棉纖維品質(zhì)形成的生態(tài)基礎(chǔ)與模擬模型研究.pdf

1、本文綜合國(guó)內(nèi)外棉纖維發(fā)育和纖維品質(zhì)形成的生理生態(tài)研究成果，基于2005、2007和2009年在長(zhǎng)江流域下游棉區(qū)（南京）和黃河流域黃淮棉區(qū)（徐州，安陽）進(jìn)行的異地分期播種試驗(yàn)和施氮量試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了棉花果枝部位、溫光復(fù)合因子、施氮量與棉纖維品質(zhì)形成的定量關(guān)系，明確了棉纖維品質(zhì)主要性狀形成的生態(tài)基礎(chǔ)，并運(yùn)用作物模型學(xué)原理和系統(tǒng)分析法，綜合量化棉纖維品質(zhì)形成過程及其與環(huán)境因子間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，建立了基于生理生態(tài)過程的棉纖維品質(zhì)形成模擬模型。利用不

2、同熟性棉花品種多年、多試點(diǎn)分播期的試驗(yàn)資料對(duì)模型的預(yù)測(cè)性和廣適性進(jìn)行了檢驗(yàn)。同時(shí)，將棉纖維品質(zhì)形成模擬模型與纖維綜合品質(zhì)模型結(jié)合，構(gòu)建了基于過程模型和GIS的棉纖維綜合品質(zhì)地域分異評(píng)價(jià)系統(tǒng)。主要研究結(jié)果如下:
　　 1.棉花果枝部位、溫光復(fù)合因子及施氮量對(duì)纖維伸長(zhǎng)的影響
　　 在相同環(huán)境條件下，棉花中部果枝鈴的纖維長(zhǎng)度雖稍高于其他部位，但纖維伸長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化及最終纖維長(zhǎng)度在不同果枝部位間的差異均未達(dá)顯著水平。棉纖維伸長(zhǎng)發(fā)育期

3、的累積輻熱積PTI可綜合溫光復(fù)合因子的效應(yīng)，其與棉纖維最大伸長(zhǎng)速率Vmax呈極顯著線性正相關(guān)，與纖維快速伸長(zhǎng)持續(xù)期T呈極顯著線性負(fù)相關(guān)，與棉纖維長(zhǎng)度理論最大值Lenm呈二次曲線函數(shù)關(guān)系，可以作為表征棉纖維伸長(zhǎng)發(fā)育溫光復(fù)合因子的指標(biāo)。當(dāng)棉纖維伸長(zhǎng)發(fā)育期內(nèi)PTI在335 MJ m-2左右時(shí)，Lenm最大。氮素水平與溫光復(fù)合因子對(duì)纖維長(zhǎng)度的影響存在補(bǔ)償效應(yīng)，隨施氮量的增加，棉纖維長(zhǎng)度達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的PTI減小。當(dāng)棉纖維伸長(zhǎng)發(fā)育期內(nèi)PTI達(dá)到

4、240 MJ m-2時(shí)，240 kg Nhm-2施氮量下的棉鈴對(duì)位葉葉氮濃度(NA)更適宜棉纖維伸長(zhǎng);PTI低于此值時(shí)，增加施氮量（480 kgNhm-2）可減小因累積輻熱積降低而造成的棉纖維長(zhǎng)度縮短的幅度。
　　 2.棉花果枝部位、溫光復(fù)合因子及施氮量對(duì)棉纖維比強(qiáng)度形成的影響
　　 棉花果枝部位顯著影響纖維比強(qiáng)度的形成，并與溫光復(fù)合因子存在協(xié)同效應(yīng)。棉花中部果枝鈴發(fā)育期溫光條件適宜，其纖維比強(qiáng)度顯著大于其他果枝部位鈴;

5、隨溫光條件變差，纖維比強(qiáng)度在果枝部位間的差異不明顯。棉纖維比強(qiáng)度隨花后天數(shù)的增加可分為快速增加和穩(wěn)定增加兩個(gè)時(shí)期，后者是品種間纖維比強(qiáng)度形成差異的主要階段。PTI與纖維比強(qiáng)度快速增加期的日均增長(zhǎng)速率（VRG）線性正相關(guān)、與快速增加持續(xù)期（TRG）線性負(fù)相關(guān)。當(dāng)PTI達(dá)到291 MJ m-2左右時(shí)，纖維比強(qiáng)度Strobs最大，品種間差異主要源于纖維比強(qiáng)度穩(wěn)定增加期。(3)纖維比強(qiáng)度達(dá)到最大值所需的PTI隨施氮量增加而減小，施氮量可通過棉鈴

6、對(duì)位葉葉氮濃度(NA)影響纖維比強(qiáng)度的形成，棉花氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)溫光復(fù)合因子存在補(bǔ)償效應(yīng)，當(dāng)PTI高于104 MJ m-2時(shí)，本文240 kgN hm-2下的NA更適宜于比強(qiáng)度的形成;PTI低于此值時(shí)，增加施氮量可對(duì)溫光復(fù)合因子進(jìn)行補(bǔ)償，以利于高強(qiáng)纖維形成。
　　 3.棉花果枝部位、溫光復(fù)合因子及施氮量對(duì)棉纖維細(xì)度、成熟度和馬克隆值形成的影響
　　 最終棉纖維細(xì)度、成熟度和馬克隆值在棉花不同果枝部位間的差異較小。棉纖維加厚期內(nèi)

7、的累積輻熱積（PTI）與纖維細(xì)度、成熟度和馬克隆值形成各項(xiàng)特征值的關(guān)系均達(dá)到極顯著水平。達(dá)到最小棉纖維細(xì)度時(shí)，科棉1號(hào)、美棉33B所需的PTI分別為310.0、318.1 MJ m-2;纖維成熟度達(dá)到1.60-1.75時(shí)，科棉1號(hào)、美棉33B所需的PTI分別為211.5-299.7、233.2-301.4 MJ m-2;纖維馬克隆值達(dá)到3.7-4.2時(shí)，科棉1號(hào)、美棉33B對(duì)應(yīng)的PTI范圍分別為14.8-103.8、58.7-127.8

8、 MJ m-2。當(dāng)纖維細(xì)度、成熟度和馬克隆值形成期的PTI分別低于63.1、144.3、61.5 MJ m-2時(shí)，增加施氮量可通過調(diào)節(jié)NA變化對(duì)溫光復(fù)合因子進(jìn)行補(bǔ)償，改善棉纖維品質(zhì)。
　　 4.棉纖維主要品質(zhì)性狀形成的模擬模型研究
　　 基于不同熟性棉花品種的異地分期播種和施氮量試驗(yàn)，綜合量化品種特性、主要?dú)庀髼l件（溫度、太陽輻射）和栽培措施（施氮量）對(duì)棉纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度、細(xì)度、成熟度和馬克隆值形成的影響，建立基于過程的

9、棉纖維品質(zhì)形成模擬模型。模型根據(jù)纖維伸長(zhǎng)和加厚發(fā)育時(shí)間與鈴期的關(guān)系確定決定棉纖維長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)生理發(fā)育時(shí)間（PDTFEP）和決定棉纖維比強(qiáng)度、細(xì)度、成熟度和馬克隆值的加厚生理發(fā)育時(shí)間(PDTSWSP)。在溫度、太陽輻射因子方面，采用溫光復(fù)合指標(biāo)——輻熱積(PTI)綜合表示溫度和光照對(duì)纖維品質(zhì)形成的影響，并對(duì)棉花生育后期溫度和太陽輻射之間的互補(bǔ)效應(yīng)做了初步闡述。氮素因子方面，建立了半經(jīng)驗(yàn)性的棉鈴對(duì)位葉單位葉面積氮濃度模型，根據(jù)其與各纖維品質(zhì)的

10、關(guān)系，分別構(gòu)建氮素效應(yīng)函數(shù)。利用不同年份不同生態(tài)點(diǎn)的品種、播期和施氮量等田間試驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明:科棉1號(hào)、美棉33B的棉纖維長(zhǎng)度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的根均方差(RMSE)和相對(duì)誤差(RE)分別為1.03 mm和12.2％、1.03 mm和12.5％;纖維比強(qiáng)度的RMSE和RE分別為2.57 cN tex-1和11.4％、1.82 cN tex-1和9.3％;纖維細(xì)度的RMSE和RE分別為388 m g-1和4.8％、355 mg

11、-1和5.0％;纖維成熟度的RMSE和RE分別為0.12和11.5％、0.11和11.2％;纖維馬克隆值的RMSE和RE分別為0.33和12.7％、0.30和11.8％。表明模型對(duì)不同條件下纖維品質(zhì)形成的預(yù)測(cè)精度較高，具較強(qiáng)的可靠性和適用性。
　　 5.基于模型和GIS的棉纖維品質(zhì)地域分異評(píng)價(jià)系統(tǒng)
　　 以MapObjects(MO)為開發(fā)平臺(tái)，C#為開發(fā)語言，結(jié)合基于過程的棉纖維綜合品質(zhì)模型，構(gòu)建了棉纖維品質(zhì)地域分異評(píng)

12、價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以棉花品種特性、氣象及施氮量等因子為基本輸入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)棉纖維品質(zhì)地域分異規(guī)律的分析和預(yù)測(cè)，并可對(duì)黃河流域和長(zhǎng)江流域棉區(qū)238個(gè)棉花主栽縣（市）及江蘇省部分縣（市）的當(dāng)年和下一年主栽棉花品種的棉纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度、細(xì)度、成熟度、馬克隆值和棉纖維綜合品質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，運(yùn)行結(jié)果以表格、曲線圖、柱狀圖形式輸出，并自動(dòng)生成專題圖。以江蘇省為例，選取33個(gè)棉花主栽縣（市）2005年氣象數(shù)據(jù)，選擇當(dāng)年主栽品種科棉1號(hào)，對(duì)棉纖維品質(zhì)地域分異