不同流域棉花品種纖維品質分布和地域分異研究

唐淑榮 魏守軍 孟俊婷 韋京艷 孫福來

摘要?采用地理信息系統為信息處理技術方法，以黃河流域棉區、長江流域棉區、西北內陸棉區的早熟、中熟和早中熟類型的雜交棉和常規棉品種為試驗材料，通過2005—2014年國家級棉花品種區域試驗對棉纖維4個主要纖維品質性狀（長度、馬克隆值、比強度和紡紗均勻性指數）進行地域性分析研究。結果表明，中熟棉品種纖維長度達到紡中高檔紗所需長度標準要求;黃河流域的河北北部中熟品種近幾年纖維長度下降，長江流域的長江中下游地區纖維長度表現較好;中熟品種的纖維比強度分布大致呈自西向東、由北向南增加的趨勢。三大棉區不同熟性類型馬克隆值有明顯差異。此外，黃河流域棉區的華北平原一帶是適宜種植推廣中長絨、高比強和高馬克隆值的長強粗纖維的常規棉品種的區域，黃河流域棉區的黃土高原一帶是適宜種植推廣普通高產型的短弱粗纖維的常規棉品種的區域。長江流域中下游棉區是適宜種植推廣中長絨、高比強和高馬克隆值的長強粗纖維的雜交棉品種區域。而西北內陸棉區的東疆地區是適合推廣種植長強細的優質常規棉品種或長絨棉品種的區域，可以作為我國棉紡工業紡髙支紗的重要優質棉生產基地?？傊?，西北內陸棉區常規棉仍然是我國棉花品質性狀表現最具發展潛力的品種類型。

關鍵詞?棉花（Gossypium hirsutum L.）;熟性類型;纖維品質;地理信息系統

中圖分類號?S562文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）02-0040-09

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.012

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Distribution of Fiber Quality and Regional Differentation of Cotton Varieties in Different Regions

TANG Shu-rong，WEI Shou-jun，MENG Jun-ting et al?（Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences / State Key Laboratory of Cotton Biology，Anyang，Henan 455000）

Abstract?The 4 major fiber quality traits of fiber length，micronaire，strength and spinning consistency index of different maturity cotton types were analyzed by Geographic Information System （GIS） method.Datasets were collected from national cotton regional trials in China during 2005-2014，fiber quality of hybrid and conventional cotton varieties including early-maturing，early-medium maturing and medium maturing variety trial groups in the Northwest Inland Valley （NWIV），the Yellow River Valley （YeRV） and the Yangtze River Valley（YaRV）.The results showed that the range of fiber length distribution of medium mature cotton varieties reached the requirement of the standard of high quality yarn.Fiber length of medium maturing varieties in north Hebei of YeRV declined in recent years.The fiber specific strength of medium maturing varieties was distributed in the decreasing trend of west to east and north to south.Besides，the YeRV of North China plain area was suitable to plant velvet length，high specific and high values for clones long strong crude fiber of conventional cotton varieties，the YeRV of the Huangtu Plateau area was suitable planting region of ordinary high yield promotion in the short weak crude fiber of conventional cotton varieties.In the middle and lower reaches of the Yangtze River cotton area was suitable to plant velvet length，high specific and high values for clones long strong crude fiber hybrid cotton variety.And northwest inland region of eastern Xinjiang region was suitable to plant long fine quality of conventional cotton varieties or cotton variety，which can be used as an important high-quality cotton production base for China's cotton industry spinning high yarn.In general，the northwest inland conventional cotton was the most promising variety.

Key words?Cotton（Gossypium hirsutum L.）;Maturing types;Fiber quality;Geographic information system

棉花是我國重要的經濟作物，是紡織工業的主要原料，棉花纖維品質的優劣與紡織品質量及植棉業的發展密切相關。我國幅員遼闊，自然環境類型多樣，宜棉區域廣闊，目前按大的流域劃分，有黃河流域、長江流域和西北內陸三大棉區。棉區間由于氣候條件的差異，演變出不同的種植制度，相應地形成了不同的品種熟性類型。明確分析我國棉花纖維品質的區域特征分布規律及纖維品質地域分異對我國棉花育種方向和產業發展具有重要意義。地理信息系統（Geographic Information System，GIS）作為一種重要的信息處理技術，自1997年開始被廣泛應用于農業生產的空間分布和變異研究[1-2]。朱大威等[3]、周留根等[4]基于GIS建立了棉田精準施肥和土壤養分管理和棉花生產潛力和空間分布，并對棉花施肥及肥力綜合評價。王飛飛等[5]建立棉鈴品質預測與地域分異評價系統，對棉鈴品質地域分異評價系統，對長江和黃河中下游棉區的棉鈴品質預測和地域分異進行評價。潘學標等[6-8]通過GIS建立了區域棉花生產管理信息系統，分析了棉花生產空間區域分布與變異狀況等。上述研究主要集中在棉花施肥、種植區劃、生產空間布局、生產潛力分析、棉鈴品質預測及地域分異評價等領域。

黃河流域棉區有中熟、早中熟和早熟3種類型，西北內陸棉區南疆地區以早中熟類型為主，北疆地區以早熟類型為主，而長江流域棉區中熟類型占絕對優勢[9]。研究不同熟性棉花的纖維品質表現及其地域分布，對于國家建立棉花優勢生產區和發展優勢熟性類型具有指導性的意義。已有的研究也表明，棉纖維品質除主要受遺傳特性影響外，生態因子在很大程度上影響纖維品質的形成[10-15]，熊宗偉等[16]研究進一步指出，棉花品質指標與各生態區氣候因子（ 溫度、光照、降水、濕度） 有較好的相關性，如日照充足、降水量小、平均相對濕度較低的西北內陸棉區是我國優質棉生產區域，其棉纖維長度、麥克隆值、品級等品質指標均居國內各棉區首位。此外，棉花生長過程中環境條件如土壤類型、海拔高度、氣候條件、栽培措施等多因素的影響，在年際間和不同生態點間的表現差異很大[17-18]。該研究從宏觀角度對我國三大主產棉區早熟、早中熟、中熟不同熟性類型棉花品種纖維品質和氣候因子的空間分布規律進行研究，以2005—2014年我國國家級棉花區域試驗531個參試品種的纖維品質主要性狀指標（上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值和紡紗均勻性指數）為分析對象，結合近10年全國48個試驗站點的氣象數據資料，系統研究我國近10年間棉花不同品種類型（雜交棉、常規棉）、不同熟性類型（早熟、中熟、早中熟）、不同生態區（黃河流域棉區、長江流域棉區及西北內陸棉區）棉花纖維品質時空分布的規律。根據GIS系統制作不同熟性的棉花品種在區域尺度上的品質差異，揭示不同熟性的棉花品種纖維品質的地域分異規律，對合理安排國家棉花品種區試不同熟性類型參試品種的地域分組試驗以及棉花一熟制、兩熟制種植結構調整具有重要參考價值，可明確不同生態區棉纖維品質發育最有利的熟性類型，實現資源有效利用，有利于棉花生產的區劃發展。

1?材料與方法

1.1?試驗設計

1.1.1?試驗地點的設置。2005—2014年黃河流域中熟棉區域試驗在安徽淮北、河北滄州、邯鄲、臨西、石家莊、河南安陽、商丘、西華、新鄉、鄭州、杞縣、山東昌邑、惠民、臨清、寧津、夏津、梁山、德州、山西運城、陜西楊凌、江蘇徐州和天津試驗點進行。

2005—2014年長江流域棉花區域試驗在安徽安慶、合肥、湖南常德、岳陽、益陽、浙江慈溪、湖北武漢、黃岡、江陵、荊州、江西九江、江蘇南京、南通、鹽城、四川成都、射洪和河南南陽8個省市17個試驗點進行。

2005—2014年西北內陸棉區早中熟棉區域試驗在新疆自治區和兵團麥蓋提、疏附、莎車、庫車、農一師、巴州6個試驗點進行。西北內陸棉區早熟棉區域試驗在新疆烏蘇、石河子、精河、農八師、農七師、和田和甘肅敦煌7個試驗點進行。

1.1.2?試驗品種類型。資料來自2005—2014年國家棉花區域試驗中黃河流域棉區中熟組、早中熟組和早熟組、長江流域棉區中熟組以及西北內陸棉區早熟組和早中熟組的匯總結果。國家區域試驗的安排均采用隨機區組設計，重復3次。參試品種共1 060個（次）。其中，黃河流域棉區中熟組參試品種406個。早中熟組參試品種77個，早熟組參試品種50個，長江流域棉區中熟組品種共338個;西北內陸棉區參試品種共189個，其中早熟組參試品種91個;早中熟組參試品種98個（表1）。考察品質性狀包括纖維長度、比強度、馬克隆值和紡紗均勻性指數。

1.1.3?田間試驗設計。

田間種植均采用隨機區組排列，重復3次，小區面積20 m2，4～6行區種植，行距0.80～1.12 m，株距依密度而定。密度按照不同生態區和類型設置。所有類別區域試驗棉花參試品種均采取密碼編號。黃河流域棉區采用直播與營養缽育苗移栽2種種植方式，長江流域棉區采用營養缽育苗移栽方式，西北內陸棉區均采用直播方式，其他管理參照當地大田高產管理。

1.1.4?不同熟性品種棉花纖維品質性狀。

同一棉區內，不同熟性類型品種纖維品質有差異（表2）。黃河流域棉區，不同熟性品種纖維長度、比強度、麥克隆值及紡紗均勻性指數均值隨品種熟性的提早各項指標均呈降低的趨勢，如中熟、早中熟和早熟類型品種棉纖維比強度均值分別為30.24、29.53和28.66 cN/tex。西北內陸棉區，不同熟性品種隨熟性的提早纖維馬克隆值均值變化與黃河流域棉區相似，而纖維長度、比強度和紡紗均勻性指數差異則相反。不同棉區間，同一熟性類型相比，中熟棉類型纖維比強度均值以黃河流域棉區略高，纖維長度均值則以長江流域棉區較高;中早熟和早熟棉纖維長度、纖維比強度及紡紗均勻性指數均值以西北內陸棉區較高，而麥克隆值均值均以西北內陸棉區較優。與理想類型相比，西北內陸棉區棉花纖維品種較優。

纖維比強度分布在26.6～30.5 cN/tex，多數常規棉品種的纖維比強度達到中等水平，如西北內陸的南疆和北疆地區、山東東部一帶地區，纖維比強度達到中等偏上29.0～29.8 cN/tex，高比強的地區主要是新疆的東部和甘肅的敦煌及河北北部、山東北部地區，達到29.8～30.5 cN/tex，而陜西的咸陽、渭南一帶比強度偏低，為26.6～27.4 cN/tex。

馬克隆值變化在棉區間有差異，總體上以黃河流域棉區的馬克隆值高于西北內陸棉區。黃河流域棉區馬克隆值在5.0～6.0。西北內陸棉區則在2.6～5.0。且黃河流域近年來馬克隆值提高幅度較大，成為馬克隆值最高的棉區。

總之，黃河流域棉區的河南北部、河北境內、山東北部地區，纖維長度分布主要在28.8～29.6mm，馬克隆值分布閾值在5.0～6.0，比強度分布值在29.8～30.5 cN/tex。而黃河流域棉區的河南西部地區、山西和陜西境內的產棉區的常規棉品種品質表現為長度在26.4～27.2mm短棉標準范圍，低檔比強26.6～27.4 cN/tex，馬克隆值分布閾值在4.9～5.5，達到國家審定標準的普通高產要求的纖維品質。西北內陸棉區由于特殊的地理特點和氣候差異，使得西北內陸常規棉品種纖維品質性狀明顯優于黃河流域常規棉品種的品質。西北內陸棉區年均溫度與黃河流域相當，平均降水量和日照時數均略高于西北內陸棉區;此外，由于地理特點不同，氣候日變化差異也較大。西北內陸常規棉品種品質性狀明顯優于黃河流域常規棉品種。

2.1.2.2?2005—2014年雜交棉品種纖維品質的空間分布。

我國雜交棉品種主要分布在黃河流域和長江流域棉區，西北內陸棉區近幾年不斷向新疆引進雜交棉品種。從圖6和7可以看出，雜交棉品種纖維長度分布在29.3～30.7 mm，達到中絨棉的標準。近年來黃河流域的雜交棉品種纖維長度下降，在48個試點中表現偏短;以長江流域纖維長度最長，達到30.7 mm以上;西北內陸雜交棉纖維長度2005—2009年、2010—2014年分布在29.9～30.2 mm和29.5～29.8 mm。

雜交棉品種的纖維比強度分布大致呈自西向東增加的趨勢，分布在28.7～31.0 cN/tex。但近幾年黃河流域的纖維比強度受高溫影響，強度下降。

三大棉區麥克隆值差異明顯，長江流域棉區的麥克隆值高于黃河流域棉區，而黃河流域棉區麥克隆值高于西北內陸棉區。黃河流域棉區馬克隆值在5.0～6.0，且在2010—2014年馬克隆值提高幅度較大。

黃河流域的年平均日照時數（2 043 h）比長江流域高221 h;黃河流域的年平均降水為645 mm，比長江流域少407 mm。鑒于雜交棉品種前期生長勢較強，器官發育建成速度較快，霜后花率低，纖維發育好，成熟較早。而長江流域棉花種植密度低，造成棉珠上部棉鈴發育受溫度的限制，影響纖維品質。黃河流域的雜交棉纖維品質優于長江流域的雜交棉品種。

2.2?基于不同熟性類型品種的纖維品質空間分布

2.2.1?熟棉類型纖維各性狀指標的空間分布。

早熟棉類型主要分布在西北內陸棉區的北疆地區和黃河流域棉區，2005—2009年間西北內陸棉區早熟棉類型的纖維長度好于黃河流域，大多分布在31.0～31.9 mm，而黃河流域纖維長度平均分布在中等范圍26.0～29.9 mm，即纖維長度以西北內陸棉區較高;比強度和整齊度指數分布自西向東呈逐步減弱的變化趨勢;馬克隆值分布趨勢自西向東逐漸有走高的趨勢， 2010—2014年西北內陸棉區與黃河流域棉區纖維品質差異與2005—2009年相似，但區域間的差異變小。北疆區域早熟棉的纖維長度、比強度近幾年略有下降，2010—2014年西北內陸的馬克隆值也比2005—2009年稍有增高。

2.2.2?早中熟類型纖維各性狀指標的空間分布。

我國的早中熟棉類型主要分布在西北內陸棉區的南疆地區和黃河流域整個棉區。2005—2009年間西北內陸棉區早中熟棉類型纖維長度大多分布在高長度級范圍，為30.0～31.9mm，黃河流域纖維長度則分布在中等偏下范圍26.0～29.9 mm，分析表明西北內陸早中熟棉纖維長度高于黃河流域棉區;比強度分布自西向東呈逐漸增大的變化趨勢;馬克隆值的空間分布與早熟棉相似，馬克隆值分布趨勢自西向東逐漸有走高的趨勢。

黃河流域棉區早中熟棉類型纖維品質分布特征與早熟棉相似。馬克隆值變化在棉區間有差異，總體上以黃河流域棉區的馬克隆值高于西北內陸棉區。黃河流域棉區馬克隆值在5.0～6.0。西北內陸棉區則在2.6～5.0。且黃河流域近年來馬克隆值提高幅度較大，成為馬克隆值最高的棉區。

2005—2009年早中熟的纖維長度分布自東向西逐步增大，而在2010—2014年早中熟的纖維長度分布變成自西向東逐步增大，出現品質倒轉的現象，說明新疆棉區的纖維長度近年來纖維長度變短的分布現狀，應引起育種專家們得高度重視。

2.2.3?中熟品種纖維各性狀指標的空間分布。

我國的中熟棉類型主要分布在長江流域和黃河流域棉區。近5年西北內陸棉區的中熟品種有所增加?？傮w上中熟棉品種纖維長度分布在28.7～30.3 mm，達到紡中高檔紗所需長度標準要求。黃河流域的河北北部中熟品種近幾年纖維長度有所下降，但平均分布在28.7～29.0 mm，山東東部和長江流域的浙江省區、江蘇東部沿海一帶纖維長度最長分布在30 mm以上?？梢?，纖維長度以長江流域的長江中下游地區表現較好。

中熟品種的比強都在黃河流域的河北北部的石家莊、滄州、故城，近幾年纖維比強度有所下降，但長江流域棉區的比強度有所提高，中熟品種的纖維比強度分布大致呈自西向東、由北向南增加的趨勢，分布在29.6～31.0 cN/tex，屬中等偏上的水平。

三大棉區麥克隆值差異明顯，長江流域棉區的麥克隆值高于黃河流域棉區，而黃河流域棉區麥克隆值高于西北內陸棉區。呈現自西向東、由北向南逐漸增大的分布情況，但黃河流域棉區麥克隆值在5.0～5.5，且在黃河流域的麥克隆值在2010—2014年提高幅度較大，出現麥克隆值超過6.0的現象。

中熟品種的綜合品質表現如下：2005—2009年纖維長度和比強度黃河流域棉區高于長江流域棉區，整齊度指數以長江流域棉區較高，麥克隆值以長江流域最高。2010—2014年纖維長度仍以黃河流域棉區高于長江流域棉區，整齊度指數以長江流域棉區較高，但黃河流域麥克隆值越來越高。

3?討論

GIS地理信息系統用在不同熟性類型品種棉花纖維品質空間分布圖的制作上，可以更好地從宏觀角度研究棉花纖維品質的地域分異規律。該研究是在謝莉婷等[19]、朱大威等[3]、潘學標等[8]研究棉花施肥、種植區劃、生產空間布局、生產潛力分析、棉鈴品質預測及地域分異評價基礎上，從宏觀角度根據GIS系統制作不同熟性的棉花品種在區域尺度上的品質差異對我國三大主產棉區早熟、早中熟、中熟不同熟性類型棉花品種纖維品質和氣候因子的空間分布規律進行研究，揭示不同熟性的棉花品種纖維品質的地域分異規律，對合理安排國家棉花品種區試不同熟性類型參試品種的地域分組試驗以及棉花一熟制、兩熟制種植結構調整具有重要參考價值。

（1）棉花不同熟性類型品種是我國棉花科技人員和廣大棉農在長期生產實踐中，根據自然生態條件、種植制度等要素將棉花生長發育特點與其完美結合而形成的，在我國棉花生產中占居重要地位。從2005—2014年間的纖維品質空間分布來分析，纖維品質指標逐年變化趨勢明顯，西北內陸棉區早熟和早中熟品種2005—2009年間纖維長度最好、比強度高、整齊度較好，且馬克隆值分布在最佳范圍。但在2010—2014年間西北內陸棉區的纖維長度降低，參試品種的纖維長度漸漸變短，馬克隆值在2010—2014年間逐年增大，幾個纖維主要指標的品質越來越差。黃河流域的馬克隆值受氣候影響，在2010—2014年間參試品種的馬克隆值越來越高，品種表現偏粗，極大地影響了紡紗品質。近年來我國棉花參試品種的纖維長度出現品質倒轉的現象，2005—2009年早中熟的纖維長度分布自東向西逐步增大，而在2010—2014年早中熟的纖維長度分布變成自西向東逐步增大，說明新疆棉區近年來纖維長度變短，應引起育種專家們的高度重視。棉花纖維品質的整體提高對提升紡織品質量有較大影響，因此育種家應注重纖維品質方面選育，國家和省級品種審定機構在審定品種時，更應從嚴把握品種、提高優質棉品種的比例，從而有利于提高棉產品國際競爭力。

（2）與長江流域相比較，黃河流域光熱資源有限，雜交棉品種一般為中熟品種，由于前期生長勢較強，器官發育建成速度較快，棉花生育后期霜后花率較低，纖維發育較好，成熟較早，纖維品質較優。而長江流域采用“小、壯、高”栽培技術途徑，發揮棉花個體優勢和延長有效花鈴期以獲得高產[20-21]。但這種技術途徑勢必增加棉株上部鈴和晚秋桃比例，而這部分棉鈴發育受溫度限制，進而影響纖維品質形成，這可能是長江流域棉纖維品質略差于黃河流域的原因。因此，長江流域棉區除了加強纖維品質的改良，還應在栽培上調整技術，如增加種植密度而適當提前打頂，減少植株上部果枝和成鈴數，從而提高纖維品質。

（3）不同棉區常規棉與雜交棉纖維品質性狀比較表明，西北內陸棉區常規棉品質性狀優于黃河流域雜交棉;而黃河流域雜交棉又優于黃河流域常規棉和長江流域雜交棉，且黃河流域常規棉與長江流域雜交棉纖維品質性狀差異不顯著。總之，西北內陸棉區常規棉是我國棉花品質性狀選育最具發展潛力的品種類型，研究結果對優化我國優質棉區域布局和種植結構調整有重要的參考價值[22]。西北內陸棉區以種植常規棉為主，該區實行獨具特色的“矮、密、早”栽培技術。近年來大面積采用機械化采收技術，造成原棉雜質含量高、纖維長度下降。為了適應機械化采收，品種的纖維長度需要提高1～2 mm，比強度也需要進一步提高。為此，建議該棉區審定棉花品種時，嚴格控制長度達不到30 mm、比強度達不到30 cN/tex的品種審定通過率，并加強采收機械研究和工藝流程改進，以保持優良纖維品質。

（4）通過GIS進行地域分異研究表明，我國常規棉參試品種主要布置在黃河流域和西北內陸棉區，多數常規棉品種纖維長度達到中絨棉的長度標準，其閾值分布在28.0～30.9 mm。而纖維長度達到31.0～33.9 mm的常規棉品種屬于中長絨棉標準，主要在西北內陸棉區的東疆吐魯番地區，為適宜生產中長絨棉的常規種主要種植區域，此地區也屬于高比強度區域，其比強度閾值在29.8～30.5 cN/tex，而且馬克隆值處于最佳的A和B級范圍，適合推廣種植優質的常規棉品種，可以農場化“訂單農業”模式作為紡織企業優質棉生產基地。西北內陸棉區以種植早中熟常規棉為主，該區實行獨具特色的“矮、密、早”栽培技術，隨著近年來棉花大面積采用機械化采收技術，造成原棉雜質含量高，纖維長度下降。為了適應機械化采收，品種的纖維長度需要提高1～2mm，比強度也需要進一步提高，因此，建議西北內陸棉區參加國家棉花品種區域試驗的常規棉品種最好先參加新疆自治區棉花品種區域試驗，長度達不到30mm、比強度達不到30 cN/tex（即“雙30”品質要求）的品種不得參加西北內陸國家棉花品種區試，以應對棉花機械化采收對纖維品質的不利影響。而黃河流域棉區的華北平原一帶，包括河南北部、河北境內、山東北部地區，常規棉的纖維長度分布閾值在28.8～29.6mm，達到中長絨長度標準，馬克隆值分布閾值在5.0～6.0，比強度分布閾值在29.8～30.5 cN/tex，這一帶可以作為適宜推廣生產上的中長絨棉、高比強、高馬克隆值的常規棉品種;黃河流域棉區的黃土高原一帶包括河南西部地區、山西和陜西的產棉區。常規棉品種長度分布閾值在26.4～27.2mm，才達到短絨棉長度標準范圍，比強度分布閾值在26.6～27.4 cN/tex，才達到“低檔”比強度范圍，馬克隆值分布閾值在4.9～5.5，達到B2級及以上標準范圍，適合推廣普通高產型的常規棉品種。