棉纖維品質(zhì)形成的生態(tài)基礎(chǔ)與模擬模型研究

1、編號(hào)： 時(shí)間：2021 年 x 月 x 日 書山有路勤為徑，學(xué)海無(wú)涯苦作舟 書山有路勤為徑，學(xué)海無(wú)涯苦作舟 頁(yè)碼：第 1 頁(yè) 共 14 頁(yè)第 1 頁(yè) 共 14 頁(yè)棉纖維品質(zhì)形成的生態(tài)基礎(chǔ)與模擬模型研究進(jìn)展摘 要：棉纖維品質(zhì)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(qiáng)的地域性，使得對(duì)棉纖維品質(zhì)的調(diào)控難以綜合考慮多因子互作并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)品質(zhì)形成趨勢(shì)。作物生長(zhǎng)模型技術(shù)的核心是對(duì)生理生態(tài)過(guò)程及其相互關(guān)系的量化和整個(gè)作物生產(chǎn)系統(tǒng)知

2、識(shí)的綜合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與輔助調(diào)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(duì)棉纖維品質(zhì)的影響，分析了國(guó)內(nèi)外纖維品質(zhì)模型研究及其應(yīng)用的現(xiàn)狀，認(rèn)為有關(guān)纖維品質(zhì)形成的生態(tài)基礎(chǔ)及模擬模型的研究缺乏系統(tǒng)性。因此，深入研究纖維品質(zhì)形成與生態(tài)環(huán)境間的定量關(guān)系，建立基于生理生態(tài)過(guò)程的纖維品質(zhì)形成模擬模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同生態(tài)條件下纖維品質(zhì)形成的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，并構(gòu)建基于過(guò)程模型和 GIS的纖維綜合品質(zhì)地域分異評(píng)價(jià)系

3、統(tǒng)，對(duì)于完善棉花生長(zhǎng)模型、解釋纖維品質(zhì)形成過(guò)程，指導(dǎo)生產(chǎn)具有重要意義。關(guān)鍵詞：棉花（Gossypium hirsutum L） ；纖維品質(zhì)；生態(tài)基礎(chǔ)；模擬模型；研究進(jìn)展棉花是一種全球性的重要經(jīng)濟(jì)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(chǔ)，影響成紗品質(zhì)和加工效率[1]。棉纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度、馬克隆值（細(xì)度、成熟度）是衡量纖維品質(zhì)優(yōu)劣的主要指標(biāo)，隨著氣流紡等高速、高效棉紡設(shè)備的問(wèn)世，紡織工業(yè)要求纖維具有強(qiáng)度高、馬克隆值適中、成熟度

4、好等性能[2]。在提高產(chǎn)量的同時(shí)改進(jìn)纖維質(zhì)量是棉花生產(chǎn)的共同目標(biāo)[3-4]。棉纖維品質(zhì)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(jié)果，統(tǒng)計(jì)美國(guó)國(guó)家品種試驗(yàn) 18 年的資料認(rèn)為[13]：纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度、馬克隆值（細(xì)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(chǎn)量，前人針對(duì)環(huán)境和栽培措施對(duì)產(chǎn)量影響的研究較為透徹，對(duì)纖維品質(zhì)因響應(yīng)環(huán)境和栽培措施所產(chǎn)生變異的研究則相對(duì)薄弱，而決定纖維最終使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的是纖維的質(zhì)量并非其數(shù)量。因此，研究、量化環(huán)境和栽培措施對(duì)纖維品質(zhì)形成的影響，并應(yīng)用量化的關(guān)系指導(dǎo)棉花生產(chǎn)管理具有重要意義。但由于纖維品質(zhì)形成受多種因素的影響，具有較強(qiáng)的地域性。在不同條件下種植的同一品種棉花，其纖維品質(zhì)差異較大[14-16]，使得在不同生態(tài)區(qū)域針對(duì)纖維品質(zhì)形成的生產(chǎn)管理難

6、以綜合考慮多因子互作、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)生產(chǎn)趨勢(shì)并量化生產(chǎn)管理技術(shù)。近年來(lái)，信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，其發(fā)展為作物生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化和信息化提供了新的方法和手段。其中，作物生長(zhǎng)模型技術(shù)是作物生產(chǎn)信息化編號(hào)： 時(shí)間：2021 年 x 月 x 日 書山有路勤為徑，學(xué)海無(wú)涯苦作舟 書山有路勤為徑，學(xué)海無(wú)涯苦作舟 頁(yè)碼：第 3 頁(yè) 共 14 頁(yè)第 3 頁(yè) 共 14 頁(yè)生壁的建成和質(zhì)量。纖維次生壁內(nèi)側(cè)在伸長(zhǎng)與加厚發(fā)育 10 d 左右的重疊期內(nèi)就開(kāi)始大量沉積

7、結(jié)晶態(tài)纖維素[36]。在纖維發(fā)育期，轉(zhuǎn)運(yùn)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(zhì)量與纖維素的合成與積累密切相關(guān)[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(guò)葡萄糖殘基在纖維素側(cè)鏈上的聯(lián)結(jié)完成[41]，只有聚合度達(dá)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(wú)機(jī)械強(qiáng)力。關(guān)于纖維比強(qiáng)度與纖維素關(guān)系的研究以前一直認(rèn)為纖維比強(qiáng)度與纖維素含量成正比[43]，最近研究纖維比強(qiáng)度的品種遺傳性差異與纖維素累積速率關(guān)系的結(jié)果表明[44]：當(dāng)棉花纖維素含量達(dá)到一定限度后(≥85%)，其對(duì)最終纖維比強(qiáng)度的影響較小，纖維比強(qiáng)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(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)，后者與纖維比強(qiáng)度呈極顯著

9、正相關(guān)，且高強(qiáng)纖維的形成是以纖維素平緩累積為基礎(chǔ)的。在纖維加厚發(fā)育期，隨細(xì)胞壁厚度的增加，細(xì)胞的中腔和外直徑逐漸變小，單纖維強(qiáng)力和成熟度逐漸增加，花后 25-45 d 是纖維強(qiáng)度、馬克隆值和細(xì)度形成的關(guān)鍵時(shí)期，花后 45 d 以后纖維各品質(zhì)性狀變化較小[45]。在花后 45-60 d，棉鈴開(kāi)裂、吐絮。棉鈴開(kāi)裂前，纖維中腔內(nèi)原生質(zhì)及水分較多，棉鈴開(kāi)裂后，纖維開(kāi)始脫水，細(xì)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(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引起

10、表面收縮和轉(zhuǎn)曲。成熟纖維的橫切面由外向內(nèi)依次包括初生壁、次生壁和中腔。這一時(shí)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(zhì)性狀不再變化。2 影響棉花纖維品質(zhì)形成的主要因素棉花品種遺傳性是決定纖維分化、伸長(zhǎng)、加厚及品質(zhì)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(zhì)的形成[46-47]。此外，纖維品質(zhì)的形成還受棉株內(nèi)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(zhì)[49]和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)[10]等