棉花纤维发育过程中晶区取向参数变化及与纤维比强度的关系

赵瑞海，韩春丽，白玉林，张旺锋，雷 军

(石河子大学/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】新疆作为我国最大的商品棉生产基地的地位举足轻重，在20世纪90年代初全国各产棉省区原棉纤维抽样调查时，总体上新疆的棉花纤维品质水平排在全国第一位[1-2]。但在90年代末时，新疆棉花纤维品质总体水平倒退严重，特别是长度、比强度等几项主要指标已经下降严重[3]。我国加入WTO以后，棉花市场和纺织行业对棉花纤维的内在品质提出了新的要求。我国棉花生产的发展要实现从产量型逐步向质量型转变[4]，因此，新疆的棉花生产在保证棉花产量稳定的基础上，研究如何进一步提高纤维的内在品质就具有极为重要的意义。作为重要的纺织原料，现代纺织加工业对棉花品质提出了更高的要求，除了要保证纤维长度一定以外，还要求纤维强度以及马克隆值等主要的内在品质指标达到一定的标准[5]。21世纪初期，我国棉花品种纤维长度(28～29 mm)及纤维比强度(27～29 cN/ tex)属中等水平，马克隆值在4.6左右[6]。这样的棉纤维可以用来纺中、低档棉纱，但无法满足纺高支纱的需求，这部分棉纤维仍需要通过进口获得[2]。这不仅对我国棉花产业发展造成了很大的冲击，同时也反映出国产原棉在品质上存在的问题，如何进一步改良提高棉花纤维品质性状显得越来越迫切[7]。【前人研究进展】作为衡量纤维品质的重要指标之一，棉花纤维强度除了受遗传、环境条件影响外，还取决于纤维发育过程中的加厚发育时期，这一时期主要是纤维素的逐渐沉积[8-12]。但当棉花不同栽培品种纤维素含量上升到一定限度以上，其对纤维比强度的影响较低[13]，棉纤维强度将主要受纤维的次生壁的加厚模式以及纤维超分子结构[14]。最终成熟纤维强度主要受超分子结构随纤维发育的变化及与纤维素沉积的相互配合的影响[15-16]。【本研究切入点】近年来，关于纤维结构与纤维比强度相关关系的报道已有不少[17-19]，但在新疆北疆棉区开展棉纤维晶区取向参数(分散角α、螺旋角φ、分布角ψ)的动态变化及对纤维强度影响的报道较少。在研究不同生态棉区、不同品种、不同播期和不同果枝部位棉纤维晶区取向参数差异性及与纤维强度关系的基础上，分析棉花纤维晶区取向三个参数在发育过程中的动态变化。探讨不同品种间纤维超分子结构与纤维强度的差异机理，揭示影响北疆棉区棉纤维强度形成的内部原因。【拟解决的关键问题】选取三个纤维品质不同的新疆自育棉花品种，统一播种后于花后30 d开始分阶段收取棉铃样品，手工分离棉铃的纤维和棉籽，混匀纤维，直至吐絮，统一测定纤维品质和晶区取向参数，研究3个品种纤维发育过程中晶区取向参数在的变化趋势，分析纤维晶区取向参数对比强度的影响，为棉纤维强度进一步优化提高提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

田间试验于2010年在新疆石河子大学农学院田间试验站(44°N，86°E)设点进行，试验地点土壤类型为灰漠土，0～20 cm土壤耕层含碱解氮56.65 mg/kg，速效磷15.54 mg/kg，速效钾194.67 mg/kg。

参试品种：新陆早16号(纤维比强度较高：33 cN/tex)；新陆早10号及新陆中13号(纤维比强度居中：29 cN/tex)。

1.2 方 法

1.2.1 处理

田间随机区组设计，3次重复，小区面积34 m2(2.0 m×17.0 m)。播种期依当地气候条件决定，留苗密度均为18×104株/hm2，田间管理措施依照当地高产田管理模式进行，并结合棉花长势进行化控和病虫害的防治。

1.2.2 取样

棉株开花后，选取棉株中部第五果枝第一果节当日开放的花进行挂牌标记，同时注明品种、开花日期。每品种挂花600朵。花后30 d开始取样，以后每隔5 d取样一次，直至吐絮，列出取样果枝棉铃开花期以及棉铃发育不同时期的温湿度条件。取样时间固定在早上8时，每次取10个大小相同的棉铃带回室内。手工分离棉铃的纤维和棉籽，混匀纤维，用于纤维品质和晶区取向参数(分散角α、螺旋角φ、分布角ψ)的测定。表1

1.3 数据处理

棉纤维样品送农业部棉花品质监督检验测试中心(河南.安阳)采用HVI900系列仪进行测定。纤维晶区取向参数于2011年送天津工业大学材料科学与化学工程学院材料化学系测定。采用美国BRUKER AXS公司产的D8 DISCOVER with GADDS型X射线衍射仪获得棉样002衍射峰方位角强度分布曲线，使用数学解析的方法，求得纤维晶区取向参数[20]。

数据处理采用Microsoft Excel、MathCAD2001和SPSS19.0统计分析软件完成。

表1 不同棉花品种棉铃不同发育阶段温湿条件
Table 1 Temperature and humidity during different growth stage of cotton boll in different cotton varieties

品种Varieties开花期Blossomdates(月/日)铃龄Bollage(d)平均气温Averagetemperature(℃)最高气温Highesttemperature(℃)最低气温Lowesttemperature(℃)日温差Temperaturedifference(℃)相对湿度Relativehumidity(%)≥15℃活动积温≥15℃effectiveaccumulatedtemperature(℃)新陆早16号Xinluzao1607/153025833382179315892352800703525333343175415882375911704025113347170516422305102940452486333516751660223911436050240732291618161122511213205523593200155016502198130690新陆早10号Xinluzao10新陆早13号Xinluzao1307/103025653306180914972548795103525233292175715342494908104024863268172815402498101910452471328016871593242211368050245332761662161523511251005523843185161115742352132060

2 结果与分析

2.1 不同棉花品种纤维晶区取向参数的变化

2.1.1 取向分散角α

三个陆地棉品种α角随纤维发育呈现出先降低后增大、前期逐渐优化、后期不断宽化的趋势，不利于高强纤维的形成。图1

不同品种间和不同花后天数间α角差异不显著。新陆早13号α角初始最高为20.96°，随纤维发育变化规律呈现高低不断波动的趋势，花后35、45及55 d时均比其前一生育阶段降低，在花后45 d达到最低值16.84°，随后逐渐增大，至花后55 d略有下降，最终值明显低于其他两个品种。新陆早16号α角初始居中为19.2°，至花后35 d时达到最低值15.75°，随纤维发育逐渐增大，开始不断宽化，在花后55 d时达到较高水平19.08°。新陆早10号α角初始值为三个品种中最低为17.5°，随着纤维发育，虽然在花后35和45 d α角略有降低为17.46°，但其逐渐变大逐渐宽化的趋势没有改变，在开花后55 d达到最高值为19.08°，与新陆早16号一致。最终取向分散角表现为新陆早16号=新陆早10号>新陆早13号。表2

图1 3个品种纤维晶区取向分散角
Fig.1 Comparison of cotton fiber orientational separate angle (°) in different varieties
表2 纤维晶区取向参数与比强度显著性检验
Table 2 Significant difference test between orientational parameter and fiber strength

方差来源Sorucesofvariation分散角αOrientationalseparateangle螺旋角φSpiralangle分布角ψOrientationaldistributionangle比强度Fiberstrength品种 Varieties02546443∗∗9454∗∗0956铃龄 Bollage18314641∗∗2858∗27951∗∗

注：*和**分别在0.05和0.01水平下差异显著

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

2.1.2 螺旋角φ

所有供试棉花品种φ角在纤维发育过程中均呈现逐渐变小的趋势，纤维发育前期纤维素沉积过程中，次生壁的取向性较差。不同品种间及花后天数间φ角差异极显著(P<0.01)。从动态分析发现，三个棉花品种φ角在纤维发育初期均为最高，新陆早16号、新陆早10号及新陆早13号分别为15.44、15.74和14.31°，随纤维发育逐渐优化，新陆早10号和新陆早13号在花后45 d达到最低值，分别为13.94和13.23°；新陆早16号在花后50 d达到最低值12.48°，随后开始不断宽化，在花后55 d时达到较高水平，三者表现为新陆早10号>新陆早13号>新陆早16号。不同品种间螺旋角存在着明显的差异，并将这种差异保持到了最后。表2，图2

图2 3个品种纤维晶区取向螺旋角
Fig.2 Comparison of cotton fiber spiral angle (°) in different varieties

2.1.3 取向分布角ψ

不同品种间及花后天数间ψ角差异亦达到极显著水平(P<0.01)。所有供试棉花品种，ψ角都随纤维发育变化差异较大，新陆早13号变化趋势与螺旋角相似，初始最高为29.2°，随纤维发育逐渐变小，不断优化，至花后50 d达到最低值27.3°，在发育后期略有上升。新陆早16号与新陆早10号变化规律相似，取向分布角呈现先上升后下降又升高的趋势。新陆早16号在花后35 d时取向分布角达到最高值31.2°，随后逐渐减小不断优化，至花后50 d时达到最低值26.9°，随后略有增大；新陆早10号在花后40 d取向分布角达到最高值31.7°，在5 d后减小优化至最低值28.77，随后开始不断宽化，在花后55 d时达到较高水平。最后三者取向分布角表现为新陆早10号>新陆早13号>新陆早16号。表2，图3

图3 3个品种纤维晶区取向分布角
Fig.3 Comparison of cotton fiber orientational parameters angle (°) in different varieties

2.2 不同棉花品种纤维比强度的变化

比强度能够很好的表明纤维次生壁加厚以及纤维成熟的程度。棉花发育期过程中，适宜的生态条件可促使棉纤维形成较厚次生壁，且成熟度较高，最终的比强度也较高[15]。不同品种间纤维比强度差异不显著，不同花后天数间差异达到极显著水平(P<0.01)。研究表明，不同品种间纤维比强度的动态变化趋势基本相同，在吐絮前某一时期便达到最大值，至吐絮期时略有下降。其中，新陆早10号和新陆早13号纤维比强度在花后45 d时达到最大值，分别为35.3 cN/tex和36.23 cN/tex，新陆早16号纤维比强度则在花后50 d时才达到最大值38.5 cN/tex，且明显高于其他两个品种，最终纤维比强度以新陆早16号最高，新陆早13号次之，新陆早10号最低。表2，图4

图4 3个品种纤维比强度
Fig.4 Comparison of cotton fiber strength in different varieties

2.3 棉纤维晶区取向参数与比强度的关系

从纤维比强度和晶区取向参数的相关性分析可以发现，在纤维发育不同阶段，纤维比强度均与晶区取向分布角和螺旋角存在一定的负相关关系，并且相关性随纤维发育逐渐增强；与分散角呈现出一定的正相关关系，但相关性不显著。在纤维发育过程中，随着晶区取向参数的不断降低(优化)，纤维比强度逐渐升高，取向分布角ψ与纤维比强度在花后40、45及50 d时均呈极显著负相关；螺旋角φ在花后40、50 d时与纤维比强度呈极显著负相关，在花后45及55 d时呈显著负相关；分散角α在纤维发育前期与纤维比强度呈正相关关系，在花后45及50 d时呈一定的负相关关系，与纤维比强度相关均不显著，说明在纤维发育早期螺旋角φ和分布角ψ的优化更有利于纤维比强度的提高；纤维晶区取向参数的变化，是纤维发育不同阶段比强度改变的原因之一。花后40 d是个关键点，晶区取向螺旋角φ和分布角ψ在此之前未表现出较为明显的优化趋势，甚至个别品种还呈现出逐渐增大宽化的趋势，螺旋角φ和分布角ψ与比强度具有一定的负相关关系，纤维比强度虽有所增加，但晶区取向参数的影响不显著；到花后40 d时，晶区取向螺旋角φ和分布角ψ明显减小，逐渐表现出较强的优化趋势，纤维比强度在此后逐渐达到最大值，二者呈极显著负相关关系，表明随着晶区取向螺旋角φ和分布角ψ的变小，纤维比强度不断变大，但在纤维发育后期，受晶区取向参数逐渐宽化的影响，比强度略有下降。表3

表3 晶区取向参数与纤维比强度的相关性
Table 3 Correlation coefficient between orientational parameters and fiber strength

变异因子Source晶区取向参数 Orientationalparameters铃龄(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**分别在0.05和0.01水平下差异显著

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

3 讨 论

形态结构、超分子结构和化学组成是影响棉花纤维强度的三个主要方面。在纤维发育过程中纤维素含量、聚合度均与纤维强度呈显著相关关系，且聚合度越高、纤维内部饱和越好，纤维强度越高[21]。而棉纤维晶区取向参数的动态变化及其变化过程中与纤维素沉积的相互配合，是造成成熟纤维强度差异的主要因素[14，22]。研究认为，在纤维发育过程中，取向参数和纤维比强度有明显的负相关关系，不同品种在纤维发育不同时期均表现出晶区取向参数较小(优化)者其纤维强度表现较高的规律，特别是取向分布角ψ和螺旋角φ与纤维强度有密切的相关性，甚至是强相关性，在纤维发育中后期，取向分布角ψ、螺旋角φ对纤维强度的影响要高于分散角α。这与前人研究认为的螺旋角φ、分散角α的差异均会造成棉纤维品质的差异，不同的棉种间纤维比强度受α角影响更大[17-18，22]有所区别。

在纤维加厚发育较早阶段，晶区参数取向性决定了不同棉花品种间纤维强度的差异，螺旋角φ与取向分布角ψ小的，其纤维强度也高[23]。纤维发育早期，螺旋角φ与分布角ψ变化较为平缓，对强度影响不大，40 d以后螺旋角φ与分布角ψ变化幅度较大，是影响比强度的主要因素。不同品种间纤维比强度在吐絮前达到最大值，至吐絮期时略有下降；在纤维发育过程中，不同品种其比强度与螺旋角φ、分布角ψ负相关性显著，但和分散角α相关性不显著。说明在纤维发育早期，螺旋角φ及分布角ψ优化更利于纤维比强度提高。45 d之前，与其他两个品种相比，新陆早16号纤维比强度均处于中低水平，对比其晶区取向参数，在此前也处于较高水平；但在45 d之后，新陆早16号晶区取向参数依旧保持较低的优化趋势，而新陆早10号、新陆早13号晶区取向参数则开始变大，逐渐宽化，这明显影响高强度纤维的形成，纤维比强度也逐渐表现出新陆早16号显著高于其他两个品种。虽然发育后期新陆早16号晶区取向参数亦开始变大宽化，但因其最终值，特别是取向分布角ψ和螺旋角φ仍然小于其他两个品种，最终，其纤维比强度仍处在一个较高水平。

4 结 论

海岛棉其纤维比强度明显高于陆地棉，而且其纤维的晶区取向参数也明显优于陆地棉[19]，因此，采用不同种间杂交手段改良陆地棉纤维晶区取向参数，从而培育出高强度的棉花品种。另外，棉纤维比强度在一定程度上还受种植地区生态环境的制约[1]，日均温、最低气温的降低会影响棉花纤维强度的增强[24]，而且，较高的环境温度的会造成纤维晶区取向参数变大，从而导致比强度的降低。随着纤维的发育三个品种纤维不同发育阶段日均温均逐渐降低，有利于晶区取向参数的优化，从而形成高强度纤维。新陆早16号在初始阶段日均温较高，而在花后50 d以后则明显低于新陆早10号和新陆早13号，较低的日均温更利于新陆早16号晶区取向参数的优化，进而提高纤维比强度，这也可能是其纤维比强度在花后50 d以后明显优于其他两品种的原因之一。

通过选用特定品种，结合遗传育种手段或化学调控技术，在纤维发育早期使φ角和ψ角变小，逐渐优化，是研究中和生产上增强纤维强度的有效方法。在生产过程中，通过调节播期、适期浇水或通过化控等栽培手段，在纤维发育早期就能形成φ角和ψ角较小的优化结构，并在花后40 d以后比强度形成的关键时期，使棉花能保持φ角和ψ角较小的优化趋势，从而提高纤维的比强度。

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[1] 郭柏林．我国棉花品质的地理评价[J]．上海农业学报，1996，12(3): 43-47．

GUO Bai-lin. (1996).Geographic evaluation of the quality of cotton produced in China [J].ActaAgriculturalShanghai, 12(3): 43-47. (in Chinese)

[2] 项时康，余楠，胡育昌，等．论我国棉花质量现状[J]．棉花学报，1999，11(1): 1-10．

XIANG Shi-kang, YU Nan, HU Yu-chang, et al. (1999). Discussion on the current situation of cotton quality in China [J].ActaGossypiiSinica, 11(1): 1-10. (in Chinese)

[3] 杜伟，孔庆平，李雪源．新疆棉花纤维品质现状与优化对策[J]．新疆农业科学，2001，38(3): 117-118．

DU Wei, KONG Qing-ping, LI Xue-yuan. (2001). Current situation of cotton fiber quality and optimum countermeasure [J].XinjiangAgriculturalSciences, 38(3): 117-118. (in Chinese)

[4] 喻树迅，魏晓文．我国棉花的演进与种质资源[J]．棉花学报，2002，14(1): 48-51．

YU Shu-xun, WEI Xiao-wen. (2002). Cotton evolution and its variety resource in China [J].CottonScience, 14(1): 48-51. (in Chinese)

[5] 汤庆峰，文启凯，田长彦，等．棉花纤维品质的形成机理及影响因子研究进展[J]．新疆农业科学，2003，40(4): 206-210．

TANG Qing-feng, WEN Qi-kai, TIAN Chang-yan, et al. (2003).A study process on formation mechanism of cotton fiber quality and its affecting factors [J].XinjiangAgriculturalSciences, 40(4): 206-210. (in Chinese)

[6] 唐淑荣，孟俊婷，褚平，等．我国棉花纤维品质现状分析[J]．江西农业学报，2007，19(7): 8-10．

TANG Shu-rong, MENG Jun-ting, CHU Ping, et al. (2007). Status and analysis of cotton fiber quality in China [J].ActaAgriculturaeJiangxi, 19(7): 8-10. (in Chinese)

[7] 易成新，潘泽义，刘文秀．棉花纤维品质指标及其提高问题[J]．安徽农学通报，2001，7(4): 36-38．

YI Cheng-xin, PAN Ze-yi, LIU Wen-xiu. (2001).Quality standard of cotton fiber and its improvemental measures [J].AnhuiAgriculturalSciences, 7(4): 36-38. (in Chinese)

[8] Carnachan, S. M., & Harris, P. J. (2000). Polysaccharide compositions of primary cell walls of the palms phoenix canariensis, and rhopalostylis sapida.PlantPhysiology&Biochemistry, 38(9): 699-708.

[9] Schubert, A. M, Benedict, C. R, Berlin, J. D, & Kohel, R. J. (1973). Cotton fiber development-kinetics of cell elongation and secondary wall thickening.CropScience, 13(6): 704-709.

[10] Benedict, C. R., Smith, R. H., & Kohel, R. J. (1973). Incorporation of 14c-photosynthate into developing cotton bolls, gossypium hirsutum l.1.CropScience, 13(1): 88-91.

[11] Delmer, D. P., & Haigler, C. H. (2002). The regulation of metabolic flux to cellulose, a major sink for carbon in plants.MetabolicEngineering, 4(1): 22-28.

[12] Meinert, M. C., & Delmer, D. P. (1977). Changes in biochemical composition of the cell wall of the cotton fiber during development.PlantPhysiology, 59(6): 1,088-1,097.

[13] 刘继华，尹承佾，于凤英，等．棉花纤维强度的形成机理与改良途径[J]．中国农业科学，1994，27(5): 10-16．

LIU Ji-hua, YIN Cheng-yi, YU Feng-ying, et al. (1994). Formation mechanism and improvement approach of cotton fiber strength [J].ScientiaAgruculturaSinica, 27(5): 10-16. (in Chinese)

[14] 刘继华，尹承佾，孙清荣，等．棉花纤维素累积与高强纤维形成[J]．核农学报，1991，5(4): 205-209．

LIU Ji-hua, YIN Cheng-yi, SUN Qing-rong, et al. (1991).The deposition of cellulose and correlation with fiber strength in cotton [J].JournalofNuclearAgriculturalSciences, 5(4): 205-209. (in Chinese)

[15] 刘继华，尹承佾，于凤英，等．棉花成熟纤维强度差异机制的研究[J]．棉花学报，1994，6(4): 201-205．

LIU Ji-hua, YIN Cheng-yi, YU Feng-ying, et al. (1994). Study on the mechanism of difference of cotton matured fiber strength [J].ActaGossypiiSinica, 6(4): 201-205. (in Chinese)

[16] 贾景农，边栋材，闻艳萍，等．棉纤维微观结构差异及与纤维强度的关系[J]．纺织学报，1992，13(5): 9-12．

JIA Jing-nong, BIAN Dong-cai, WEN Yan-ping, et al. (1992). Difference of super-molecular structure and its effect on cotton fiber strength [J].JournalofTextileResearch, 13(5): 9-12. (in Chinese)

[17] 陶灵虎，刘稳生，封国林，等．棉纤维品质性状与取向参数的关系[J]．作物学报，1998，24(2): 221-224．

TAO Ling-hu, LIU Wen-sheng, FENG Guo-lin, et al. (1998). The relationships between qualitative characters and orientational parameters of cotton fiber [J].ActaAgronomicaSinica, 24(2): 221-224. (in Chinese)

[18] 刘 新，陶灵虎，阮锡根．棉纤维品质性状差异形成机制的研究[J]．生物物理学报,1999，15(4): 620-626．

LIU Xin, TAO Ling-hu, RUAN Xi-gen, et al. (1999). Study on mechanism of difference of cotton fiber qualitative characters [J].ActaBiophysicaSinica, 15(4): 620-626. (in Chinese)

[19] 刘继华，尹承佾，于凤英，等．开花期对棉花纤维超分子结构与纤维强度动态变化的影响[J]．中国农业科学，1996，29(1): 59-65．

LIU Ji-hua, YIN Cheng-yi, YU Feng-ying, et al. (1996). Effects of anthesis date on the dynamic change of cotton fiber super-molecular structure and strength [J].ScientiaAgruculturaSinica, 29(1): 59-65. (in Chinese)

[20] 胡恒亮，穆祥祺．X射线衍射技术[M]. 北京：纺织工业出版社，1990:186．

HU Heng-liang, MU Xiang-qi. (1990).X-rayDiffractionTechnique[M]. Beijing : Textile Industry Press: 186. (in Chinese)

[21] 刘继华．棉花纤维强度及其形成机制[J]．山东农业大学学报(自然科学版)，1988，19(2): 98-104．

LIU Ji-hua. (1988). The cotton fiber strength and its getting mechanism [J].JournalofShandongAgriculturalUniversity(NaturalScienceEdition) , 19(2): 98-104. (in Chinese)

[22] 陶灵虎，刘 新，刘稳生，等．棉纤维超微结构的研究[J]．生物物理学报，2001，17(2): 245-252．

TAO Ling-hu, LIU Xin, LIU Wen-sheng, et al. (2001). A study on ultrastructure of cotton fiber [J].ActaBiophysicaSinica, 17(2): 245-252. (in Chinese)

[23] 刘继华，尹承佾，孙清荣，等．棉花纤维发育过程中细胞壁超分子结构的变化及与纤维强度的关系[J]．作物学报，1996，22(3): 325-330．

LIU Ji-hua, YIN Cheng-yi, SUN Qing-rong, et al. (1996). Dynamic changes of cotton (Gossypium) fiber cell wall supermolecular structure during the course of fiber development and correlation with its strength [J].ActaAgronomicaSinica, 22(3): 325-330. (in Chinese)

[24] 周治国，孟亚利，施培，等．日照时数时间分布对麦套棉铃主要品质性状的影响[J]．中国农业科学，1999，32(1):40-45．

ZHOU Zhi-guo, MENG Ya-li, SHI Pei, et al. (1996). Effects of distribution of sunshine hours on the main quality characteristics of cotton boll for the cotton-wheat double cropping [J].ScientiaAgruculturaSinica, 32(1): 40-45. (in Chinese)