高温热害对棉花蕾铃脱落的影响分析

向 导，杨明凤，张 玲，张 明，王雪姣

（1.乌兰乌苏农业气象试验站，新疆 石河子 832000；2.石河子气象局，新疆 石河子 832000；3.新疆农业气象台，乌鲁木齐 830002）

新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）属于典型的温带大陆性干旱气候区，具有丰富的光热资源，已成为中国最大的优质棉生产基地，棉花（Gossypiumspp.）种植面积占全国80%以上。适宜的温度是作物生长发育的必需条件，而过高的环境温度会导致光合速率下降、呼吸作用增强，引起生理性早衰；高温天气影响棉花器官的发育，使柱头上花粉量及萌发花粉量减少，畸形花药增多、花粉活力降低、棉铃较小、僵小铃增多［1-6］，致使蕾铃脱落，产量和品质降低［7，8］。赵鸿等［9］、王苗苗［10］、宋桂成等［11］认为棉花花铃期适宜温度为25～30℃，当日平均温度≥30℃时，开花期间蕾铃脱落数量增加，≥33℃以上的持续高温，棉花的花器官柱头发生异变，变为长柱头花，花粉粒败育，影响正常授粉，最终影响棉花产量［12-14］。在高温胁迫下，日最高温度每升高1℃，棉花减产110 kg∕hm2［15，16］。在棉花实际生产中，受不稳定气候因素和棉花生理机制的影响，蕾铃脱落十分普遍，严重的高达60%～70%［17-20］。近年来，全球气候变化异常，高温热浪事件愈来愈频繁，棉花产量形成的关键期（6—8月），也是一年中极端高温天气发生最为频繁的季节，花铃期高温胁迫导致棉花减产的现象在新疆区域频繁发生［21-23］。

本研究通过人工气候室模拟高温试验，分析石河子垦区高温热害对棉花叶蕾铃脱落的影响，并通过历史气象资料分析，明确该地区高温变化规律，为当地棉花高产栽培和防灾减灾提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点在乌兰乌苏国家一级农业气象试验站（图1），N44°17′—E85°49′，海拔468.5 m，位于准噶尔盆地南缘，处于天山北坡中心位置，气候属于典型的温带大陆性气候，冬季长而严寒，夏季短而炎热，年平均气温7.4℃，日照时间约2 862.1 h，无霜期约180 d，年降水量230.8 mm，年蒸发量1 604.9 mm。

图1 研究区域

1.2 试验设计

棉花高温胁迫蕾铃脱落试验于2019年在乌兰乌苏农业气象试验站人工气候室进行。品种为当地主栽品种新陆早64号，4月中旬于盆钵（长、宽、深分别为58、18、27 cm）中播种，每盆2株。将盆钵埋于气象观测场东北约30 m处棉花试验田中，使盆钵上沿与地面持平，始终保持其土壤有效含水量为（70±5）%。现蕾中期（7月21日）移至人工气候箱进行高温模拟试验，处理完后移回自然环境中生长至吐絮成熟。整个试验过程中棉花田间管理措施与高产栽培要求一致。试验设置2个温度梯度（35、38℃）、3个持续时间（3、6、9 d），共6个处理，每个处理3次重复。对照（CK）盆钵置于棉花试验田内，植株始终在自然环境中生长，3次重复。盆栽均是7月21日放入人工气候箱，处理3、6、9 d分别是从7月24日、7月27号、7月30号开始试验调查，共调查7次。

1.3 试验期间气象资料

1964—2019年气象资料来自于乌兰乌苏农业气象试验站。试验期间气象条件见表1。

表1 2019年7月24日至8月16日 气象 资料

2 结果与分析

2.1 高温对棉花叶片脱落的影响

棉花存在自然落叶的生理现象，CK 21 d内叶片脱落率（落叶率）为7.9%。不同高温处理后，供试植株叶片出现不同程度的异常脱落现象，落叶率大幅上升。在相同处理时间下，不同高温处理的落叶率随着时间推移呈上升趋势，且处理的温度越高落叶率越高；在相同高温处理下，高温处理的时间越长，其落叶率越高。在2个高温处理下（35、38℃），植株落叶率随时间推移呈上升趋势，最后趋于平稳。

由图2所示，经过3 d高温处理，35℃高温处理后21 d的落叶率为27.7%，比CK增加19.8个百分点；38℃高温处理后的落叶率为32.6%，落叶率比CK增加24.7个百分点。经过6 d高温处理，35℃高温处理后21 d的落叶率为35.9%，比CK增加28.0个百分点；38℃高温处理21 d的落叶率为40.3%，落叶率比CK增加32.4个百分点。经过9 d高温处理，35℃高温处理21 d的落叶率为58.6%，比CK增加50.7个百分点；38℃高温处理落叶率为60.2%，落叶率比CK增加52.3个百分点。高温处理6、9 d后，供试样品搬出人工气候箱，落叶率迅速下降，观测9 d后的叶片落叶率逐渐趋于平稳。在经受一定强度的异常高温后，植株通过脱落叶片减少能量消耗，当环境适宜时，植株又能继续生长。

图2 高温处理3、6、9 d后落叶率

2.2 高温对蕾铃脱落的影响

棉花存在自然蕾铃脱落的生理现象，通过试验监测，CK 21 d的蕾铃自然脱落率为22.7%。经过不同高温处理，供试棉株的蕾铃随时间推移有不同程度的异常脱落现象，高温热害使蕾铃脱落率大幅上升。在不同高温胁迫下，供试棉株随着高温胁迫时间的推移，其蕾铃脱落率均呈上升趋势。温度越高蕾铃脱落率也越高，即38℃＞35℃＞CK；在相同高温胁迫下，经受高温时间越长其蕾铃脱落率越高，即9 d＞6 d＞3 d。

由图3所示，经过3 d高温处理，35℃高温处理后21 d的蕾铃脱落率为40.4%，比CK增加17.7个百分点；38℃蕾铃脱落率为46.1%，比照CK增加23.4个百分点。经6 d高温处理，35℃高温处理后21 d的蕾铃脱落率为42.5%，比CK增加19.8个百分点；38℃蕾铃脱落率为49.6%，比CK增加26.9个百分点。经过9 d高温处理，35℃高温处理后21 d的蕾铃脱落率为56.4%，比CK增加33.7个百分点；38℃蕾铃脱落率为60.2%，比CK增加37.5个百分点。高温处理6、9 d后，供试样品搬出人工气候箱后蕾铃脱落率迅速变缓，说明在高温下，蕾铃脱落增多，回到正常温度后脱落减缓。棉花高温热害胁迫后，棉花生殖器官受到影响，花粉量减少，畸形花药增多、棉铃缩小、僵小铃增多，与龚照龙等［7］、金桂红等［8］研究结果一致。

图3 高温处理3、6、9 d后蕾铃脱落率

2.3 石河子垦区近56年高温的变化规律

2.3.1 高温日数发生特征石河子垦区1964—2019年高温日数及极端高温情况见表2。1964—2019年平均≥35℃高温日数为13.2 d，超过3 d的集中在6—8月，占全年的76.3%，其中7月最多，占33.0%；≥38℃高温日数年平均为5.8 d，分布在5—8月，7月最多，占全年的32.8%；≥40℃高温1964—2019年共出现3次，分别出现在1965、1974、1975年。

表2 石河子垦区1964—2019年高温日数及极端高温统计

2.3.2 ≥35℃高温初、终日年际变化石河子垦区1964—2019年≥35℃高温的初日、终日年际变化见图4。从≥35℃的高温初日来看，主要集中在6、7月，最早出现在4月30日（1997年），最晚出现在8月2日（1972年）；≥35℃初日年际变化提前趋势不明显，倾向率为-1.3 d∕（10 a）（r≈0.117，P＞0.5）；其中1964—1970年、2011—2019年接近平均值，在6月11—14日；1981—1990年偏 晚，平均在6月22日；1990—2010年明显提前，平均在6月3—4日。≥35℃的高温终日，平均结束在8月17日，最早结束于7月3日（1993年），最晚结束于9月29日（1985年）；≥35℃终日年际变化趋势平稳，倾向率为-0.087 d∕（10 a）（r≈0.0，P＞0.5）。

图4 ≥35℃高温初日、终日年际变化趋势

2.3.3 ≥35℃高温日数年际间变化1964—2019年石河子垦区极端最高气温41.6℃出现在1975年，≥35℃高温日数平均为17.6 d，56年间，≥35℃高温日数≥10 d有40年，概率为71.4%；≥15 d有21年，概率为37.5%；≥20 d有9年，概率为16.1%；≥25 d有4年，概率为7.1%；超过30 d的有2年，概率为3.6%。由图5所示，≥35℃高温日数年际变化呈微弱上升趋势，倾向率为0.009 d∕（10 a）（r=0.022，P＞0.5），不显著；1964—1974年、1993—2008年高温日数变化幅度较大，而1975—1992、2009—2019年高温日数变化幅度相对较小。≥35℃高温日数标准偏差为6.3 d，即石河子垦区≥35℃高温日数正常变化在7～20 d。

图5 ≥35℃高温日数年际间变化

统计分析得出，新疆石河子垦区≥35℃高温日年年存在，出现连续3 d高温以上的年份占76.3%。1981年以来最长连续高温日为10 d，出现在1998年和2015年的7月份。2008年5—8月出现6个连续3 d以上高温日。这些连续高温日主要分布在6、7、8月内，并以7月居多，占75.9%。连续4 d以上高温日概率为56.4%，连续5 d以上高温日概率为35.9%，连续6～10 d的概率为28.2%。以上分析结果可以看出，石河子垦区高温热害十分严重。

3 小结与讨论

棉花遭受高温热害后，其叶片、蕾和幼铃均出现异常脱落现象。在35、38℃高温试验处理情况下，高温持续时间越长，其落叶率、蕾铃脱落率越高；温度越高，棉花叶片、蕾和幼铃脱落率越高。试验中发现当棉花受热害之后蕾铃先于叶片出现异常脱落，并且脱落的数量也高于叶片。石河子垦区≥35℃高温主要出现在6—8月，并以7月最多，连续3 d以上高温日出现概率高达76.3%，基本上3年两遇。棉花6月现蕾，7月开花［24］，生育期与石河子垦区高温出现时段相吻合，所以也使棉花受热害最为严重。

棉花受高温热害之后，直接影响棉花器官的发育，光合作用减弱，呼吸作用增强，蒸腾的提高，引起花粉活力降低，蕾铃脱落［4-6］。受高温胁迫，棉花柱头上花粉量及萌发花粉量减少，畸形花药增多、棉铃较小、僵小铃增多［7，8］，叶片、蕾和幼铃脱落，最终导致棉花减产。高温是石河子垦区棉花栽培的主要气象灾害之一，因此，深入开展高温防御方法研究，减少高温热害对棉花生长的不利影响很有必要。

4 高温热害防御措施

4.1 适时早播

石河子垦区棉花播种多集中在4月下旬，从近年春播期气温变化分析，日平均气温≥10℃初日在4月上旬，终霜提前至4月中旬，采用覆膜技术，播种期可提前至4月中旬。促进棉花早发，棉花的生育进程加快，使其早现蕾、早开花，提前进入花铃期，以增强抗逆性。

4.2 平衡施肥精细管理

深施基肥、轻苗肥，稳蕾肥、重施花铃肥［7］，适时打顶整枝，塑造合理株型，控制顶端营养生长，调节棉株内部物质循环，促进营养向蕾铃输送。培育壮苗强株，提高棉株的抗逆性。使棉株“壮而不旺，稳健生长”。

4.3 滴灌、喷灌相结合降低高温伤害

石河子垦区作物生长季降水量只有150 mm左右，棉花灌溉用水主要来于地下水。为了节水，目前棉花以膜下滴灌为主，为降低高温灾害风险，可安装膜下滴灌与喷灌系统相结合的水利设施，遇高温天气可采用空中喷雾降低棉田温度，避免高温伤害，减少蕾铃脱落。