Experiment on Indexes of Sandstorm Hazard in Cotton Seedling Stage
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摘要:
风沙危害对棉花苗期生长的影响及其定量指标的构建对于评估风沙灾害对棉花产量的影响具有重要的指导意义。通过不同风速、风向、持续时间的风沙模拟试验，开展风沙灾害对棉花生长的危害程度研究，得到棉花苗期（1真叶到5真叶）风沙危害的指标。结果表明：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；风沙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。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。
Abstract:Impact of sandstorm hazard on cotton seedling growth and construction of quantitative indicators have important guiding significance for evaluating impact of sandstorm hazard on cotton yield． Through sand simulation experiments of different wind speeds, directions and durations, damage degree of sandstorm hazard to cotton growth was studied, and indicators of sandstorm hazard in cotton seedling stage（one true leaf to five true leaves）were obtained． Results showed that, from one true leaf to three true leaves, ability of cotton seedlings to resist sandstorm hazard increased with progress of growth, and resistance of cotton seedlings to sandstorm hazard at seedling stage changed abruptly at five true leaf stage． Effect of sandstorm hazard on cotton seedling stage divided into three stages, 8～14 m/s was affected growth stage, 14～17 m/s was severely affected stage, and more than 17 m/s was damaged stage． In actual production process, appropriate preventive measures for sandstorm weather could be taken according to specific weather forecast and combined with sandstorm hazard indicators at cotton seedling stage．
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Keywords:
- sandstorm /
- cotton /
- seedling stage /
- simulation experiment /
- hazard indicator
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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。
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。
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图 2 风洞试验2种风向处理示意Figure 2. Schematic diagram for treatment of two winddirections 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Table 1. Classification of disaster grade indicators for cotton seedlings灾害等级 轻微 轻度 中度 重度 死亡 棉花受损形态指标 半数以内叶片边缘轻度失水，1 h恢复正常 半数以上叶片边缘轻度失水，24～48 h恢复正常 半数以上叶片失水，96 h内未恢复 大多数叶片失水卷曲，叶片受到功能性损伤 绝大多数棉株失水严重，干枯死亡 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Table 2. Effects of wind with and without sand and dust on cotton seedlings风速/（m•s−1） 是否挟沙尘 持续时间/min 风向 纵 横 8 否 10 轻微 轻微 是 10 轻微 轻微 否 60 轻度 轻度 是 60 轻度 中度 10 否 10 轻度 轻度 是 10 轻度 中度 否 60 轻度 轻度 是 60 重度 重度 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Table 3. Effects of sandstorm hazard on cotton seedlings at different developmental stages风速/（m•s−1） 持续时间/min 1真叶 2真叶 3真叶 5真叶 纵风向 横风向 纵风向 横风向 纵风向 横风向 纵风向 横风向 6 90 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 8 10 轻度 轻度 轻度 轻度 轻微 轻微 轻微 轻微 20 中度 轻度 中度 重度 轻微 轻微 轻微 轻度 30 中度 轻度 中度 重度 轻微 轻微 轻度 中度 60 重度 重度 重度 重度 轻度 中度 轻度 中度 90 — — 重度 重度 轻度 中度 轻度 中度 10 10 轻微 轻度 轻微 轻微 轻度 中度 轻微 轻度 20 轻度 轻度 中度 中度 轻度 中度 轻度 轻度 30 死亡 死亡 重度 重度 轻度 中度 中度 中度 60 — — 死亡 死亡 重度 重度 重度 死亡 12 5 轻微 轻度 — — — — — — 10 中度 重度 轻度 轻度 轻度 中度 中度 中度 20 死亡 死亡 中度 中度 中度 重度 重度 死亡 14 5 轻度 轻度 — — — — — — 10 重度 重度 重度 重度 轻度 重度 重度 死亡 20 — — 重度 重度 中度 重度 重度 死亡 17 5 重度 重度 重度 中度 中度 重度 重度 重度 10 — — 重度 重度 中度 重度 死亡 死亡 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Table 4. Indexes of sandstorm hazard in cotton seedling stage灾害等级 棉花受损形态指标 气象指标要素 风速/（m•s−1） 持续时间/min 轻度 叶片边缘轻度失
水，24～48 h恢
复正常8 20～60 10 10～20 12 5～10 14 ≤5 中度 半数以上叶片失
水，96 h内未恢复8 >60 10 20～30 12 10～15 17 ≤5 重度 大多数叶片失水卷
曲，叶片受到功能
性损伤10 30～45 12 15～20 14 10～20 17 5～10 死亡 绝大多数棉株失水
严重，干枯死亡10 >45 12 >20 14 >20 17 ≥10 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。
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图 2 风洞试验2种风向处理示意
Figure 2. Schematic diagram for treatment of two winddirections in wind tunnel test
表 1 棉花幼苗受灾等级指标划分
Table 1 Classification of disaster grade indicators for cotton seedlings
灾害等级 轻微 轻度 中度 重度 死亡 棉花受损形态指标 半数以内叶片边缘轻度失水，1 h恢复正常 半数以上叶片边缘轻度失水，24～48 h恢复正常 半数以上叶片失水，96 h内未恢复 大多数叶片失水卷曲，叶片受到功能性损伤 绝大多数棉株失水严重，干枯死亡 
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表 2 随风含沙尘与不含沙尘对棉苗的影响
Table 2 Effects of wind with and without sand and dust on cotton seedlings
风速/（m•s−1） 是否挟沙尘 持续时间/min 风向 纵 横 8 否 10 轻微 轻微 是 10 轻微 轻微 否 60 轻度 轻度 是 60 轻度 中度 10 否 10 轻度 轻度 是 10 轻度 中度 否 60 轻度 轻度 是 60 重度 重度
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表 3 风沙对不同发育期棉花幼苗的影响
Table 3 Effects of sandstorm hazard on cotton seedlings at different developmental stages
风速/（m•s−1） 持续时间/min 1真叶 2真叶 3真叶 5真叶 纵风向 横风向 纵风向 横风向 纵风向 横风向 纵风向 横风向 6 90 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 轻微 8 10 轻度 轻度 轻度 轻度 轻微 轻微 轻微 轻微 20 中度 轻度 中度 重度 轻微 轻微 轻微 轻度 30 中度 轻度 中度 重度 轻微 轻微 轻度 中度 60 重度 重度 重度 重度 轻度 中度 轻度 中度 90 — — 重度 重度 轻度 中度 轻度 中度 10 10 轻微 轻度 轻微 轻微 轻度 中度 轻微 轻度 20 轻度 轻度 中度 中度 轻度 中度 轻度 轻度 30 死亡 死亡 重度 重度 轻度 中度 中度 中度 60 — — 死亡 死亡 重度 重度 重度 死亡 12 5 轻微 轻度 — — — — — — 10 中度 重度 轻度 轻度 轻度 中度 中度 中度 20 死亡 死亡 中度 中度 中度 重度 重度 死亡 14 5 轻度 轻度 — — — — — — 10 重度 重度 重度 重度 轻度 重度 重度 死亡 20 — — 重度 重度 中度 重度 重度 死亡 17 5 重度 重度 重度 中度 中度 重度 重度 重度 10 — — 重度 重度 中度 重度 死亡 死亡
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表 4 棉花苗期风沙危害指标
Table 4 Indexes of sandstorm hazard in cotton seedling stage
灾害等级 棉花受损形态指标 气象指标要素 风速/（m•s−1） 持续时间/min 轻度 叶片边缘轻度失
水，24～48 h恢
复正常8 20～60 10 10～20 12 5～10 14 ≤5 中度 半数以上叶片失
水，96 h内未恢复8 >60 10 20～30 12 10～15 17 ≤5 重度 大多数叶片失水卷
曲，叶片受到功能
性损伤10 30～45 12 15～20 14 10～20 17 5～10 死亡 绝大多数棉株失水
严重，干枯死亡10 >45 12 >20 14 >20 17 ≥10
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