棉纖維品質形成的生態(tài)基礎與模擬模型研究

1、編號： 時間：2021 年 x 月 x 日 書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟 書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟 頁碼：第 1 頁 共 14 頁第 1 頁 共 14 頁棉纖維品質形成的生態(tài)基礎與模擬模型研究進展摘 要：棉纖維品質的形成受品種遺傳性、環(huán)境生態(tài)因素和栽培措施的共同影響，具有較強的地域性，使得對棉纖維品質的調控難以綜合考慮多因子互作并準確預測品質形成趨勢。作物生長模型技術的核心是對生理生態(tài)過程及其相互關系的量化和整個作物生產系統知

2、識的綜合，進而實現對作物生長的動態(tài)預測與輔助調控。本文詳述了品種遺傳性、環(huán)境因素（溫度、光照、水分等）和栽培措施（施氮量等）對棉纖維品質的影響，分析了國內外纖維品質模型研究及其應用的現狀，認為有關纖維品質形成的生態(tài)基礎及模擬模型的研究缺乏系統性。因此，深入研究纖維品質形成與生態(tài)環(huán)境間的定量關系，建立基于生理生態(tài)過程的纖維品質形成模擬模型，實現對不同生態(tài)條件下纖維品質形成的動態(tài)預測，并構建基于過程模型和 GIS的纖維綜合品質地域分異評價系

3、統，對于完善棉花生長模型、解釋纖維品質形成過程，指導生產具有重要意義。關鍵詞：棉花（Gossypium hirsutum L） ；纖維品質；生態(tài)基礎；模擬模型；研究進展棉花是一種全球性的重要經濟作物和紡織原料，高度可變的纖維物理性狀是纖維加工的基礎，影響成紗品質和加工效率[1]。棉纖維長度、比強度、馬克隆值（細度、成熟度）是衡量纖維品質優(yōu)劣的主要指標，隨著氣流紡等高速、高效棉紡設備的問世，紡織工業(yè)要求纖維具有強度高、馬克隆值適中、成熟度

4、好等性能[2]。在提高產量的同時改進纖維質量是棉花生產的共同目標[3-4]。棉纖維品質形成是品種遺傳特性[5]、環(huán)境生態(tài)因素[6-9]和栽培措施[10-12]共同作用的結果，統計美國國家品種試驗 18 年的資料認為[13]：纖維長度、比強度、馬克隆值（細度、成熟度）的品種變異分別為 75.1%、70.9%、25.3%，環(huán)境變異分別為15.4%、17.7%、58.8%，品種與環(huán)境互作分別為 5.7%、11.4%、15.9%。環(huán)境改變首先影

5、響纖維產量，前人針對環(huán)境和栽培措施對產量影響的研究較為透徹，對纖維品質因響應環(huán)境和栽培措施所產生變異的研究則相對薄弱，而決定纖維最終使用價值和經濟價值的是纖維的質量并非其數量。因此，研究、量化環(huán)境和栽培措施對纖維品質形成的影響，并應用量化的關系指導棉花生產管理具有重要意義。但由于纖維品質形成受多種因素的影響，具有較強的地域性。在不同條件下種植的同一品種棉花，其纖維品質差異較大[14-16]，使得在不同生態(tài)區(qū)域針對纖維品質形成的生產管理難

6、以綜合考慮多因子互作、準確預測生產趨勢并量化生產管理技術。近年來，信息技術廣泛應用于農業(yè)領域，其發(fā)展為作物生產管理的現代化和信息化提供了新的方法和手段。其中，作物生長模型技術是作物生產信息化編號： 時間：2021 年 x 月 x 日 書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟 書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟 頁碼：第 3 頁 共 14 頁第 3 頁 共 14 頁生壁的建成和質量。纖維次生壁內側在伸長與加厚發(fā)育 10 d 左右的重疊期內就開始大量沉積

7、結晶態(tài)纖維素[36]。在纖維發(fā)育期，轉運的碳水化合物除用于呼吸代謝、提供能量外，幾乎都用于纖維素的合成[37]?？梢酝茢嗬w維次生壁的建成和質量與纖維素的合成與積累密切相關[38]。纖維素是由 β-1,4-D 葡聚糖的單聚體聚合而成[39-40]，纖維素聚合度的增加和纖維胞壁的加厚都是通過葡萄糖殘基在纖維素側鏈上的聯結完成[41]，只有聚合度達到 3000 以上的纖維素才具備抗拉伸能力，而初生壁的聚合度一般為 1000-3000[42]，

8、即在次生壁形成前，纖維無機械強力。關于纖維比強度與纖維素關系的研究以前一直認為纖維比強度與纖維素含量成正比[43]，最近研究纖維比強度的品種遺傳性差異與纖維素累積速率關系的結果表明[44]：當棉花纖維素含量達到一定限度后(≥85%)，其對最終纖維比強度的影響較小，纖維比強度的形成主要取決于纖維次生壁加厚期纖維素的累積特性，其中纖維素最大累積速率和快速累積持續(xù)期在品種間的變異性最大，前者與纖維比強度呈極顯著負相關，后者與纖維比強度呈極顯著

9、正相關，且高強纖維的形成是以纖維素平緩累積為基礎的。在纖維加厚發(fā)育期，隨細胞壁厚度的增加，細胞的中腔和外直徑逐漸變小，單纖維強力和成熟度逐漸增加，花后 25-45 d 是纖維強度、馬克隆值和細度形成的關鍵時期，花后 45 d 以后纖維各品質性狀變化較小[45]。在花后 45-60 d，棉鈴開裂、吐絮。棉鈴開裂前，纖維中腔內原生質及水分較多，棉鈴開裂后，纖維開始脫水，細胞死亡，由于纖維束從基部到頂部以螺旋方向沉積，纖維脫水產生內應力，引起

10、表面收縮和轉曲。成熟纖維的橫切面由外向內依次包括初生壁、次生壁和中腔。這一時期，纖維主要發(fā)生脫水扭曲等生物物理變化，最終形成成熟纖維，各品質性狀不再變化。2 影響棉花纖維品質形成的主要因素棉花品種遺傳性是決定纖維分化、伸長、加厚及品質形成的直接原因[44]。溫度、水分、光照等生態(tài)因素顯著影響纖維品質的形成[46-47]。此外，纖維品質的形成還受棉株內部和外部其他因素的影響，如棉株生理年齡[48]、外源活性物質[49]和礦質營養(yǎng)[10]等