新疆產(chǎn)棉區(qū)高強(qiáng)棉纖維形成的纖維素累積特征及適宜溫度

田景山，張煦怡，虎曉兵，隨龍龍，張鵬鵬，王文敏，勾玲，張旺鋒

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新疆產(chǎn)棉區(qū)高強(qiáng)棉纖維形成的纖維素累積特征及適宜溫度

田景山，張煦怡，虎曉兵，隨龍龍，張鵬鵬，王文敏，勾玲，張旺鋒

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子 832003）

【目的】新疆是我國主要產(chǎn)棉區(qū)，該區(qū)棉花生育后期氣溫下降快。明確生育后期溫度對(duì)棉纖維發(fā)育的影響，對(duì)新疆優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)提供指導(dǎo)?！痉椒ā坎捎梅制诓シN、整段夜間增溫（棉纖維發(fā)育期）和階段夜間增溫（開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間、纖維素快速累積期和纖維素快速累積期終止時(shí)間至吐絮）的方式，使棉纖維發(fā)育處于不同的溫度環(huán)境下，研究溫度對(duì)纖維素累積特征的影響及其相互關(guān)系?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，棉纖維比強(qiáng)度受纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間（）、開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的平均累積速率（1）和纖維素最大理論含量（m）的顯著影響，其中棉纖維比強(qiáng)度與1呈顯著二次曲線關(guān)系、與m呈極顯著線性關(guān)系。棉纖維發(fā)育期≥15℃有效積溫是影響纖維比強(qiáng)度的主要溫度因子，在開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間內(nèi)二者呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，在纖維素快速累積期則呈顯著正相關(guān)關(guān)系。自棉花開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間內(nèi)，較多的有效積溫使纖維素在這段時(shí)間的平均累積速率（1）直線降低，這并不利于纖維比強(qiáng)度的提高。在纖維素快速累積期，≥15℃有效積溫的增加顯著提高了1，纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間（）隨有效積溫的增加而顯著延長，纖維比強(qiáng)度亦呈增加趨勢(shì)。若獲取≥30 cN/tex的纖維比強(qiáng)度，就需要1維持在1.32%·d-1—1.76%·d-1，纖維素在鈴齡6.7—13.3 d進(jìn)入快速累積期，快速累積期持續(xù)20.2—25.6 d，纖維素累積時(shí)間經(jīng)歷39.0—46.9 d；在開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間內(nèi)需要≥15℃有效積溫5.6℃—96.3℃，在纖維素快速累積期則需要181.5℃—262.3℃?！窘Y(jié)論】棉纖維不同發(fā)育階段≥15℃有效積溫對(duì)1影響的差異性是造成纖維比強(qiáng)度差異的主要原因，適宜1有利于形成高強(qiáng)纖維。

棉花；有效積溫；纖維素累積速率；比強(qiáng)度；頂部棉鈴

0 引言

【研究意義】新疆屬典型大陸性干旱氣候，具有發(fā)展棉花的資源優(yōu)勢(shì)，棉花總產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的60%以上。然而，分析我國新體制棉花公證檢驗(yàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，纖維比強(qiáng)度以新疆棉區(qū)最低，且“強(qiáng)級(jí)”所占比例全國最低[1]。棉花生長后期氣溫下降快，尤其是夜間溫度過低成為限制新疆棉區(qū)纖維發(fā)育的關(guān)鍵因素[2]。開展棉花纖維比強(qiáng)度與溫度關(guān)系的研究，探討改善纖維品質(zhì)成為棉花育種和栽培研究的重要內(nèi)容?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】棉纖維比強(qiáng)度的形成主要取決于次生壁的形成特性[3-5]，在次生壁加厚期纖維素大量沉積于胞壁內(nèi)側(cè)[6-7]，促使次生壁幾乎全部由纖維素組成[8]。前人研究表明，纖維素沉積時(shí)間的早晚對(duì)纖維成熟度及產(chǎn)量有著極其重要作用[9]，高強(qiáng)纖維的棉花品種在棉纖維發(fā)育過程中能較早的進(jìn)入次生壁加厚期[10-11]。棉纖維比強(qiáng)度的形成存在明顯的基因型差異[12-15]，高強(qiáng)纖維的形成與纖維素累積相協(xié)調(diào)，纖維素平緩累積且快速累積期歷時(shí)長，其纖維比強(qiáng)度的增長幅度大，最終比強(qiáng)度較高[4, 16-19]。有研究認(rèn)為可將纖維素最大累積速率和快速累積持續(xù)期作為研究纖維素累積特征及與纖維比強(qiáng)度關(guān)系的主要指標(biāo)[13-14]，張文靜等[12]則認(rèn)為晚秋桃的纖維素快速累積持續(xù)期較長、纖維素累積速率較低，纖維比強(qiáng)度增長的幅度較小，最終比強(qiáng)度則較低，說明纖維素快速累積持續(xù)期和累積速率與纖維比強(qiáng)度的關(guān)系必須在一定條件下才成立。因此，纖維素累積特征的改變直接影響著比強(qiáng)度的形成，快速累積持續(xù)時(shí)間長易形成高強(qiáng)纖維，累積速率過快或過慢似乎均不利于形成高強(qiáng)纖維。溫度是影響棉纖維發(fā)育的首要生態(tài)因子，如何在有限時(shí)間內(nèi)多結(jié)鈴、結(jié)優(yōu)質(zhì)鈴，是新疆棉花持續(xù)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵所在[20]。在諸多溫度因子中以最低溫度研究報(bào)道居多，低溫通過改變纖維素累積量及累積特征實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維比強(qiáng)度的影響[4, 19, 21]，主要表現(xiàn)為纖維素累積速率和纖維素累積量顯著降低、纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間明顯延長[4, 22]。前人研究證實(shí)，纖維比強(qiáng)度的高溫脅迫窗口在鈴齡11—26 d[23]，期間的高溫（日均溫度31.1℃—35.2℃）雖使纖維累積量顯著降低[5, 24]，卻延長了纖維比強(qiáng)度快速增加持續(xù)期，利于比強(qiáng)度的增加[5, 23, 25]。【本研究切入點(diǎn)】棉纖維發(fā)育可分為分化、伸長、次生壁加厚和脫水成熟4個(gè)有重疊的時(shí)期[26-27]，溫度因子在棉纖維不同發(fā)育階段是如何影響纖維素累積特征，仍有待深入研究。棉花結(jié)鈴具有很強(qiáng)的時(shí)空補(bǔ)償能力，可通過各項(xiàng)栽培管理措施調(diào)控結(jié)鈴的時(shí)空分布，以滿足棉鈴發(fā)育所需的溫光資源，協(xié)調(diào)纖維素沉積特征實(shí)現(xiàn)棉花提質(zhì)增產(chǎn)[8]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究采用分期播種和夜間增溫的方式，使棉纖維發(fā)育處于不同的溫度環(huán)境，分析溫度對(duì)纖維素累積特征的影響，探討適宜纖維素累積和形成高強(qiáng)纖維的溫度條件，以期根據(jù)環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)來制定栽培調(diào)控措施改善棉纖維品質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)一：播期試驗(yàn)。2008—2009、2015年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站（45°19′N，86°03′E）進(jìn)行，2016年在新疆烏蘭烏蘇農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站（44°17′N，85°49′E）進(jìn)行。采用分期播種方法使棉鈴發(fā)育處于不同溫度條件下，2008—2009年設(shè)3個(gè)播期，供試棉花品種選擇新陸早13號(hào)；2015年設(shè)2個(gè)播期，供試棉花品種選擇新陸早24號(hào)和新陸早33號(hào)；2016年設(shè)3個(gè)播期，供試棉花品種選擇新陸早59號(hào)。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，重復(fù)3次，留苗密度19×104株/hm2—22×104株/hm2。待棉株開花后，對(duì)中部果枝（第5—6果枝）第1果節(jié)當(dāng)日所開白花掛牌標(biāo)記。具體播種日期和掛花日期見表1。第I播期在棉纖維發(fā)育期（0—50 d）的最低溫度為15.3℃—19.1℃，較第III播期升高了0.8℃—2.0℃（圖1）。

圖1 棉纖維發(fā)育期不同播期間最低溫度的變化

試驗(yàn)二：整段增溫試驗(yàn)。在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行，2010年供試棉花品種選擇新陸早13號(hào)和新陸早33號(hào)，2015年選擇新陸早33號(hào)；試驗(yàn)設(shè)夜間增溫處理（N），夜間溫度控制在20±1℃，以自然溫度為對(duì)照（CK），隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為9.0 m2（長×寬= 6.0 m×1.5 m），重復(fù)3次。留苗密度19×104株/hm2— 22×104株/hm2。待棉株開花后，選擇棉株上部果枝（第7—8果枝）第1果節(jié)當(dāng)日所開白花掛牌標(biāo)記，并進(jìn)行夜間增溫處理，加溫時(shí)間段根據(jù)當(dāng)日下午和次日清晨的溫度確定，一般在20：00—8：00，具體加溫日期見表2。與自然環(huán)境相比，棉纖維發(fā)育期進(jìn)行整段增溫（N），期間的最低溫度升高了2.7℃—4.5℃（表2，圖2）；棉鈴發(fā)育期（0—48 d、0—54 d）的最低溫度升高了1.9℃—4.5℃、夜間溫度升高了1.5℃—4.3℃（表2）。

表1 播期試驗(yàn)的播種日期和掛花日期

表2 棉花纖維發(fā)育期夜間增溫開始和結(jié)束日期及期間最低溫度和夜間相對(duì)濕度與對(duì)照的差值

圖2 棉纖維發(fā)育期夜間增溫期間的最低溫度及與對(duì)照的差值

試驗(yàn)三：階段增溫試驗(yàn)。在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行，采用階段增溫的方式，2014年設(shè)置開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間（N1）、快速累積期（N2）和快速累積期終止時(shí)間至吐絮（N3）3個(gè)增溫時(shí)段，供試棉花品種選擇新陸早13號(hào)和新陸早33號(hào)；2015年設(shè)置開花至纖維素快速累積期的起始時(shí)間（N1）和快速累積期（N2）2個(gè)增溫時(shí)段，供試棉花品種選擇新陸早33號(hào)。增溫時(shí)段夜間溫度控制在20±1℃，以自然溫度為對(duì)照（CK），隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為9.0 m2（長×寬=6.0 m×1.5 m），重復(fù)3次。留苗密度19×104株/hm2— 22×104株/hm2。待棉株開花后，階段增溫N1和階段增溫N2選擇棉株上部果枝（第7—8果枝）、階段增溫N3選擇棉株中部果枝（第5—6果枝），均對(duì)第1果節(jié)當(dāng)日所開白花掛牌標(biāo)記，并進(jìn)行夜間增溫處理，加溫時(shí)間段根據(jù)當(dāng)日下午和次日清晨的溫度確定，一般在20：00—8：00，具體加溫日期見表2。與自然環(huán)境相比，階段增溫N1的最低溫度升高了3.1℃—4.3℃，階段增溫N2升高了1.6℃— 2.0℃，快速累積期終止時(shí)間至吐絮進(jìn)行階段增溫N3升高了1.6℃（表2，圖2）；階段增溫N1在棉鈴發(fā)育期（鈴齡0—48 d）的最低溫度升高了1.3℃—1.4℃，階段增溫N2升高了0.5℃—0.7℃，階段增溫N3在棉鈴發(fā)育期（0—51 d）的最低溫度升高了0.6℃（表2）。

1.2 田間增溫控制裝置

2010年和2014年的增溫設(shè)施參照田景山等[18]的增溫裝置，采用遠(yuǎn)紅外石英管作為加熱源，通過鼓風(fēng)機(jī)將加熱的空氣沿管道輸送至半移動(dòng)式保溫箱（Semi-mobile incubator），實(shí)現(xiàn)棉花冠層增溫，并通過智能溫度控制儀控制溫度；半移動(dòng)式保溫箱分為上、下兩部分，保溫箱下半部分一直放于田間，僅在晚上加蓋上半部分。

2015年夜間增溫通過“田間增溫控制裝置”實(shí)現(xiàn)[28]，該裝置由氣室主構(gòu)架、加熱換氣裝置和溫度控制裝置3部分組成。氣室主構(gòu)架安裝在試驗(yàn)區(qū)，通過置于卷筒式紗窗的聚乙烯塑料實(shí)現(xiàn)氣室的開放與封閉。管道加熱器將送風(fēng)機(jī)送入的空氣加熱后輸至輸氣管，輸氣管沿途開有散熱孔，將熱空氣吹向試驗(yàn)區(qū)；溫度控制器連接管道加熱器以控制氣室內(nèi)的溫度。

1.3 取樣與測(cè)定

在鈴齡15、22、29、34、41、48 d取大小相同棉鈴6個(gè)左右（8：00—9：00取樣），用裝有冰袋的保鮮桶帶回室內(nèi)；部分棉瓣分離出纖維，混勻，在40℃下烘干至恒重供測(cè)定纖維素含量；剩余棉瓣自然風(fēng)干，分離出纖維，供測(cè)定纖維斷裂比強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱“比強(qiáng)度”）。

纖維素含量采用蒽酮比色法測(cè)定[29]。將自然風(fēng)干的纖維樣品混勻，用棉花纖維拉伸儀制成棉條，用Y-162A型束纖維強(qiáng)力機(jī)測(cè)定3.2 mm隔距比強(qiáng)度，測(cè)6次重復(fù)，取平均值作為試樣代表值，并用農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心的測(cè)定結(jié)果修正。

1.4 Logistic模型及其特征值

棉纖維發(fā)育過程中纖維素含量隨鈴齡的增長符合Logistic曲線，其基本模型為：

=m/(1+e-bt) （1）

式中，為纖維素含量，為鈴齡，m為纖維素最大理論含量，a、b為待定系數(shù)，該模型參數(shù)能較好地分析棉纖維發(fā)育過程中纖維素的累積特征。對(duì)（1）式求1階、2階和3階導(dǎo)數(shù)，可得出纖維素快速累積期的起始時(shí)間（1）和終止時(shí)間（2）、快速累積持續(xù)時(shí)間（），將1和2分別代入（1）式即得1、2時(shí)的纖維素含量1、2，進(jìn)一步可得出快速累積期內(nèi)的平均累積速率t和鈴齡0 d至1的平均累積速率1。

（4）

（5）

1.5 氣象資料

棉花冠層溫度數(shù)據(jù)用HOBO（Onset，美國）空氣溫濕度記錄儀自動(dòng)采集，每15 min記錄一次，每天最低溫度取22：00—8：00的最低值，每天最高溫度取10：00—18：00的最高值。根據(jù)棉花纖維素快速累積期的起始時(shí)間（1）和終止時(shí)間（2），將棉纖維發(fā)育期劃分為I段（開花—1）和II段（1—2），并選取各段區(qū)的最低溫度、最高溫度、平均溫度、≥15℃有效積溫和日溫差等作為影響該段區(qū)纖維素累積的溫度因子。

2 結(jié)果

2.1 纖維素累積特征對(duì)比強(qiáng)度的影響及其關(guān)系

由表3可知，纖維比強(qiáng)度與纖維素快速累積期的起始時(shí)間（1）和快速累積期的平均累積速率（t）呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為-0.3001和-0.0929，未達(dá)到顯著性水平。纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間（）和開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的平均累積速率（1）與比強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.3501和0.3855。纖維素最大理論含量（m）極顯著影響著纖維比強(qiáng)度，呈正相關(guān)性；m則與1的相關(guān)系數(shù)為0.4808，呈極顯著正相關(guān)性。

通過對(duì)纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間（）、開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的平均累積速率（1）和纖維素最大理論含量（m）與纖維比強(qiáng)度進(jìn)行曲線擬合（圖3）。其中，m與纖維比強(qiáng)度呈線性相關(guān)，決定系數(shù)為0.4713，達(dá)到極顯著性水平；與比強(qiáng)度呈線性相關(guān)，未達(dá)到顯著性水平。1與纖維比強(qiáng)度和m均呈二次曲線關(guān)系，決定系數(shù)分別為0.3615和0.5233，達(dá)到顯著性水平。

表3 纖維素累積特征值與比強(qiáng)度之間的相關(guān)分析

n=36。*和**表示0.05和0.01水平差異顯著。1和2表示纖維素快速累積期的起始時(shí)間和終止時(shí)間；表示纖維素快速累積期的持續(xù)時(shí)間；t表示快速累積期內(nèi)的平均累積速率；1表示鈴齡0 d至1的纖維素平均累積速率；m表示纖維素最大理論含量；表示纖維比強(qiáng)度。下同

n=36.*and**represent significant difference at 0.05 and 0.01 levels.1, the onset time of rapid cellulose deposition;2, the termination time of rapid cellulose deposition;, the duration of rapid cellulose deposition;t, the average rate of rapid cellulose deposition;1, the average rate from anthesis until the onset time of rapid cellulose deposition;m, the maximum cellulose content;, fiber bundle strength. The same as below

圖3 棉纖維素累積特征值與纖維比強(qiáng)度之間的關(guān)系

2.2 溫度對(duì)纖維素累積特征的影響及其關(guān)系

由表4可知，在棉花開花至纖維素快速累積起始時(shí)間（I段區(qū)），纖維素快速累積期起始時(shí)間（1）與該段區(qū)≥15℃有效積溫呈極顯著正相關(guān)性，開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的平均累積速率（1）則與≥15℃有效積溫呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.6589；1和1與其余溫度因子的相關(guān)系數(shù)均小于0.325，未達(dá)到顯著性相關(guān)水平。纖維素最大理論含量（m）除與≥15℃有效積溫呈負(fù)相關(guān)性外，與其他溫度因子呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.0926—0.2906，均未達(dá)到顯著性水平。纖維比強(qiáng)度與最低溫度、最高溫度、平均溫度和≥15℃有效積溫呈負(fù)相關(guān)性，且僅與≥15℃有效積溫的相關(guān)性達(dá)顯著性水平，相關(guān)系數(shù)為-0.3696。

在纖維素快速累積期起始時(shí)間至終止時(shí)間（II段區(qū)），纖維素累積特征受多個(gè)溫度因子的影響（表4）。纖維素快速累積期終止時(shí)間（t）除與≥15℃有效積溫?zé)o顯著性相關(guān)外，與最低溫度、最高溫度和平均溫度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.6825、-0.4674和-0.5690，呈極顯著負(fù)相關(guān)性，與日溫差呈極顯著正相關(guān)。纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間（）與最低溫度呈顯著負(fù)相關(guān)性，與≥15℃有效積溫呈極顯著正相關(guān)。纖維素快速累積期的平均累積速率（t）與最低溫度、最高溫度和平均溫度的相關(guān)系數(shù)大于0.418，呈極顯著正相關(guān)，而與≥15℃有效積溫和日溫差呈負(fù)相關(guān)，未達(dá)到顯著性水平。纖維素最大理論含量（m）僅與日溫差無顯著性外，與其余溫度因子均呈顯著和極顯著正相關(guān)性。纖維比強(qiáng)度僅與≥15℃有效積溫的相關(guān)系數(shù)大于0.325，達(dá)顯著性水平。開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的平均累積速率（1）與最低溫度、平均溫度和≥15℃有效積溫呈極顯著正相關(guān)性，而與最高溫度和日溫差的相關(guān)性未達(dá)到顯著性水平。

表4 棉纖維發(fā)育不同階段的溫度因子與纖維素累積特征的相關(guān)分析

在棉花開花至纖維素快速累積起始時(shí)間（I段區(qū)），選擇纖維素快速累積期起始時(shí)間（1）、開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的平均累積速率（1）和纖維比強(qiáng)度與該區(qū)段≥15℃有效積溫進(jìn)行曲線擬合（圖4）。其中，1與≥15℃有效積溫呈極顯著正線性相關(guān)，決定系數(shù)為0.6801；1則與≥15℃有效積溫呈極顯著負(fù)線性相關(guān)。纖維比強(qiáng)度與≥15℃有效積溫呈負(fù)線性相關(guān)，決定系數(shù)為0.1365，未達(dá)到顯著性水平。

在纖維素快速累積期起始時(shí)間至終止時(shí)間（II段區(qū)），選擇纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間（）、纖維素最大理論含量（m）、開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的平均累積速率（1）和纖維比強(qiáng)度與該區(qū)段≥15℃有效積溫進(jìn)行曲線擬合（圖5）。其中，和1與≥15℃有效積溫呈極顯著正線性相關(guān)，決定系數(shù)分別為0.4541和0.5615；m和纖維比強(qiáng)度與≥15℃有效積溫的決定系數(shù)分別為0.3216和0.1323，均未達(dá)到顯著性水平。

圖4 棉花開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間期間的≥15℃有效積溫與纖維素累積特征值及纖維比強(qiáng)度的關(guān)系

2.3 溫度與纖維素累積特征的定量關(guān)系分析

綜合以上分析，纖維比強(qiáng)度（）與開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的平均累積速率（1）呈顯著二次曲線關(guān)系，擬合方程見公式（7）。在棉花開花至纖維素快速累積起始時(shí)間（I段區(qū)），纖維素快速累積期起始時(shí)間（1）和開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的平均累積速率（1）與該段區(qū)≥15℃有效積溫（）呈極顯著線性關(guān)系，擬合方程見公式（8）、（9）。在纖維素快速累積期起始時(shí)間至終止時(shí)間（II段區(qū)），纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間（）和開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的平均累積速率（1）與該段區(qū)≥15℃有效積溫（）呈極顯著線性關(guān)系，擬合方程見公式（10）、（11）。

=-2.857612+8.80461+23.36 （7）

1= 0.0729+6.3119 （8）

1=-0.0049+1.7901 （9）

= 0.0667+8.1044 （10）

1= 0.0055+0.3201 （11）

當(dāng)要求纖維比強(qiáng)度≥30 cN/tex時(shí)，由公式（7）計(jì)算出所需要的1為1.32%·d-1—1.76%·d-1。據(jù)此，聯(lián)立方程（8）、（9）計(jì)算出，在棉花開花至纖維素快速累積起始時(shí)間（I段區(qū)）需要≥15℃有效積溫5.6℃—96.3℃，纖維素快速累積期起始時(shí)間（1）介于6.7—13.3 d。聯(lián)立方程（10）、（11）計(jì)算出，在纖維素快速累積期起始時(shí)間至終止時(shí)間（II段區(qū)），需要≥15℃有效積溫181.5℃—262.3℃，纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間（）介于20.2—25.6 d。

3 討論

3.1 纖維素累積特征與比強(qiáng)度的關(guān)系及受有效積溫的影響

棉花纖維素合成是棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[30]，其合成量的多少由累積速率和累積時(shí)間共同決定，≥15℃有效積溫則是影響纖維素累積的主要溫度因子[31]。在棉纖維發(fā)育前期（開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間），纖維素累積量與其累積速率密切相關(guān)（圖3），纖維素累積速率維持較高水平才能促使纖維素累積量接近或達(dá)到最大理論含量。本試驗(yàn)研究表明，棉纖維發(fā)育前期的累積速率（1）與比強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（表3），較高的1將有利于形成高強(qiáng)纖維；然而，持續(xù)增加≥15℃有效積溫則會(huì)致使1直線降低，纖維素快速累積期的起始時(shí)間（1）也顯著推遲（圖4）?？梢姡诿蘩w維發(fā)育前期，較多的有效積溫并不能提高纖維素的累積速率，這限制了纖維比強(qiáng)度的形成。

圖5 纖維素快速累積期起始時(shí)間至終止時(shí)間期間的≥15℃有效積溫與纖維素累積特征及纖維比強(qiáng)度的關(guān)系

棉花纖維素快速累積期的最主要特征參數(shù)是快速累積持續(xù)時(shí)間及累積速率。多數(shù)研究認(rèn)為，可將二者作為研究纖維素累積特征及與比強(qiáng)度關(guān)系的主要指標(biāo)[14-15]。前期研究表明，增加纖維素快速累積期的夜間溫度顯著延遲了纖維素快速累積期的起始時(shí)間（1），由此改變了開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的累積速率（1）。本研究表明，1隨纖維素快速累積期≥15℃有效積溫的增加而增加（圖5），較高的有效積溫可使1維持較高水平，而在棉纖維發(fā)育前期則表現(xiàn)相反的變化規(guī)律；造成這種差異的生理機(jī)制是什么，仍需深入分析?？梢?，在棉纖維發(fā)育不同階段≥15℃有效積溫對(duì)1的影響有所差異，適宜1有利于高強(qiáng)纖維的形成。

纖維素最大累積速率是影響纖維比強(qiáng)度的關(guān)鍵因子[32]，纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間長則比強(qiáng)度增幅大[4, 6]。在棉花生長后期，棉花纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間雖較長，但纖維素累積速率較低，比強(qiáng)度增幅較??；說明纖維素快速累積持續(xù)期和累積速率與纖維比強(qiáng)度的關(guān)系必須在一定條件下才成立[12]。本研究表明，在纖維素快速累積期≥15℃有效積溫的增加可使呈顯著的正線性延長趨勢(shì)（圖5），則與纖維素快速累積期的累積速率（t）呈極顯著負(fù)線性關(guān)系（表3），即纖維素快速累積期持續(xù)時(shí)間的延長降低了纖維素的累積速率?？梢?，在滿足纖維素所需的積溫條件下，使纖維素快速累積期的累積速率維持適宜范圍、延長快速累積期持續(xù)時(shí)間，才能促進(jìn)纖維素合成和提高纖維比強(qiáng)度。然而，在纖維素快速累積期，纖維比強(qiáng)度與t無顯著性關(guān)系，雖與纖維比強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)（表3），卻無顯著的定量關(guān)系（圖3）。前人研究表明，纖維比強(qiáng)度除受纖維素累積特征影響外，還與纖維取向分散角、取向分布角、螺旋角等超分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[33-34]，而超分子結(jié)構(gòu)與纖維素沉積的動(dòng)態(tài)變化是決定纖維比強(qiáng)度的根本原因[35]。那么，超分子結(jié)構(gòu)如何影響纖維素累積特征以及二者之間存在怎樣的定量關(guān)系，仍有待深入研究。

3.2 棉株頂部棉鈴開花日期的界定

棉花化學(xué)脫葉催熟是機(jī)采棉農(nóng)藝配套技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，脫葉催熟劑的使用加快了棉鈴成熟[36]和葉片脫落[37]。一般而言，合理使用脫葉催熟劑不僅能實(shí)現(xiàn)良好的脫葉催熟效果，并且可以降低對(duì)棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的負(fù)面影響[38-41]。在新疆棉區(qū)，脫葉催熟劑的使用需綜合考慮棉花頂部棉鈴鈴期、吐絮率及施用后的氣溫狀況。正常年份情況下，北疆棉區(qū)9月5日至10日，南疆和東疆棉區(qū)9月15日至20日施用脫葉催熟劑。本試驗(yàn)研究表明，在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，獲得比強(qiáng)度≥30 cN/tex的纖維，纖維素累積時(shí)間就需經(jīng)歷39.0—46.9 d。據(jù)此可推測(cè)出，北疆棉區(qū)棉花頂部棉鈴的開花日期應(yīng)在7月20日至8月1日，南疆和東疆棉區(qū)的則在7月30日至8月11日。此時(shí)，才能確保纖維素在鈴齡6.7—13.3 d進(jìn)入快速累積期，快速累積期持續(xù)20.2—25.6 d，纖維素累積時(shí)間經(jīng)歷了33 d左右，即北疆棉區(qū)在8月22日至9月3日、東疆和南疆棉區(qū)在9月1日至13日，纖維素累積才能結(jié)束快速累積。前期研究表明，在纖維素快速累積期終止時(shí)間之后，溫度對(duì)纖維比強(qiáng)度及纖維累積特征無顯著影響。有研究表明，過早使用脫葉催熟劑，勢(shì)必減少養(yǎng)料向棉鈴的供應(yīng)量，使棉鈴和纖維發(fā)育進(jìn)程受阻，增加了不成熟棉鈴及纖維的比例，導(dǎo)致產(chǎn)量下降和品質(zhì)變劣[36, 41]。在鈴齡30 d時(shí)噴施脫葉催熟劑，單鈴纖維重顯著降低了2.1 g，纖維比強(qiáng)度降幅高達(dá)3.8 cN/tex[42]。由此可看出，在北疆棉區(qū)8月1日開花的棉鈴、東疆和南疆棉區(qū)8月11日開花的棉鈴不宜在9月3日和9月13日之前使用脫葉催熟劑。

4 結(jié)論

在開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間，≥15℃有效積溫是影響纖維素快速累積起始時(shí)間（1）和開花至纖維素快速累積期起始時(shí)間的平均累積速率（1）的關(guān)鍵因素，較高的有效積溫顯著推遲了1、降低了1。在纖維素快速累積期，纖維素累積特征受多個(gè)溫度因子的影響，≥15℃有效積溫與和1均呈顯著正線性關(guān)系。可見，高強(qiáng)纖維的形成需要適宜的1，棉纖維不同發(fā)育階段所需的有效積溫有所差異。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Cellulose deposition characteristics of high strength cotton fiber and optimal temperature requirements in Xinjiang Region

TIAN Jingshan, ZHANG Xuyi, HU Xiaobing, SUI Longlong, ZHANG Pengpeng, WANG Wenmin, GOU Ling, ZHANG Wangfeng

(Agricultural College of Shihezi University/Key Laboratory of Oasis Eco-Agriculture, Xinjiang Production and Construction Corps, Shihezi 832003, Xinjiang)

【Objective】Xinjiang region is a major cotton growing-region in northwest China. Temperatures in the region, especially night-time temperatures, drop drastically at the end of the cotton growing season. The objective of research was to explicate the effects of temperatures on fiber development, so as to benefit to cotton production. 【Method】Three field experiments were conducted by different sowing dates, elevated night-time temperature during entire fiber development (from anthesis to boll opening) and elevated night-time temperature during different stage of fiber development (from anthesis to the onset of rapid cellulose deposition, between the onset and termination of rapid cellulose deposition, and from the termination of rapid cellulose deposition to boll opening). The effects of temperatures on cellulose deposition were analyzed to explore the temperature conditions for producing high fiber strength. 【Result】Fiber strength was significantly affected by the duration of rapid cellulose deposition (), the average rate of cellulose deposition from anthesis until the onset of rapid cellulose deposition (1) and the maximum cellulose content (m). Fiber strength was quadratically related to the1and was positively correlated with them. Growing degree days was the factor associated with cellulose deposition in cotton fiber. The relationship between both was going to go the other way during the different fiber developing stages. During the early stage of fiber development (anthesis to the onset of rapid cellulose deposition), growing degree days was significantly and negatively correlated with fiber strength, whereas there was positive relationship between both during the period between the onset and termination of rapid cellulose deposition. During the period from anthesis until the onset of rapid cellulose deposition, the average rate of cellulose deposition decreased as growing degree days increased, which had an unfavorable about fiber strength. During the period of rapid cellulose deposition, growing degree days increased significantly the cellulose deposition rate during from anthesis until the onset of rapid cellulose deposition and the duration time of rapid cellulose deposition, then fiber strength increased. There was a possibility of producing more than 30 cN/tex of fiber strength, when the following conditions were met: (1) the1was between 1.32%·d-1and1.76%·d-1; (2) cellulose deposition entered the onset of rapid cellulose deposition (1) at 6.7-13.3 days post-anthesis (dpa); (3) the duration of rapid cellulose deposition () was 20.2-25.6 days;(4) the time of cellulose deposition was 39.0-46.9 days, and (5) the growing degree days was 5.6℃-96.3℃ and 181.5℃-262.3℃ during from anthesis until the onset of rapid cellulose deposition and the duration time of rapid cellulose deposition, respectively. 【Conclusion】Therefore, growing degree days resulted in different effects on fiber strength during the different fiber developing, and the main reason was that growing degree days caused variability effects on the average cellulose rate during the period from anthesis until the onset of rapid cellulose deposition.

cotton; growing degree days; cellulose deposition; fiber strength; upper cotton boll

2018-05-14；

2018-07-27

國家自然科學(xué)基金（31560366）、國家科技支撐計(jì)劃（2014BAD09B03）

田景山，E-mail：tjshan1983@sina.com。

張旺鋒，E-mail：zhwf_agr@shzu.edu.cn。通信作者勾玲，E-mail：glxj8162@sina.com.cn