早熟陸地棉品種與氣候因子互作對棉纖維品質的影響

馬曉梅，李保成，王 新，趙素琴，劉永昌，韓煥勇，周小鳳，董承光

(1.農業部西北內陸區棉花生物學與遺傳育種重點實驗室/新疆農墾科學院棉花研究所 ，新疆石河子 832000； 2.新疆維吾爾自治區種子管理總站，烏魯木齊 830006；3.湖南科技學院，湖南永州 425000)

0 引 言

【研究意義】機采棉技術推廣降低了生產成本，但也在棉花后期脫葉、收獲、軋花、清雜等一系列生產及加工過程中，棉纖維受損，使原本就不高的纖維品質指標更加降低，影響棉纖維品級和紡紗性能。棉纖維發育經歷發育初期、伸長期、次生壁合成期和成熟期4個階段[1]，各個時期均與棉纖維品質形成相關[2-5]。提高纖維品質是棉花新品種選育和優質棉高效生產的目標，棉纖維品質性狀屬于數量性狀，受環境影響較大。性狀分析以各品系平均數為單位。變異系數又稱離散系數，反映的是標志變動相對程度的指標[6]。棉纖維品質可分為外觀品質和內在品質兩方面[7]。【前人研究進展】近年來，關于棉纖維品質影響因子的研究很多[8-16]，運用多種分析方法，分別闡明了氣象因子、生育期、施氮量、植株密度、收獲時間對棉纖維品質的影響，并闡述了棉花纖維品質發生變化的原因。【本研究切入點】前人只就單一因素對棉纖維品質的影響進行了研究，而有關多因素互作對棉纖維品質的影響文獻較少。研究早熟陸地棉品種與氣候因子互作對棉纖維品質的影響?！緮M解決的關鍵問題】以目前新疆北疆早熟棉區各育種單位的主要研究成果為研究對象，利用變異、相關、回歸等分析方法對棉纖維品質在品種特性及氣象因子互作下，各影響因子與纖維品質進行相關性分析，分析主導纖維品質優劣的主要影響因子，為育種工作者提供有效預測依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2015年、2016年、2017年在新疆農墾科學院棉花研究所試驗地進行，棉田土質為壤土，質地均勻。 試驗田栽培管理與大田高產技術相同。材料為自治區新品種試驗3年中產量、品質性狀均表現較突出的品種(系)作為供試材料，分別為新農早112、莊稼漢151、九棉25、新農早113、莊稼漢701、H7-143、金墾雜1 508、新石雜18、金墾1565、新石H12。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗為隨機區組設計，每個試驗點設3個重復，小區面積20 m2，8行區，行距配置(30+50+60)cm，株距0.1 m，密度234 835株/hm2。4月中、下旬播種，7月10日左右打頂，10月初收獲。

1.2.2 測定指標

記載播種期、出苗期、開花期和吐絮期的時間。生育后期選擇對每個處理長勢均勻一致的地段定點選10株(外行5株，內行5株)調查株高、始節位、果枝數、單株鈴數等性狀。收獲時，3個重復，每個材料收中部鈴50個，室內考種，檢測纖維，得到各參試材料的品質指標(纖維上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值、整齊度、伸長率)。3至10月(播種至吐絮期)逐日的日最高氣溫(℃)、日最低氣溫(℃)、日溫差(℃)、≥10℃有效積溫(℃)、≥10℃活動積溫(℃)、降雨量(mm)。數據來源于石河子市氣象局資料。

1.3 數據處理

采用Excel 2003對2015～2017年的最高溫度、最低溫度、≥10℃有效積溫、≥10℃活動積溫、日溫差、降雨量、日照時數、平均氣溫等氣象因子做統計分析，對3年試驗各處理的棉纖維品質指標進行整理；使用SPSS 19.0統計分析軟件進行簡單相關性分析、逐步回歸分析，分別建立棉花各品質性狀與生育期天數、氣象因子等之間的最優線性回歸方程，解析品質性狀與各影響因素間的相互關系。

2 結果與分析

2.1 主要氣象因子

研究表明，2015～2017年石河子墾區棉花生長季降雨量年度間差別特別明顯，最少年份為2015年，降雨量為121.0 mm；最多年份為2016年，降雨量為198.30 mm；4～10月平均降雨量為152.67 mm，月份降雨量在年度間變幅較大，月份間降雨量分布不均勻。

2015～2017年石河子墾區棉花生長季節日照時數年度間變幅為1 936.7～2 036.2 h，4～10月平均日照時數為1 992.83 h，月份間日照時數年度間變幅較大；4～10月平均氣溫19.41℃，平均氣溫年度間變幅不大，變異系數為2.084；月份間平均氣溫變幅較大。表1

2.2 纖維品質性狀變異系數

研究表明，纖維品質性狀中整齊度、馬克隆值的變異性、離散程度較小；斷裂比強度的變異性、離散程度最大。主要纖維品質指標的變異系數按大小依次為，伸長率<整齊度<斷裂比強度<纖維長度<馬克隆值。

相同品種在不同年度，品質性狀：纖維長度、伸長率差異極顯著(P<0.01)；馬克隆值主體間效應檢驗中表現差異不顯著(P=0.073>0.05)，多重比較中，2015～2016年2年的馬克隆值方差分析，P值=0.023<0.05，差異顯著。相同基因型條件下，品質性狀：纖維長度、馬克隆值、伸長率在年度間差異顯著，變幅較大；其它品質性狀年度間差異不顯著。表2

表1 2015～2017年石河子墾區主要氣象因子Table 1 Statistics of main meteorological factors in Shihezi during 2015-2017

表2 不同品種3年試驗品質性狀的單變量單因子方差Table 2 One-way ANOVA for three years test quality traits of different cultivars

2.3 品種對纖維品質的作用

2.3.1 品種生育期與纖維品質的相關性

研究表明，纖維長度與出苗-開花期天數呈極顯著正相關(r=0.803**)，與生育期天數呈極顯著正相關(r=0.768**)；斷裂比強度與出苗-開花天數呈顯著正相關(r=0.440*)，與生育期呈顯著正相關(r=0.420*)；馬克隆值與出苗-開花期天數呈顯著負相關(r=-0.408*)；伸長率與出苗-開花天數呈極顯著正相關(r=0.781**)，生育期天數呈極顯著正相關(r=0.751**)；其他纖維品質性狀與生育期天數相關性不顯著。棉花不同生育期對纖維長度、伸長率有極顯著正相關性，對斷裂比強度、馬克隆值有顯著相關性，而對其他指標作用不顯著。表3

表3 棉纖維品質與生育期相關系數Table 3 Phenotypic correlation between the cotton fiber quality and growth period

表4 棉纖維品質性狀與生育期逐步回歸模型Table 4 Stepwise regression analysis model between the cotton fiber quality and growth period

研究表明，纖維長度(X1)與出苗-開花天數(X2)可建立最優回歸方程：Y1=19.878+0.158X2(R2=0.645，P<0.01)；斷裂比強度(Y2)與出苗-開花天數(X2)可建立最優回歸方程：Y2=26.516+0.087X2(R2=0.193，P<0.05)；馬克隆值(Y3)與出苗-開花(X2)、生育期天數(X4)可建立最優回歸方程：Y3=0.551-0.130X2+0.099X4(R2=0.302，P<0.01)；伸長率(Y5)與出苗-開花天數(X2)可建立最優回歸方程：Y5=5.822+0.017X2(R2=0.610，P<0.01)。表4

表5 棉纖維品質性狀之間的相關系數Table 5 Phenotypic correlation betyween the cotton fiber quality

2.3.2棉纖維品質間的互作

研究表明，纖維長度與斷裂比強度呈顯著正相關(r=0.382*)，與馬克隆值呈極顯著負相關(r=-0.597**)，與伸長率呈極顯著正相關(r=0.892**)；斷裂比強度與整齊度呈顯著正相關(r=0.372*)，與伸長率呈極顯著正相關(r=0.537**)；馬克隆值與伸長率呈極顯著負相關(r=-0.489**)；其它品質性狀間相關性不顯著。表5

將品質性狀中的任意一項性狀作為因變量，其他4項性狀作為自變量，采用逐步回歸分析方法依次構建最優線性回歸方程，剔除無效影響因子，構建最優回歸模型，解讀各品質性狀間的相互作用。

纖維長度(Y1)與馬克隆值(X3)、伸長率(X5)可建立最優回歸方程模型：Y1=-14.865-0.845X3+7.032X5(R2=0.829，P<0.01)；斷裂比強度(Y2)與伸長率(X5)可建立最優回歸方程：Y2=-1.482+4.854X5(R2=0.288，P<0.01)；馬克隆值(Y3)與絨長(X1)可建立最優回歸方程：Y3=9.011-0.149X1(R2=0.356，P<0.01)；整齊度(Y4)與比強度(X2)可建立最優回歸方程：Y4=78.811+0.211X2(R2=0.138，P<0.05)；伸長率(Y5)與上半部平均長度(X1)、斷裂比強度(X2)可建立最優回歸方程：Y5=3.402+0.090X1+0.025X2(R2=0.841，P<0.01)。表6

表6 棉纖維品質性狀之間的逐步回歸分析模型Table 6 Stepwise regression analysis model between the cotton fiber quality

2.4 氣象因子與棉纖維品質的相關性

研究表明，纖維上半部平均長度與各氣象因子均呈極顯著相關，相關系數分別為：r(≥10℃有效積溫)=0.602**，r(≥10℃活動積溫)=0.709**，r(日溫差)= -0.802**，r(最高溫度)= -0.765**，r(最低溫度)= -0.692**；斷裂比強度與除最低溫度外的其它各氣象因子均呈顯著相關，相關系數分別為：r(≥10℃有效積溫)=0.404*，r(≥10℃活動積溫)=0.419*，r(日溫差)= -0.369*，r(最高溫度)= -0.366*；伸長率與各氣象因子均呈極顯著相關，相關系數分別為：r(≥10℃有效積溫)=0.588**，r(≥10℃活動積溫)=0.691**，r(日溫差)= -0.775**，r(最高溫度)= -0.758**，r(最低溫度)= -0.699**，馬克隆值與日溫差有顯著正相關，相關系數為r=0.372*；其他纖維品質與氣象因子存在相關性，但均不顯著。表7

表7 不同氣象因子與纖維品質的相關系數Table 7 Correlation coefficient of fibre quality against different meteorological factors

研究表明，纖維上半部平均長度(Y1)與日溫差(X3)可建立最優回歸方程：Y1=67.926-2.620X3(R2=0.643，P<0.01)；斷裂比強度(Y2)與≥10℃活動積溫(X2)可建立最優回歸方程：Y2=19.137+0.004X2(R2=0.175，P<0.05)；馬克隆值(Y3)與日溫差(X3)可建立最優回歸方程：Y3=0.158-0.303X3(R2=0.138，P<0.05)；伸長率(Y5)與日溫差(X3)可建立最優回歸方程：Y5=11.037-0.284X3(R2=0.600，P<0.01)。表8

表8 棉纖維品質性狀與氣象因子間的逐步回歸分析模型Table 8 Stepwise regression analysis model of fiber properties against meteorological factors

3 討 論

棉纖維品質受品種的遺傳基因控制外，在很大程度上受種植地生態條件的影響[17]，環境和基因型共同決定了纖維長度和纖維強度的變異[18]。由環境因素影響而造成的馬克隆值和成熟度變異高達11%～34%，長度和強度變異也達10%～24%[19]，環境因素對品質的貢獻為1/3，品種為2/3，外在的生態環境因素影響棉花品質遺傳潛力的發揮[20]。

相關系數是衡量2個隨機變量間的表現相關程度的指標，由于沒有消除其他變量對這2個變量的影響，所以表型相關系數不能真實的反映自變量、因變量的相關關系[21]。只能反映該自變量對因變量的綜合作用程度。

3.1 纖維品質性狀的表型統計量

變異系數分析得出，5項棉花纖維品質指標中，馬克隆值的變異系數最大，纖維長度次之，伸長率最小，變異系數在1.21%～9.92%。在5個纖維品質性狀中，馬克隆值受棉花基因型的影響最大，具有最大的選擇與改良的潛力，通過優異親本間的雜交，對優異后代進行選擇等手段，被改良的潛力較大；伸長率受棉花基因型的影響較小，變異幅度最小，在選育過程中，變化空間不大，相對較穩定。

不同年度間數據多重比較得出，5項棉花纖維品質指標中，纖維長度、馬克隆值、伸長率年度間差異顯著，其它品質差異不顯著。因此，說明相同基因型條件下，品質性狀：纖維長度、馬克隆值、伸長率有可能受田間管理、生態環境等因素的影響，導致不同年份間差異較顯著；而斷裂比強度、整齊度所受影響較小，差異不顯著。

3.2 生育期與纖維品質性狀相關性

對棉花各生育期與5項纖維品質指標之間的簡單相關分析，因出苗-開花期天數對纖維品質影響比重較大，播種-出苗期天數、開花-吐絮天數對纖維品質影響比重較小，導致生育期的長短對纖維品質存在顯著相關。纖維長度、伸長率與出苗-開花期天數呈極顯著正相關，因此，與生育期天數也呈極顯著正相關；斷裂比強度與出苗-開花期天數呈顯著正相關性，與生育期天數呈顯著正相關；馬克隆值與出苗-開花天數呈顯著負相關，因播種-出苗期天數、開花-吐絮期天數對馬克隆值均起到不顯著正效應，該效應與之相抵，馬克隆值與生育期天數相關性不顯著。

逐步回歸分析，剔除作用不顯著因子，篩選出作用顯著因子作為自變量，得出了纖維長度、斷裂比強度、伸長率均將生育期因子剔除，與出苗-開花期天數建立了最優回歸方程，馬克隆值與出苗-開花期天數、生育期建立了最優回歸方程，說明棉花生長發育過程中，出苗-開花天數對纖維品質作用較大，其它生長發育階段也存在效應，除了削弱了出苗-開花期對馬克隆值產生的負效應外，對其它品質指標表現出的綜合作用不顯著。王榮棟[7]等提出，陸地棉在開花后20～30 d，棉纖維伸長接近最大長度，次生壁加厚也是在開花后5～10 d開始，纖維發育的各關鍵時期均發生在開花后，該結論與研究結論不相符，是否可以以此為切入點，進一步研究和探明苗期、蕾期對棉纖維發育的影響，為改良纖維品質指標提供參考依據。

3.3 棉纖維品質間相關性

對不同品種的5項纖維品質指標間進行相關性分析，纖維上半部平均長度與斷裂比強度呈顯著正相關，與馬克隆值呈極顯著負相關，與伸長率呈極顯著正相關；斷裂比強度與整齊度呈顯著正相關，與伸長率呈極顯著正相關；馬克隆值與伸長率呈極顯著負相關；其它品質性狀間相關性不顯著。

逐步回歸分析，剔除作用不顯著因子，篩選出作用顯著因子作為自變量，得出纖維上半部平均長度與馬克隆值、伸長率擬合出極顯著相關的回歸方程，R2值為0.829，擬合度較高，其中伸長率的正效應較大，馬克隆值的負作用較小，作用有消減，綜合作用仍是正效應；伸長率與纖維上半部平均長度、斷裂比強度可擬合出極顯著相關的回歸方程，R2值為0.841，高度擬合，其中纖維上半部平均長度的正效應較大，斷裂比強度對伸長率的正效應較小，綜合作用為疊加后正效應；斷裂比強度與伸長率、馬克隆值與絨長、整齊度與比強度均可構建回歸方程，且自變量系數檢驗為極顯著，但因R2值較小，各回歸方程中的因變量與自變量間是存在極顯著相關性，但可能因為各自變量間有平行作用，導致方程擬合程度不高，而增加樣本量有可能提高R2值。棉纖維品質性狀間存在相互作用，在纖維品質選擇育種中，要綜合評估選擇材料的纖維品質指標，做到最優化配比，才能更有效提高選擇效率。

3.4 氣象因子與纖維品質相關性

纖維品質是棉花品種遺傳特性在生態因子綜合作用下的具體表現，不同品質指標受控因子的作用大小不同，而不同生態因子對不同品質性狀的影響也不同。在試驗條件下，纖維長度、伸長率和馬克隆值主要受日溫差的影響，說明日溫差過大，纖維品質會降低；斷裂比強度受≥10℃活動積溫的影響，說明所得積溫越多，斷裂比強度指標越好。

有關棉纖維品質與氣象因子的關系，前人研究較多，周關印等[22]認為就對氣候條件敏感性大小而言，比強度>馬克隆值>2.5%跨長；過興先等[23]認為，夜溫過低對棉纖維強度和細度具有明顯影響；劉靜等[24]則認為，纖維長度與15℃以上的活動積溫和花鈴期耗水量具有顯著相關性。在試驗條件下，日溫差和≥10℃活動積溫對纖維品質的影響作用較大，棉花纖維發育的最適溫度為20～30℃，氣溫低于15℃，棉纖維停止伸長，氣溫高于35℃，則會引起棉鈴脫落[25]，溫度超過臨界值時，溫差過大，會影響棉纖維的生長發育，該與王榮棟等[7]的研究結果一致。在纖維發育期，溫度因子的變化可能是決定棉纖維品質優劣的關鍵因素。但是品質性狀并不是由單一因子控制的，因子之間還有明顯的互作存在。纖維品質雖然表現為氣象因子的綜合作用，但在棉鈴生長后期，當氣象因子各項指標下降時，纖維品質主要受制于降幅最大的因子。

4 結 論

4.1 早熟陸地棉各個生育階段天數對棉纖維品質指標存在相關性。出苗-開花天數對纖維絨長、斷裂伸長率呈極顯著正相關，與斷裂比強度呈顯著正相關，與馬克隆值呈顯著負相關；其它階段的生育期天數與棉纖維品質相關性不顯著。

4.2 早熟陸地棉各纖維品質指標間存在相關性：伸長率與纖維長度間有極顯著正效應，馬克隆值對纖維長度存在顯著負效應，斷裂比強度對伸長率存在顯著正效應，斷裂比強度與整齊度間存在顯著正效應；絨長和斷裂伸長率間存在極顯著直接作用，分別通過斷裂比強度和馬克隆值的顯著間接作用。

4.3 早熟陸地棉各纖維品質指標與氣象因子間存在相關性，除整齊度與氣象因子相關性不顯著外，其它纖維品質指標均與氣象因子存在顯著相關。日溫差對纖維長度、馬克隆值、伸長率呈顯著負相關，≥10℃活動積溫對斷裂比強度呈顯著正相關。各相關指標，均可構建最優回歸方程，且t檢驗顯著。