棉花苗期風沙危害指標試驗

郭燕云， 李新建， 李戰超， 劉紀疆， 蔡蕓瞳

（1. 新疆興農網信息中心，新疆維吾爾自治區農業氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002；2. 烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

新疆棉花在我國棉花產業中占據主導地位，已成為國民經濟和社會發展的重要產業[1-2]。棉花占新疆農作物種植面積的45%～50%，植棉收益占棉農總收入的60%～65%[3]。然而特殊的干旱氣候、裸露度較大的下墊面條件和不合理的土地利用方式，使新疆綠洲農區成為我國受風沙危害最嚴重的地區，每年近66.7 萬hm2耕地受災，棉花、林果、溫室大棚等農業直接經濟損失十幾億元[4]。新疆棉花苗期在4—6 月，其間風沙災害分布廣、突發性強、頻率高、破壞性極大，尤其對于南疆地區，風沙災害頻發，是棉花苗期最主要的氣象災害[5-6]。

國內外在風沙引起的農田沙埋、土壤風蝕、植物受損及風沙災害防治等方面開展了較多的研究[7-14]。胡云喜等[15]探討了不同風力強度對棉花生長發育的影響。馬瑞等[16]研究了不同結構類型棉稈沙障的防風固沙效應。羅玻軍[17]研究了阿拉爾墾區棉花播種出苗期風災類型及抗災措施。徐宇等[18]研究認為，受災后的棉株單株生產能力、棉鈴的性狀、纖維品質及霜前花率均隨著風沙災害危害程度的加重而降低。然而已有風沙對植物影響的研究主要集中在沙生植物和城市綠化樹中，對主要農作物生理生態過程的影響方面研究較少。有關風沙災害對農業的影響側重于風沙災情調查分析和災后防御措施的研究等方面，如農業部門進行棉花播種出苗期受損情況及經濟損失分析，探討風沙危害態勢，提出風沙災害防御措施[19]。風沙危害指標研究方面，以往研究多通過災情調查資料與氣象臺站觀測的氣象要素分析來篩選有關風、溫、濕等氣象作為風沙危害指標[20]。很多研究只是借助氣象觀測資料總結了風沙的某些規律特征，并未與棉花生長發育聯系起來研究[21]。有的研究又僅僅局限于大風對棉花的影響，并沒有涉及風沙，研究并不全面[22]。

本文開展風沙災害對棉花生長的危害程度研究，通過不同風速和持續時間的風沙模擬試驗，得到棉花1 真葉到5 真葉（苗期）風沙危害的指標。研究結果能為新疆優質棉基地建設和棉花風沙災害的防御提供科學依據，可減輕綠洲農業風沙危害損失。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選擇北疆棉區的主栽品新陸早13 號，為早熟陸地棉，生育期121 d 左右。2018 年7 月下旬于烏魯木齊市分4 期進行播種，使得每次進行風沙模擬試驗處理的樣本材料處于相同的生長發育時期。每個播期種植200 盆，在200 盆中選擇180 盆健康、長勢均勻的植株作為供試樣本，同一發育期的處理60 個樣本，3 個重復，共180 個樣本。盆栽試驗花盆規格為66 cm×27 cm×21 cm，盆栽土壤為花肥營養土，不覆膜，灌溉等管理措施同當地常規措施。每盆種28 粒棉種，出苗后定苗至每盆棉花有14 株長勢、大小一致的棉花幼苗。

1.2 試驗設計

試驗設備：利用中國航空工業空氣動力研究院建造的直流開口吹氣式風洞進行棉花風沙影響模擬試驗，風洞試驗段長8 m，其中具有移測架導軌實際可測量距離為3.9 m，風洞寬1.3 m、高1.0 m，如圖1 所示。

圖1 風洞試驗斷面布置Fig. 1 Cross section layout of wind tunnel test

分別將處于1 真葉、2 真葉、3 真葉和5 真葉期的盆栽棉花放在風洞中部進行風洞模擬試驗。

氣流狀況：分為凈風、挾沙風2 種處理。試驗中挾沙風分兩種沙量：10 m/s 以上每5 min 加一次沙，10 m/s 以下每10 min 加一次沙。

風速：6、8、10、12、14 和17 m/s 共/6 種風速處理。

風向：縱、橫2 種，即盆栽棉花與風向平行（圖2a）和垂直（圖2b）2 種處理。

圖2 風洞試驗2 種風向處理示意Fig. 2 Schematic diagram for treatment of two wind directions in wind tunnel test

持續時間：5、10、20、30、60 和90 min 共6 種試驗處理。

1.3 測定指標

測定時間：風洞試驗后1、24、48 和96 h。測定指標：觀測記錄棉花外觀形態（葉片萎蔫失水程度、葉片損傷、植株死亡等）的變化，根據棉花受損形態指標將棉花幼苗受害等級分為輕微、輕度、中度、重度、死亡5 個等級（表1）。

表1 棉花幼苗受災等級指標劃分Tab. 1 Classification of disaster grade indicators for cotton seedlings

2 結果與分析

2.1 隨風含沙塵與不含沙塵對棉花幼苗的影響

用3 真葉期棉花幼苗，進行8 和10 m/s 兩種風速、10 和60 min 兩個持續時間、縱與橫兩種風向、含沙塵與不含沙塵的風洞試驗，結果如表2 所示。隨風的沙塵對棉花損傷起比較明顯的加大作用。風速較小（8 m/s）且持續時間較短（60 min 以內）時，對棉花幼苗造成輕度以內損傷，24～48 h 棉苗即可恢復正常；隨著風速加大（≥10 m/s）且持續時間（≥60 min）變長，對棉花幼苗造成重度損傷，葉片受到功能性損傷。風速8 m/s、持續時間為10 min，含沙塵與不含沙塵的處理對棉花幼苗造成的損傷沒有差別；風速8 m/s、持續時間為60 min 或風速10 m/s、持續時間為10 min 時含沙塵與不含沙塵的橫向風處理對棉花幼苗造成的損傷已出現了差別；風速10 m/s、持續時間60 min，含沙塵與不含沙塵的處理對棉花幼苗的損傷出現顯著差別。

表2 隨風含沙塵與不含沙塵對棉苗的影響Tab. 2 Effects of wind with and without sand and dust on cotton seedlings

2.2 風沙對不同發育期棉花幼苗的影響

通過對不同風沙處理的棉苗損傷資料（表3）分析發現：對于同一時期的幼苗，橫向風沙對棉花幼苗損傷大于縱向，風速由 6 m/s 增大至17 m/s、持續時間由5 min 增加至90 min 的過程中，棉苗受損傷程度逐漸增大；1 真葉到5 真葉的處理都具有基本相同表現；風向和風速及其交互作用對于棉花幼苗壽命都有非常顯著的影響。

表3 風沙對不同發育期棉花幼苗的影響Tab. 3 Effects of sandstorm hazard on cotton seedlings at different developmental stages

試驗中觀察到風沙作用對棉花幼苗的損傷表現為其葉片組織的損傷，分析其原因有兩個方面：一是風力作用下引起的幼苗搖擺和振動，葉片間相互打擊；二是幼苗受風力作用稈莖彎曲，葉片與地面之間產生摩擦和擊打。1 真葉期，風速10 m/s 持續30 min，出現幼苗死亡；2 真葉期，風速10 m/s 持續60 min，出現幼苗死亡；3 真葉期，風速10 m/s 持續60 min，出現幼苗重度損傷；5 真葉期，風速10 m/s 持續60 min，出現幼苗死亡。從1 真葉到3 真葉，棉苗抗風沙能力隨生長進程的推進不斷增強，苗期的棉花幼苗對風沙的抵抗能力在5 真葉期發生突變。

2.3 棉花苗期風沙危害指標

綜合棉花1 真葉到5 真葉不同風速和持續時間的風沙模擬試驗結果，得出棉花苗期風沙危害的初步指標（表4）。結果表明，當試驗風速由 8 m/s 增大至17 m/s 過程中，棉花幼苗壽命隨風速增大而急劇減少；風速由14 m/s 變化到17 m/s 過程中，幼苗壽命已經變得非常短；當風速＞17 m/s 后，幼苗已經不能夠承受風力影響，會在短時間內遭到損毀。因此，可將風沙變化對棉花苗期的影響劃分為3 個階段：8～14 m/s 為影響增長階段，14～17 m/s 為影響嚴重階段，＞17 m/s 為損毀階段。而實際棉花生產中，自然風的風力大小、方向及持續時間等會呈現周期性變化，影響嚴重階段的風力持續時間一般很少達到試驗記錄壽命值，可以認為該階段對棉花生產沒有影響或者影響比較小，損毀階段為極端天氣，很難采取棉田防風沙的工程措施。

表4 棉花苗期風沙危害指標Tab. 4 Indexes of sandstorm hazard in cotton seedling stage

3 討論與結論

研究發現：對于同一時期的幼苗，橫向風沙對棉花幼苗損傷大于縱向，風速由6 m/s 增大至17 m/s、持續時間由5 min 增加至90 min 的過程中，棉苗受損傷程度逐漸增大，1 真葉到5 真葉的處理都具有基本相同表現；風向和風速及其交互作用對于棉花幼苗壽命都有非常顯著的影響。實踐中應加強棉田生態環境保護，防止因風起沙。從1 真葉至3 真葉，棉苗抗風沙能力隨生長進程的推進不斷增強，苗期的棉花幼苗對風沙的抵抗能力在5 真葉期發生突變，發生這種情況的可能原因是，1 真葉至3 真葉期，幼苗矮小、葉面積小且葉片與地面夾角較小，與風沙接觸面小因而受損傷較小。5 真葉期，與風沙接觸的棉花葉片面積增大，受損傷較大。根據棉花苗期風沙危害的指標，將風沙變化對棉花苗期的影響劃分為3 個階段：8～14 m/s 為影響增長階段，14～17 m/s 為影響嚴重階段，＞17 m/s 為損毀階段。在實際生產過程中可根據具體天氣預報，結合棉花苗期風沙危害指標，采取適當的風沙天氣預防措施。然而，本研究僅基于1 次試驗數據，這些結論還有待多年或多次試驗驗證；此外，本研究僅根據棉花受損形態指標作為棉花幼苗受害等級指標，棉花受風沙危害的綜合受害等級指標需要進一步深入研究后得出。