稳定，棉区也随着棉花生育期降雨量而北移，扩大了棉区面积，有利于高产优质潜力品种的挖掘，但生产上同时要搭配高潜力优质品种、合理水肥运筹等措施来应对高温干旱风险。

1.2 西北内陆地区

自20 世纪80 年代种植业战略调整以来，我国棉花生产逐渐向西北内陆区集中，黄河流域地区棉花种植面积减少了一半[9]。西北地区日照时数和太阳总辐射量以每年0.85 h 和1.254 MJ/m2的增幅增加，苗期温度较低，需要通过覆膜等方式提高地表温度，加速生长发育。西北内陆地区是目前我国最大的棉花产区，其中新疆棉区种植产量达到全国的67%[5]。基于该地区热量资源丰富、光照充足、气候干燥、昼夜温差大，能有效抑制棉花病虫害的发生，可大规模种植棉花。但由于年均降雨量只有70 mm 左右，容易导致棉花遭受干旱胁迫，因此所有棉花都需灌溉。

2 气候变化对棉花产量和品质的影响

2.1 温度

温度升高一方面会影响棉花的生理、生化和品质，可能导致后期脱铃数量增加，从而降低棉花产量[10]。8 月和10 月的气象因子与产量具有极显著关系，气温每升高1℃，棉花产量下降7.79%[11]。另一方面，过高温度会增加植株蒸腾速率，增加植株面临干旱胁迫的风险，存在一定的负面效应。棉花最适宜纤维分化的温度为25℃～30℃，过高或过低的温度会降低纤维分化程度和整齐度。

2.2 光照

日照时数是影响棉株各个部位的重要气象因子，主要作用在4～6 果枝的中部铃，产量和生物量的积累主要取决于绿叶面积、光合持续时间、光合速率和呼吸速率，光照减少条件下，棉花结铃数减少，棉铃最终生长量、最大干物质积累速率及单铃棉子数减少[12-13]。较大光辐射量能提高光合速率，为植株提供更多碳水化合物，从而增加棉花纤维的马克隆值和纤维强度。日照不足，尤其是在开花期、盛花期和吐絮期会使衣分、马克隆值和纤维比强度降低[14]。

2.3 水分

棉花不同生育阶段土壤干旱对其生长和产量的影响程度不同，其重要程度依次为蕾期＞花铃期＞吐絮期＞苗期。苗期缺水能够达到干旱锻炼的目的，有利于后期生长过程对水分的吸收。花铃期是棉花生殖生长的重要时期，干旱会造成棉株内部生理失调、棉铃脱落、营养器官和生殖器官干物质均降低，从而导致产量和品质下降[15]。到吐絮期，随着气温的降低，土壤水分蒸发和棉株蒸腾速率降低，对水分的需求也减少，适宜的水分能够保证根系、叶片转运吸收各种养分，维持棉株进行正常的生理代谢。

3 气候变化对棉花物候的影响

物侯期指植物在正常生长过程中，随着生长期内气候的季节性变化，从出苗、开花到收获所经历的时间长度[16]，通常将棉花的物候期划分为播种、出苗、现蕾、开花、吐絮和收获6 个时期。在农业活动中，作物物候期是气候变化响应最敏感的指标和农业生产的重要依据，因此，研究物候期对气候变化的响应，也是研究气候变化的焦点之一[17]。

目前，对物候的研究方法主要有田间观察、统计分析、模型模拟和遥感反演等，田间试验观测可获得数据的第一手资料，比较精确可靠，但是要耗费大量的人力和物力，统计分析和模型模拟可以对作物物候变化趋势及影响进行相关分析和定量动态预测，得到作物生育期变化特征及对环境的反应特征[18]。

3.1 田间试验观测

从表1 和表2 可以看出，通过对1991—2020 年新疆地区棉花生育期的分析，棉花各发育时期时间长度呈现增加趋势，现蕾-开花缩短了0.75 d/10 年，播种-出苗、出苗-现蕾和开花-吐絮的物候阶段长度分别被延长了0.81 d/10 年、2.13 d/10 年、1.96 d/10 年。各站点播种期、出苗期、现蕾期、开花期和吐絮期平均值分别提前3.76 d/10 年、2.99 d/10 年、1.66 d/10 年、2.13 d/10 年和0.47 d/10 年，结果表明气候变暖使得棉花全生育期(播种至停长)延长，提高了干物质积累和最终产量[3]。

表1 1991—2020 年新疆各站点棉花各发育期出现日期物候变化d/10 年

表2 1991—2020 年新疆各站点棉花各发育期经历日期物候变化d/10 年

3.2 数据统计和模型模拟

应用皮尔逊相关系数、线性回归分析等方法，研究了物候指数和气象变量，包括降雨量、日照时数、平均温度、最高温度和最低温度对棉花物候的影响，结果表明出苗期、现蕾期、开花期、吐絮期分别提前了0.026～0.351 d/年，播种和成熟日期分别延迟了0.170 d 和0.337 d。气候变化的影响缩短了播种-出苗、出苗-现蕾和开花-吐絮阶段的时间长度，延长了现蕾到开花、吐絮到成熟和播种到成熟阶段的长度，这就意味着生育期较长的棉花品种在气候变化中可能是更好的种植选择。我国棉花物候复杂的变化是由气温、降水、品种更替和栽培措施演变等多种因素造成，这就使棉花的生产产生了很大的不确定性，因此，未来要进一步利用模型等方法分析物候期的变化，进行深入研究，降低减产风险[19]。

4 气候变化对棉花病虫害的影响

4.1 棉花黄萎病

黄萎病是一种对棉花具有毁灭性的土传病害，其发生除与自身抗病性强弱有关外，环境温度是控制黄萎病流行的最主要因素，25℃～28℃温度范围内最适宜黄萎病生长，高于30℃或者低于20℃均不利于该病的发生和传播，潮湿的环境也会提高发病率[20]。而且温度适宜、持续不断的降雨使田间湿度超过80%的情况下也会加重该病的发生。除此之外，连作和不适宜的田间管理方式也会导致该病症大规模发生[21-22]。

4.2 主要虫害

棉田害虫会在温度、降水和湿度多种气象因素的互作下进行繁殖，通常在7 月份达到产卵高峰，主要在棉田侵害棉花伏桃。在积温不断增加的情况下，害虫发育历期缩短，棉蚜、烟粉虱等昆虫的发生世代数增加，进而增加了害虫种群数量[23]。病虫害也会随着温度的升高以多种方式对农作物害虫种群产生影响，如地理范围的扩大、越冬次数的增加、种群增长率的变化、世代数的增加、发育季节的延长、种间相互作用的变化、作物害虫同步性的变化、迁徙害虫入侵风险的增加等[24]。

4.2.1 棉铃虫。棉铃虫是我国一种重要的农作物虫害，已经记载的种类达到了200 余种，普遍发生在气候偏干旱少雨的黄河流域和西北内陆地区，对棉花、小麦、玉米、大豆、花生等农作物造成了严重的危害。2017 年全国因棉铃虫致病的面积为167 万hm2，相较往年有大幅下降趋势，这主要得益于抗虫棉(Bt 棉)的应用[9]，转基因技术为我国棉花产量和品质提供了重要保障。

4.2.2 棉蚜。棉蚜是棉花苗期和花铃期重要的害虫，其繁殖力高、世代周期短，一年中以无性繁殖的方式发生20多代，通过直接取食和传播病毒病为害。干旱、低温(24℃～26℃)是棉蚜的最适气候条件，短期高温或连续的高温天气对棉蚜种群数量有明显的抑制作用。在暴发年代，气候因子对棉蚜种群数量起着决定性作用，棉蚜的大量繁殖严重威胁我国棉花生产[23]。

5 应对措施

5.1 调整播期

调整棉花播期是缓解气候变化对棉花生长相对容易的措施，能够使作物在生育期内与降水、温度和太阳辐射达到最佳的匹配程度。以往研究发现，棉花产量随播种日期而变化，早播对棉花产量有积极影响，用晚熟品种代替早熟品种可以获得较长的生育期，从而提高棉花产量[25]。

5.2 采用适应措施

通过制定合理灌溉计划、更换品种、进行土地肥力管理、覆盖地膜和合理打顶等措施可以应对气候变化的负面影响[26]。合理灌溉有利于改变棉花不同时期对水分的需求，实现节水增产效果；通过打顶和打边心可以使棉铃数增加，对提高棉花产量和品质有重要作用；覆盖地膜可以保证地表温度和减少杂草生长。研究表明，采取适应措施的棉花产量比未采用适应措施的棉花产量提高32.65%[27]。

5.3 棉花病虫害防治

棉花病虫害的防治是近年来高度重视的问题，采用农药防治虽然便宜、效果好，但会渗透到食物链中引起毒副作用。这种情况下抗性栽培品种、转基因生物、遗传控制、生物防治剂和昆虫信息素的使用等方法能起到显著的控制效果。

6 结论

综上所述，气候变暖趋势导致温度、光照、水分等气象资源分布更加不平衡，棉花面临着高温、干旱、涝渍、病虫害等复杂的环境胁迫。通过技术创新培育棉花新品种、调整播期、棉花病虫害科学防治、采用适用措施等可以一定程度上有效抵消气候变化带来的负面影响。