不同流域棉花品种纤维品质分布和地域分异研究

唐淑荣 魏守军 孟俊婷 韦京艳 孙福来

摘要 采用地理信息系統为信息处理技术方法，以黄河流域棉区、长江流域棉区、西北内陆棉区的早熟、中熟和早中熟类型的杂交棉和常规棉品种为试验材料，通过2005—2014年国家级棉花品种区域试验对棉纤维4个主要纤维品质性状（长度、马克隆值、比强度和纺纱均匀性指数）进行地域性分析研究。结果表明，中熟棉品种纤维长度达到纺中高档纱所需长度标准要求;黄河流域的河北北部中熟品种近几年纤维长度下降，长江流域的长江中下游地区纤维长度表现较好;中熟品种的纤维比强度分布大致呈自西向东、由北向南增加的趋势。三大棉区不同熟性类型马克隆值有明显差异。此外，黄河流域棉区的华北平原一带是适宜种植推广中长绒、高比强和高马克隆值的长强粗纤维的常规棉品种的区域，黄河流域棉区的黄土高原一带是适宜种植推广普通高产型的短弱粗纤维的常规棉品种的区域。长江流域中下游棉区是适宜种植推广中长绒、高比强和高马克隆值的长强粗纤维的杂交棉品种区域。而西北内陆棉区的东疆地区是适合推广种植长强细的优质常规棉品种或长绒棉品种的区域，可以作为我国棉纺工业纺髙支纱的重要优质棉生产基地。总之，西北内陆棉区常规棉仍然是我国棉花品质性状表现最具发展潜力的品种类型。

关键词 棉花（Gossypium hirsutum L.）;熟性类型;纤维品质;地理信息系统

中图分类号 S562文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）02-0040-09

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.012

开放科学（资源服务）标识码（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

棉花是我国重要的经济作物，是纺织工业的主要原料，棉花纤维品质的优劣与纺织品质量及植棉业的发展密切相关。我国幅员辽阔，自然环境类型多样，宜棉区域广阔，目前按大的流域划分，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品种熟性类型。明确分析我国棉花纤维品质的区域特征分布规律及纤维品质地域分异对我国棉花育种方向和产业发展具有重要意义。地理信息系统（Geographic Information System，GIS）作为一种重要的信息处理技术，自1997年开始被广泛应用于农业生产的空间分布和变异研究[1-2]。朱大威等[3]、周留根等[4]基于GIS建立了棉田精准施肥和土壤养分管理和棉花生产潜力和空间分布，并对棉花施肥及肥力综合评价。王飞飞等[5]建立棉铃品质预测与地域分异评价系统，对棉铃品质地域分异评价系统，对长江和黄河中下游棉区的棉铃品质预测和地域分异进行评价。潘学标等[6-8]通过GIS建立了区域棉花生产管理信息系统，分析了棉花生产空间区域分布与变异状况等。上述研究主要集中在棉花施肥、种植区划、生产空间布局、生产潜力分析、棉铃品质预测及地域分异评价等领域。

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[9]。研究不同熟性棉花的纤维品质表现及其地域分布，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性的意义。已有的研究也表明，棉纤维品质除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[10-15]，熊宗伟等[16]研究进一步指出，棉花品质指标与各生态区气候因子（ 温度、光照、降水、湿度） 有较好的相关性，如日照充足、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、麦克隆值、品级等品质指标均居国内各棉区首位。此外，棉花生长过程中环境条件如土壤类型、海拔高度、气候条件、栽培措施等多因素的影响，在年际间和不同生态点间的表现差异很大[17-18]。该研究从宏观角度对我国三大主产棉区早熟、早中熟、中熟不同熟性类型棉花品种纤维品质和气候因子的空间分布规律进行研究，以2005—2014年我国国家级棉花区域试验531个参试品种的纤维品质主要性状指标（上半部平均长度、断裂比强度、马克隆值和纺纱均匀性指数）为分析对象，结合近10年全国48个试验站点的气象数据资料，系统研究我国近10年间棉花不同品种类型（杂交棉、常规棉）、不同熟性类型（早熟、中熟、早中熟）、不同生态区（黄河流域棉区、长江流域棉区及西北内陆棉区）棉花纤维品质时空分布的规律。根据GIS系统制作不同熟性的棉花品种在区域尺度上的品质差异，揭示不同熟性的棉花品种纤维品质的地域分异规律，对合理安排国家棉花品种区试不同熟性类型参试品种的地域分组试验以及棉花一熟制、两熟制种植结构调整具有重要参考价值，可明确不同生态区棉纤维品质发育最有利的熟性类型，实现资源有效利用，有利于棉花生产的区划发展。

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.1.1 试验地点的设置。2005—2014年黄河流域中熟棉区域试验在安徽淮北、河北沧州、邯郸、临西、石家庄、河南安阳、商丘、西华、新乡、郑州、杞县、山东昌邑、惠民、临清、宁津、夏津、梁山、德州、山西运城、陕西杨凌、江苏徐州和天津试验点进行。

2005—2014年长江流域棉花区域试验在安徽安庆、合肥、湖南常德、岳阳、益阳、浙江慈溪、湖北武汉、黄冈、江陵、荆州、江西九江、江苏南京、南通、盐城、四川成都、射洪和河南南阳8个省市17个试验点进行。

2005—2014年西北内陆棉区早中熟棉区域试验在新疆自治区和兵团麦盖提、疏附、莎车、库车、农一师、巴州6个试验点进行。西北内陆棉区早熟棉区域试验在新疆乌苏、石河子、精河、农八师、农七师、和田和甘肃敦煌7个试验点进行。

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（次）。其中，黄河流域棉区中熟组参试品种406个。早中熟组参试品种77个，早熟组参试品种50个，长江流域棉区中熟组品种共338个;西北内陆棉区参试品种共189个，其中早熟组参试品种91个;早中熟组参试品种98个（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。

1.1.3 田间试验设计。

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和类型设置。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2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。

1.1.4 不同熟性品种棉花纤维品质性状。

同一棉区内，不同熟性类型品种纤维品质有差异（表2）。黄河流域棉区，不同熟性品种纤维长度、比強度、麦克隆值及纺纱均匀性指数均值随品种熟性的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均值分别为30.24、29.53和28.66 cN/tex。西北内陆棉区，不同熟性品种随熟性的提早纤维马克隆值均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均值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;中早熟和早熟棉纤维长度、纤维比强度及纺纱均匀性指数均值以西北内陆棉区较高，而麦克隆值均值均以西北内陆棉区较优。与理想类型相比，西北内陆棉区棉花纤维品种较优。

纤维比强度分布在26.6～30.5 cN/tex，多数常规棉品种的纤维比强度达到中等水平，如西北内陆的南疆和北疆地区、山东东部一带地区，纤维比强度达到中等偏上29.0～29.8 cN/tex，高比强的地区主要是新疆的东部和甘肃的敦煌及河北北部、山东北部地区，达到29.8～30.5 cN/tex，而陕西的咸阳、渭南一带比强度偏低，为26.6～27.4 cN/tex。

马克隆值变化在棉区间有差异，总体上以黄河流域棉区的马克隆值高于西北内陆棉区。黄河流域棉区马克隆值在5.0～6.0。西北内陆棉区则在2.6～5.0。且黄河流域近年来马克隆值提高幅度较大，成为马克隆值最高的棉区。

总之，黄河流域棉区的河南北部、河北境内、山东北部地区，纤维长度分布主要在28.8～29.6mm，马克隆值分布阈值在5.0～6.0，比强度分布值在29.8～30.5 cN/tex。而黄河流域棉区的河南西部地区、山西和陕西境内的产棉区的常规棉品种品质表现为长度在26.4～27.2mm短棉标准范围，低档比强26.6～27.4 cN/tex，马克隆值分布阈值在4.9～5.5，达到国家审定标准的普通高产要求的纤维品质。西北内陆棉区由于特殊的地理特点和气候差异，使得西北内陆常规棉品种纤维品质性状明显优于黄河流域常规棉品种的品质。西北内陆棉区年均温度与黄河流域相当，平均降水量和日照时数均略高于西北内陆棉区;此外，由于地理特点不同，气候日变化差异也较大。西北内陆常规棉品種品质性状明显优于黄河流域常规棉品种。

2.1.2.2 2005—2014年杂交棉品种纤维品质的空间分布。

我国杂交棉品种主要分布在黄河流域和长江流域棉区，西北内陆棉区近几年不断向新疆引进杂交棉品种。从图6和7可以看出，杂交棉品种纤维长度分布在29.3～30.7 mm，达到中绒棉的标准。近年来黄河流域的杂交棉品种纤维长度下降，在48个试点中表现偏短;以长江流域纤维长度最长，达到30.7 mm以上;西北内陆杂交棉纤维长度2005—2009年、2010—2014年分布在29.9～30.2 mm和29.5～29.8 mm。

杂交棉品种的纤维比强度分布大致呈自西向东增加的趋势，分布在28.7～31.0 cN/tex。但近几年黄河流域的纤维比强度受高温影响，强度下降。

三大棉区麦克隆值差异明显，长江流域棉区的麦克隆值高于黄河流域棉区，而黄河流域棉区麦克隆值高于西北内陆棉区。黄河流域棉区马克隆值在5.0～6.0，且在2010—2014年马克隆值提高幅度较大。

黄河流域的年平均日照时数（2 043 h）比长江流域高221 h;黄河流域的年平均降水为645 mm，比长江流域少407 mm。鉴于杂交棉品种前期生长势较强，器官发育建成速度较快，霜后花率低，纤维发育好，成熟较早。而长江流域棉花种植密度低，造成棉珠上部棉铃发育受温度的限制，影响纤维品质。黄河流域的杂交棉纤维品质优于长江流域的杂交棉品种。

2.2 基于不同熟性类型品种的纤维品质空间分布

2.2.1 熟棉类型纤维各性状指标的空间分布。

早熟棉类型主要分布在西北内陆棉区的北疆地区和黄河流域棉区，2005—2009年间西北内陆棉区早熟棉类型的纤维长度好于黄河流域，大多分布在31.0～31.9 mm，而黄河流域纤维长度平均分布在中等范围26.0～29.9 mm，即纤维长度以西北内陆棉区较高;比强度和整齐度指数分布自西向东呈逐步减弱的变化趋势;马克隆值分布趋势自西向东逐渐有走高的趋势， 2010—2014年西北内陆棉区与黄河流域棉区纤维品质差异与2005—2009年相似，但区域间的差异变小。北疆区域早熟棉的纤维长度、比强度近几年略有下降，2010—2014年西北内陆的马克隆值也比2005—2009年稍有增高。

2.2.2 早中熟类型纤维各性状指标的空间分布。

我国的早中熟棉类型主要分布在西北内陆棉区的南疆地区和黄河流域整个棉区。2005—2009年间西北内陆棉区早中熟棉类型纤维长度大多分布在高长度级范围，为30.0～31.9mm，黄河流域纤维长度则分布在中等偏下范围26.0～29.9 mm，分析表明西北内陆早中熟棉纤维长度高于黄河流域棉区;比强度分布自西向东呈逐渐增大的变化趋势;马克隆值的空间分布与早熟棉相似，马克隆值分布趋势自西向东逐渐有走高的趋势。

黄河流域棉区早中熟棉类型纤维品质分布特征与早熟棉相似。马克隆值变化在棉区间有差异，总体上以黄河流域棉区的马克隆值高于西北内陆棉区。黄河流域棉区马克隆值在5.0～6.0。西北内陆棉区则在2.6～5.0。且黄河流域近年来马克隆值提高幅度较大，成为马克隆值最高的棉区。

2005—2009年早中熟的纤维长度分布自东向西逐步增大，而在2010—2014年早中熟的纤维长度分布变成自西向东逐步增大，出现品质倒转的现象，说明新疆棉区的纤维长度近年来纤维长度变短的分布现状，应引起育种专家们得高度重视。

2.2.3 中熟品种纤维各性状指标的空间分布。

我国的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。黄河流域的河北北部中熟品种近几年纤维长度有所下降，但平均分布在28.7～29.0 mm，山东东部和长江流域的浙江省区、江苏东部沿海一带纤维长度最长分布在30 mm以上。可见，纤维长度以长江流域的长江中下游地区表现较好。

中熟品种的比强都在黄河流域的河北北部的石家庄、沧州、故城，近几年纤维比强度有所下降，但长江流域棉区的比强度有所提高，中熟品种的纤维比强度分布大致呈自西向东、由北向南增加的趋势，分布在29.6～31.0 cN/tex，属中等偏上的水平。

三大棉区麦克隆值差异明显，长江流域棉区的麦克隆值高于黄河流域棉区，而黄河流域棉区麦克隆值高于西北内陆棉区。呈现自西向东、由北向南逐渐增大的分布情况，但黄河流域棉区麦克隆值在5.0～5.5，且在黄河流域的麦克隆值在2010—2014年提高幅度较大，出现麦克隆值超过6.0的现象。

中熟品种的综合品质表现如下：2005—2009年纤维长度和比强度黄河流域棉区高于长江流域棉区，整齐度指数以长江流域棉区较高，麦克隆值以长江流域最高。2010—2014年纖维长度仍以黄河流域棉区高于长江流域棉区，整齐度指数以长江流域棉区较高，但黄河流域麦克隆值越来越高。

3 讨论

GIS地理信息系统用在不同熟性类型品种棉花纤维品质空间分布图的制作上，可以更好地从宏观角度研究棉花纤维品质的地域分异规律。该研究是在谢莉婷等[19]、朱大威等[3]、潘学标等[8]研究棉花施肥、种植区划、生产空间布局、生产潜力分析、棉铃品质预测及地域分异评价基础上，从宏观角度根据GIS系统制作不同熟性的棉花品种在区域尺度上的品质差异对我国三大主产棉区早熟、早中熟、中熟不同熟性类型棉花品种纤维品质和气候因子的空间分布规律进行研究，揭示不同熟性的棉花品种纤维品质的地域分异规律，对合理安排国家棉花品种区试不同熟性类型参试品种的地域分组试验以及棉花一熟制、两熟制种植结构调整具有重要参考价值。

（1）棉花不同熟性类型品种是我国棉花科技人员和广大棉农在长期生产实践中，根据自然生态条件、种植制度等要素将棉花生长发育特点与其完美结合而形成的，在我国棉花生产中占居重要地位。从2005—2014年间的纤维品质空间分布来分析，纤维品质指标逐年变化趋势明显，西北内陆棉区早熟和早中熟品种2005—2009年间纤维长度最好、比强度高、整齐度较好，且马克隆值分布在最佳范围。但在2010—2014年间西北内陆棉区的纤维长度降低，参试品种的纤维长度渐渐变短，马克隆值在2010—2014年间逐年增大，几个纤维主要指标的品质越来越差。黄河流域的马克隆值受气候影响，在2010—2014年间参试品种的马克隆值越来越高，品种表现偏粗，极大地影响了纺纱品质。近年来我国棉花参试品种的纤维长度出现品质倒转的现象，2005—2009年早中熟的纤维长度分布自东向西逐步增大，而在2010—2014年早中熟的纤维长度分布变成自西向东逐步增大，说明新疆棉区近年来纤维长度变短，应引起育种专家们的高度重视。棉花纤维品质的整体提高对提升纺织品质量有较大影响，因此育种家应注重纤维品质方面选育，国家和省级品种审定机构在审定品种时，更应从严把握品种、提高优质棉品种的比例，从而有利于提高棉产品国际竞争力。

（2）与长江流域相比较，黄河流域光热资源有限，杂交棉品种一般为中熟品种，由于前期生长势较强，器官发育建成速度较快，棉花生育后期霜后花率较低，纤维发育较好，成熟较早，纤维品质较优。而长江流域采用“小、壮、高”栽培技术途径，发挥棉花个体优势和延长有效花铃期以获得高产[20-21]。但这种技术途径势必增加棉株上部铃和晚秋桃比例，而这部分棉铃发育受温度限制，进而影响纤维品质形成，这可能是长江流域棉纤维品质略差于黄河流域的原因。因此，长江流域棉区除了加强纤维品质的改良，还应在栽培上调整技术，如增加种植密度而适当提前打顶，减少植株上部果枝和成铃数，从而提高纤维品质。

（3）不同棉区常规棉与杂交棉纤维品质性状比较表明，西北内陆棉区常规棉品质性状优于黄河流域杂交棉;而黄河流域杂交棉又优于黄河流域常规棉和长江流域杂交棉，且黄河流域常规棉与长江流域杂交棉纤维品质性状差异不显著。总之，西北内陆棉区常规棉是我国棉花品质性状选育最具发展潜力的品种类型，研究结果对优化我国优质棉区域布局和种植结构调整有重要的参考价值[22]。西北内陆棉区以种植常规棉为主，该区实行独具特色的“矮、密、早”栽培技术。近年来大面积采用机械化采收技术，造成原棉杂质含量高、纤维长度下降。为了适应机械化采收，品种的纤维长度需要提高1～2 mm，比强度也需要进一步提高。为此，建议该棉区审定棉花品种时，严格控制长度达不到30 mm、比强度达不到30 cN/tex的品种审定通过率，并加强采收机械研究和工艺流程改进，以保持优良纤维品质。

（4）通过GIS进行地域分异研究表明，我国常规棉参试品种主要布置在黄河流域和西北内陆棉区，多数常规棉品种纤维长度达到中绒棉的长度标准，其阈值分布在28.0～30.9 mm。而纤维长度达到31.0～33.9 mm的常规棉品种属于中长绒棉标准，主要在西北内陆棉区的东疆吐鲁番地区，为适宜生产中长绒棉的常规种主要种植区域，此地区也属于高比强度区域，其比强度阈值在29.8～30.5 cN/tex，而且马克隆值处于最佳的A和B级范围，适合推广种植优质的常规棉品种，可以农场化“订单农业”模式作为纺织企业优质棉生产基地。西北内陆棉区以种植早中熟常规棉为主，该区实行独具特色的“矮、密、早”栽培技术，随着近年来棉花大面积采用机械化采收技术，造成原棉杂质含量高，纤维长度下降。为了适应机械化采收，品种的纤维长度需要提高1～2mm，比强度也需要进一步提高，因此，建议西北内陆棉区参加国家棉花品种区域试验的常规棉品种最好先参加新疆自治区棉花品种区域试验，长度达不到30mm、比强度达不到30 cN/tex（即“双30”品质要求）的品种不得参加西北内陆国家棉花品种区试，以应对棉花机械化采收对纤维品质的不利影响。而黄河流域棉区的华北平原一带，包括河南北部、河北境内、山东北部地区，常规棉的纤维长度分布阈值在28.8～29.6mm，达到中长绒长度标准，马克隆值分布阈值在5.0～6.0，比强度分布阈值在29.8～30.5 cN/tex，这一带可以作为适宜推广生产上的中长绒棉、高比强、高马克隆值的常规棉品种;黄河流域棉区的黄土高原一带包括河南西部地区、山西和陕西的产棉区。常规棉品种长度分布阈值在26.4～27.2mm，才达到短绒棉长度标准范围，比强度分布阈值在26.6～27.4 cN/tex，才达到“低档”比强度范围，马克隆值分布阈值在4.9～5.5，达到B2级及以上标准范围，适合推广普通高产型的常规棉品种。