棉花是中國最主要的農作物之一。黃萎病是在棉花生長發育過程中，最普遍、最具淪陷性的重要病害，威脅著棉花的產量和品質。然而，在大區域尺度，尤其是在復雜的綠洲農業生態系，棉花黃萎病發生發展的時空分布規律仍不清楚，這極大限制大區域棉花黃萎病的綜合監測與統防統治。
針對上述問題，中國科學院空天資訊創新研究院（空天院）團隊，聯合石河子大學、中國科學院地理科學與資源研究所，探索新疆沙漠-綠洲灌溉農業生態系棉花主產區黃萎病的時空分布特征，並深入研究沙漠增溫效應對棉花黃萎病時空分布格局的調控機制。
北疆棉花主產區黃萎病的時空分布
研究團隊基於Sentinel-2和Landsat-8衛星數據重構高分辨率時序遙感影像，並采用遷移學習方法準確繪制出2019-2021年北疆棉花主產區黃萎病的時空分布圖（圖1）。
從時空分布圖可以發現：棉花黃萎病發生比率年際變化不顯著，患病棉田面積約占棉花總面積的20%；空間尺度上，不同年份均呈現出靠近沙漠的棉田比遠離沙漠的棉田黃萎病發病面積少的現象。
圖1 棉花黃萎病的時空分布（紅色數位表示總體發病率，藍色數位表示增長率）
沙漠增溫效應影響棉花黃萎病發病率
2019-2021年棉花生育期內，古爾班通古特沙漠和綠洲之間存在顯著的晝夜溫差（圖2）：在夜間，沙漠平均陸表溫度（LST）比綠洲高約2℃，而在白天，比綠洲高約13℃。這種顯著的溫差將引起局部環流，導致氣流將熱量從廣闊的沙漠傳遞到綠洲，為綠洲提供額外的熱量，而水蒸氣則從綠洲傳遞到地表附近的沙漠。
沙漠-綠洲這種交互作用導致沙漠對綠洲有一定的增溫效應（即沙漠增溫效應）。隨著與沙漠距離的增加，棉田平均氣溫（TMP）從靠近沙漠的26.5℃快速下降，到距離沙漠約16km後逐漸趨於平穩。因此，本研究定義距古爾班通古特沙漠約16km範圍內的棉田區域為受沙漠增溫效應影響大的區域（即沙漠增溫足跡，WEDOF）。
研究團隊分析發現：WEDOF 內的棉田平均氣溫較高，棉花黃萎病發病率總體低於WEDOF 外的棉田；而隨著棉田距古爾班通古特沙漠的距離增加，棉花黃萎病發病率呈現先上升後緩降，發病高峰出現在距離沙漠約35 km的棉區。
圖2 沿古爾班通古特沙漠-綠洲梯度的WEDOF計算和棉花黃萎病發生率的空間格局：(a)表示潛在的背景參考區域，(b)和(c)表示棉花全生育期沙漠和綠洲之間晝夜溫差（箱形圖顯示棉田的LST統計數據，彩色水平線代表各年沙漠的平均LST），(d)-(f)表示沙漠-綠洲TMP梯度的轉折點，(g)-(i)表示棉花黃萎病率沿沙漠-綠洲梯度的空間格局
棉花黃萎病空間分布格局的調控機制
為闡明棉花黃萎病空間分布格局的調控機制，研究團隊以2019-2021年棉花平均黃萎病率為閾值，判斷黃萎病的發生是否被抑制。同時，利用棉花平均黃萎病率與反映水熱條件的地理環境變量：平均氣溫、降雨量、海拔和土壤濕度之間的響應模型，確定地理環境變量是否抑制棉花黃萎病發生的閾值。
平均氣溫：隨著棉田距離沙漠的增加，黃萎病率逐漸從被抑制的低水平轉變至適宜的高水平（圖3）。距離增至約35km之後，黃萎病率逐漸降低至接近總體平均水平（圖3a）。棉田平均氣溫對黃萎病的抑制-適宜調控模式與黃萎病率的梯度變化模式相對一致，平均氣溫與黃萎病率在各年份均保持顯著的響應關系（圖4a）。
海拔：隨著海拔的增高，從抑制過渡到越來越有利於發生黃萎病，在距離沙漠約48km達到峰值後，其對黃萎病的適宜性降低（圖3a和d），然而海拔與黃萎病率在各年份沒有穩定的顯著響應關系（圖4c）。
降雨量、土壤濕度：盡管降雨量、土壤濕度已被證明是影響棉花黃萎病爆發的重要因素，然而，研究區降雨量對棉花黃萎病的抑制-適宜調控模式在3年內沒有表現出一致的梯度變化模式（圖3a和c），這種不一致可能歸因於降雨量的空間隨機性；而由於研究區棉田采用地下滴灌系統進行定期灌溉，人為降低土壤濕度沿沙漠-綠洲梯度的空間異質性，導致土壤濕度對棉花黃萎病的抑制-適宜調控模式與黃萎病率的梯度變化模式也不一致（圖3a和e）。
該研究表明，對於沙漠-綠洲農業生態系，沙漠增溫作為一種特殊的地理現象，可以透過升高周圍綠洲的棉田平均氣溫，來調控氣溫沿沙漠-綠洲梯度的地帶性分布，從而主導棉花黃萎病的空間分布格局，而降雨量與土壤濕度並未起到明顯的調控作用（圖3、4）。
圖3 沿古爾班通古特沙漠-綠洲梯度棉花平均黃萎病率和地理環境的空間分布規律：(a)VW-棉花平均黃萎病率、(b) TMP-棉田平均氣溫、(c)PRE-降雨量、(d)ELE-海拔、(e)SSM-土壤濕度
圖4 棉花平均黃萎病率與地理環境變量響應模型的評估：(a) TMP-平均氣溫、(b) PRE-降雨量、(c) ELE-海拔、(d) SSM-土壤濕度。顯著性水平：***（p < 0.001）、**（p < 0.01）、*（p < 0.05）
該項研究顯著增強了對獨特的綠洲灌溉農業生態系中棉花黃萎病時空分布格局的理解，可指導未來利用遙感數據，進一步監測和量化地理環境因素與棉花黃萎病嚴重程度時空分布模式之間的綜合響應機制，從而促進大區域棉花黃萎病的準確監測評估與統防統治。
研究成果以「Warming effect of the desert regulates spatio-temporal distribution of cotton Verticillium wilt for the oasis agriculture ecosystem」為題，發表於農林科學領域TOP期刊【Industrial Crops and Products】。空天院碩士生桂堯輝為第一作者，中國科學院青促會優秀會員、空天院研究員黃長平為通訊作者，空天院研究員黃文江、張立福，博士後汪錦，博士研究生周峻如，地理所助理研究員康孝巖，石河子大學教授呂新、張澤等參與研究。
研究工作得到中國科學院基礎前沿科學研究計劃「從0到1」原始創新計畫、國家自然科學基金、新疆兵團科技計畫、中國科學院青年創新促進會優秀會員等計畫資助。
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以上內容由 遙感衛星套用國家工程研究中心黃長平提 供。
