棉纤维品质形成的生态基础与模拟模型研究

PAGE22/NUMPAGES22棉纤维品质形成的生态基础与模拟模型研究进展摘要：棉纤维品质的形成受品种遗传性、环境生态因素和栽培措施的共同阻碍，具有较强的地域性，使得对棉纤维品质的调控难以综合考虑多因子互作并准确预测品质形成趋势。作物生长模型技术的核心是对生理生态过程及其相互关系的量化和整个作物生产系统知识的综合，进而实现对作物生长的动态预测与辅助调控。本文详述了品种遗传性、环境因素（温度、光照、水分等）和栽培措施（施氮量等）对棉纤维品质的阻碍，分析了国内外纤维品质模型研究及其应用的现状，认为有关纤维品质形成的生态基础及模拟模型的研究缺乏系统性。因此，深入研究纤维品质形成与生态环境间的定量关系，建立基于生理生态过程的纤维品质形成模拟模型，实现对不同生态条件下纤维品质形成的动态预测，并构建基于过程模型和GIS的纤维综合品质地域分异评价系统，关于完善棉花生长模型、解释纤维品质形成过程，指导生产具有重要意义。关键词：棉花（GossypiumhirsutumL）；纤维品质；生态基础；模拟模型；研究进展棉花是一种全球性的重要经济作物和纺织原料，高度可变的纤维物理性状是纤维加工的基础，阻碍成纱品质和加工效率[1]。棉纤维长度、比强度、马克隆值（细度、成熟度）是衡量纤维品质优劣的要紧指标，随着气流纺等高速、高效棉纺设备的问世，纺织工业要求纤维具有强度高、马克隆值适中、成熟度好等性能[2]。在提高产量的同时改进纤维质量是棉花生产的共同目标[3-4]。棉纤维品质形成是品种遗传特性[5]、环境生态因素[6-9]和栽培措施[10-12]共同作用的结果，统计美国国家品种试验18年的资料认为[13]：纤维长度、比强度、马克隆值（细度、成熟度）的品种变异分不为75.1%、70.9%、25.3%，环境变异分不为15.4%、17.7%、58.8%，品种与环境互作分不为5.7%、11.4%、15.9%。环境改变首先阻碍纤维产量，前人针对环境和栽培措施对产量阻碍的研究较为透彻，对纤维品质因响应环境和栽培措施所产生变异的研究则相对薄弱，而决定纤维最终使用价值和经济价值的是纤维的质量并非其数量。因此，研究、量化环境和栽培措施对纤维品质形成的阻碍，并应用量化的关系指导棉花生产治理具有重要意义。但由于纤维品质形成受多种因素的阻碍，具有较强的地域性。在不同条件下种植的同一品种棉花，其纤维品质差异较大[14-16]，使得在不同生态区域针对纤维品质形成的生产治理难以综合考虑多因子互作、准确预测生产趋势并量化生产治理技术。近年来，信息技术广泛应用于农业领域，其进展为作物生产治理的现代化和信息化提供了新的方法和手段。其中，作物生长模型技术是作物生产信息化的基础，其核心是对整个作物生产系统知识的综合和对生理生态过程及其相互关系的量化，它不仅能够加强人们对作物生理生态过程的理解和认识，而且能够实现对作物生长的动态预测与辅助调控，在评价多因素对作物品质特性阻碍方面是一个强有力的工具[17-18]；作物治理决策系统的进展促进了农业生产的现代化，特不是近年来3S（RS、GPS、GIS）空间信息技术在农业领域的应用，大大提高了农业生产水平。因此，深入研究棉纤维品质形成与生态环境及栽培措施间的定量关系，应用信息学技术实现对不同生态条件下棉纤维品质形成的动态预测，构建基于GIS和棉纤维品质形成模型的纤维综合品质地域分异评价系统，对促进棉花生长模型在支持纤维品质调控、估算不同地域纤维品质潜力等领域的应用将具有重要的现实意义。1棉纤维发育与纤维品质形成棉纤维由棉花胚珠外珠被表皮细胞分化发育而成[19-20]，其发育过程依照生理代谢过程的不同，大致可划分为纤维原始细胞的分化和突起、纤维细胞的伸长、纤维细胞的次生壁合成与加厚、脱水成熟四个时期[21-22]。其中，纤维细胞的伸长发育与次生壁合成和加厚发育有5-10d的重叠期[23]。棉纤维原始细胞的分化是指胚珠表皮细胞分化形成纤维原始细胞的过程，发生在开花前3d到开花当天。纤维原始细胞分化形成后，受物质刺激发育为球状或半球状突起并接着伸长。由于品种和环境等因素的不同，纤维突起时刻也有所变化，一般认为长纤维细胞的突起在开花当天，短纤维细胞的突起在开花后4d[24]或在花后5-10d[25]。这一时期纤维的发育要紧决定了成熟的纤维是长纤维（早期分化的纤维发育而成）依旧短纤维（晚期分化的纤维发育而成）。棉纤维细胞在开花当天开始伸长[26]，现在细胞本身无方向地非极性膨胀，直到纤维的最终直径形成，这一发育时期确定了纤维细度[27]。开花后2d左右，细胞由非极性膨胀转向极性伸长[22]，伸长动态符合“S”型曲线[28]，开花后5d伸长速率迅速增加，开花后5-15d达最大，此后伸长速率减缓直至停止。纤维伸长持续时刻要紧取决于品种遗传特性和环境因素，一般认为花后25-35d之间伸长停止[28-31]。在纤维伸长时期，纤维细胞长度可为其直径的1000-3000倍（直径为20μm），纤维最终长度可达20-30mm，有的可达35-40mm。棉纤维加厚发育期始于花后16-19d[32-33]，随品种遗传性和环境的变化，次生壁沉积也可能开始于花后12-18d。花后30d次生壁增厚速度加快，到花后40d增厚最快，花后40-50d次生壁增厚停止[31,34-35]。纤维比强度取决于纤维次生壁的建成和质量。纤维次生壁内侧在伸长与加厚发育10d左右的重叠期内就开始大量沉积结晶态纤维素[36]。在纤维发育期，转运的碳水化合物除用于呼吸代谢、提供能量外，几乎都用于纤维素的合成[37]。能够推断纤维次生壁的建成和质量与纤维素的合成与积存紧密相关[38]。纤维素是由β-1,4-D葡聚糖的单聚体聚合而成[39-40]，纤维素聚合度的增加和纤维胞壁的加厚差不多上通过葡萄糖残基在纤维素侧链上的联结完成[41]，只有聚合度达到3000以上的纤维素才具备抗拉伸能力，而初生壁的聚合度一般为1000-3000[42]，即在次生壁形成前，纤维无机械强力。关于纤维比强度与纤维素关系的研究往常一直认为纤维比强度与纤维素含量成正比[43]，最近研究纤维比强度的品种遗传性差异与纤维素累积速率关系的结果表明[44]：当棉花纤维素含量达到一定限度后(≥85%)，其对最终纤维比强度的阻碍较小，纤维比强度的形成要紧取决于纤维次生壁加厚期纤维素的累积特性，其中纤维素最大累积速率和快速累积持续期在品种间的变异性最大，前者与纤维比强度呈极显著负相关，后者与纤维比强度呈极显著正相关，且高强纤维的形成是以纤维素平缓累积为基础的。在纤维加厚发育期，随细胞壁厚度的增加，细胞的中腔和外直径逐渐变小，单纤维强力和成熟度逐渐增加，花后25-45d是纤维强度、马克隆值和细度形成的关键时期，花后45d以后纤维各品质性状变化较小[45]。在花后45-60d，棉铃开裂、吐絮。棉铃开裂前，纤维中腔内原生质及水分较多，棉铃开裂后，纤维开始脱水，细胞死亡，由于纤维束从基部到顶部以螺旋方向沉积，纤维脱水产生内应力，引起表面收缩和转曲。成熟纤维的横切面由外向内依次包括初生壁、次生壁和中腔。这一时期，纤维要紧发生脱水扭曲等生物物理变化，最终形成成熟纤维，各品质性状不再变化。2阻碍棉花纤维品质形成的要紧因素棉花品种遗传性是决定纤维分化、伸长、加厚及品质形成的直接缘故[44]。温度、水分、光照等生态因素显著阻碍纤维品质的形成[46-47]。此外，纤维品质的形成还受棉株内部和外部其他因素的阻碍，如棉株生理年龄[48]、外源活性物质[49]和矿质营养[10]等。各纤维品质指标形成的时期不同，形成时涉及的发育过程不同，各因子对纤维品质形成的阻碍大小及时期也有差异。因此，本文针对要紧纤维品质指标（长度、比强度、细度、成熟度、马克隆值），从品种遗传性、环境生态因素（温度、光照、水分）、栽培措施（施氮量）等方面阐述棉纤维品质形成的要紧因素。2.1阻碍棉纤维长度形成的要紧因素棉纤维长度是指纤维伸直时两端间的距离，与成纱质量和纺纱工艺关系紧密。目前，表示纤维长度的指标要紧有：主体长度、品质长度(上半部平均长度)、手扯长度、跨距长度、均匀度、短绒率等。其中，主体长度是指纤维中含量最多的纤维的长度；品质长度(上半部平均长度)是指比主体长度长的那部分纤维的平均长度，在纺纱工艺中，要紧用来确定罗拉隔距，因此与纺织工业的关系最为紧密。纤维长度与品种遗传性和环境因素的关系一直受到广泛的关注。有研究认为纤维长度要紧受品种遗传性操纵；也有研究认为纤维长度要紧由品种遗传性决定，但也受环境的阻碍[50]；还有研究认为纤维长度要紧受环境的阻碍[51]。2.1品种遗传性不同，纤维分化及伸长发育的进程有专门大差异，纤维长度因此有较大差异。研究表明：陆地棉纤维伸长期一般为25-30d左右，海岛棉在35d左右；且在栽培的棉花品种中，纤维长度各品种间差异也较大，一般海岛棉品种在33mm以上，陆地棉品种在21-33mm之间，而亚洲棉和草棉纤维长度在15-25mm之间[52]。纤维长度尽管要紧由品种遗传性决定，但温度、光照、水分、土壤养分等也对纤维长度造成一定的阻碍，研究表明由环境造成的纤维长度的变异能达到10%-24%[53]。2.1棉纤维长度的形成由纤维日伸长速率（averagedailygrowthrate,ADGR）和伸长发育持续时刻（fiberlengthdevelopmentperiod,FLDP）共同决定[54-55]，ADGR越大、FEP越长，最终纤维长度就越长[56]。环境生态因素和栽培措施通过阻碍FADGR和FLDP来决定纤维最终长度。温度：温度是阻碍纤维分化与发育的要紧因素[57]。纤维伸长发育受温度阻碍远小于加厚发育，伸长早期（15DPA前）需要较高的温度，后期（15DPA后）与温度关系不大[58-60]；纤维长度和伸长期的变异还与积温有关，与短纤维品种相比，长纤维品种对积温的反应更为明显[61-63]。关于纤维长度形成的界限温度研究也较多，O’Kelly和Carr研究认为[64]：纤维伸长最低温度不能低于14.7oC，过兴先认为15oC的日均温是纤维伸长的下限温度，马富裕等认为日均温在25.4oC时纤维长度达到最长[65]，张丽娟等认为纤维长度适宜范围的最低温度为14.7-20.8oC[66]，周青等认为随发育温度下降纤维快速伸长的起止时刻均推迟，快速伸长持续时刻缩短，起始伸长速率下降，综合快速伸长时刻和平均伸长速率，23.3-25.5oC是纤维长度形成的适宜温度[67]。也有研究认为铃期夜均温对纤维伸长的阻碍高于日均温而处于首要地位[15,68]。在正常温度范围内，随夜温升高，纤维伸长速率增加，纤维伸长期缩短[8,69]。15-21oC的夜均温可使纤维达到最大纤维长度，高于或者低于那个范围，则纤维伸长起始期推迟，伸长期延长，最终纤维长度缩短[58,68]。此外，气温日较差也被认为与纤维长度呈极显著相关关系[70]。光照：光照对纤维长度阻碍较大。光照不足使纤维伸长发育条件变差，导致伸长速率减慢，伸长期延长，并使最终纤维长度变短，变短幅度随遮荫程度增加而加大。王庆材等[71]研究表明遮荫会显著降低纤维伸长速率并延长纤维伸长期多达10d。事实上，由于纤维长度形成的时期要紧是在纤维伸长期，因此光照强度要紧是在棉铃发育20天内对纤维长度有阻碍，在20天后阻碍较小。周治国等研究认为纤维长度与花后15-25d的日照时数呈显著正相关关系[72]。Pettigrew在花后7天内对棉花叶片进行遮荫处理后发觉纤维2.5%跨长下降了2%[71]。然而光照对纤维长度的阻碍到底是因为降低了叶片光合速率从而减少了输入纤维的同化物量依旧由于改变了棉田冠层小气候而达不到纤维伸长的最佳光温条件目前尚不清晰。土壤水分：水分对棉花的阻碍研究较多针对产量[73-74]，当水分亏缺导致皮棉产量低于700kghm-2时，纤维长度将受到阻碍[75]。水分过多时将导致纤维长度显著降低[76]；水分充足时，形成的纤维较长[77]；水分不足则显著缩短纤维长度，水分亏缺程度越大，水分胁迫程度越大，则形成的纤维越短[78]。水分胁迫发生时刻对纤维长度的形成也有阻碍。研究表明，在开花前或者初花期前期，水分胁迫对纤维长度没有阻碍或阻碍不显著，但假如发生在开花后或者花后16d内的纤维快速伸长期，纤维长度则显著缩短[79-80]。显然，纤维伸长对水分胁迫的响应与细胞伸长的机理和生理过程有关2.1现有研究普遍认为土壤养分对棉花产量具有深远的阻碍，其中，氮素不仅是制约植物生长和产量形成的首要因素，而且对改善作物产量、品质亦有明显作用[82]。关于氮素阻碍纤维长度的研究较多，但存在分歧：早期的研究要紧集中在氮肥施用量与最终纤维长度的关系，普遍认为氮素对纤维长度的阻碍不明显，只有在极高或极低的氮浓度条件下，纤维长度才会有显著变化；近年研究则认为适量施氮、提高氮素利用率及保持适宜的施氮量均能够提高纤维长度[83]。马溶慧等研究表明纤维长度受施氮量的阻碍达到显著水平，过高或过低的氮浓度造成了叶片碳、氮代谢失衡，导致光合产物的积存与运输受阻，阻碍纤维长度的形成[84]。施氮量对纤维长度的阻碍程度在开花期间存在差异，伏桃纤维长度在施氮量间未达到差异，秋桃在适宜或较高的氮素水平形成的纤维长度显著高于低氮水平[85]。2.2阻碍棉纤维比强度形成的要紧因素棉纤维的强度是纤维具有纺纱性能和使用价值的必要条件之一，是决定纺纱强力的最重要因素[86-87]。纤维强度因仪器测量原理与操作标准不同分为单纤维强力与断裂比强度两种类型，其中，断裂比强度又分为零隔距比强度和3.2mm隔距比强度。零隔距比强度要紧取决于纤维形态特性、纤维素含量与聚合度、纤维超分子结构三方面，受环境阻碍专门小，但与纺纱品质的关系略低于3.2mm隔距比强度。3.2mm隔距比强度测试结果稳定性较差，但与纺纱关系较好。纤维比强度与品种遗传性和环境因素的关系也是研究的焦点[14-16,87-89]，但结论不尽一致，有人认为在陆地棉的品种中，差不多上没有非加性基因存在，即基因决定比强度，环境因素对其阻碍较小[87]。也有人认为环境造成的纤维比强度变异可达10%-24%[16,88]。2.2纤维比强度的形成要紧取决于次生壁加厚期纤维素的累积特性[44,90]，而纤维素合成相关酶以及相关调节酶差不多上由其自身遗传物质编码的，因此品种遗传性是决定纤维比强度的要紧因素。研究表明，品种遗传性不同，纤维次生壁累积的时期及纤维素累积方式也存在显著差异，从而导致了最终纤维比强度的差异[91]。刘继华等研究认为纤维素沉积高峰期后移的品种一般形成高强纤维[92]。束红梅等以纤维比强度差异明显的棉花品种为材料进行研究，发觉在纤维发育过程中，纤维素累积特性存在明显的品种遗传性差异，高强纤维的形成以纤维素平缓累积为基础[44]，且高强纤维品种其纤维发育过程中相关酶活性高，纤维素累积速率平缓且快速累积持续期长，而低强纤维品种其比强形成过程中的相关生理特性与之相反[93-94]。2.2温度：与纤维长度、细度相比，纤维比强度对环境更为敏感，纤维比强度与最高温度、平均温度和温度日较差均呈显著的正相关关系[95]。温度通过阻碍纤维加厚发育的进程进而阻碍纤维的比强度，其中铃期日均温对纤维比强度的阻碍较大。花后25-50天24oC的日均温是高强纤维形成的最佳温度[90]，在此温度下纤维素累积量大、累积速率平缓，最终纤维比强度最大；当花后25-50d日均温降低到21oC以下时纤维发育相关酶活性及基因表达受到阻碍，进而阻碍纤维素累积，导致纤维比强度显著下降[96]；当温度降到15.0oC左右时，纤维素累积量及累积速率显著降低，最终导致纤维比强度趋于停止[97]。马富裕对棉花花铃期6个气象因子与纤维品质的关系进行了通径分析，各因子对纤维比强度贡献率由大到小依次为≥15oC有效积温、日均温、日温差及最低气温，日均温及最低温[65]与比强度呈正相关。也有研究认为铃期积温与纤维比强度呈明显的正相关，且气温日较差亦阻碍纤维比强度，当日较差增大时，纤维比强度有增加趋势[98]。周青等研究认为23.3oC是高强纤维形成的适宜温度，随温度提高或降低，纤维比强度均降低[67]。但棉花品种不同，对温度的响应会有所不同[96]。棉花无限开花结铃的习性使纤维品质的形成受不同开花期的环境条件、棉株生理年龄阻碍较大。晚秋桃纤维发育日均温低于20oC，棉株进一步衰老，纤维素累积速度大幅下降，机体内部生理进程缓慢，导致纤维比强度增长缓慢且最终比强度大幅降低[99]。光照：光照与温度对纤维比强度的阻碍存在交互作用。在次生壁加厚期，当热量条件满足时，充足的日照能够促进纤维素的累积从而提高纤维比强度；而光照不足会降低纤维中可溶性糖含量，阻碍纤维素的转化与累积，导致纤维中纤维素含量减少，纤维比强度下降。Kasperbauer研究认为纤维素合成在花后16-19d进入高峰期，并持续到花后32-40d，在此过程中光照对纤维素累积及纤维比强度形成起重要作用[100]。周治国等研究证明日照时数对纤维比强度有重要作用[101]，且花后25-40天的日照时数与纤维比强度呈显著正相关关系[72]。Pettigrew等指出在花后20-30d的纤维次生壁加厚期遮荫会显著降低纤维比强度。王庆材等[102]进一步研究表明在花后21-40d遮荫显著降低纤维比强度，棉铃发育20天内遮荫次之，花后41d到吐絮阻碍最小，且相同铃龄棉铃纤维比强度降低幅度随遮荫程度增加而增大。土壤水分：土壤水分与纤维比强度关系的研究结果不尽一致。有研究认为土壤水分对纤维比强度没有阻碍[103]；有的研究认为比强度或随着土壤水分下降而增加，或与土壤水分关系不大[104]；还有研究认为水分充足形成高强纤维，水分不足降低纤维比强度[77-78,105]。2.与土壤养分对纤维长度的阻碍一样，施氮量对纤维比强度的阻碍研究也存在一定分歧。早期的研究普遍认为施氮量对纤维比强度的阻碍不明显。只有在极高或极低的氮浓度条件下，纤维比强度才会有显著变化。近期研究则认为适宜的氮素水平能够提高纤维比强度，而土壤氮素亏缺或过剩均导致纤维比强度的大幅度下降。马溶慧等研究表明纤维比强度显著受施氮量的阻碍，过高或过低的氮浓度造成了叶片碳、氮代谢失衡，导致光合产物的积存与运输受阻，阻碍纤维比强度的形成[84-85,106]。适宜的施氮量能够提高纤维比强度[107]。施氮量对纤维比强度的阻碍因水分条件的不同而异，刘瑞显等研究认为氮素显著阻碍纤维发育相关酶活性而决定比强度的形成，花铃期短期土壤干旱条件下，适量施氮有利于纤维发育过程中纤维素的合成与累积，复水后，纤维发育相关酶活性仍较高，因此最终纤维比强度最强；而过量施氮增大了棉株的蒸腾失水量，加重了棉株受干旱胁迫程度，氮素不足使棉株遭受土壤干旱与缺氮双重胁迫，难以形成高强纤维[105]。2.3阻碍棉纤维成熟度、细度、马克隆值形成的要紧因素棉纤维细度表示纤维的粗细程度，成熟度指纤维次生壁的加厚程度，马克隆值综合反映了纤维细度和成熟度，三者与棉纺工艺设备的清杂效率、棉纱外观品质、棉纱强力和可纺性有紧密关系，是衡量纤维品质的重要指标[86,108]。纤维胞壁要紧由纤维发育中沉积的纤维次生壁构成，初生壁和角质只占纤维胞壁厚度的2.4%[109-111]，次生壁的要紧成分是纤维素。因此，阻碍纤维次生壁特性的因素均会阻碍纤维成熟度、细度和马克隆值[112]。2.3尽管马克隆值要紧受品种遗传性的操纵，然而是其因环境阻碍而造成的变异可高达11%-34%[53]。2.3温度：纤维次生壁特性与温度紧密相关[63,113-114]，温度可通过调节纤维素的合成及其在次生细胞壁的沉积而阻碍纤维成熟度和马克隆值的形成[115-116]，尤其是花后25-40d的日均温对纤维细度、成熟度和马克隆值的形成的阻碍更为显著[15]。棉纤维马克隆值和成熟度随DPA呈线性增长[113]，其变化与开花期、结铃位置等相关的源库调节有关[62,117-119]。温度对马克隆值和成熟度的调节要紧集中在播种期对开花期的阻碍研究[120-121]，因播期而形成的温度变化显著阻碍马克隆值、成熟度和细度的形成，日均温在26oC以下时，随温度呈线性增长，达到32oC后均下降，32oC被认为是适宜纤维发育及纤维品质形成的温度上限[122]。光照：在次生壁加厚期间，光照不足阻碍纤维素的累积，最终导致马克隆值下降。在热量条件满足的条件下，纤维加厚发育速率与日照时数呈正相关，充足的日照可促进纤维素淀积，提高纤维成熟度。40%和70%遮荫处理均使纤维马克隆值和成熟度显著下降[123]。不同时段光照对纤维马克隆值形成的阻碍不同，Pettigrew等指出花后20-30d的纤维次生壁加厚期，遮荫对纤维马克隆值阻碍最大[71]；周治国等研究证明马克隆值与25-40d的日照时数呈显著正相关关系[72]。土壤水分：土壤水分对纤维马克隆值、成熟度和细度的阻碍在年际间表现也不一致，但多数报道认为马克隆值随灌溉量的增加而降低[77,104]，细度则有增加的趋势。马克隆值的变化因水分胁迫发生的时刻不同而减小或者增加。一些学者研究认为在纤维伸长期，水分胁迫会降低纤维成熟度。还有研究认为假如棉铃发育期温度适宜，土壤水分充足，纤维成熟度会增加，而当灌溉水量增加，马克隆值减小[78]。国内学者研究认为，花铃期65%-75%的土壤持水量对纤维细度形成最为有利[124]。2.关于氮素水平阻碍棉纤维细度、成熟度和马克隆值的研究较多，早期研究认为施氮量对纤维马克隆值的阻碍不明显[11,125-126]；近期的研究认为施氮量显著阻碍纤维马克隆值[127]，如适宜的施氮量能够提高纤维成熟度，调节马克隆值达到较为理想的值[107]；氮素不足对纤维的细度、成熟度均有不良阻碍[128]；增加施氮量可提高马克隆值[129]，但纤维成熟度降低[12,130]，不同的观点则认为马克隆值随施氮量的增加而逐渐降低[131-132]，提高氮素利用率马克隆值趋于下降[10]。究其缘故是早期的研究要紧针对某一特定地点，研究结果的区域性较强；近期的研究结果尽管在揭示某一特定环境下施氮量与纤维细度、成熟度和马克隆值关系方面有一定突破，但由于三者形成对环境条件响应的差异，研究结果不尽一致。2.4棉纤维品质性状与要紧生态环境因素之间关系研究的综合评述在棉纤维品质的研究中，除针对纤维比强度的研究既有最终值的研究[6-9,15,119,122,133-135]，也有形成过程的研究[30,48,93,96,99]外，其它品质的研究大多针对最终值，关于品质形成的研究较少。由于纤维品质最终值是纤维发育的结果，要调控生产以达到较好的纤维品质就需要从品质形成过程入手，研究其与各因子之间的关系。生产中，品种一定时，同一植棉生态区尽管种植方式、栽培技术措施均可能存在较大差异，但阻碍棉铃发育的因素要紧是以温度、光照为主的气象因子、果枝部位（棉花生理年龄）及施氮量[48,84,99,106,136-137]。关于气象因子和果枝部位与纤维品质之间关系的研究中，已有研究要紧通过异地或分期播种试验研究温度或温、光等因子的综合效应[6,15,55,138]，或通过设置温度操纵条件[9,122,134]或遮阴试验[7-8,119,135]等方法研究温度或光照因子的独立效应，普遍认为温度和光照是阻碍纤维品质的要紧因子，且当棉铃发育期内温度不足时，光照对温度存在一定的补偿作用[139-140]。大田作物生产中，温度和光照具有同步性，但棉花无限开花结铃的习性，导致不同果枝部位铃温度相同时，太阳辐射量存在差异，随开花期的不同，纤维发育的温、光因子均有不同程度的变化，因此有必要将温度和光照作为一个复合因子来考虑其与纤维品质形成的关系。在阻碍作物光合产物量的栽培措施中，氮素营养参与作物新陈代谢的所有过程，是光合物质代谢和作物生长的关键性因子[141]。已有关于氮素对纤维品质阻碍的研究结论或结果存在较大的分歧，这一现象形成的要紧缘故在于氮素的研究仅从氮肥施用量或土壤含氮量动身，定性地研究氮素对纤维最终品质的阻碍，没有考虑到土壤形态对化学氮在土壤中的挥发、硝化—反硝化和淋洗作用的阻碍，以及不同棉花品种对土壤氮汲取能力、以及将植株体内氮转化为产量和品质能力的差异。棉铃对位叶作为棉铃发育的要紧“源”，其叶氮浓度直接阻碍叶片中光合产物的合成和运输[142-144]，可代表氮肥施用量、或土壤含氮量、或植株吸氮量的有效性，更为真实的表征棉花氮素营养的丰缺程度。施氮可通过阻碍棉铃对位叶叶片氮浓度直接阻碍棉花的光合能力[84,106,136,145-146]，进而阻碍纤维品质的形成[84]。已有少数学者采纳棉铃对位叶叶氮浓度作为指标开展研究[84,136,147]，但棉铃对位叶叶氮浓度与纤维品质形成之间的定量关系尚不明确。3棉纤维品质模型的研究棉花是作物模型研究中开始较早和进展较快的作物之一，目前，国际上已相继建成十几个机理性较强的棉花生长模型，在生育期预测、器官建成、蕾铃脱落、光合与呼吸作用、干物质积存与分配及产量形成等方面具有较强的机理性和解释性，并已在支持棉花生产治理决策、评价棉花生态系统资源生产潜力，以及优化棉花栽培方案等方面发挥了重要作用[148-163]。棉纤维品质模型是棉花生长模型的一个重要模块，是棉花生产智能化治理不可或缺的重要组成部分。纤维品质气象生态模型作为纤维品质形成模拟模型的基础，近些年已有较多研究成果。国外学者Wanjura和Barker[164]用线性回归方程模拟了铃期温度与纤维长度和马克隆值的阻碍，认为铃期温度显著阻碍纤维长度和马克隆值，并在此基础上建立了用铃期温度预测纤维长度的模型。Sequeira[53]等采纳分布式延迟算法建立了纤维品质的果枝部位模型。Muhidong[165]综合分析纤维发育中的阻碍因素，建立了纤维长度、比强度、马克隆值与气象生态因子的回归模型，并在此基础上加入了纤维品质衰减系数模拟天气条件对吐絮后棉铃纤维品质的阻碍。Bernhardt[166]研究了降水、气和气相对湿度对纤维品质的阻碍并在此基础上提出了两个预测纤维品质指标的多元线性回归模型。Heskenth[167]提出了铃期温度与纤维比强度的关系模型。国内学者胡延馨[168]、周治国[169]、余隆新[170]等也提出了气象生态因子对纤维品质指标阻碍的回归模型。潘学标[82]在COTGROW中考虑生长季结束后纤维品质与棉铃发育过程中平均温度的关系，并考虑到棉铃的发育状态，建立了纤维比强度、马克隆值和长度的经验模型。张丽娟[171]从品种、果枝节位、开花期对纤维品质的阻碍差异动身，多方面论证了纤维长度、比强度和马克隆值与品种特性、气象生态因子的关系，建立了纤维品质的气象生态模型，并在此基础上建立了预测纤维品质和成纱品质的纤维综合品质模型。韩慧君[172]采纳A.I.D.和积分回归等方法筛选出阻碍棉花产量与品质的若干气候生态模型。陈金湘[173]等利用气象生态因子与纤维品质指标的灰色动态模型来预测纤维品质。马富裕[174]、陈兵林[175]等提出了棉纤维品质性状的空间分布模型。其中马富裕[174]以棉铃发育的生理生态过程为基础，通过量化品种效应及水分、日均和气日温差等生态因子对纤维品质指标形成的阻碍，构建了预测纤维伸长、比强度增加的模拟模型。陈兵林等[175]系统分析了棉花花铃期生理生态因子对棉花纤维品质的阻碍，量化了棉花品种、棉花空间果枝节位、花铃期日均温、光照长度、土壤含水量、棉株含氮量与棉花纤维品质指标形成的关系，构建了预测纤维长度、比强度、马克隆值、长度整齐度等单一纤维品质指标的时空分布模型及综合指标模型，模型具有较好的预测性、通用性和准确性。现有研究在棉纤维品质气象生态模型方面已取得了一定的成就，为纤维品质形成过程的模拟奠定了一定基础，但从建立纤维品质形成模拟模型的角度考虑，还存在以下几个方面的不足：第一：已有研究的综合性、系统性不足。现有研究一般限定于某个特定的环境条件下，而对不同气候与土壤环境条件下，即较大时空尺度变化情况下温度、光照、土壤氮素等生态因子与纤维品质形成的关系缺乏综合系统定量化的研究。第二：纤维各品质指标形成时期的定义较模糊。已有模型仅用固定的花后天数作为纤维长度形成的时刻尺度或以整个铃期的生理发育时刻作为纤维比强度形成的时刻尺度。第三：统计预测研究相对较多，基于过程的动态量化研究缺乏。目前建立的纤维品质模型多通过单因子回归的方法建立单个生态因子与纤维最终品质的函数关系，大多数量化的是品种遗传性和生态因子对最终品质表现的阻碍。第四：建立纤维品质形成模型所需要的除温度外的其他生态因子的临界值尚不明确，对各品质形成阻碍因子的量化不充分。已有模型往往仅建立了单一因子的阻碍效应函数，同时仅用一个效应函数来校正不同品质指标形成的生理生态过程，模型的机理性不强。同时，在量化生态因子和栽培措施与品质性状间的数量关系上，由于常规统计分析方法的局限性，已建立的描述气候或土壤生态因子与品质性状间数量关系的统计模型，经验性较强，而机理性较弱。4棉纤维综合品质模型的研究与应用棉纱的品质质量80%左右由纤维物理性能即原棉品质所决定，研究原棉品质与成纱品质之间的关系，可使在合理选择原棉和合理配棉提高纺纱产品质量的同时，最大程度地利用品质较低的棉花，以达到既保证产品质量又能降低成本的要求。关于原棉品质与成纱品质的关系，国外的研究始于20世纪30年代，在60-70年代往常，大多采纳经验方法[176-177]，60-70年代以后大多采纳多元回归统计方法[178-180]。近几年有学者提出了基于神经网络和模糊数学等方法的一些模型[181-183]，但应用较繁琐，模型推广性和应用性较差。我国起步较晚，从20世纪90年代初才有此方面的研究报道，其研究要紧集中在理论体系、试验验证、成纱质量评价等方面。综合起来，成纱品质质量模型按构建过程分为两类。第一类为多元统计回归模型，模型以成纱品质质量指标为依变量，