棉花对旱涝交替胁迫的适应性规律及产量模拟

Cotton is an important industrial crop in China. The middle-lower reach of the Yangtze river plain is one of the three main regions cultivating cotton in China; this region suffers from alternate drought and flooding stress (ADF for short) more and more frequently, seriously restricting local cotton growth and yield. It has been detected that cotton would generate adaptations to drought and flooding stresses, including making roots deeper under drought stress and growing adventitious roots under flooding stress. These adaptive changes eventually affect the yield-reducing effect on cotton. However, to date, research on cotton adaptations to ADF is scarce, therefore resulting in the absence of yield-estimation methods which account for the cotton adaptations to ADF. In this study, based on the field experiments using cotton plants, the content of soil nutrition, the physiological status and morphological growth of various cotton organs, as well as the final yield, will be traced. Furthermore, based on experimental data, various statistical and modelling methods will be adopted to reveal adaptive changes of cotton growth under ADF. Finally, simulation models that capture the adaptation features of cotton will be developed. In sum, this study would provide valuable references for water management in cotton fields under global climate change situations.

棉花是我国重要的经济作物，长江中下游平原是我国三大棉产区之一，受气候变化影响，该区域内旱涝交替发生的频率日益增加，严重制约当地棉花的生长与产量。在旱涝交替发生过程中，棉花会对旱、涝胁迫产生适应性变化，如受旱后深扎根、受涝后生不定根等，从而对棉花的减产规律产生影响。但目前有关旱涝交替胁迫下棉花生长适应性的研究较少，也因此缺乏能刻画旱涝交替过程中适应性影响的棉花产量模拟方法。本课题以棉花田间试验为基础，观测旱涝交替过程中土壤营养元素含量、棉花各器官的形态和生理状态（根系形态及活力等；茎叶形态、叶片光合速率和脱落酸含量等）以及最终产量的变化；综合应用多种统计分析和数学建模的方法，揭示旱涝交替胁迫下棉花的生长适应及响应规律，并以此为基础构建能反映棉花旱涝交替响应特征的产量模拟方法，从而为气候变化背景下棉田的水分管理提供参考依据。

长江中下游平原是我国三大棉产区之一，气候变化加剧背景下该地区面临日益频繁的旱涝交替灾害侵扰。农业旱涝交替灾害的致灾特点在于灾害过程中的旱和涝之间存在潜在的交互影响。为系统探究棉花旱涝交替灾害的发生特征及减产特征，一方面，本研究基于区域尺度的气象和农业数据，揭示了长江中下游地区棉花不同生育期内旱涝及旱涝交替灾害的发生特征以对区域棉花产量的减产影响；另一方面，再基于田间尺度的棉花旱涝胁迫试验，揭示了棉花根系的适应性变化特征，以及不同形式旱涝交替胁迫下棉花的减产特征，从而为旱涝交替下棉花产量评估提供参考依据。重要结果包括（1）湖北地区棉花易在苗期和蕾期受涝，易在花铃期和吐絮期受旱；棉花在花铃期最易因涝减产，且仅在该时期内气象产量与累积湿润指数涝渍强度极显著相关；此外，涝害的减产作用大于干旱。（2）基于SAPEI指标的分析结果表明，长江中下游在最近的年代（2010s）迎来旱涝交替的高发时期；相较于生育期前期和后期，棉花在生育中期更容易遭遇旱涝交替；此外，棉花旱转涝的发生频率高于涝转旱；最后，基于旱涝强度的回归模型结果而言，棉花旱涝减产作用在旱涝交替年要明显弱于非旱涝交替年，这从区域尺度揭示了旱涝交替中旱、涝的拮抗作用。（3）在涝渍试验条件下，棉花根系形态会出现明显的促进生长效应。这种促进作用会随着涝渍强度的增高而增强，同时还会导致棉花根系形态中心的下降。（4）在棉花涝转旱试验中，10天受旱和5天受涝即可引起显著的棉花减产；但是，5天涝转10天旱后，棉花减产与5天涝接近，远小于单独旱涝减产之和，表明前期涝渍会显著增强棉花对后期干旱的抵抗作用。（5）在棉花旱转涝试验中，不缺水后受涝10天会导致棉花显著减产，但前期缺水后受涝10天反倒减产不显著，这表明前期干旱会显著降低后期涝渍胁迫的棉花减产作用。上述研究成果从区域和田间尺度共同对棉花旱涝交替减产问题进行了系统探究，可为气候变化下棉花旱涝灾害评估与防灾减灾提供参考依据。