全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(8): 13861392 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家“十一五”科技支撑计划及产业化项目(2006BAD10B07), 山东省农业重大应用技术创新项目(2007, 2009), 山东省农业良种工程
重大项目(2008LZ03, 2009LZ005)和山东省自然科学基金项目(Q2007D03)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 孙学振, E-mail: sunxz@sdau.edu.cn, Tel: 13953813773
第一作者联系方式: E-mail: zhangmeiling0414@sina.com
Received(收稿日期): 2010-02-21; Accepted(接受日期): 2010-04-21.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.01386
彩色棉纤维发育过程中超分子结构变化与纤维品质的关系
张美玲 宋宪亮 孙学振* 陈二影 赵庆龙 李宗泰
山东农业大学农学院 / 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安 271018
摘 要: 以棕絮 1 号、新彩棉 1 号、陇绿棉 2 号、绿 1-4560 和普通白色棉对照品种鲁棉研 28 为试验材料, 利用 X-
射线衍射技术, 研究了彩色棉纤维发育过程中纤维品质与超分子结构的动态变化规律及它们之间的关系, 旨在探寻
彩色棉纤维品质差的原因。结果表明, 各供试品种的最终棉纤维长度、3.2 mm隔距比强度、成熟度及马克隆值均表
现为白色棉鲁棉研 28>棕色棉棕絮 1号和新彩棉 1号>绿色棉陇绿棉 2号和绿 1-4560; 相应的横向晶粒尺寸均随纤维
发育进程不断增大, 取向参数逐渐减小(优化), 但不同品种间存在差异。与白色棉鲁棉研 28相比, 棕色棉棕絮 1号和
新彩棉 1 号纤维的横向晶粒尺寸初始值低, 日增幅偏大, 终止值略低; 取向参数初始值低, 日变幅小, 终止值偏高;
绿色棉陇绿棉 2号和绿 1-4560纤维的横向晶粒尺寸初始值低, 日增幅小, 终止值偏低; 取向参数初始值高, 日变幅小,
终止值高。相关分析显示, 彩色棉纤维的横向晶粒尺寸与 3.2 mm隔距比强度密切相关(r= 0.89621*), ψ角和 φ角与 3.2
mm 隔距比强度、成熟度、马克隆值呈显著负相关(r= 0.93816* ~ 0.90233*), α 角与纤维长度极显著负相关(r=
0.97314**)。表明彩色棉纤维品质差与纤维发育过程中横向晶粒尺寸初始值和终止值低及取向参数终止值高, 进而影
响纤维 3.2 mm隔距比强度、成熟度、马克隆值和纤维长度有关。
关键词: 彩色棉; 棉纤维; 纤维品质; 超分子结构
Relationship between Super-Molecular Structure Changes and Fiber Quality in
Fiber Development Process of Colored Cotton Cultivars
ZHANG Mei-Ling, SONG Xian-Liang, SUN Xue-Zhen*, CHEN Er-Ying, ZHAO Qing-Long, and LI
Zong-Tai
Agronomy College, Shandong Agricultural University / State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an 271018, China
Abstract: In order to explore the reasons for poor quality of colored cotton fiber, the experiments were conducted with five cotton
(Gossypium hirsutum L.) cultivars, including Zongxu 1 (ZX1), Xincai 1 (XC1), Longlümian 2 (G-7), Lü 1-4560(4560), and the con-
trast of white cotton Lumianyan 28 (LMY28). Dynamic changes of super-molecular structure and fiber quality and the relations be-
tween them in fiber development process of colored cotton were studied by X-ray diffraction technique. The results showed that the
ultimate fiber length, fiber 3.2 mm gauge tenacity, fiber maturation and fiber micronaire of all cotton cultivars ranked as
LMY28>ZX-1 and XC-1>G-7 and 4560. The corresponding crystalline grain size increased constantly and orientation parameters
diminished gradually in fiber development process, but there were differences among different cultivars. Compared with the white
cotton LMY28, ZX-1 and XC-1 had low initial value, too large amplitude and slightly lower termination value for crystalline grain
size of fiber; low initial value, small diurnal variation and high termination value for orientation parameters. For G-7 and 4 560 fibers,
the initial value of crystalline grain size was low, the increased amplitude was small and the termination value was slightly lower; the
initial value of orientation parameters was high, diurnal variation was small and the termination value was high. The crystalline grain
size had a correlation with 3.2 mm gauge tenacity (r = 0.89621*), as well as, the orientational distribution angle-ψ () and spiral an-
gle-φ () had a negative correlation with fiber 3.2 mm gauge tenacity, fiber maturation and fiber micronaire (r= 0.93816* to
0.90233*), moreover, the orientational separate angle α () had a negative correlation with fiber length (r= 0.97314**). In conclu-
sion, the poor quality of colored cotton fiber is probably in relation to poor fiber 3.2 mm gauge tenacity, fiber maturation, fiber mi-
cronaire, fiber length, resulting from low initial value and termination value of crystalline grain size and high termination value of
orientation parameters in fiber development process.
Keywords: Colored cotton; Cotton fiber; Fiber quality; Super-molecular structure
第 8期 张美玲等: 彩色棉纤维发育过程中超分子结构变化与纤维品质的关系 1387


彩色棉 (colored cotton)称有色棉或 “5C”棉 (cotton,
color, charming, certification, care), 相对于白色棉其纤维
本身具有天然色泽, 纺织过程中也无需印染、漂白和煮炼
等化学处理 , 可直接织成具有天然色彩的纺织物 , 具有
绿色环保、穿着舒适等特点, 受到人们的青睐。但是彩色
棉的纤维品质比较差, 例如棉纤维长度短、纤维的断裂比
强度低等, 限制了在生产上的推广应用[1]。目前, 国内外
对彩色棉的研究主要集中于纤维品质性状的遗传改良及
色素与纤维品质的关系。研究认为, 纤维素含量低、色素
物质的沉积、纤维分化发育迟缓、纤维伸长慢、纤维伸长
与次生壁加厚的重叠时间短及纤维的 pH变化幅度小与彩
色棉纤维品质差有关[2-7], 但对彩色棉纤维发育过程中超
分子结构的变化与纤维品质形成关系的研究鲜见报道。棉
纤维品质形成受多种因素制约, 其中纤维超分子结构是
影响棉纤维强度的重要内部因素, 研究表明白色棉纤维
发育过程中超分子结构动态变化及纤维素沉积的配合性
与纤维强力有密切关系, 成熟纤维强度主要取决于纤维
次生壁加厚模式以及纤维素聚合而成的基原纤、微原纤等
的微观结构状况, 并且与纤维的形态、组成和结构指标等
密切相关[8-16]。宏观品质是由微观结构决定的, 微观结构
对纤维宏观品质的优劣可以提供依据, 并指出棉纤维的
品质性状差异主要由取向参数的差异决定[17-19]。本文对
彩色棉纤维发育过程中超分子结构的变化和纤维品质形
成的关系进行研究, 旨在揭示彩色棉纤维品质形成的内
在因素 , 探讨彩色棉不同品种间纤维品质差异的原因 ,
为彩色棉纤维品质的改良提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试品种与试验设计
棕色棉品种: 棕絮 1号(ZX-1)和新彩棉 1号(XC-1)。
绿色棉品种: 绿 1-4560(4560)和陇绿棉 2号(代号 9501G-7,
G-7)。以白色棉鲁棉研 28(LMY28)为对照品种, 各供试材
料均为普通陆地棉品种, 其纤维品质代表了目前我国生
产上应用的品种。其中 ZX-1 和 4560 由中国农业科学院
棉花研究所提供, XC-1 由新疆天彩科技股份有限公司提
供, G-7由甘肃省农业科学院经济作物研究所提供。
2008—2009 年在山东农业大学科技示范园, 按品种
随机区组种植, 3次重复, 种植行距 0.80 m, 密度 4.20万
株 hm2, 栽培管理按照高产栽培要求进行。试验地 0~20
cm土层含有机质 11.59 g kg1、碱解氮 66.22 mg kg–1、速
效磷 33.34 mg kg1、速效钾 79.03 mg kg1。
1.2 取样方法
于盛花期选取 5~8果枝 1、2果节当天开的花挂牌标
记。自开花后 10 d (days post anthesis, DPA)每隔 5 d取生
长一致的棉铃 25~30个, 将纤维分离后自然风干, 用于纤
维品质与超分子结构的测定。
1.3 棉花纤维品质测定方法
将所有棉样(25 DPA之前测纤维长度的棉样除外)手
工分离纤维与种子后 , 将纤维混匀 , 用棉花纤维拉伸仪
引伸、拉直, 制成试验棉条。每个棉样重复 6次, 取平均
值。
1.3.1 纤维长度 用流水冲洗法测定 25 DPA 之前的
纤维长度 [20], 利用 Y146 型棉纤维光电长度仪测定 30
DPA后的纤维长度。
1.3.2 纤维成熟度 用 Y147 型棉纤维成熟度测定仪
测定。
1.3.3 马克隆值 先用Y-171型纤维中段切取器切取 1
cm 长纤维束, 利用 1/10000 扭力天平称取其重量(g), 数
出纤维根数, 根据 Nm(公制支数)=10×n (根数) / Gf (mg)
和 M(马克隆值)= 25400 / Nm计算纤维马克隆值。
1.3.4 卜氏 3.2 mm 隔距比强度 参照 ISO3060-74 国
际标准供试棉条利用 GJ-1型卜氏强度测定仪测定。
1.4 棉纤维超分子结构参数测定
1.4.1 横向晶粒尺寸 利用胡恒亮等[21-22]介绍的方法,
测定棉纤维 002衍射峰的赤道图谱, 用 Scherrer公式计算
晶粒尺寸。
1.4.2 晶区取向参数 将棉纤维平行排列成片状, 置
FS-3 型附件上, 用 X-衍射仪, 取 2Q=22.5°时 002 衍射峰
在±90°范围方位角方向的衍射强度数据。扣除杂散散射后,
用 50%峰宽 ψ表征晶区总取向, 用 Deluca等[23]和 Paakari
等 [24]的方法 , 计算出表征棉纤维次生壁内 , 螺旋排列的
原纤与棉纤维纵轴间的夹角 φ 和晶粒在原纤中的取向分
散角 α, ψ是 φ和 α的加和。
1.5 数据统计与分析
用两年试验数据的平均值 , 利用 Microsoft Excel
2003和 SAS (statistical analysis system) V8.1软件对其进
行统计分析; 采用 Duncan’s新复极差法进行显著性测验。
2 结果与分析
2.1 不同彩色棉品种纤维品质变化规律
2.1.1 纤维长度 图 1显示, 5个供试品种纤维长度变
化趋势基本一致, 20 DPA 之前快速增加, 此后减缓, 25
DPA 之后基本不再增加。最大纤维长度, LMY28 极显著
长于棕色棉 ZX-1 和 XC-1 (F=11.72, P=0.0024); 绿色棉
G-7 和 4560 相对较短, 与 LMY28 和棕色棉 ZX-1、XC-1
的差异均达极显著水平(F=114.51~145.75, P<0.0001)。纤
维长度为白色棉 LMY28>棕色棉 ZX-1 和 XC-1>绿色棉
G-7和 4560。
2.1.2 3.2 mm 隔距比强度 图 2所示, 随着棉纤维的
发育, 各供试品种的 3.2 mm 隔距比强度均呈增大趋势,
棕色棉 ZX-1和 XC-1从 30 DPA至吐絮的变化规律一致,
均随棉纤维的发育呈缓慢增长趋势, 吐絮时低于 LMY28,
差异达极显著水平(F=112.88, P=0.0003)。绿色棉 G-7 和
4560的 3.2 mm隔距比强度的变化幅度在 40 DPA之前存
在一定差异 , 随后具有相同的变化规律 , 吐絮时两品种
都低于 LMY28 和棕色棉 ZX-1、XC-1, 差异达极显著水
1388 作 物 学 报 第 36卷


图 1 不同棉花品种纤维发育过程中长度的动态变化
Fig. 1 Dynamic changes of fiber length in fiber development process of different cotton cultivars

图 2 不同棉花品种纤维发育过程中 3.2 mm 隔距比强度的动态变化
Fig. 2 Dynamic changes of 3.2 mm gauge tenacity in fiber development process of different cotton cultivars

平(F=1 796.52, P<0.0001)。3.2 mm 隔距比强度表现为
LMY28优于棕色棉 ZX-1和 XC-1, 棕色棉 ZX-1和 XC-1
又优于绿色棉 G-7和 4560。
2.1.3 纤维成熟度 图 3 显示 , 所有供试品种的成熟
度随棉纤维的发育呈增大趋势, 棕色棉 XC-1 和白色棉
LMY28在 40 DPA之前以及棕色棉 ZX-1在 35~45 DPA均

图 3 不同棉花品种纤维发育过程中纤维成熟度的动态变化
Fig. 3 Dynamic changes of fiber maturation in fiber development process of different cotton cultivars
第 8期 张美玲等: 彩色棉纤维发育过程中超分子结构变化与纤维品质的关系 1389


快速增大, 然后随着棉纤维的进一步发育速度变缓, 吐絮时,
白色棉 LMY28 最终成熟度显著大于棕色棉 ZX-1 和 XC-1
(F=7.25, P=0.0467)。绿色棉 G-7和 4560的成熟度提高始终比
较缓慢, 并且整个棉纤维发育期均低于 LMY28、ZX-1 和
XC-1, 差异达极显著水平(F=228.20~5741.43, P<0.0001)。纤
维成熟度表现为白色棉LMY28大于棕色棉ZX-1和XC-1, 棕
色棉 ZX-1和 XC-1又大于绿色棉 G-7和 4560。
2.1.4 纤维马克隆值 由图 4 可知 , 随着棉纤维的发
育 , 各供试品种的马克隆值呈增大趋势 , 但不同品种间
存在差异。棕色棉 ZX-1 和 XC-1 的马克隆值随纤维发育
进程, 呈不断增大趋势, 吐絮时达最大值; 绿色棉 G-7 和
4560的马克隆值在 35 DPA之前快速增加, 然后增长速度
变缓, 45 DPA至吐絮基本处于 2.7~3.0左右的稳定状态不
再增加。吐絮时的马克隆值, 棕色棉 ZX-1 和 XC-1 极显
著大于绿色棉G-7和 4560 (F=24.50, P=0.0009), 显著小于
白色棉 LMY28 (F=9.35, P=0.0310)。

图 4 不同棉花品种纤维发育过程中马克隆值的动态变化
Fig. 4 Dynamic changes of micronaire value in fiber development process of different cotton cultivars

2.2 彩色棉纤维超分子结构的动态变化
2.2.1 晶粒尺寸(Å) 基原纤的直径称为横向晶粒尺寸。
由表 1可以看出, 各供试品种的横向晶粒尺寸随纤维细胞的
发育呈逐渐增大的态势, 不同颜色的品种间存在差异。与白
色棉 LMY28 相比, 彩色棉纤维的横向晶粒尺寸初始值低,
终止值也低, 差异达极显著水平(F=33.42, P<0.0001), 同时
棕色棉 ZX-1、XC-1 的横向晶粒尺寸又极显著大于绿色棉
G-7、4560 (F=19.54, P<0.0001)。相同颜色不同品种间也存
在差异, 棕色棉XC-1极显著大于ZX-1 (F=20.94, P=0.0038),
绿色棉 G-7显著大于 4560 (F=11.96, P=0.0135)。表明横向晶
粒尺寸以白色棉 LMY28 优于棕色棉 ZX-1和XC-1, 棕色棉
ZX-1和 XC-1又优于绿色棉 G-7和 4560。

表 1 不同棉花品种纤维发育过程中横向晶粒尺寸的动态变化
Table 1 Dynamic changes of crystalline grain size in fiber development process of different cotton cultivars
开花后天数 Days post anthesis 品种
Cultivar 30 d 35 d 40 d 45 d 50 d 55 d 吐絮 Maturation
LMY28 37.28 38.63 40.08 40.59 40.59 41.10 41.20
ZX-1 34.03 36.42 38.16 38.61 38.63 39.08 39.59
XC-1 34.48 37.28 38.17 39.57 39.87 40.11 40.12
G-7 34.10 34.11 35.63 36.44 36.44 36.44 36.84
4560 36.28 36.41 36.44 36.44 36.86 37.72 37.72

2.2.2 晶区取向性 晶区取向性表示晶区纤维素大分
子排列的有序程度 , 一般用取向参数表示 , 其中有螺旋
角 φ、取向分散角 α和取向分布角 ψ。取向参数对成熟纤
维的纤维强力的影响较大, 分散角、螺旋角、分布角越小,
所形成的纤维强度就越高。
取向分散角 α 表征的是棉纤维次生壁螺旋结构中,
纤维素大分子聚合而成的晶粒在螺旋结构中的取向 , 即
微原纤取向与基原纤取向的夹角。α 角愈小, 愈利于纤
维强度提高。由表 2可以看出 , 随着棉纤维的发育 , 各
供试品种的纤维取向分散角 α 均呈逐渐减小的变化趋
势。棕色棉 ZX-1、XC-1 与绿色棉 G-7、4560 相比, 初
始值低且终止值也低, 变化幅度大; LMY28 的初始值相
对偏高但终止值较低 , 变化幅度较大。吐絮时 , 取向分
散角 α表现为 LMY28<棕色棉 ZX-1、XC-1<绿色棉 4560、
G-7。表明取向分散角 α 以白色棉 LMY28 优于棕色棉
ZX-1 和 XC-1, 棕色棉 ZX-1 和 XC-1 又优于绿色棉 G-7
和 4560。
螺旋角 φ 表征的是基原纤螺旋排列方向与纤维纵轴
1390 作 物 学 报 第 36卷

的夹角。在纤维发育过程中 φ值不断变小(优化), 对纤维
强度提高有利, 但 φ 值大小及优化幅度却因供试品种的
不同而发生不同程度的变化。表 2显示, 在纤维发育过程
中, 各供试品种棉纤维的螺旋角 φ 逐渐变小(优化), 不同
品种间存在差异。与白色棉 LMY28 相比, 棕色棉 ZX-1
和 XC-1的螺旋角 φ初始值略低, 终止值高, 变化幅度小;
绿色棉 G-7和 4560的螺旋角初始值高, 终止值较高, 变
化幅度较小。吐絮时, 螺旋角 φ 表现为白色棉 LMY28<
棕色棉 ZX-1、XC-1<绿色棉 G-7、4560。
取向分布角 ψ 是棉纤维晶区取向性的总体反映。该
指标主要取决于螺旋角 φ, 受取向分散角 α的影响较小。
从表 2可以看出, 各供试品种的取向分布角 ψ均随棉纤维
的发育而变小 , 但不同品种间存在差异。与白色棉
LMY28相比, 棕色棉 ZX-1和 XC-1的取向分布角 ψ初始
值略低, 终止值高, 变化幅度小; 绿色棉G-7和 4560的取
向分布角 ψ初始值高, 终止值较高, 变化幅度较小。吐絮
时, 取向分布角 ψ 表现为白色棉 LMY28<棕色棉 ZX-1、
XC-1<绿色棉 G-7、4560。

表 2 不同棉花品种纤维发育过程中取向参数的动态变化
Table 2 Dynamic changes of orientational parameter in fiber development process of different cotton cultivars
开花后天数 Days post anthesis 取向参数
Orientational parameter
品种
Cultivar 30 d 35 d 40 d 45 d 50 d 55 d 吐絮 Maturation
LMY28 34.2 32.1 29.6 29.6 28.8 25.6 24.8
ZX-1 30.8 30.6 30.4 27.2 26.4 25.2 25.1
XC-1 32.8 32.8 32.6 30.0 28.0 27.8 26.8
G-7 38.4 38.4 37.8 37.6 37.6 37.2 36.8
取向分散角
Orientational separate angle-α ()
4560 36.4 36.4 34.8 33.6 33.6 32.8 32.0


LMY28 37.6 34.8 34.2 33.6 31.4 30.8 28.6
ZX-1 34.8 34.4 34.0 34.0 33.0 32.8 30.4
XC-1 37.4 36.4 36.0 35.8 35.0 34.8 34.8
G-7 44.8 42.8 42.8 41.0 40.6 40.0 40.0
螺旋角
Spiral angle-φ ()
4560 40.8 40.4 40.2 40.0 39.6 39.4 39.2


LMY28 18.8 17.4 17.1 16.8 15.7 15.4 14.3
ZX-1 17.4 17.2 17.0 17.0 16.5 16.4 15.2
XC-1 18.7 18.2 18.0 17.9 17.5 17.4 17.4
G-7 22.4 21.4 21.4 20.5 20.3 20.0 20.0
取向分布角
Orientational distribution angle-ψ ()
4560 20.4 20.2 20.1 20.0 19.8 19.7 19.6

3 讨论
本试验各供试彩色棉品种的纤维长度、3.2 mm隔距
比强度、成熟度和马克隆值均低于普通白色棉 LMY28,
差异达极显著水平(F=29.78~2398.57, P<0.0001), 其中尤
以绿色棉 G-7和 4560的纤维品质最低, 这与董合忠等[5]、
张祥等[6]和吴永成等[7]的研究结果相似。
彩色棉纤维品质差的成因前人已有研究 , 吴永成
等 [4]认为彩色棉纤维突起的时间较白色棉迟 , 早期纤维
细胞的伸长相对较慢, 纤维素积累速度较慢可能是其品
质差的原因之一。董合忠等[5]的研究表明纤维伸长期短,
伸长速率较低 , 次生壁加厚慢 , 纤维伸长与次生壁加厚
重叠时间短是彩色棉品质差的主要原因。李悦有等[2]发现
棕色棉纤维具有分叉结构, 并认为彩色棉纤维品质差与
纤维素含量低和色素物质沉积有关。但对于彩色棉纤维发
育过程中超分子结构的变化与纤维品质形成关系的研究
鲜见报道。纤维发育过程中, 纤维愈长, 横向晶粒尺寸愈
大, 纤维强度愈高[10,25-26]。本研究发现, 各供试品种的横
向晶粒尺寸均随纤维发育进程不断增大。与白色棉 LMY28
相比, 棕色棉 ZX-1 和 XC-1 纤维的横向晶粒尺寸初始值
低, 日增幅偏大, 终止值略低; 绿色棉G-7和 4560纤维的
横向晶粒尺寸初始值低, 日增幅小, 终止值偏低。相关分
析显示, 横向晶粒尺寸与 3.2 mm 隔距比强度显著相关
(r=0.89621*)。晶粒尺寸初始值高、日增幅小的类型, 有利
于充分利用全铃期沉积的纤维素形成大晶粒、高强度结构[19],
说明彩色棉横向晶粒尺寸初始值和终止值低影响 3.2 mm
隔距比强度是造成彩色棉品质差的重要原因之一。
ψ角和 φ角小的, 纤维强度较高, 纤维品质较好[9]。在
纤维发育过程中角和角不断变小(优化), 对纤维强度提
高有利[26-32], α角愈小, 愈利于纤维强度的提高[8,10,12,26]。本
研究发现 , 纤维发育过程中 , 各供试品种的取向参数均
具有逐渐减小(优化)的变化趋势 , 但品种间存在一定差
异。与白色棉 LMY28相比, 棕色棉 ZX-1和 XC-1纤维的
ψ 角和 φ 角初始值低, 终止值偏高; 绿色棉 G-7 和 4560
纤维的 ψ 角和 φ 角初始值高, 终止值也高; 棕色棉 ZX-1
和 XC-1 纤维的 α 角初始值低, 终止值偏高; 绿色棉 G-7
和 4560纤维的 α角初始值高, 终止值高。相关分析显示,
第 8期 张美玲等: 彩色棉纤维发育过程中超分子结构变化与纤维品质的关系 1391


ψ角和 φ角与 3.2 mm隔距比强度、成熟度、马克隆值呈
显著负相关(r= 0.93816* ~ 0.90233*); α角与纤维长度极
显著相关(r= 0.97314**), 与 3.2 mm隔距比强度、成熟度
呈显著负相关(r= 0.95733* ~ 0.93727*)。表明彩色棉纤
维品质差与取向参数终止值高, 影响 3.2 mm 隔距比强
度、成熟度、马克隆值、长度有关。
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