棉花纖維發(fā)育過程中晶區(qū)取向參數(shù)變化及與纖維比強度的關系

趙瑞海，韓春麗，白玉林，張旺鋒，雷 軍

(石河子大學/新疆生產(chǎn)建設兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意義】新疆作為我國最大的商品棉生產(chǎn)基地的地位舉足輕重，在20世紀90年代初全國各產(chǎn)棉省區(qū)原棉纖維抽樣調(diào)查時，總體上新疆的棉花纖維品質(zhì)水平排在全國第一位[1-2]。但在90年代末時，新疆棉花纖維品質(zhì)總體水平倒退嚴重，特別是長度、比強度等幾項主要指標已經(jīng)下降嚴重[3]。我國加入WTO以后，棉花市場和紡織行業(yè)對棉花纖維的內(nèi)在品質(zhì)提出了新的要求。我國棉花生產(chǎn)的發(fā)展要實現(xiàn)從產(chǎn)量型逐步向質(zhì)量型轉(zhuǎn)變[4]，因此，新疆的棉花生產(chǎn)在保證棉花產(chǎn)量穩(wěn)定的基礎上，研究如何進一步提高纖維的內(nèi)在品質(zhì)就具有極為重要的意義。作為重要的紡織原料，現(xiàn)代紡織加工業(yè)對棉花品質(zhì)提出了更高的要求，除了要保證纖維長度一定以外，還要求纖維強度以及馬克隆值等主要的內(nèi)在品質(zhì)指標達到一定的標準[5]。21世紀初期，我國棉花品種纖維長度(28～29 mm)及纖維比強度(27～29 cN/ tex)屬中等水平，馬克隆值在4.6左右[6]。這樣的棉纖維可以用來紡中、低檔棉紗，但無法滿足紡高支紗的需求，這部分棉纖維仍需要通過進口獲得[2]。這不僅對我國棉花產(chǎn)業(yè)發(fā)展造成了很大的沖擊，同時也反映出國產(chǎn)原棉在品質(zhì)上存在的問題，如何進一步改良提高棉花纖維品質(zhì)性狀顯得越來越迫切[7]。【前人研究進展】作為衡量纖維品質(zhì)的重要指標之一，棉花纖維強度除了受遺傳、環(huán)境條件影響外，還取決于纖維發(fā)育過程中的加厚發(fā)育時期，這一時期主要是纖維素的逐漸沉積[8-12]。但當棉花不同栽培品種纖維素含量上升到一定限度以上，其對纖維比強度的影響較低[13]，棉纖維強度將主要受纖維的次生壁的加厚模式以及纖維超分子結(jié)構(gòu)[14]。最終成熟纖維強度主要受超分子結(jié)構(gòu)隨纖維發(fā)育的變化及與纖維素沉積的相互配合的影響[15-16]?！颈狙芯壳腥朦c】近年來，關于纖維結(jié)構(gòu)與纖維比強度相關關系的報道已有不少[17-19]，但在新疆北疆棉區(qū)開展棉纖維晶區(qū)取向參數(shù)(分散角α、螺旋角φ、分布角ψ)的動態(tài)變化及對纖維強度影響的報道較少。在研究不同生態(tài)棉區(qū)、不同品種、不同播期和不同果枝部位棉纖維晶區(qū)取向參數(shù)差異性及與纖維強度關系的基礎上，分析棉花纖維晶區(qū)取向三個參數(shù)在發(fā)育過程中的動態(tài)變化。探討不同品種間纖維超分子結(jié)構(gòu)與纖維強度的差異機理，揭示影響北疆棉區(qū)棉纖維強度形成的內(nèi)部原因?！緮M解決的關鍵問題】選取三個纖維品質(zhì)不同的新疆自育棉花品種，統(tǒng)一播種后于花后30 d開始分階段收取棉鈴樣品，手工分離棉鈴的纖維和棉籽，混勻纖維，直至吐絮，統(tǒng)一測定纖維品質(zhì)和晶區(qū)取向參數(shù)，研究3個品種纖維發(fā)育過程中晶區(qū)取向參數(shù)在的變化趨勢，分析纖維晶區(qū)取向參數(shù)對比強度的影響，為棉纖維強度進一步優(yōu)化提高提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

田間試驗于2010年在新疆石河子大學農(nóng)學院田間試驗站(44°N，86°E)設點進行，試驗地點土壤類型為灰漠土，0～20 cm土壤耕層含堿解氮56.65 mg/kg，速效磷15.54 mg/kg，速效鉀194.67 mg/kg。

參試品種：新陸早16號(纖維比強度較高：33 cN/tex)；新陸早10號及新陸中13號(纖維比強度居中：29 cN/tex)。

1.2 方 法

1.2.1 處理

田間隨機區(qū)組設計，3次重復，小區(qū)面積34 m2(2.0 m×17.0 m)。播種期依當?shù)貧夂驐l件決定，留苗密度均為18×104株/hm2，田間管理措施依照當?shù)馗弋a(chǎn)田管理模式進行，并結(jié)合棉花長勢進行化控和病蟲害的防治。

1.2.2 取樣

棉株開花后，選取棉株中部第五果枝第一果節(jié)當日開放的花進行掛牌標記，同時注明品種、開花日期。每品種掛花600朵?；ê?0 d開始取樣，以后每隔5 d取樣一次，直至吐絮，列出取樣果枝棉鈴開花期以及棉鈴發(fā)育不同時期的溫濕度條件。取樣時間固定在早上8時，每次取10個大小相同的棉鈴帶回室內(nèi)。手工分離棉鈴的纖維和棉籽，混勻纖維，用于纖維品質(zhì)和晶區(qū)取向參數(shù)(分散角α、螺旋角φ、分布角ψ)的測定。表1

1.3 數(shù)據(jù)處理

棉纖維樣品送農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心(河南.安陽)采用HVI900系列儀進行測定。纖維晶區(qū)取向參數(shù)于2011年送天津工業(yè)大學材料科學與化學工程學院材料化學系測定。采用美國BRUKER AXS公司產(chǎn)的D8 DISCOVER with GADDS型X射線衍射儀獲得棉樣002衍射峰方位角強度分布曲線，使用數(shù)學解析的方法，求得纖維晶區(qū)取向參數(shù)[20]。

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel、MathCAD2001和SPSS19.0統(tǒng)計分析軟件完成。

表1 不同棉花品種棉鈴不同發(fā)育階段溫濕條件
Table 1 Temperature and humidity during different growth stage of cotton boll in different cotton varieties

品種Varieties開花期Blossomdates(月/日)鈴齡Bollage(d)平均氣溫Averagetemperature(℃)最高氣溫Highesttemperature(℃)最低氣溫Lowesttemperature(℃)日溫差Temperaturedifference(℃)相對濕度Relativehumidity(%)≥15℃活動積溫≥15℃effectiveaccumulatedtemperature(℃)新陸早16號Xinluzao1607/153025833382179315892352800703525333343175415882375911704025113347170516422305102940452486333516751660223911436050240732291618161122511213205523593200155016502198130690新陸早10號Xinluzao10新陸早13號Xinluzao1307/103025653306180914972548795103525233292175715342494908104024863268172815402498101910452471328016871593242211368050245332761662161523511251005523843185161115742352132060

2 結(jié)果與分析

2.1 不同棉花品種纖維晶區(qū)取向參數(shù)的變化

2.1.1 取向分散角α

三個陸地棉品種α角隨纖維發(fā)育呈現(xiàn)出先降低后增大、前期逐漸優(yōu)化、后期不斷寬化的趨勢，不利于高強纖維的形成。圖1

不同品種間和不同花后天數(shù)間α角差異不顯著。新陸早13號α角初始最高為20.96°，隨纖維發(fā)育變化規(guī)律呈現(xiàn)高低不斷波動的趨勢，花后35、45及55 d時均比其前一生育階段降低，在花后45 d達到最低值16.84°，隨后逐漸增大，至花后55 d略有下降，最終值明顯低于其他兩個品種。新陸早16號α角初始居中為19.2°，至花后35 d時達到最低值15.75°，隨纖維發(fā)育逐漸增大，開始不斷寬化，在花后55 d時達到較高水平19.08°。新陸早10號α角初始值為三個品種中最低為17.5°，隨著纖維發(fā)育，雖然在花后35和45 d α角略有降低為17.46°，但其逐漸變大逐漸寬化的趨勢沒有改變，在開花后55 d達到最高值為19.08°，與新陸早16號一致。最終取向分散角表現(xiàn)為新陸早16號=新陸早10號>新陸早13號。表2

圖1 3個品種纖維晶區(qū)取向分散角
Fig.1 Comparison of cotton fiber orientational separate angle (°) in different varieties
表2 纖維晶區(qū)取向參數(shù)與比強度顯著性檢驗
Table 2 Significant difference test between orientational parameter and fiber strength

方差來源Sorucesofvariation分散角αOrientationalseparateangle螺旋角φSpiralangle分布角ψOrientationaldistributionangle比強度Fiberstrength品種 Varieties02546443??9454??0956鈴齡 Bollage18314641??2858?27951??

注：*和**分別在0.05和0.01水平下差異顯著

Note:*and**indicate difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively

2.1.2 螺旋角φ

所有供試棉花品種φ角在纖維發(fā)育過程中均呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢，纖維發(fā)育前期纖維素沉積過程中，次生壁的取向性較差。不同品種間及花后天數(shù)間φ角差異極顯著(P<0.01)。從動態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，三個棉花品種φ角在纖維發(fā)育初期均為最高，新陸早16號、新陸早10號及新陸早13號分別為15.44、15.74和14.31°，隨纖維發(fā)育逐漸優(yōu)化，新陸早10號和新陸早13號在花后45 d達到最低值，分別為13.94和13.23°；新陸早16號在花后50 d達到最低值12.48°，隨后開始不斷寬化，在花后55 d時達到較高水平，三者表現(xiàn)為新陸早10號>新陸早13號>新陸早16號。不同品種間螺旋角存在著明顯的差異，并將這種差異保持到了最后。表2，圖2

圖2 3個品種纖維晶區(qū)取向螺旋角
Fig.2 Comparison of cotton fiber spiral angle (°) in different varieties

2.1.3 取向分布角ψ

不同品種間及花后天數(shù)間ψ角差異亦達到極顯著水平(P<0.01)。所有供試棉花品種，ψ角都隨纖維發(fā)育變化差異較大，新陸早13號變化趨勢與螺旋角相似，初始最高為29.2°，隨纖維發(fā)育逐漸變小，不斷優(yōu)化，至花后50 d達到最低值27.3°，在發(fā)育后期略有上升。新陸早16號與新陸早10號變化規(guī)律相似，取向分布角呈現(xiàn)先上升后下降又升高的趨勢。新陸早16號在花后35 d時取向分布角達到最高值31.2°，隨后逐漸減小不斷優(yōu)化，至花后50 d時達到最低值26.9°，隨后略有增大；新陸早10號在花后40 d取向分布角達到最高值31.7°，在5 d后減小優(yōu)化至最低值28.77，隨后開始不斷寬化，在花后55 d時達到較高水平。最后三者取向分布角表現(xiàn)為新陸早10號>新陸早13號>新陸早16號。表2，圖3

圖3 3個品種纖維晶區(qū)取向分布角
Fig.3 Comparison of cotton fiber orientational parameters angle (°) in different varieties

2.2 不同棉花品種纖維比強度的變化

比強度能夠很好的表明纖維次生壁加厚以及纖維成熟的程度。棉花發(fā)育期過程中，適宜的生態(tài)條件可促使棉纖維形成較厚次生壁，且成熟度較高，最終的比強度也較高[15]。不同品種間纖維比強度差異不顯著，不同花后天數(shù)間差異達到極顯著水平(P<0.01)。研究表明，不同品種間纖維比強度的動態(tài)變化趨勢基本相同，在吐絮前某一時期便達到最大值，至吐絮期時略有下降。其中，新陸早10號和新陸早13號纖維比強度在花后45 d時達到最大值，分別為35.3 cN/tex和36.23 cN/tex，新陸早16號纖維比強度則在花后50 d時才達到最大值38.5 cN/tex，且明顯高于其他兩個品種，最終纖維比強度以新陸早16號最高，新陸早13號次之，新陸早10號最低。表2，圖4

圖4 3個品種纖維比強度
Fig.4 Comparison of cotton fiber strength in different varieties

2.3 棉纖維晶區(qū)取向參數(shù)與比強度的關系

從纖維比強度和晶區(qū)取向參數(shù)的相關性分析可以發(fā)現(xiàn)，在纖維發(fā)育不同階段，纖維比強度均與晶區(qū)取向分布角和螺旋角存在一定的負相關關系，并且相關性隨纖維發(fā)育逐漸增強；與分散角呈現(xiàn)出一定的正相關關系，但相關性不顯著。在纖維發(fā)育過程中，隨著晶區(qū)取向參數(shù)的不斷降低(優(yōu)化)，纖維比強度逐漸升高，取向分布角ψ與纖維比強度在花后40、45及50 d時均呈極顯著負相關；螺旋角φ在花后40、50 d時與纖維比強度呈極顯著負相關，在花后45及55 d時呈顯著負相關；分散角α在纖維發(fā)育前期與纖維比強度呈正相關關系，在花后45及50 d時呈一定的負相關關系，與纖維比強度相關均不顯著，說明在纖維發(fā)育早期螺旋角φ和分布角ψ的優(yōu)化更有利于纖維比強度的提高；纖維晶區(qū)取向參數(shù)的變化，是纖維發(fā)育不同階段比強度改變的原因之一?；ê?0 d是個關鍵點，晶區(qū)取向螺旋角φ和分布角ψ在此之前未表現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)化趨勢，甚至個別品種還呈現(xiàn)出逐漸增大寬化的趨勢，螺旋角φ和分布角ψ與比強度具有一定的負相關關系，纖維比強度雖有所增加，但晶區(qū)取向參數(shù)的影響不顯著；到花后40 d時，晶區(qū)取向螺旋角φ和分布角ψ明顯減小，逐漸表現(xiàn)出較強的優(yōu)化趨勢，纖維比強度在此后逐漸達到最大值，二者呈極顯著負相關關系，表明隨著晶區(qū)取向螺旋角φ和分布角ψ的變小，纖維比強度不斷變大，但在纖維發(fā)育后期，受晶區(qū)取向參數(shù)逐漸寬化的影響，比強度略有下降。表3

表3 晶區(qū)取向參數(shù)與纖維比強度的相關性
Table 3 Correlation coefficient between orientational parameters and fiber strength

變異因子Source晶區(qū)取向參數(shù) Orientationalparameters鈴齡(d)Bollage分布角ψOrientationaldistributionangle螺旋角φSpiralangle分散角аOrientationalseparateangle30-0166-0501008735-0438-0259056840-0892??-0809??020545-0855??-0785?-041250-0977??-0812??-014955-0600-0790?0181

注：*和**分別在0.05和0.01水平下差異顯著

Note:*and**indicate difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively

3 討 論

形態(tài)結(jié)構(gòu)、超分子結(jié)構(gòu)和化學組成是影響棉花纖維強度的三個主要方面。在纖維發(fā)育過程中纖維素含量、聚合度均與纖維強度呈顯著相關關系，且聚合度越高、纖維內(nèi)部飽和越好，纖維強度越高[21]。而棉纖維晶區(qū)取向參數(shù)的動態(tài)變化及其變化過程中與纖維素沉積的相互配合，是造成成熟纖維強度差異的主要因素[14，22]。研究認為，在纖維發(fā)育過程中，取向參數(shù)和纖維比強度有明顯的負相關關系，不同品種在纖維發(fā)育不同時期均表現(xiàn)出晶區(qū)取向參數(shù)較小(優(yōu)化)者其纖維強度表現(xiàn)較高的規(guī)律，特別是取向分布角ψ和螺旋角φ與纖維強度有密切的相關性，甚至是強相關性，在纖維發(fā)育中后期，取向分布角ψ、螺旋角φ對纖維強度的影響要高于分散角α。這與前人研究認為的螺旋角φ、分散角α的差異均會造成棉纖維品質(zhì)的差異，不同的棉種間纖維比強度受α角影響更大[17-18，22]有所區(qū)別。

在纖維加厚發(fā)育較早階段，晶區(qū)參數(shù)取向性決定了不同棉花品種間纖維強度的差異，螺旋角φ與取向分布角ψ小的，其纖維強度也高[23]。纖維發(fā)育早期，螺旋角φ與分布角ψ變化較為平緩，對強度影響不大，40 d以后螺旋角φ與分布角ψ變化幅度較大，是影響比強度的主要因素。不同品種間纖維比強度在吐絮前達到最大值，至吐絮期時略有下降；在纖維發(fā)育過程中，不同品種其比強度與螺旋角φ、分布角ψ負相關性顯著，但和分散角α相關性不顯著。說明在纖維發(fā)育早期，螺旋角φ及分布角ψ優(yōu)化更利于纖維比強度提高。45 d之前，與其他兩個品種相比，新陸早16號纖維比強度均處于中低水平，對比其晶區(qū)取向參數(shù)，在此前也處于較高水平；但在45 d之后，新陸早16號晶區(qū)取向參數(shù)依舊保持較低的優(yōu)化趨勢，而新陸早10號、新陸早13號晶區(qū)取向參數(shù)則開始變大，逐漸寬化，這明顯影響高強度纖維的形成，纖維比強度也逐漸表現(xiàn)出新陸早16號顯著高于其他兩個品種。雖然發(fā)育后期新陸早16號晶區(qū)取向參數(shù)亦開始變大寬化，但因其最終值，特別是取向分布角ψ和螺旋角φ仍然小于其他兩個品種，最終，其纖維比強度仍處在一個較高水平。

4 結(jié) 論

海島棉其纖維比強度明顯高于陸地棉，而且其纖維的晶區(qū)取向參數(shù)也明顯優(yōu)于陸地棉[19]，因此，采用不同種間雜交手段改良陸地棉纖維晶區(qū)取向參數(shù)，從而培育出高強度的棉花品種。另外，棉纖維比強度在一定程度上還受種植地區(qū)生態(tài)環(huán)境的制約[1]，日均溫、最低氣溫的降低會影響棉花纖維強度的增強[24]，而且，較高的環(huán)境溫度的會造成纖維晶區(qū)取向參數(shù)變大，從而導致比強度的降低。隨著纖維的發(fā)育三個品種纖維不同發(fā)育階段日均溫均逐漸降低，有利于晶區(qū)取向參數(shù)的優(yōu)化，從而形成高強度纖維。新陸早16號在初始階段日均溫較高，而在花后50 d以后則明顯低于新陸早10號和新陸早13號，較低的日均溫更利于新陸早16號晶區(qū)取向參數(shù)的優(yōu)化，進而提高纖維比強度，這也可能是其纖維比強度在花后50 d以后明顯優(yōu)于其他兩品種的原因之一。

通過選用特定品種，結(jié)合遺傳育種手段或化學調(diào)控技術(shù)，在纖維發(fā)育早期使φ角和ψ角變小，逐漸優(yōu)化，是研究中和生產(chǎn)上增強纖維強度的有效方法。在生產(chǎn)過程中，通過調(diào)節(jié)播期、適期澆水或通過化控等栽培手段，在纖維發(fā)育早期就能形成φ角和ψ角較小的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并在花后40 d以后比強度形成的關鍵時期，使棉花能保持φ角和ψ角較小的優(yōu)化趨勢，從而提高纖維的比強度。

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