新疆產棉區高強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

?

新疆產棉區高強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

（石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832003）

【目的】新疆是我國主要產棉區，該區棉花生育后期氣溫下降快。明確生育后期溫度對棉纖維發育的影響，對新疆優質棉生產提供指導。【方法】采用分期播種、整段夜間增溫（棉纖維發育期）和階段夜間增溫（開花至纖維素快速累積期起始時間、纖維素快速累積期和纖維素快速累積期終止時間至吐絮）的方式，使棉纖維發育處于不同的溫度環境下，研究溫度對纖維素累積特征的影響及其相互關系。【結果】結果表明，棉纖維比強度受纖維素快速累積期持續時間（）、開花至纖維素快速累積期起始時間的平均累積速率（1）和纖維素最大理論含量（m）的顯著影響，其中棉纖維比強度與1呈顯著二次曲線關系、與m呈極顯著線性關系。棉纖維發育期≥15℃有效積溫是影響纖維比強度的主要溫度因子，在開花至纖維素快速累積期起始時間內二者呈顯著負相關關系，在纖維素快速累積期則呈顯著正相關關系。自棉花開花至纖維素快速累積期起始時間內，較多的有效積溫使纖維素在這段時間的平均累積速率（1）直線降低，這并不利于纖維比強度的提高。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時間（）隨有效積溫的增加而顯著延長，纖維比強度亦呈增加趨勢。若獲取≥30 cN/tex的纖維比強度，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進入快速累積期，快速累積期持續20.2—25.6 d，纖維素累積時間經歷39.0—46.9 d；在開花至纖維素快速累積期起始時間內需要≥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℃。【結論】棉纖維不同發育階段≥15℃有效積溫對1影響的差異性是造成纖維比強度差異的主要原因，適宜1有利于形成高強纖維。

棉花；有效積溫；纖維素累積速率；比強度；頂部棉鈴

0 引言

【研究意義】新疆屬典型大陸性干旱氣候，具有發展棉花的資源優勢，棉花總產量占全國總產量的60%以上。然而，分析我國新體制棉花公證檢驗質量數據發現，纖維比強度以新疆棉區最低，且“強級”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纖維發育的關鍵因素[2]。開展棉花纖維比強度與溫度關系的研究，探討改善纖維品質成為棉花育種和栽培研究的重要內容。【前人研究進展】棉纖維比強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側[6-7]，促使次生壁幾乎全部由纖維素組成[8]。前人研究表明，纖維素沉積時間的早晚對纖維成熟度及產量有著極其重要作用[9]，高強纖維的棉花品種在棉纖維發育過程中能較早的進入次生壁加厚期[10-11]。棉纖維比強度的形成存在明顯的基因型差異[12-15]，高強纖維的形成與纖維素累積相協調，纖維素平緩累積且快速累積期歷時長，其纖維比強度的增長幅度大，最終比強度較高[4, 16-19]。有研究認為可將纖維素最大累積速率和快速累積持續期作為研究纖維素累積特征及與纖維比強度關系的主要指標[13-14]，張文靜等[12]則認為晚秋桃的纖維素快速累積持續期較長、纖維素累積速率較低，纖維比強度增長的幅度較小，最終比強度則較低，說明纖維素快速累積持續期和累積速率與纖維比強度的關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度的形成，快速累積持續時間長易形成高強纖維，累積速率過快或過慢似乎均不利于形成高強纖維。溫度是影響棉纖維發育的首要生態因子，如何在有限時間內多結鈴、結優質鈴，是新疆棉花持續高產優質的關鍵所在[20]。在諸多溫度因子中以最低溫度研究報道居多，低溫通過改變纖維素累積量及累積特征實現對纖維比強度的影響[4, 19, 21]，主要表現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時間明顯延長[4, 22]。前人研究證實，纖維比強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]，卻延長了纖維比強度快速增加持續期，利于比強度的增加[5, 23, 25]。【本研究切入點】棉纖維發育可分為分化、伸長、次生壁加厚和脫水成熟4個有重疊的時期[26-27]，溫度因子在棉纖維不同發育階段是如何影響纖維素累積特征，仍有待深入研究。棉花結鈴具有很強的時空補償能力，可通過各項栽培管理措施調控結鈴的時空分布，以滿足棉鈴發育所需的溫光資源，協調纖維素沉積特征實現棉花提質增產[8]。【擬解決的關鍵問題】本研究采用分期播種和夜間增溫的方式，使棉纖維發育處于不同的溫度環境，分析溫度對纖維素累積特征的影響，探討適宜纖維素累積和形成高強纖維的溫度條件，以期根據環境溫度的監測來制定栽培調控措施改善棉纖維品質。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗一：播期試驗。2008—2009、2015年在石河子大學農學試驗站（45°19′N，86°03′E）進行，2016年在新疆烏蘭烏蘇農業氣象試驗站（44°17′N，85°49′E）進行。采用分期播種方法使棉鈴發育處于不同溫度條件下，2008—2009年設3個播期，供試棉花品種選擇新陸早13號；2015年設2個播期，供試棉花品種選擇新陸早24號和新陸早33號；2016年設3個播期，供試棉花品種選擇新陸早59號。隨機區組設計，重復3次，留苗密度19×104株/hm2—22×104株/hm2。待棉株開花后，對中部果枝（第5—6果枝）第1果節當日所開白花掛牌標記。具體播種日期和掛花日期見表1。第I播期在棉纖維發育期（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 棉纖維發育期不同播期間最低溫度的變化

試驗二：整段增溫試驗。在石河子大學農學試驗站進行，2010年供試棉花品種選擇新陸早13號和新陸早33號，2015年選擇新陸早33號；試驗設夜間增溫處理（N），夜間溫度控制在20±1℃，以自然溫度為對照（CK），隨機區組設計，小區面積為9.0 m2（長×寬= 6.0 m×1.5 m），重復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果節當日所開白花掛牌標記，并進行夜間增溫處理，加溫時間段根據當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。與自然環境相比，棉纖維發育期進行整段增溫（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 播期試驗的播種日期和掛花日期

表2 棉花纖維發育期夜間增溫開始和結束日期及期間最低溫度和夜間相對濕度與對照的差值

圖2 棉纖維發育期夜間增溫期間的最低溫度及與對照的差值

試驗三：階段增溫試驗。在石河子大學農學試驗站進行，采用階段增溫的方式，2014年設置開花至纖維素快速累積期起始時間（N1）、快速累積期（N2）和快速累積期終止時間至吐絮（N3）3個增溫時段，供試棉花品種選擇新陸早13號和新陸早33號；2015年設置開花至纖維素快速累積期的起始時間（N1）和快速累積期（N2）2個增溫時段，供試棉花品種選擇新陸早33號。增溫時段夜間溫度控制在20±1℃，以自然溫度為對照（CK），隨機區組設計，小區面積為9.0 m2（長×寬=6.0 m×1.5 m），重復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），均對第1果節當日所開白花掛牌標記，并進行夜間增溫處理，加溫時間段根據當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℃，快速累積期終止時間至吐絮進行階段增溫N3升高了1.6℃（表2，圖2）；階段增溫N1在棉鈴發育期（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年的增溫設施參照田景山等[18]的增溫裝置，采用遠紅外石英管作為加熱源，通過鼓風機將加熱的空氣沿管道輸送至半移動式保溫箱（Semi-mobile incubator），實現棉花冠層增溫，并通過智能溫度控制儀控制溫度；半移動式保溫箱分為上、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”實現[28]，該裝置由氣室主構架、加熱換氣裝置和溫度控制裝置3部分組成。氣室主構架安裝在試驗區，通過置于卷筒式紗窗的聚乙烯塑料實現氣室的開放與封閉。管道加熱器將送風機送入的空氣加熱后輸至輸氣管，輸氣管沿途開有散熱孔，將熱空氣吹向試驗區；溫度控制器連接管道加熱器以控制氣室內的溫度。

1.3 取樣與測定

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

纖維素含量采用蒽酮比色法測定[29]。將自然風干的纖維樣品混勻，用棉花纖維拉伸儀制成棉條，用Y-162A型束纖維強力機測定3.2 mm隔距比強度，測6次重復，取平均值作為試樣代表值，并用農業部棉花品質監督檢驗測試中心的測定結果修正。

1.4 Logistic模型及其特征值

棉纖維發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，該模型參數能較好地分析棉纖維發育過程中纖維素的累積特征。對（1）式求1階、2階和3階導數，可得出纖維素快速累積期的起始時間（1）和終止時間（2）、快速累積持續時間（），將1和2分別代入（1）式即得1、2時的纖維素含量1、2，進一步可得出快速累積期內的平均累積速率t和鈴齡0 d至1的平均累積速率1。

（4）

（5）

1.5 氣象資料

棉花冠層溫度數據用HOBO（Onset，美國）空氣溫濕度記錄儀自動采集，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。根據棉花纖維素快速累積期的起始時間（1）和終止時間（2），將棉纖維發育期劃分為I段（開花—1）和II段（1—2），并選取各段區的最低溫度、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纖維素累積的溫度因子。

2 結果

2.1 纖維素累積特征對比強度的影響及其關系

由表3可知，纖維比強度與纖維素快速累積期的起始時間（1）和快速累積期的平均累積速率（t）呈負相關性，相關系數分別為-0.3001和-0.0929，未達到顯著性水平。纖維素快速累積期持續時間（）和開花至纖維素快速累積期起始時間的平均累積速率（1）與比強度呈顯著正相關性，相關系數為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度，呈正相關性；m則與1的相關系數為0.4808，呈極顯著正相關性。

通過對纖維素快速累積期持續時間（）、開花至纖維素快速累積期起始時間的平均累積速率（1）和纖維素最大理論含量（m）與纖維比強度進行曲線擬合（圖3）。其中，m與纖維比強度呈線性相關，決定系數為0.4713，達到極顯著性水平；與比強度呈線性相關，未達到顯著性水平。1與纖維比強度和m均呈二次曲線關系，決定系數分別為0.3615和0.5233，達到顯著性水平。

表3 纖維素累積特征值與比強度之間的相關分析

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間和終止時間；表示纖維素快速累積期的持續時間；t表示快速累積期內的平均累積速率；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度之間的關系

2.2 溫度對纖維素累積特征的影響及其關系

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

在纖維素快速累積期起始時間至終止時間（II段區），纖維素累積特征受多個溫度因子的影響（表4）。纖維素快速累積期終止時間（t）除與≥15℃有效積溫無顯著性相關外，與最低溫度、最高溫度和平均溫度的相關系數分別為-0.6825、-0.4674和-0.5690，呈極顯著負相關性，與日溫差呈極顯著正相關。纖維素快速累積期持續時間（）與最低溫度呈顯著負相關性，與≥15℃有效積溫呈極顯著正相關。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系數大于0.418，呈極顯著正相關，而與≥15℃有效積溫和日溫差呈負相關，未達到顯著性水平。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性。纖維比強度僅與≥15℃有效積溫的相關系數大于0.325，達顯著性水平。開花至纖維素快速累積期起始時間的平均累積速率（1）與最低溫度、平均溫度和≥15℃有效積溫呈極顯著正相關性，而與最高溫度和日溫差的相關性未達到顯著性水平。

表4 棉纖維發育不同階段的溫度因子與纖維素累積特征的相關分析

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

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

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

2.3 溫度與纖維素累積特征的定量關系分析

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

當要求纖維比強度≥30 cN/tex時，由公式（7）計算出所需要的1為1.32%·d-1—1.76%·d-1。據此，聯立方程（8）、（9）計算出，在棉花開花至纖維素快速累積起始時間（I段區）需要≥15℃有效積溫5.6℃—96.3℃，纖維素快速累積期起始時間（1）介于6.7—13.3 d。聯立方程（10）、（11）計算出，在纖維素快速累積期起始時間至終止時間（II段區），需要≥15℃有效積溫181.5℃—262.3℃，纖維素快速累積期持續時間（）介于20.2—25.6 d。

3 討論

3.1 纖維素累積特征與比強度的關系及受有效積溫的影響

棉花纖維素合成是棉花產量和纖維品質形成的物質基礎[30]，其合成量的多少由累積速率和累積時間共同決定，≥15℃有效積溫則是影響纖維素累積的主要溫度因子[31]。在棉纖維發育前期（開花至纖維素快速累積期起始時間），纖維素累積量與其累積速率密切相關（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到最大理論含量。本試驗研究表明，棉纖維發育前期的累積速率（1）與比強度呈顯著正相關關系（表3），較高的1將有利于形成高強纖維；然而，持續增加≥15℃有效積溫則會致使1直線降低，纖維素快速累積期的起始時間（1）也顯著推遲（圖4）。可見，在棉纖維發育前期，較多的有效積溫并不能提高纖維素的累積速率，這限制了纖維比強度的形成。

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

棉花纖維素快速累積期的最主要特征參數是快速累積持續時間及累積速率。多數研究認為，可將二者作為研究纖維素累積特征及與比強度關系的主要指標[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間（1），由此改變了開花至纖維素快速累積期起始時間的累積速率（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，而在棉纖維發育前期則表現相反的變化規律；造成這種差異的生理機制是什么，仍需深入分析。可見，在棉纖維發育不同階段≥15℃有效積溫對1的影響有所差異，適宜1有利于高強纖維的形成。

纖維素最大累積速率是影響纖維比強度的關鍵因子[32]，纖維素快速累積期持續時間長則比強度增幅大[4, 6]。在棉花生長后期，棉花纖維素快速累積期持續時間雖較長，但纖維素累積速率較低，比強度增幅較小；說明纖維素快速累積持續期和累積速率與纖維比強度的關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（圖5），則與纖維素快速累積期的累積速率（t）呈極顯著負線性關系（表3），即纖維素快速累積期持續時間的延長降低了纖維素的累積速率。可見，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時間，才能促進纖維素合成和提高纖維比強度。然而，在纖維素快速累積期，纖維比強度與t無顯著性關系，雖與纖維比強度呈顯著正相關（表3），卻無顯著的定量關系（圖3）。前人研究表明，纖維比強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、螺旋角等超分子結構密切相關[33-34]，而超分子結構與纖維素沉積的動態變化是決定纖維比強度的根本原因[35]。那么，超分子結構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

棉花化學脫葉催熟是機采棉農藝配套技術的關鍵環節，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現良好的脫葉催熟效果，并且可以降低對棉花產量和纖維品質的負面影響[38-41]。在新疆棉區，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9月5日至10日，南疆和東疆棉區9月15日至20日施用脫葉催熟劑。本試驗研究表明，在現有生產條件下，獲得比強度≥30 cN/tex的纖維，纖維素累積時間就需經歷39.0—46.9 d。據此可推測出，北疆棉區棉花頂部棉鈴的開花日期應在7月20日至8月1日，南疆和東疆棉區的則在7月30日至8月11日。此時，才能確保纖維素在鈴齡6.7—13.3 d進入快速累積期，快速累積期持續20.2—25.6 d，纖維素累積時間經歷了33 d左右，即北疆棉區在8月22日至9月3日、東疆和南疆棉區在9月1日至13日，纖維素累積才能結束快速累積。前期研究表明，在纖維素快速累積期終止時間之后，溫度對纖維比強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，勢必減少養料向棉鈴的供應量，使棉鈴和纖維發育進程受阻，增加了不成熟棉鈴及纖維的比例，導致產量下降和品質變劣[36, 41]。在鈴齡30 d時噴施脫葉催熟劑，單鈴纖維重顯著降低了2.1 g，纖維比強度降幅高達3.8 cN/tex[42]。由此可看出，在北疆棉區8月1日開花的棉鈴、東疆和南疆棉區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 結論

在開花至纖維素快速累積期起始時間，≥15℃有效積溫是影響纖維素快速累積起始時間（1）和開花至纖維素快速累積期起始時間的平均累積速率（1）的關鍵因素，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溫度因子的影響，≥15℃有效積溫與和1均呈顯著正線性關系。可見，高強纖維的形成需要適宜的1，棉纖維不同發育階段所需的有效積溫有所差異。

[1] 田景山, 張煦怡, 張旺鋒. 新疆近年機采棉發展過程中的棉纖維品質變化. 中國棉花, 2017, 44(12): 27-31, 34.

TIAN J S, ZHANG X Y, ZHANG W F. Change of fiber quality along with the development of machine-harvested cotton in Xinjiang., 2017, 44(12): 27-31, 34. (in Chinese)

[2] 過興先, 曾偉. 新疆棉區的氣溫和棉鈴發育關系的研究. 作物學報, 1989, 15(3): 202-212.

GUO X X, ZENG W. A study on relationship between temperature and cotton boll development in Xinjiang., 1989, 15(3): 202-212. (in Chinese)

[3] SHU H M, ZHOU Z G, XU N Y, WANG Y H, ZHENG M. Sucrose metabolism in cotton (L.) fibre under low temperature during fibre development., 2009, 31(2): 61-68.

[4] WANG Y H, SHU H M, CHEN B L, MCGIFFEN Jr M E, ZHANG W J, XU N Y, ZHOU Z G. The rate of cellulose increase is highly related to cotton fibre strength and is significantly determined by its genetic background and boll period temperature., 2009, 57(3): 203-209.

[5] DAI Y J, CHEN B L, MENG Y L, ZHAO W Q, ZHOU Z G. OOSTERHUIS D M, WANG Y H. Effects of elevated temperature on sucrose metabolism and cellulose synthesis in cotton fibre during secondary cell wall development., 2015, 42(9): 909-919.

[6] MEINERT M C, DELMER D P. Change in biochemical composition of the cell wall of the cotton fiber during development., 1977, 59(6): 1088-1097.

[7] TOKUMOTO H, WAKABAYASHI K, KAMISAKA S, HOSON T. Changes in the sugar composition and molecular mass distribution of matrix polysaccharides during cotton fiber development., 2002, 43(4): 411-418.

[8] Haigler C H, ZHANG D S, Wilkerson C G. Biotechnological improvement of cotton fibre maturity., 2005, 124(3): 285-294.

[9] Abidi N, Hequet E, Cabrales L. Changes in sugar composition and cellulose content during the secondary cell wall biogenesis in cotton fibers., 2010, 17(1): 153-160.

[10] Hinchliffe D J, Meredith W R, Delhom C D, Thibodeaux D P, Fang D D. Elevated growing degree days influence transition stage timing during cotton fiber development resulting in increased fiber-bundle strength., 2011, 51(4): 1683-1692.

[11] Hinchliffe D J, Meredith W R, Yeater K M, Kim H J, Woodward A W, CHEN Z J, Triplett B A. Near-isogenic cotton germplasm lines that differ in fiber-bundle strength have temporal differences in fiber gene expression patterns as revealed by comparative high-throughput profiling., 2010, 120(7): 1347-1366.

[12] 張文靜, 胡宏標, 陳兵林, 王友華, 周治國. 棉花季節桃加厚發育生理特性的差異及與纖維比強度的關系. 作物學報, 2008, 34(5): 859-869.

ZHANG W J, Hu H B, CHEN B L, WANG Y H, ZHOU Z G. Difference of physiological characteristics of cotton bolls in development of fiber thickening and its relationship with fiber strength., 2008, 34(5): 859-869. (in Chinese)

[13] 張文靜, 胡宏標, 王友華, 陳兵林, 束紅梅, 周治國. 棉纖維發育相關酶活性的基因型差異與纖維比強度的關系. 中國農業科學, 2007, 40(10): 2177-2184.

ZHANG W J, Hu H B, WANG Y H, CHEN B L, SHU H M, ZHOU Z G. Fiber strength and enzyme activities of different cotton genotypes during fiber development., 2007, 40(10): 2177-2184. (in Chinese)

[14] 束紅梅, 王友華, 陳兵林, 胡宏標, 張文靜, 周治國. 棉花纖維素累積特性的基因型差異與纖維比強度形成的關系. 作物學報, 2007, 33(6): 921-926.

SHU H M, WANG Y H, CHEN B L, Hu H B, ZHANG W J, ZHOU Z G. Genotypic differences in cellulose accumulation of cotton fiber and its relationship with fiber strength., 2007, 33(6): 921-926. (in Chinese)

[15] ZHANG W J, SHU H M, Hu H B, CHEN B L, WANG Y H, ZHOU Z G. Genotypic differences in some physiological characteristics during cotton fiber thickening and its influence on fiber strength., 2009, 31(5): 927-935.

[16] 束紅梅, 王友華, 張文靜，周治國. 兩個棉花品種纖維發育關鍵酶活性變化特性及其與纖維比強度的關系. 作物學報, 2008, 34(3): 437-446.

SHU H M, WANG Y H, ZHANG W J, ZHOU Z G. Activity changes for enzymes associated with fiber development and relation to fiber strength in two cotton cultivars., 2008, 34(3): 437-446. (in Chinese)

[17] 劉娟, 宋憲亮, 朱玉慶, 李學剛, 陳二影, 孫學振. 高品質陸地棉蔗糖代謝關鍵酶活性對纖維品質形成的影響. 作物學報, 2008, 34(10): 1781-1787.

Liu J, Song X L, Zhu Y Q, Li X G, CHEN E Y, Sun X Z. Effects of key activities in sucrose metabolism on fiber quality in high quality upland cotton., 2008, 34(10): 1781-1787. (in Chinese)

[18] 田景山, 虎曉兵, 勾玲, 羅宏海, 張亞黎, 趙瑞海, 張旺鋒. 新疆棉花生育后期夜間增溫對纖維產量和比強度的影響. 作物學報, 2012, 38(1): 140-147.

Tian J S, Hu X B, Gou L, Luo H H, ZHANG Y L, Zhao R H, ZHANG W F. Effects of nighttime temperature increase at the late growth stage on the cotton fiber yield and fiber strength in Xinjiang., 2012, 38(1): 140-147. (in Chinese)

[19] Tian J S, Hu Y Y, Gan X X, ZHANG Y L, Hu X B, Gou L, Luo H H, ZHANG W F. Effects of increased night temperature on cellulose synthesis and the activity of sucrose metabolism enzymes in cotton fiber., 2013, 12(6): 979-988.

[20] 白巖, 毛樹春, 田立文, 李莉, 董合忠. 新疆棉花高產簡化栽培技術評述與展望. 中國農業科學, 2017, 50(1): 38-50.

BAI Y, MAO S C, TIAN L W, LI L, DONG H Z. Advances and prospects of high-yielding and simplified cotton cultivation technology in Xinjiang cotton-growing area., 2017, 50(1): 38-50. (in Chinese)

[21] Gipson J R, Joham H E. Influence of night temperature on growth and development of cotton (L.). I. Fruiting and boll development., 1968, 60(3): 292-295.

[22] 蔣光華, 孟亞利, 陳兵林, 卞海云, 周治國. 低溫對棉纖維比強度形成的生理機制影響. 植物生態學報, 2006, 30(2): 335-343.

JIANG G H, MENG Y L, CHEN B L, BIAN H Y, ZHOU Z G. Effects of low temperature on physiological mechanisms of cotton fiber strength formation process., 2006, 30(2): 335-343. (in Chinese)

[23] 郭林濤, 徐波, 周治國, 趙文青, 王友華. 棉纖維發育響應高溫脅迫的關鍵時間窗口. 應用生態學報, 2015, 26(8): 2428-2436.

GUO L T, XU B, ZHOU Z G, ZHAO W Q, WANG Y H. Key time window of fiber quality formation in response to short-term higher temperature stress., 2015, 26(8): 2428-2436. (in Chinese)

[24] CHEN Y L, WANG H M, HU W, WANG S S, SNIDER J L, ZHOU Z G. Co-occurring elevated temperature and waterlogging stresses disrupt cellulose synthesis by altering the expression and activity of carbohydrate balance-associated enzymes during fiber development in cotton., 2017, 135: 106-117.

[25] 賀新穎, 周治國, 戴艷嬌, 強志英, 陳兵林, 王友華. 鈴期增溫對棉花產量、品質的影響及其生理機制. 應用生態學報, 2013, 24(12): 3501-3507.

HE X Y, ZHOU Z G, DAI Y J, QIANG Z Y, CHEN B L, WANG Y H. Effect of increased temperature in boll period on fiber yield and quality of cotton and its physiological mechanism., 2013, 24(12): 3501-3507. (in Chinese)

[26] JASDANWALA R T, SING Y D, CHINOY J J. Auxin metabolism in developing cotton hairs., 1977, 28(5): 1111-1116.

[27] GOKANI S J, THAKER V S. Physiological and biochemical changes associated with cotton fiber development Ⅸ. Role of IAA and PAA., 2002, 77: 127-136.

[28] 田景山, 張旺鋒, 王文敏, 徐守振, 勾玲, 羅宏海, 張亞黎. 田間增溫控制裝置: 201620093391.0. 2016-06-15[2018-05-14].

Tian J S, ZHANG W F, WANG W M, Xu S Z, Gou L, Luo H H, ZHANG Y L. A device of elevating temperatures in the field: 201620093391.0. 2016-06-15[2018-05-14]. (in Chinese)

[29] 李合生. 植物生理生化實驗原理和技術. 北京: 高等教育出版社, 2000.

Li H S.. Beijing: Higher Education Press, 2000. (in Chinese)

[30] Huwyler H R, Franz G, Merier H. Changes in the composition of cotton fiber cell walls during development., 1979, 146(5): 635-642.

[31] Tian J S, Hu X B, Gou L, Luo H H, ZHANG Y L, ZHANG W F. Growing degree days is the dominant factor associated with cellulose deposition in cotton fiber., 2014, 21(1): 813-822.

[32] ZHANG M L, Song X L, Ji H, WANG Z L, Sun X Z. Carbon partitioning in boll plays an important role in fiber quality in colored cotton., 2017, 24(2): 1087-1097.

[33] 王友華, 陳兵林, 卞海云, 蔣光華, 張文靜, 胡宏標, 束紅梅, 周治國. 溫度與棉株生理年齡的協同效應對棉纖維發育的影響. 作物學報, 2006, 32(11): 1671-1677.

WANG Y H, CHEN B L, Bian H Y, Jiang G H, ZHANG W J, Hu H B, SHU H M, ZHOU Z G. Synergistic effect of temperature and cotton physiological age on fibre development., 2006, 32(11): 1671-1677. (in Chinese)

[34] 趙瑞海, 韓春麗, 張旺鋒. 棉纖維超分子結構及與纖維品質的關系. 棉花學報, 2005, 17(2): 112-116.

Zhao R H, Han C L, ZHANG W F. Super-molecular structure and its relation to quality parameters in cotton fiber., 2005, 17(2): 112-116. (in Chinese)

[35] 劉繼華, 尹承佾, 于鳳英, 孫清榮, 王永民, 賈景農, 邊棟材. 棉花纖維強度的形成機理與改良途徑. 中國農業科學, 1994, 27(5): 10-16.

LIU J H, YIN C Y, YU F Y, SUN Q R, WANG Y M, JIA J N, BIAN D C. Formation mechanism and improvement approach of cotton () fiber strength., 1994, 27(5): 10-16. (in Chinese)

[36] Cathey G W, Luckett K E, Rayburn Jr S T. Accelerated cotton boll dehiscence with growth regulator and desiccant chemicals., 1982, 5: 113-120.

[37] Snipes C E, Wills G D. Influence of temperature and adjuvants on thidiazuron activity in cotton leaves., 1994, 42(1): 13-17.

[38] Snipes C E, Baskin C C. Influence of early defoliation on cotton yield, seed quality, and fiber properties., 1994, 37: 137-143.

[39] Bednarz C W, SHUrley W D, Anthony W S. Losses in yield, quality, and profitability of cotton from improper harvest timing., 2002, 94(5): 1004-1011.

[40] Faircloth J C, Edmisten K L, Wells R, Stewart A M. The influence of defoliation timing on yields and quality of two cotton cultivars., 2004, 44(1): 165-172.

[41] Banger M P, Long R T, Constable G A, Gordon S G. Minimizing immature fiber and neps in upland cotton., 2010, 102(2): 781-789.

[42] 張煦怡, 田景山, 隨龍龍, 張鵬鵬, 張旺鋒. 新疆棉區脫葉催熟劑噴施時間對棉鈴發育的影響. 中國棉花, 2018, 45(6): 15-20, 35.

ZHANG X Y, TIAN J S, SUI L L, ZHANG P P, ZHANG W F. The impact of defoliation timing on cotton boll development in Xinjiang Region., 2018, 45(6): 15-20, 35. (in Chinese)

（責任編輯 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

國家自然科學基金（31560366）、國家科技支撐計劃（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