新疆阿拉尔垦区棉花播期地温状况和低温发芽研究初报

蔡利华，邰红忠，练文明，贡万辉，王文涛，吴博，戴翠荣，蒲艳梅

（新疆生产建设兵团第一师农业科学研究所，新疆阿拉尔 843300）

棉花是典型的喜温喜光作物，一般中熟陆地棉品种的生育期为130～140 d。新疆阿拉尔垦区年平均气温10.7 ℃，≥10 ℃积温4 113 ℃，无霜期220 d，昼夜温差大，属早中熟棉亚区的塔哈次亚区，适宜棉花生长的时间略为短缺，因此通过早播覆膜种植以充分利用早春光热资源成为延长当地棉花生产周期的重要选择。但阿拉尔垦区春季气温不稳定，土壤湿度较大时遇低温会导致早播棉田烂种、烂芽，影响一播全苗甚至造成重播，如2021 年新疆春季阶段性气温偏低，降水偏多，光照不足，气候稳定性差，低温、寒潮和局地大风、沙尘暴、冰雹、强降水等灾害性天气频发，春季棉花播种早、结束晚，对棉花播种出苗和幼苗生长产生了不利影响[1]。

针对低温对棉花种子萌发的影响，前人开展了大量试验。沙晓梅等[2]将棉花种子的发芽温度分别设置为5 ℃、10 ℃和15 ℃，低温持续时间为1～5 d，结果表明在同一温度下持续低温对种子的发芽率、发芽势等均会产生不利影响，且持续时间越长抑制程度越严重。王思林[3]将棉种播种于不同湿度的砂床中，分别置于15～17 ℃、10～12 ℃、4～5 ℃和－2～0 ℃下，每种温度下分别处理3～12 d 后置于30 ℃恒温条件下继续进行发芽试验，结果表明低水分发芽床中的平均发芽率显著高于中、高水分发芽床；10～12 ℃和15～17 ℃条件下，不论发芽床水分含量多少和处理时间长短，其发芽率都在80%以上；将高、中、低水分发芽床置于－2～0 ℃下12 d，棉种发芽率仍分别达30.0%、36.7%和46.7%。徐建伟等[4]对新疆北疆植棉区主栽或大面积推广的20 个棉花品种（系）开展低温萌发能力研究，结果表明不同品种的耐低温能力不同。王俊娟等[5]将不同棉花品种的种子于－5 ℃处理48 h 后，通过测定电导率发现低温处理后的棉花种子细胞膜均遭到不同程度的破坏。

以上研究均是在恒温条件下开展，但事实上气温是不断变化的，在24 h 内有20 ℃以上的高温，也有5 ℃左右的低温，5 cm 土层的土壤温度也必然随之变化，因此在研究棉种发芽率时应综合考虑这些因素。目前对于模拟自然气温变化开展的低温种子萌发研究鲜有报道。针对这一问题，收集了新疆阿拉尔垦区3－4 月的气温和地温资料，分析3 月中下旬至4 月中旬覆地膜（简称膜下）和不覆地膜（简称裸地）棉田5 cm、10 cm 地温的变化规律；通过在田间放置地埋温度计测温方式，调查播种后1～23 d 棉田每24 h 的地温变化规律；根据地温调查结果，在室内模拟自然温度变化，开展棉种低温发芽试验，研究阿拉尔垦区2 个主栽棉花品种在低温条件下的发芽率和恢复至常温后的出苗情况，为阿拉尔垦区棉花适时早播和应对低温危害提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 仪器设备和供试材料

RC-5 温度记录仪，购自江苏精创电气股份有限公司。SQX-250B 人工气候箱，购自上海琅轩实验设备有限公司。

塑料发芽盒：底部的长度和宽度分别为16.5 cm和11.2 cm，顶部的长度和宽度分别为18.5 cm 和13.5 cm，盒高为8 cm，盒盖高2 cm。

砂床介质：试验中的砂床来源于房屋装修所用的砂，用孔径3～8 mm 的筛子筛去大石子。此类砂一般不含盐碱，可直接拌湿播种棉花。实践证明，用广泛pH 试纸检测湿砂的酸碱度，只要pH 在7 左右，就可以直接使用。实际操作中，用未清洗和消毒的砂做发芽试验，效果依然很好。但由于过细过绵的砂质地轻、透气性差，发芽试验中容易出现砂湿度难以控制、棉壳不脱落、棉种易发霉等现象；所以，播种所用的砂床宁干勿湿，应少量多次用水拌砂，以手握成团、轻轻一按即可散开为宜。3 d 后及时观察补水。

供试棉花材料为新疆阿拉尔垦区主栽棉花品种塔河2 号[6]和新陆中85 号[7]。前期研究表明，储存1～2 年的棉花种子比当年棉花种子的发芽率高[8-9]。所以，本研究分别用当年棉种和隔年（储存1 年）棉种开展低温条件下的发芽试验，共4 份材料。材料1：2019年繁殖的塔河2 号种子；材料2：2020 年繁殖的塔河2 号种子；材料3：2019 年繁殖的新陆中85 号种子；材料4：2020 年繁殖的新陆中85 号种子。

1.2 调查项目与方法

1.2.1收集播种期温度资料。通过阿拉尔气象站收集阿拉尔垦区2021 年3－4 月的日平均气温、膜下及裸地5 cm 和10 cm 地温资料。

1.2.2监测棉田24 h 地温变化规律。于2021 年4月7 日在新疆生产建设兵团第一师农业科学研究所2 号地，人工点播棉花（包含株行材料及品种比较试验品系、大区品种比较试验品系和示范推广品种）2 hm2，采用机采棉1 膜6 行模式覆膜种植，宽窄行行距为（66＋10）cm，株距为11.3 cm。

4 月8 日开展5 cm 地温监测试验。随机选取不受外界环境影响的1 幅膜，在膜的66 cm 宽行内选取3 个监测点，相邻2 点之间相距8 m 左右，于每个测量点在覆盖的地膜上小心划1 个“U”形口，揭开地膜，用小铲子挖5 cm 深，将温度记录仪埋入地下，然后将地膜用透明胶粘合密封。同时在此幅膜与相邻膜的裸地交接行处选定3 个测量点，其位置与膜下的监测点平行，在5 cm 土层处埋入温度记录仪，注意选交接行时避开机械作业的轮辙。

温度记录仪设定为每隔2 h 读取1 次温度。5月初将温度记录仪取出，导出测定的地温数据，分别计算膜下、裸地3 个测量点的平均值，分析播种后23 d 内，即4 月8－30 日每24 h 的膜下/ 裸地5 cm 土层温度变化情况。据此确定室内低温发芽试验的温度设定值和时长。

1.2.3平均温度的计算。用加权法计算24 h 内平均温度，计算公式为。式中：Tave为平均温度（℃）；i为不同温度时段的编号，取值为1，2，3，…n；Ti为i时段的温度（℃）；ti为i时段温度的持续时间（h）。

1.3 室内低温发芽试验设计及发芽率调查

1.3.1低温发芽试验设计。选取2019 年及2020 年繁殖的塔河2 号和新陆中85 号种子，每份材料随机数100 粒。于2021 年5 月6 日播入发芽盒内进行砂培，重复3 次，共有12 个发芽盒。气候箱内共有3 个隔层，每层放4 个材料中的1 个重复，以消除不同隔层间的温度误差对试验结果造成的影响。

1.3.2人工气候箱温度设置。根据前期调查的播期内棉田膜下5 cm 地温变化规律，用1.2.3 中的公式计算每天不同时段的发芽温度，设置人工气候箱温度。同时人工气候箱体内每层放置1 个可隔玻璃窗观察读数的温度计和RC-5 温度记录仪，以便随时观察和记录箱内实际温度，并进行调控。

1.3.3试验过程和调查方法。前3 d 模拟自然条件的适播温度，将人工气候箱内平均温度设置为19.6 ℃，第4 天开始模拟倒春寒低温胁迫，模拟3月23 日－4 月15 日种子萌动期降温天气，分别用12 ℃、16 ℃、14 ℃、10 ℃左右的低温胁迫处理共22 d，定期观察不同材料发芽盒内水分含量和棉种萌发出苗情况，以棉花胚轴弯钩露出砂面计为发芽，统计发芽率。第26 天将发芽盒移出人工气候箱，放到室温环境，补足水分，第27 天和第32 天统计每盒的出苗数（以棉花2 片子叶展平记为出苗），计算出苗率。

2 结果与分析

2.1 阿拉尔垦区播种期气温和地温的变化规律

对阿拉尔垦区3 月中下旬到4 月中旬的气温、膜下和裸地5 cm、10 cm 土层的土壤温度进行统计分析，将连续几天日均气温相差小于1 ℃的温度合并求其平均值，结果见表1。

表1 2021 年3－4 月阿拉尔垦区气温和地温的变化

研究表明，棉种萌发的最低温度为10.5～12.0 ℃，胚根维管束分化的温度为12～14 ℃，下胚轴伸长形成子叶顶土出苗的温度在16 ℃以上，一般以5 cm 地温连续5 d 稳定在12～14 ℃或气温稳定在16 ℃以上时为棉花的适宜播期[10]。从表1可见，阿拉尔垦区3 月中旬到4 月中旬经历了3 个升温过程。其中：3 月16 日前的升温过程短，未达到播种温度要求；3 月23－30 日温度第2 次回升，膜下5 cm 温度达到了播种温度要求，此时部分棉田开始播种。4 月1－2 日，又经历1 个低温过程，膜下5 cm 地温较3 月31 日下降8.2 ℃，且膜下5 cm 和10 cm 地温均低于棉种萌发所需的最低温度，可能会对早播棉田造成冻害。裸地5 cm 土层温度在4 月8 日才超过12 ℃，故衳地直播棉花时应在4 月8 日以后播种。

3 月10－12 日因温度较低，单独列出，其他按照3 个升温过程和2 个降温过程划分为5 个时段，根据表1 中数据计算每个时段膜下及裸地5 cm、10 cm 地温和气温的差值，以及膜下、裸地5 cm 和10 cm 地温的差值，列于表2。3 月10－12 日，膜下和裸地5 cm、10 cm 的地温都低于日平均气温。3月13－16 日，气温持续升高，膜下5 cm 平均地温已高于气温0.5 ℃，膜下10 cm 地温仍比气温低1.6 ℃。3 月17－22 日，经历第1 次降温过程，膜下5 cm 和10 cm 平均地温已经分别比平均气温高3.1 ℃和2.1 ℃，地膜增温效果已经显现。3 月23－30 日，日平均气温明显升高，膜下地温也随之升高，膜下5 cm 和10 cm 地温分别比气温高2.5 ℃和0.8 ℃。3 月31 日－4 月5 日，经历了第2 次降温过程，但膜下土层降温缓慢且回升快，膜下5 cm、10 cm 土层地温分别比气温高4.9 ℃和3.4 ℃，充分显示了地膜的保温优势。4 月6－15 日气温持续升高，膜下5 cm、10 cm 地温随之升高，且分别高于气温5.1 ℃和3.0 ℃。3 月10 日－4 月15 日，膜下5 cm 平均地温高于10 cm 平均地温1.7 ℃。裸地5 cm、10 cm 地温除3 月31 日－4 月5 日降温时比气温略高外，其他测定时期均低于气温。3 月13－22 日，膜下5 cm 和10 cm 平均地温比裸地5 cm 和10 cm 平均地温分别高4.5 ℃和3.0 ℃；进入播种期后的3 月23 日－4 月15 日膜下5 cm 平均地温比裸地5 cm 平均地温高5.3 ℃，膜下10 cm平均地温比裸地10 cm 平均地温高4.0 ℃。可见，地膜的增温保温效果十分明显，利于有效减轻早春低温对棉种萌发出苗造成的危害。

表2 2021 年3－4 月阿拉尔垦区日均气温与膜下、裸地5 cm 及10 cm 的温差

2.2 阿拉尔垦区棉田膜下、裸地5 cm 土层24 h 内温度变化规律

4 月8－30 日每24 h 膜下与裸地5 cm 土层温度的变化规律基本相同。将1 d（24 h）内5 cm 地温连续相近的温度归纳为1 组，综合23 d 的数据分析，可将24 h 划分为4 个时段：21：00－03：00，这6 h 的5 cm 地温相近，为1 d 中的第1 个中等温度时段（简称中温-Ⅰ）；03：00－11：00 为1 d 中的低温时段；11：00－15：00 为1 d 中的第2 个中等温度时段（简称中温-Ⅱ）；15：00－21：00 为1 d 中的高温时段（表3）。

表3 4 月阿拉尔垦区棉田膜下、裸地5 cm 土层24 h 内温度变化情况

与衳地相比，覆膜使5 cm 平均地温升高4.8 ℃。4 月8－30 日21：00－03：00 膜下比裸地的5 cm 地温高5.7 ℃，地膜保温效果最明显；11：00－15：00 膜下比裸地5 cm 地温高3.5 ℃，地膜增温效果较差；15：00－21：00 和03：00－11：00 这2 个时段膜下比裸地5 cm 地温分别高5.1 ℃和5.0 ℃，地膜的保温效果介于中间（表3）。

从4 月8－30 日每24 h 不同时段膜下5 cm土层平均温度来看，高温时段和中温-Ⅰ、中温-Ⅱ、低温时段分别相差5.0 ℃、6.0 ℃、9.3 ℃，中温-Ⅰ高于低温时段4.3 ℃，中温-Ⅰ高于中温-Ⅱ1.0 ℃，中温-Ⅱ比低温时段高3.3 ℃。裸地5 cm 土层不同时段的温差与膜下5 cm 的相近，但中温-Ⅰ低于中温-Ⅱ1.3 ℃（表4）。

表4 不同时段膜下和裸地5 cm 土层的温差

2.3 室内低温发芽试验及结果分析

由以上分析可知，播种后土壤中的棉种经历的是一个变温过程，而不是一个恒定的温度。根据以上规律，在做室内低温发芽试验时，将1 d（24 h）划分为4 个时间段，即高温时段6 h＋中温-Ⅰ时段6 h＋低温时段8 h＋中温-Ⅱ时段4 h。设定试验的平均温度后，用1.2.3 中的公式和表4 所列不同时段的温差推算出每个时段的温度。具体如下：假设平均温度为Tave，最低温度为Tmin，则高温时段、中温-Ⅰ、中温-Ⅱ时段分别为9.3＋Tmin、4.3＋Tmin和3.3＋Tmin，由1.2.3 公式推导得出：Tmin=Tave－3.95。由于气候箱内温度控制与温度计测定的有差异，试验中以温度计实测温度为准，随时根据实测温度重新设定人工气候箱温度。

室内低温发芽试验于5 月6 日播种，播种后3 d 将气候箱温度设置如下：25.0 ℃6 h，20.0 ℃6 h，15.6 ℃8 h，19.0 ℃4 h，平均温度为19.6 ℃，此阶段2019 年和2020 年繁殖的新陆中85 号 （材料3和材料4）种子已经可见长胚根。第4 天开始降温，将气候箱平均温度设为12.2 ℃（17.6 ℃6 h，12.6 ℃6 h，8.3 ℃8 h，11.6 ℃4 h），棉种无新胚根长出，种子不再顶土。第14～16 天将平均温度上调至16 ℃左右（21.5 ℃6 h，16.5 ℃6 h，12.2 ℃8 h，15.5 ℃4 h），材料1 和材料3 部分棉种发芽出土。3 个温度计实测的日平均温度见表5。

表5 不同材料处理的平均温度和发芽出苗情况

据前人研究，棉花种子萌发与出苗除了需要一定的临界温度外，还需要一定的积温。从棉花播种至出苗，需要12 ℃以上的有效积温50～70 ℃，活动积温150～250 ℃[11]。截至第16 天，各材料的活动积温已经有238.7 ℃，已经达到了种子出苗的积温要求。第17～18 天将平均温度降至14.6 ℃（20.0 ℃6 h，15.0 ℃6 h，10.7 ℃8 h，14.0 ℃4 h），第19～20 天降至12.4 ℃，棉种仍在陆续出苗。第21～24 天将气候箱平均温度调至10.8 ℃（16.2 ℃6 h，11.2 ℃6 h，6.9 ℃8 h，10.2 ℃4 h），4 d 内棉种停止萌发。第25 天将平均温度上调至13.0 ℃（18.4 ℃6 h，13.4 ℃6 h，9.0 ℃8 h，12.4 ℃4 h），棉种继续发芽出苗。第26 天将发芽盒置于室温（30.0 ℃）中，第27 天观察到各材料迅速出苗，2020 年繁殖的塔河2 号和新陆中85 号种子的出苗率分别比第25 天增加了35.0 百分点和50.3 百分点；2019 年繁殖的塔河2 号和新陆中85 号种子的出苗率已超过85%，可见其耐低温发芽能力较强。第32 天，2019 年繁殖的塔河2 号和新陆中85号的出苗率已经分别达到86.0%和94.0%。2020 年繁殖的塔河2 号和新陆中85 号的出苗率分别达到83.0%和91.7%。

综合上述结果，新陆中85 号和塔河2 号种子均有较强的耐低温能力，在经历长达22 d 的低温胁迫后，大部分棉种和棉芽并没有腐烂；放置到30 ℃的恒温条件下后，4 个材料都迅速出苗，到第32 天出苗率都不小于83%。其中新陆中85 号的出苗率高于塔河2 号，说明新陆中85 号对低温的耐受力更强。在同等低温条件下，2 个品种2019 年繁殖的种子的出苗率都高于2020 年繁殖的种子，可见储存1 年的种子的耐低温能力略强于当年繁殖的种子。在适宜的湿度下，低温会使棉花出苗延迟，但并不一定会造成烂种，这可能与棉花品种的耐寒性和种子质量有关。

3 讨论与结论

本研究结果表明阿拉尔垦区3 月下旬升温幅度较大，且持续时间比3 月中旬长，膜下5 cm 地温比气温高2.5 ℃左右。当膜下5 cm 地温稳定在12 ℃以上时，可以根据具体情况适时早播。裸地5 cm 地温比日平均气温低，比膜下5 cm 地温低5 ℃左右，故阿拉尔垦区不覆膜的棉田应等到4 月上中旬播种。

阿拉尔垦区棉田24 h 内膜下和裸地5 cm 地温是不断变化的，按温度变化规律可将其分为4 个时间段：21：00－03：00（6 h，中温-Ⅰ）；03：00－11：00（8 h，低温时段）；11：00－15：00（4 h，中温-Ⅱ）；15：00－21：00（6 h，高温时段）。膜下5 cm 土层温度，高温时段和中温-Ⅰ平均相差5.0 ℃左右，高温时段和低温时段相差9.3 ℃左右，中温-Ⅰ和低温时段相差4.3 ℃左右，中温-Ⅰ高于中温-Ⅱ1.0 ℃左右，中温-Ⅱ与低温时段相差3.3 ℃左右。裸地5 cm 地温在不同时间段的变化规律与之相同，温差略有不同。现在文献记载的低温发芽试验一般采用恒定低温进行胁迫处理，与大田中棉花播种出苗期遇到的“高温-中温- 低温- 中温”循环变温的过程不符，建议今后做室内温度胁迫试验时考虑变温因素，以获取更准确的、更符合大田实际情况的数据[12-13]。

本研究结果显示：塔河2 号和新陆中85 号种子的耐低温能力较强，在低温胁迫20 d 以上并恢复30 ℃后其出苗率均在80%以上，新陆中85 号的耐低温能力要高于塔河2 号；2 个品种储存1 年的种子比当年生产的种子耐低温能力更好，发芽率高且出苗快。

2021 年3 月底至4 月初，阿拉尔垦区经历了1次降温过程，有2 d 膜下5 cm 温度降到9.6 ℃，3月下旬早播的塔河2 号和新陆中85 号出苗推迟，但并未发生烂种，温度回升后棉苗出齐。这些田间实践结果也证明，这2 个品种种子的耐低温能力较强。

一般的种子检验主要是在28 ℃条件下检测加工处理后待售种子的发芽率等指标，建议利用冬季时间，提前对推广品种做低温发芽试验，以了解品种的耐低温能力，提前了解棉花播种后遇低温冷害可能产生的后果，以便合理确定播期和采取应对措施。

本研究不足之处：一是在夏季开展，利用空调来降低人工气候箱外的环境温度，增加了试验成本和工序。二是设计试验时胁迫处理的时间偏长，与自然气候变化规律不符。三是未监测发芽盒内的含水量。针对上述不足，建议在冬季开展低温发芽试验，低温环境更有利于调节人工气候箱内的温度。根据当地的实际天气变化过程确定低温胁迫处理时间，一般10 d 左右。有条件的情况下对发芽盒内的水分含量进行及时监测，以获取更科学的试验结果。