2019, Vol. 27
2. 安阳工学院 安阳 455000;
3. 江苏省农业科学院经济作物研究所 南京 210014
2. Anyang Institute of Technology, Anyang 455000, China;
3. Institute of Industrial Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China
我国幅员辽阔, 自然环境类型多样, 宜棉区域广阔, 经度从73oE至125oE, 纬度从18oN至46o34N, 按流域划分, 目前主要有黄河流域、长江流域和西北内陆三大棉区。棉区间由于气候条件的差异, 演变出不同的种植制度, 相应地形成了不同的棉花品种熟性类型。黄河流域棉区有中熟、早中熟和早熟3种类型, 西北内陆棉区南疆地区以早中熟类型为主, 北疆地区以早熟类型为主, 而长江流域棉区中熟类型占绝对优势[1]。研究不同熟性棉花的纤维品质表现及其地域分布规律, 对于国家建立棉花优势生产区和发展优势熟性类型具有指导意义。
前人对我国棉花纤维品质的现状做了较多研究。郭香墨等[2]通过比较我国与世界主产棉国的主要纤维品质指标, 指出我国棉花纤维长度类型单一, 比强度与国外有明显差距, 其他品质指标与国外相当。杨伟华等[3]分析指出, 我国棉花品种的纤维长度和强度只能满足加工32~42支纱的质量要求, 相对缺乏长度31.0 mm以上、比强度32.0 cN∙tex-1以上、马克隆值在3.7~4.2的可加工60支以上细纱的优质棉。现在新疆大力推广机采棉, 对棉花品种的长度、比强度又提出新的要求。要提高纤维品质, 需从棉花生长过程着手, 研究纤维品质指标与气象因子、地理环境因素之间的关系。气象因子是影响棉花纤维品质的重要生态因子, 对纤维品质的形成和最终品质有重要影响, 棉纤维品质主要受遗传特性影响外, 生态因子在很大程度上影响纤维品质的形成[4-5]。熊宗伟等[6]研究指出棉花品质指标与气候因子(温度、光照、降水、湿度)有较好的相关性, 日照充足、降水量小、平均相对湿度较低的西北内陆棉区是我国优质棉生产区域, 其棉纤维长度、马克隆值、品级等品质指标均居国内各棉区首位。影响棉花生产最主要的气候因素是温度、水分和日照时数。温度影响棉花的生育进程, 水分影响土壤温度, 日照时数通过光合作用影响棉花的有机养分合成[7]。汪若海[8]明确指出≥10 ℃积温不足3 100 ℃, 无霜期不足150 d, 7月平均气温低于24 ℃的地方不能种棉。新疆棉区气候的研究认为, 新疆棉花产量高低和纤维品质的主要气象要素是热量状况, 温度和日照时数是影响纤维综合品质的主要因子, 棉花生育中后期降水偏多, 光照较少, 多雨寡照的年份会显著影响棉花的产量及纤维品质[9-11]。张丽娟等[12]研究气象因子对棉纤维品质性状的影响, 表明降雨量、空气湿度等对纤维品质有一定影响, 但温度和光照影响更显著。Gipson等[13]认为温度通过调节纤维素的合成与沉积影响比强度、成熟度、细度的形成。Reddy等[14]研究认为26~32 ℃的日均温有利于纤维马克隆值和成熟度的形成, 32 ℃是纤维发育及纤维品质形成的温度上限。蒋光华等[4]研究认为日均温24 ℃左右是高强纤维形成的最适温度。王庆材等[15]研究表明光照不足会影响棉叶光合产物的形成, 减少碳水化合物向棉铃的输出, 降低了棉纤维品质。汪若海等[16]早期曾研究安阳地区纤维品质与气象因子关系。本文从两个方面分析, 首先以国家棉花品种区试分析黄河流域棉区、长江流域棉区、西北内陆棉区早熟、中早熟、中熟棉品种品质规律分布和评价。其次以国家棉花品种中熟常规棉对照品种‘中植棉2号’和中熟杂交棉对照品种‘瑞杂816’为例, 研究2009—2014年连续6年河南省安阳试点的纤维品质与当地主要气象因子的相关关系, 通过灰色关联分析方法研究同一熟性对照品种纤维品质与主要气象因子的关系, 以点和面结合的研究方法, 分析纤维品质受气象因子影响的程度和规律性分布, 寻找影响纤维品质形成的最主要气象因子, 对实现棉花品种布局、生态育种和棉花品质改良具有指导意义。
1 材料与方法 1.1 试验设计 1.1.1 试验地点的设置国家棉花区域试验由全国农技推广中心组织实施, 自2005—2014年在黄河流域、长江流域和西北内陆棉区布置试验点进行田间试验。黄河流域中熟棉区域试点有安徽省的淮北, 河北省的沧州、邯郸、临西、石家庄, 河南省的安阳、商丘、西华、新乡、郑州, 山东省的昌邑、惠民、临清、宁津, 山西省的运城, 陕西省的杨凌, 和天津市。2005—2010年黄河流域中早熟棉区域试验在河北省的邯郸, 山东省的临清、梁山, 河南省的安阳、商丘、西华、杞县, 江苏省的徐州, 和安徽省的淮北进行。2005—2014年(其中2009—2011年试验暂停)黄河流域早熟棉区域试验在河北省的邯郸, 山东省的临清、夏津、梁山、德州, 河南省的安阳、新乡、西华和山西省的运城进行。长江流域棉花区域试点有安徽省的安庆、合肥, 湖南省的常德、岳阳、益阳, 浙江省的慈溪, 湖北省的武汉、黄冈、江陵、荆州, 江西省的九江, 江苏省的南京、南通、盐城, 四川省的成都、射洪, 以及河南省南阳。2005—2014年西北内陆棉区早中熟棉区域试验地点有新疆的喀什麦盖提、疏附、莎车、库车, 新疆建设兵团第一师塔河种业(简称第一师, 下同)和巴州。西北内陆棉区早熟棉区域为新疆的乌苏、石河子、精河、和田, 新疆建设兵团第八师121团农业技术推广站、新疆建设兵团第七师125团农业技术推广中心、新疆建设兵团第六师昌吉农业科学研究所, 和甘肃的敦煌。
1.1.2 试验品种类型资料来自2005—2014年国家棉花区域试验中黄河流域棉区中熟组、早中熟组和早熟组, 长江流域棉区中熟组以及西北内陆棉区早熟组和早中熟组的汇总结果。国家区域试验的安排均采用随机区组设计, 重复3次。参试品种共1 060个, 其中黄河流域棉区中熟组参试品种406个, 对照品种为‘中棉所41’ ‘鲁棉研21’ ‘中植棉2号’ ‘鲁棉研15号’和‘瑞杂816’; 早中熟组参试品种77个, 对照品种为‘中棉所45’和‘鲁棉研28号’; 早熟组参试品种50个, 对照品种为‘中棉所30’ ‘中棉所50’和‘鲁棉研19号’。长江流域棉区中熟组品种共338个, 对照品种为‘湘杂棉2号’ ‘湘杂棉8号’和‘鄂杂棉10号’。西北内陆棉区参试品种共189个, 其中早熟组参试品种91个, 对照为‘新陆早13号’ ‘新陆早36号’; 早中熟组参试品种98个, 对照为‘中棉所35’ ‘中棉所49’(表 1)。考察品质性状包括纤维长度、比强度、马克隆值和纺纱均匀性指数。
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表 1 2005—2014年不同棉区不同熟性棉花参试品种数 Table 1 Number of different maturing cotton varieties of the national regional trails in different cotton areas from 2005 to 2014 |
田间种植均采用随机区组排列, 重复3次, 小区面积20 m2, 4~6行区种植, 行距0.80~1.12 m, 株距依密度而定。密度按照不同生态区、不同类型设置。所有类别区域试验棉花参试品种均采取密码编号。黄河流域棉区采用直播与营养钵育苗移栽两种种植方式, 长江流域棉区采用营养钵育苗移栽方式, 西北内陆棉区均采用直播方式, 其他管理参照当地大田高产管理。
1.2 测定内容与方法农业农村部棉花品质监督检验测试中心负责区试纤维样品的收集、整理、检测、数据处理及汇总分析, 纤维测试指标包括纤维上半部平均长度(简称纤维长度, 下同)、断裂比强度(简称比强度, 下同)、马克隆值、纺纱均匀性指数。把样品放在温度为(20±2) ℃、相对湿度(65±3)%的恒温恒湿实验室环境下平衡48 h, 用USTER公司生产的HVI1000大容量纤维测试仪进行测试。采用HVICC标准棉样校准仪器, 充分保证检测的可靠性, 每份样品重复测定4次, 依据GB/T 20392—2006《HVI棉纤维物理性能试验方法标准》进行测试。评价分析依据GB 1103.1—2012《棉花第1部分:锯齿加工细绒棉》和GB 1103.2—2012《棉花第2部分:皮辊加工细绒棉》标准。根据纤维长度、比强度、马克隆值3项指标的综合表现, 将棉花品种分为Ⅰ型品种、Ⅱ型品种、Ⅲ型品种3种主要类型(表 2)。
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表 2 我国棉花纤维品质审定标准Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型概况 Table 2 Review of cotton fiber quality standards of type I, Ⅱ, Ⅲ in China |
采用灰色关联度多维综合分析法, 对不同熟性类型棉花品种4个品质性状进行灰色关联度分析和综合评价[17]。按照灰色系统理论, 把不同气候的主要纤维性状作为一个灰色系统, 每1个性状指标为系统中的1个因素, 计算系统中各因素的关联度, 其值越大, 说明因素变化趋势越接近, 其相互关系越密切; 反之则说明相互关系越远[18]。灰色关联分析方法是根据因数之间发展态势的相似或相异程度来衡量因数间关联程度的方法, 是从系统内多因素中确定主要因素进行优势对比的一种理论[19]。
品种灰色关联度多维综合评估是一种依据参试品种各性状与理想品种各性状之间的灰色关联度来评价品种综合性状表现的数学方法。具体分析方法与步骤如下:
步骤一:搜集整理品种区域试验的试验数据。
步骤二:构造参考品种类型数列与比较品种类型数列。将目标性状最优值(理想值)的集合作为参考品种类型数列, 各品种类型性状值的集合则构成比较品种类型数列。
步骤三:计算各比较品种类型数列与参考品种类型数列的灰色关联度(ri)。
| $ {{r}_{i}}=\frac{1}{n}\sum\limits_{j=1}^{m}{{{r}_{0i}}} $ | (1) |
式中: n指n个类型品种, m指m个性状, r0i表示比较品种类型数列第i个性状与参考品种类型数列相应性状(理想性状)的灰色关联系数。
| $ {{r}_{0i}}=\left( m+0.5M \right)/\left( {{\Delta }_{ik}}+0.5M \right) $ | (2) |
式中: Δik表示第i个比较品种类型第k个性状与参考品种类型相应性状的差值, m表示在所有Δik中的最小值, M则表示在所有Δik中的最大值。
| $ {{\Delta }_{ik}}=|{{x}_{0k}}-{{x}_{ik}}| $ | (3) |
式中: xik表示第i个比较品种类型第k个性状无量纲化后的值, x0k则表示参考品种类型数列第k个性状的无量纲值。
步骤四:根据灰色关联度, 确定各比较品种类型的优劣顺序。
上述计算过程可在作物灰色育种决策系统下运行。
1.4 气象因子数理统计与分析本文对国家棉花品种区试黄河流域中熟(常规组、杂交组)组别对照品种, 2009—2014年连续6年的安阳试点纤维品质数据进行整理汇总, 结合安阳试点的地理因子(经度、纬度、海拔高度)等数据, 将安阳试点2009—2014年连续6年的有效积温、降雨量、日照时数等气象数据进行统计分析, 将4—10月份的气象数据统计汇总, 计算得出棉花生长期各气象因子的数据, 主要包括≥10 ℃有效积温、日照时数、降雨量等3个主要气象因子, 并采用灰色关联度分析方法, 研究纤维品质主要指标与3个主要气象因子之间的相关关系。其中气象数据来源于国家气象信息中心。
1.5 同一熟性对照品种纤维品质与主要气象因子关系研究灰色关联分析是一种发展态势的量化比较分析方法, 而关联度是2个因数关联性大小的量度。如果两者在发展过程中, 相对变化基本一致, 则认为两者关联度大; 反之, 两者关联度就小, 影响力则小。下面以黄河流域国家棉花品种区域试验中熟常规棉区试组别对照品种‘中植棉2号’和中熟杂交棉区试组别对照品种‘瑞杂816’为例, 研究单一品种在2009—2014年连续6年的安阳试点不同年份间纤维品质与相应年份间4—10月份≥10 ℃有效积温、日照时数、降雨量3个主要气象因子之间的相关关系。
河南省安阳地区是黄河流域重要植棉区, 位于黄河流域棉区的中心地带, 生态代表性较强, 国家棉花品种区试多年来把安阳作为重要的试点。安阳位于114°35′E、36°10′N, 海拔高度76.0 m, 属暖温带大陆性季风气候, 年平均温度13.6 ℃, 年降水量650 mm, 无霜期200 d。日照时数和气温适中, 昼夜温差小, 温光资源丰富, 适合棉花生长, 国家级棉花研究所就选址于此。连续6年安阳试点整个棉花生长季节(4—10月)的主要气象因子数据如表 3。
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表 3 2009—2014年黄河流域棉区安阳试点棉花生长季节(4—10月)气象因子观察数据汇总 Table 3 Observational data of meteorological factors during cotton growing season (Aprile to October) in Anyang in the Yellow River Valley from 2009 to 2014 |
2009—2014年国家黄河流域棉花品种区试安阳试点中熟常规组对照‘中植棉2号’和中熟杂交组对照‘瑞杂816’连续6年纤维品质主要指标数据如表 4。
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表 4 2009—2014年黄河流域棉区对照品种在安阳试点纤维品质性状观察值 Table 4 Observed value of fiber quality of control varieties of Anyang in the Yellow River Valley from 2009 to 2014 |
同一棉区内, 不同熟性类型品种纤维品质有差异(表 5)。黄河流域棉区不同熟性品种纤维长度、比强度、马克隆值及纺纱均匀性指数随品种熟性的生育期提早各项指标均呈降低的趋势; 如中熟、早中熟和早熟类型品种棉纤维比强度分别为30.2 cN∙tex-1、29.5 cN∙tex-1和28.7 cN∙tex-1。西北内陆棉区不同熟性品种随熟性的提早纤维马克隆值变化与黄河流域棉区相似, 而纤维长度、比强度和纺纱均匀性指数差异则相反。不同棉区间, 同一熟性类型相比, 中熟棉类型纤维比强度以黄河流域棉区略高, 纤维长度均值则以长江流域棉区较高; 早中熟和早熟棉纤维长度、比强度及纺纱均匀性指数以西北内陆棉区较高, 而马克隆值均以西北内陆棉区较优。与理想类型相比, 以西北内陆棉区棉花纤维品种较优。
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表 5 2005—2014年不同棉区不同熟性类型棉花品种主要品质性状 Table 5 Main quality characters of different maturing cotton varieties at different cotton planting areas from 2005 to 2014 |
按照我国棉花纤维品质Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型标准, 对2005—2014年间我国不同熟性类型品种进行归类, 结果如表 6所示。
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表 6 2005—2014年国家棉花区域试验达到Ⅰ型、Ⅱ型标准的不同熟性类型品种 Table 6 Varieties of different mature types of cotton in national regional trials up to the national standards of type Ⅰ and type Ⅱ from 2005 to 2014 |
黄河流域中熟组参试品种中, 达到Ⅰ型和Ⅱ型标准的品种分别有3个和74个, 分别占本组参试品种的0.74%和18.23%;早中熟组参试品种中, 达到Ⅱ型标准的品种有13个, 占本组参试品种的16.88%;早熟组参试品种中达到国家Ⅰ型和Ⅱ型品种标准的分别有1个和3个, 分别占本组参试品种的2.0%和6.0%。
长江流域中熟组参试品种中, 达到国家Ⅰ型品种标准的仅1个品种, 占本组参试品种的0.30%;属于国家Ⅱ型品种的有36个, 占本组参试品种的10.65%。
西北内陆早熟组参试品种中, 达到Ⅰ型标准的品种有9个, 占本组参试品种的9.1%;属于Ⅱ型品种的有21个, 占本组参试品种的23.1%。早中熟组参试品种中, 达到国家Ⅰ型和Ⅱ型品质标准的品种分别为1个和21个, 分别占本组参试品种的1.02%和21.43%。
2.2 不同熟性类型棉花品种纤维品质性状灰色关联度分析灰色关联度是建立在多性状量化的基础上, 采取综合性状的全部优良信息所得的目标品种作为同一对比标准, 用于综合评价棉花品种的优劣。通过数据进行灰色多维综合评估分析, 结果如表 7。
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表 7 不同熟性类型棉花品质性状与理想性状之间灰色关联系数及综合灰色关联度 Table 7 Grey correlation coefficients and overall grey correlation degree of different maturing cotton varieties between quality traits and ideals traits |
黄河流域棉区中熟组棉花品种4个品质性状与理想性状的综合灰色关联度为0.653 8, 居6种熟性类型的第3位, 综合表现一般。其中纤维比强度与理想性状的灰色关联系数最高, 达到0.941 7;其次是纤维长度, 与理想性状的灰色关联系数0.796 9;而纺纱均匀指数和马克隆值与理想性状的灰色关联系数较低, 分别为0.527 8和0.348 9。因此, 该熟性类型棉花品质育种的主攻方向应当是继续改良纤维长度和比强度, 进一步加强对纺纱均匀指数特别是马克隆值的选育。
黄河流域棉区中早熟类型棉花4个品质性状与理想性状的综合灰色关联度为0.604 6, 居6种熟性类型的第5位, 综合表现差。其中纤维长度和比强度与理想性状的灰色关联系数分别为0.792 3和0.757 2, 而纺纱均匀指数和马克隆值与理想性状的关联系数更低, 分别为0.515 1和0.353 7。因此, 该熟性类型棉花品质育种的主攻方向应当是进一步加强对纤维长度和比强度的改良, 尤其应当重视对马克隆值和纺纱均匀指数的选择。
黄河流域棉区早熟类型棉花品种4个品质性状与理想性状的综合灰色关联度为0.490 5, 在6种熟性类型中表现最差。该熟性类型中, 4个品质性状均表现较差, 与理想性状的灰色关联系数均较小, 最大的也仅达0.610 6。因此, 该熟性类型棉花品质育种的主攻方向应当是四管齐下, 4个性状的选择均不能忽视。
2.2.2 长江流域棉区长江流域棉区中熟类型棉花4个品质性状与理想性状的综合灰色关联度为0.633 1, 居6种熟性类型的第4位, 综合表现一般。其中纤维长度、比强度与理想性状的灰色关联系数分别为0.838 3和0.843 3;纺纱均匀指数与理想性状的灰色关联系数较低, 为0.517 5, 而马克隆值表现最差, 仅为0.333 3。因此, 该熟性类型棉花品质育种的主攻方向与上述黄河流域中熟性类型类同。
2.2.3 西北内陆棉区西北内陆棉区早熟棉类型4个品质性状与理想性状的综合灰色关联度最大, 为0.980 7, 说明该类型综合品质性状表现最好。其中, 纤维长度、比强度和纺纱均匀指数3个品质性状与理想性状的灰色关联系数均为1.000 0, 即3个品质性状整体上已达到理想状态; 马克隆值与理想性状的灰色关联系数略低, 也达0.922 9, 基本接近理想值。可见, 西北内陆早熟棉是我国4个棉花纤维品质性状表现最优的一种类型, 该熟制棉花品质育种选育的主攻方向应该是在保持现有育种水平的基础上, 加强对马克隆值的选育。
西北内陆棉区早中熟类型4个品质性状与理想性状的综合灰色关联度为0.783 2, 居6种熟性类型的第2位, 综合表现较好。其中, 纤维长度、比强度和纺纱均匀指数的灰色关联系数分别为0.898 6、0.904 4和0.736 1, 但马克隆值灰色关系系数略低, 为0.593 7。因此, 该熟性类型棉花品质育种的主攻方向应当是进一步提高纤维长度、比强度和纺纱均匀性指数, 尤其应当重视对马克隆值的选育。
2.3 不同熟性类型棉花纤维品质性状分布差异性比较 2.3.1 黄河流域棉区由图 1可知, 2005—2014年黄河流域中熟棉类型纤维长度主要位于29 mm、30 mm两档, 随年份增长呈下降趋势; 早中熟棉类型2005—2010年纤维长度也处于29 mm、30 mm两档; 早熟棉类型纤维长度主要位于27 mm、28 mm、29 mm 3档。可见, 早熟棉类型纤维长度明显低于中熟棉和早中熟棉品种。
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图 1 2005—2014年黄河流域棉区不同熟性棉花品种纤维品质比较分析图 Fig. 1 Comparative analysis of cotton fiber quality of different maturing cotton varieties in Yellow River Valley from 2005 to 2014 |
2005—2014年中熟棉类型纤维比强度分布在28.7~31.9 cN∙tex-1, 但年份间波动较大; 2005—2010年中早熟棉类型纤维比强度与中熟棉相似, 但略低于中熟棉; 早熟棉类型纤维比强度则明显低于中熟棉和中早熟棉。
2005—2014年中熟棉类型纤维马克隆值随年份增长呈升高趋势, 2012年后纤维马克隆值明显升高。早熟棉类型纤维马克隆值明显低于中熟棉, 可能与早熟棉类型生育期相对较短、纤维成熟度较低有关。中早熟棉马克隆值高于早熟棉和中熟棉。
2005—2014年中熟棉类型纤维纺纱均匀性指数为135~154, 但2009年后呈降低趋势; 早中熟棉类型2005—2010年纺纱均匀性指数为137~153, 总体上低于中熟棉; 早熟棉品种纺纱均匀性指数为126~140。可见, 早熟棉类型纤维综合纺纱性能均低于早中熟棉和中熟棉; 但中熟棉品种则呈下降趋势, 主要与中熟棉品种纤维长度下降、马克隆值升高有关。
2.3.2 长江流域棉区2005—2014年由于长江流域棉区参加试验的品种都是中熟品种, 只有一个熟性类型, 同一个流域内不再做比较分析。
2.3.3 西北内陆棉区西北内陆棉区不同熟性品种之间的纤维品质显著性差异比较见图 2。结果表明:西北内陆棉区棉花纤维长度自2008年呈下降趋势, 但早熟棉品种纤维长度30.4 mm, 显著高于早中熟棉品种。早熟棉品种纤维比强度平均值虽高于早中熟棉品种类型, 但差异未达显著水平。西北内陆棉区早熟棉品种和早中熟棉品种纤维的马克隆值差异达显著水平, 早熟棉品种马克隆值显著低于早中熟类型。西北内陆棉区早熟棉品种和早中熟棉品种纤维纺纱均匀性指数差异较大, 早熟棉品种类型纺纱均匀性指数显著大于早中熟棉类型。
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图 2 2005—2014年西北内陆棉区不同熟性棉花品种纤维品质比较分析 Fig. 2 Comparative analysis of cotton fiber quality of different maturing cotton varieties in Northwest Inland Valley from 2005 to 2014 |
西北内陆棉区早熟棉和早中熟棉类型纤维长度均主要位于29 mm、30 mm两档, 且以早熟棉类型纤维长度略高于早中熟棉; 西北内陆棉区早熟棉类型纤维比强度为28.5~32.3 cN∙tex-1; 早中熟棉类型则分布在28.6~31.6 cN∙tex-1, 但其均值略低于早熟棉类型; 不同熟性类型纤维比强度随年份增长总体呈下降趋势。
2005—2014年早熟棉品种纤维马克隆值在4.1~4.6, 而早中熟棉类型在4.2~4.8, 且早熟棉类型纤维马克隆值总体上低于早中熟棉类型。可能与早中熟棉品种种植时生育期相对较长, 纤维成熟度较好有关。
2005—2014年西北内陆棉区早熟棉类型纤维纺纱指数为148~164, 早中熟棉类型为138~164;不同类型纤维纺纱均匀指数自2008年后随年份增长总体呈下降趋势。
2.4 同一熟性对照品种纤维品质与主要气象因子的关系 2.4.1 中熟常规棉品种纤维品质性状与主要气象因子关系研究2009—2014年‘中植棉2号’连续6年作为国家黄河流域区试中熟常规组别对照品种, 该品种生育期125 d, 品种审定时纤维上半部平均长度为29 mm, 断裂比强度29.2 cN∙tex-1, 马克隆值4.7, 纺纱均匀性指数139。中熟常规棉对照品种主要纤维品质性状与气象因子的灰色关联结果如表 8所示。在3个主要气象因子中, ≥10 ℃有效积温对‘中植棉2号’的纤维长度影响最大(灰关联度为0.836 8), 其次为纺纱均匀性指数, 再次为比强度, 对马克隆值影响最小。降雨量对‘中植棉2号’纤维长度影响最大(灰关联度为0.657 7), 其次为马克隆值, 再次为纺纱均匀性指数, 对比强度影响最小(灰关联度为0.559 6)。日照时数对‘中植棉2号’比强度影响最大(灰关联度为0.724 3), 其次为纺纱均匀性指数, 再次为纤维长度, 对马克隆值影响最小。
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表 8 黄河流域棉区中熟常规棉品种和杂交棉品种纤维品质性状与气象因子间的灰色关联度 Table 8 Grey correlation degrees of main meteorological factors and fiber quality of medium maturing conventional varieties in the Yellow River Valley |
同时可知, 通过灰色关联度分析, 在4个主要纤维品质性状中, 对中熟常规棉‘中植棉2号’纤维长度影响最大的气象因子是≥10 ℃有效积温(灰关联度为0.836 8), 其次为降雨量, 日照时数影响最小。对其比强度影响最大的气象因子是≥10 ℃有效积温(灰关联度为0.779 7), 其次是日照时数, 降雨量影响最小。对其马克隆值影响最大的气象因子是≥10 ℃有效积温(灰关联度为0.653 0), 其次是降雨量, 日照时数影响最小。对其纺纱均匀性指数影响最大的气象因子依然是≥10 ℃有效积温(0.801 5), 其次为日照时数, 降雨量影响最小。
≥10 ℃有效积温对‘中植棉2号’纤维长度影响最大, 对纤维品质主要指标的影响顺序自大到小为:纤维长度、纺纱均匀性指数、比强度、马克隆值。降雨量对纤维长度影响最大, 其大小顺序为:纤维长度、马克隆值、纺纱均匀性指数、比强度。日照时数对比强度影响最大, 其大小顺序为:比强度、纺纱均匀性指数、纤维长度、马克隆值。
从整体上看来, ≥10 ℃有效积温是影响中熟常规棉品种‘中植棉2号’主要纤维品质性状的最主要气象因子。
2.4.2 中熟杂交棉品种纤维品质性状与主要气象因子关系研究2009—2014年‘瑞杂816’连续6年作为国家黄河流域区试中熟杂交组别对照品种, 该品种生育期125 d, 品种审定时纤维上半部平均长度为30.2 mm, 断裂比强度31.2 cN∙tex-1, 马克隆值4.9, 纺纱均匀性指数147.7。
由表 8可知, 通过灰色关联度分析, 在3个主要气象因子中, ≥10 ℃有效积温对品种‘瑞杂816’比强度影响最大(灰关联度为0.828 6), 其次为纺纱均匀性指数, 再次为马克隆值, 对纤维长度影响最小。降雨量对‘瑞杂816’马克隆值影响最大(灰关联度为0.694 5), 其次为比强度, 再次为纤维长度, 对纺纱均匀性指数影响最小。日照时数对比强度影响最大(灰关联度为0.663 2), 其次为纺纱均匀性指数, 再次为马克隆值, 对纤维长度影响最小。
从4个纤维品质性状的角度看, 对‘瑞杂816’纤维长度、比强度、马克隆值三者影响最大的气象因子是≥10 ℃有效积温(灰关联度为分别0.727 2、0.828 6和0.746 2), 其次为降雨量(灰关联度分别为0.596 2、0.669 4和0.694 5), 日照时数影响最小(灰关联度分别为0.541 7、0.663 2和0.600 4);对‘瑞杂816’纺纱均匀性指数影响最大的气象因子是≥10 ℃有效积温(灰关联度为0.770 0), 其次为日照时数(0.654 3), 降雨量影响最小(0.584 3)。
整体上看来, ≥10 ℃有效积温同样是影响中熟杂交棉品种‘瑞杂816’纤维主要品质性状的最主要气象因子。
由此可见, 影响中熟常规棉品种和中熟杂交棉品种主要品质性状的主要气象因子既有相同的一面, 又有不同的一面。相同的是, 无论常规棉还是杂交棉, 影响纤维品质性状的最主要气象因子均是≥10 ℃有效积温; 不同的是, 降雨量和日照时数对4个纤维品质性状影响的重要程度有所差别。
3 讨论与结论 3.1 讨论 3.1.1 不同熟性类型符合品种审定标准的纤维品质评价棉花不同熟性类型是棉花科学研究者在长期生产实践中, 依据自然生态条件、种植制度、科研成果等要素与棉花生长发育特点完美结合划分形成的。May[20]、Berger等[21]认为棉花品质性状的形成是基因与环境共同作用的结果, 环境与不同熟性类型有着密切的相关性, 这就决定了不同熟性类型在棉花品质性状形成与差异中的重要作用。本文通过采用灰色多维综合评估方法, 对我国黄河流域中熟、早中熟和早熟组, 长江流域中熟组以及西北内陆早熟和早中熟组等6种棉花熟性类型的国家棉花品种区域试验参试品种纤维品质性状进行综合分析, 弥补了传统统计分析方法只能考虑单一因素性状的局限性。因此, 研究结论更加客观、全面和科学, 对于我国棉花品质育种和棉花生产不同熟制类型发展及棉花品种布局无疑具有一定的指导作用。
从2005—2014年不同熟性类型品种纤维品质性状分析结果来看, 纤维品质指标差异明显, 与熊宗伟等[6]、郭柏林[22]的研究结果基本一致。西北内陆棉区早熟和早中熟品种纤维品质与黄河流域中熟、中早熟、早熟以及长江流域中熟棉相比较而言, 表现为纤维长度好, 比强度高, 整齐度较好, 马克隆值适中。黄河流域早熟棉品种纤维品质综合纺纱性能明显低于中早熟棉、中熟棉品种, 但中熟棉品种纤维综合纺纱性能最近几年则呈下降趋势。早熟棉新品种的培育, 应注重提高纤维品质, 进一步提高早熟性, 适应黄河流域麦后直播棉要求。国家棉花品种区域试验的西北内陆棉区早熟和早中熟类型相比, 早熟棉品种纤维品质纺纱均匀性指数显著大于早中熟类型, 是西北内陆棉区较适宜的棉花品质发展类型。但是, 这两种熟制类型纤维品质呈劣质化的发展趋势, 导致这种下降趋势的直接原因与这两种熟制类型品种纤维长度下降、比强度下降、马克隆值升高的趋势有关, 此发展趋势与黄河流域棉区问题类似, 同样应该引起棉花育种工作者、区试审定和纺织用棉等部门的足够重视。
3.1.2 三大棉区不同熟性棉花品种纤维品质指标分析和建议对西北内陆棉区早熟棉、早中熟棉不同熟性棉花品种纤维品质指标进行分析, 纤维长度和比强度均呈下降趋势, 马克隆值呈上升趋势, 纺纱均匀性指数呈下降趋势。产生上述结果的原因是多方面的:一是与该棉区片面追求产量提高有直接关系。张金发[23]、郭香墨等[2]和金文林等[24]研究表明, 棉花产量性状与纤维品质性状呈高度负相关, 在一定范围内产量的提高必然导致品质性状的降低, 这启示我们在培育和选择高产品种的同时, 一定要注意与纤维品质性状同步改良, 建议种子管理部门审定品种时, 对棉花优质纤维生产区域, 主要纤维品质指标应设置下限, 如纤维长度应在30.0 mm以上, 比强度应在30.0 cN∙tex-1以上, 即所指的“双30”品种, 马克隆值应在3.6~4.9。二是与该棉区棉花优质种质资源材料较缺乏及品种引进有关。西北内陆早熟棉类型品种主要纤维品质指标优于早中熟类型品种, 主要由于早熟棉品种为新疆本土培育, 对纤维品质把关较严; 而早中熟类棉花品种是新疆棉花种植主体, 随着最近几年内地棉花面积急剧萎缩, 黄河流域和长江流域中熟、早中熟棉花品种大量引进, 其中不乏引进了高产、抗病而纤维品质较差的品种, 从而降低了西北内陆棉区早中熟棉的整体品质, 这对于新疆棉区正迅速扩大棉花机械化采收十分不利, 因为棉花在机采和清花过程中可能会使纤维品质进一步变劣, 纺织用棉品质会受到严重影响。针对上述结果, 建议种子管理部门从严掌握新疆棉花新品种引进门槛, 重点把握新引进棉花品种的纤维品质。
3.1.3 不同熟性类型棉花纤维品质改良不同种植制度下不同熟性棉花品种的棉花品质存在较大差异。韩迎春等[25]研究指出早熟棉品种品质低于中熟及早中熟品种。这与本研究的黄河流域棉区早熟棉品质相对较差的结论相一致。毛树春等[26]以早熟、早中熟和中熟品种为材料研究不同类型品种在河北省南部棉区的适应性, 表明在冀南棉区不适宜种植早熟品种, 中熟品种的适应性好于早中熟品种, 与本研究的不同熟性品种棉花品质中熟品种的适应性好于早中熟品种相一致。早熟和早中熟品种应合理搭配, 根据适宜生态区划分种植不同的早熟和早中熟品种。长江流域棉区、黄河流域棉区近几年纤维长度和比强度有增强的趋势, 说明在纤维长度和比强度方面的品质改进成效显著。但黄河流域、长江流域、西北内陆三大棉区6类不同熟性类型品种均表现出纤维马克隆值增大、纤维变粗的趋势。目前寻求降低马克隆值的育种途径和方法是棉花育种家们应尽快解决的问题。
3.1.4 棉花纤维品质与气象因子的关系大量研究表明, 气象因子对棉花纤维品质影响较大。王朝辉等[10]认为温度与纤维长度、整齐度指数、比强度和纺纱均匀性指数呈显著或极显著正相关, 与马克隆值正相关; 光照时数与纤维长度、整齐度指数、比强度、马克隆值和纺纱均匀性指数呈显著或极显著正相关; 降水量与纤维长度、整齐度指数、比强度、马克隆值和纺纱均匀性指数呈负相关。王小龙[27]认为在所有气象因子中, 温度对纤维发育最为重要。李伟明等[28]认为降水量是一个限制因子, 降水量较少年份对纤维品质起正作用, 降水量对纤维品质起副作用。王朝晖等[29]表明温度是影响纤维品质的主导因子, 温度、光照时数与纤维品质呈正相关, 而与降水量、空气湿度呈负相关。这说明在一定范围内, 光照时间长、温度高有利于纤维成熟, 马克隆值、纤维长度、比强度同时增加。温度在30~31 ℃、光照时间在6~10 h、空气湿度在65.0%~ 74.0%、降水量均匀且在2~4 mm时, 棉花纤维品质最优。研究表明温度对纤维品质的影响, 在20~30 ℃时温度越高成熟度越好, 棉纤维强度随日平均气温的上升而增强。韩慧君[30]研究发现棉花成熟度和细度主要受热量和日照时数的影响。赫云理[31]认为中熟棉花品种的纤维强力与细度呈负相关, 与成熟系数呈正相关。中熟品种达到同样品质指标所要求的气象因子条件比早熟棉花品种略低, 因为早熟棉花品种播种较晚, 铃期温度偏低, 温度对纤维发育的有效性较差, 达到同样品质所需积温、光照要求更多一些。而铃期以前的情况刚好相反, 早熟品种和中熟品种播种至开花所需积温分别为1 500 ℃和1 900 ℃。马富裕等[32]对纤维发育与气象因子的关联有一定的研究, 认为随纬度升高, 由南疆中熟棉区向北疆早熟棉区推移过程中, 纤维加长, 比强度下降, 马克隆值降低, 可溶性糖含量增加。孙东磊等[33]认为从棉纤维整个发育期分析, 纤维品质指标受气象因子影响大小顺序为:比强度 > 马克隆值> 长度。而本研究表明, 无论中熟常规棉品种‘中植棉2号’, 还是中熟杂交棉品种‘瑞杂816’, ≥10 ℃有效积温均是影响纤维品质性状的最主要气象因子; 而不同的是, 降雨量和日照时数对4个纤维品质性状影响的重要程度有所差别。这些结论与Gipson等[13]和马富裕等[32]的研究结果基本一致。
随着科技的发展和育种水平的不断提高, 我国“六五”至“十二五”期间, 棉花纤维品质总体趋势不断提高[34]。棉花育种品质的长度分布范围在27~32 mm, 以29 mm和30 mm为主, 所占比例达60%左右; 比强度主要分布在25.0~31.0 cN∙tex-1, 以28.0~29.0 cN∙tex-1为主, 比强度有逐年增大的趋势; 麦克隆值多分布在4.3~4.9。尤其最近10年, 三大棉区的纤维麦克隆值都有偏高趋势, 纤维表现越来越粗, 这与黄河流域近年来的平均气温升高有很大关系, 尤其7月中下旬至8月份的高温干旱, 对棉花造成不利影响, 建议棉花育种专家在品种选育时, 适当调整选育指标。
3.2 结论分析不同熟性类型纤维品质表明, 2005—2014年国家棉花参试品种中达到国家Ⅰ型、Ⅱ型标准的品种, 中熟棉品种分别占其参试品种总数的0.54%和12.63%, 早熟棉为7.09%和18.44%, 早中熟棉为0.57%和17.14%。
不同纤维品质指标以纤维长度和比强度与理想性状的灰色关联系数较高, 其次是纺纱均匀性指数, 再次为马克隆值, 且在不同棉区间、不同熟性类型间表现一致。西北内陆早熟棉和早中熟棉综合品质性状最佳, 其次是黄河流域与长江流域棉区的中熟棉类型, 再次是黄河流域早中熟棉和早熟棉类型。
分析不同熟性品种纤维品质地域分布可见, 黄河流域棉区中熟棉纤维品质分布略优于长江流域棉区。西北内陆棉区早熟棉纤维品质综合性状表现最佳, 是我国棉花品质育种和生产的首选熟性类型, 是我国棉花品质最具发展潜力的一种熟性类型, 其品质发展育种策略应当是在保持现有品种品质性状的基础上, 加强对纤维长度和比强度的改良。其次为西北内陆早中熟类型, 是我国棉花品质育种和生产的重要熟性类型, 但要进一步提高纤维长度、比强度和纺纱均匀指数的选育力度。
我国棉花品种中熟棉类型主要分布在长江流域和黄河流域棉区, 近5年西北内陆棉区的中熟品种有所增加。总体上中熟棉品种纤维长度分布范围在28.7~30.3 mm, 达到纺中高档纱所需长度标准要求。黄河流域的中熟品种近几年纤维长度有所下降, 长江流域的纤维长度表现较好。黄河流域北部近几年中熟品种的比强度指标有所下降, 但长江流域棉区的比强度有所提高, 分布在29.6~31.0 cN∙tex-1, 属中等偏上水平。三大棉区马克隆值差异明显, 长江流域棉区的马克隆值高于黄河流域棉区, 而黄河流域棉区马克隆值高于西北内陆棉区。黄河流域的马克隆值在2010—2014年提高幅度较大, 出现马克隆值超过5.5的现象。
本研究表明棉花生育期4—10月份≥10 ℃有效积温是影响中熟常规棉和杂交棉纤维品质的最主要因子。不同的是降雨量和日照时数对4个纤维品质性状影响的重要程度有所差别。对中熟常规棉而言, 气象因子影响纤维长度和马克隆值的顺序为≥10 ℃有效积温 > 降雨量 > 日照时数; 影响比强度和纺纱均匀性指数的顺序为≥10 ℃有效积温 > 日照时数 > 降雨量。对中熟杂交棉而言, 气象因子影响纤维长度、比强度、马克隆值的顺序均为≥10 ℃有效积温 > 降雨量 > 日照时数; 而影响纺纱均匀性指数的顺序为≥10 ℃有效积温 > 日照时数 > 降雨量。
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