I. 引言
1907 年国际棉花业的一群代表在佐治亚州的亚特兰大市开会，讨论在棉花销售过程中出现的一些严重问题。大会通过一项议案，议制定一个统一的棉花标准，以“消除市场间的价格差别，为解决争端提供方法，使棉农更好地认识其产品的价值，因而使其处于更有利的协商地位，并为棉花交易带来很大的益处”。为对此及随后几年的相似呼吁作出响应，国会通过法律授权美国农业部 (简称 USDA) 制订棉花等级标准并提供棉花分级服务。这样便开始了工业界与政府部门间的合作，该合作一直很强并延续到今天。这种长期的伙伴关系展示了政府与工业界如何相互配合，彼此尊重对方所起的作用，从而为国家和国外客户带来持续的利益。
II. 概述
棉花特征
从植物学角度讲，主要有三类棉花具有重要的商业意义。第一类 (Gossypium hirsutum) 源于墨西哥和中美洲地区，已在美国得到开发并广泛使用，在美国棉花产量中占百分之九十五以上。此类棉花在美国称为美洲陆地棉，其长度在大约 7/8 至 l 5/16 英寸(2.22 - 2.38cm)范围之间。第二类 (G. barbadense) 约占美国棉花产量的百分之五，源于南美洲地区。它在美国称为美洲长绒棉，但通常也称为特长纤维 (简称 ELS) 棉花，其长度在 1 1/4 至 1 9/16 英寸(3.18 - 3.97cm)范围之间。第三类 (G. herbaceum和 G. arboreum) 为短纤维 (1/2 至 1 英寸)(1.27 - 2.54cm) 棉花，它们源于印度和东亚，美国不生长此类棉花。
在一磅棉花中可能有一亿根或更多纤维，每根纤维是单个细胞在棉籽表层生长出来的。在生长早期纤维以薄壁管的形式达到其最大长度。当成熟时，纤维素沉积在管内壁上从而使纤维壁增厚，而中心是空的。当生长结束以及有机质死亡时，纤维收缩并围绕其自身的轴扭曲。
USDA 有 13 个棉花分级设施，分布在棉花产地。这些设施专门设计以便使用大容量仪器 (HVI)检测法进行分级。在这些设施中温度和湿度得到严格控制以保证精确地测量所有的样品。
分级
本文中“棉花分级”一词是指应用 USDA 制订的标准过程来测定原棉的那些会影响制成品质量和/或生产效率的物理性质。目前 USDA 分级包括测定纤维长度、长度均匀度、强度、细度、色泽、叶屑和外来物。研究和开发快速测定其它重要纤维特征 (例如成熟度、粘度和短纤维含量) 的技术还在继续进行。
授权
USDA 棉花分级服务由美国棉花统计和估计法案、美国棉花标准法案和美国棉花未来法案授权。所有用户都需交纳一定的分级费用。
范围
事实上 USDA 应棉农的要求对所有美国生产的棉花进行分级。尽管分级不是明文规定的，但棉农发现它对推销其棉花及参加 USDA 价格支持项目至关重要。USDA 也对纽约棉花交易所根据合同所订购的棉花在交运之前进行分级，并为工业界提供仲裁性分级。分级服务也面向买者、制造商、育种者、研究人员和其他要求这一服务的人员。
设施
USDA 有 13 个棉花分级设施，分布在棉花产地。这些设施专为棉花分级而设计，工作人员全部是 USDA 人员。
在轧棉机中，棉花纤维与种子分开，植物残留和其它杂质得到去除，然后棉花纤维被压成包。一位有执照的取样人员从该包棉花的每边各取 115 克的样品，此样品被送往 USDA 进行正式的分级测定。
取样
在轧棉机中，棉花纤维与种子分开，植物残留和其它杂质得到去除，然后棉花纤维被压成包。一位有执照的取样人员从该包棉花的每边各取 4 盎司 (115 克) 的样品，共 8 盎司 (230 克) 的样品由代理人或指定的货运商送到该地区的 USDA 分级设施。轧棉机和仓库的管理人员为有执照的取样人员，他们在 USDA 监督之下执行这一工作。
样品处理
样品被送到 USDA 分级设施处后，即进行调湿以在分级过程开始之前使其水分含量到达指定的范围内。样品由传送带送到分类站。纤维测定结果经电子通讯线路传送到分级设施的计算机数据库中并可立即与客户见面。分级过程与轧棉同期进行，以在棉花出售时为棉农和购买者提供重要的质量信息。在生产旺季，USDA 在全国范围内每周进行分级及提供数据的棉包多达两百万个。剩余的样品由 USDA 出售，其收入用于补偿分级所耗。
分级方法
USDA 的分级技术保持不断更新，采纳最新的方法和设备，从而为棉花业销售和加工棉花提供尽可能好的质量信息。此系统正在从依靠人的感觉迅速转移到采用大容量、高精度仪器，使得测定在几秒钟内完成。一旦技术的开发成功且仪器足够精确，USDA 将立即转换到全仪器分级。
数据发送
棉花分级数据通过计算机间的远程通信、磁盘、磁带、打孔卡和计算机打印报告提供给生产者或其代理人。最常用的方法是采用远程通信，因为客户可在分级完成后立即获得数据。棉花用户主要是贸易商和加工商可通过计算机中央数据库获得分级数据。该数据库可通过远程通信访问，它包含了当年和上一年棉花的分类数据。只有棉花的当前拥有者才可查看到分级数据。
样品通常是每日从取样点收集，然后送到当地 USDA 分级设施。
III. 陆地棉分级
A. 仪器定级
以下质量因素由大容量、高精度仪器测定，通常称为“HVI”分级。
纤维长度
纤维长度是较长一半纤维的平均长度 (上半部平均长度)，以 1/100 和 1/32 英寸来表示 (请参阅以下转换表)。测定时将一束平行的纤维通过一个检测点，该束纤维的形成是通过用钳子从棉花样品中抓取一些纤维，然后将其梳理并刷直。
| 陆地棉纤维长度转换表 | |||
| 英寸 | 1/32英寸 | 英寸 | 1/32英寸 |
| 0.79和更短 | 24 | 1.11-1.13 | 36 |
| 0.80-0.85 | 26 | 1.14-1.17 | 37 |
| 0.86-0.89 | 28 | 1.18-1.20 | 38 |
| 0.90-0.92 | 29 | 1.21-1.23 | 39 |
| 0.93-0.95 | 30 | 1.24-1.26 | 40 |
| 0.96-0.98 | 31 | 1.27-1.29 | 41 |
| 0.99-1.01 | 32 | 1.30-1.32 | 42 |
| 1.01-1.04 | 33 | 1.33-1.35 | 43 |
| 1.05-1.07 | 34 | 1.36和更长 | 44和更长 |
| 1.08-1.10 | 35 | ||
纤维长度主要由品种决定，但如果棉花植株生长在极端温度和水分条件下或营养缺乏，则纤维会变短。轧棉机中过分清理和/或干燥也会造成纤维变短。
纤维长度影响纱线强度和均匀度以及纺纱效率。棉纱的细度也受纤维长度的影响。
长度均匀度
长度均匀度是纤维平均长度与较长一半纤维平均长度的比值，以百分数表示。如果一包棉花中的所有纤维都一样长，则均匀度指数为 100。但棉花纤维在长度上存在天然的差异，因此长度均匀度总是低于 100。下表可用来作为解释长度均匀度测量的指南。
| 均匀度程度 | HVI长度均匀度（百分比） |
| 很高 | >85 |
| 高 | 83-85 |
| 中等 | 80-82 |
| 低 | 77-79 |
| 很低 | <77 |
长度均匀度影响棉线均匀度和强度以及纺织过程的效率。它也与短纤维 (短于 1/2 英寸的纤维) 含量有关。均匀度低的棉花往往含有高百分比的短纤维。这种棉花会难于加工，并且易出低质量棉线。
纤维强度
强度以克/特克斯表示。 特克斯是 1,000 米纤维的克重数。因此，强度即是拉断一个特克斯单位的纤维所需的力，以克为单位。下表可用作解释纤维强度测定的指南。
测定强度所用的棉花与测定纤维长度所用的棉花为同一束。该束棉花由两个钳子夹住，中间相距1/8英寸，然后测定拉断纤维所需要的力。纤维强度很大程度上取决于品种，也会因植物缺乏营养和天气因素受到影响。
纤维强度和棉纱强度之间存在很大的相关性。同样，纤维强度高的棉花更能承受加工过程中的断裂。
纤维细度
Micronaire（马克隆值）是纤维细度和成熟的量度。采用一个气流计来测定恒定重量的棉花纤维在被压成固定体积后的透气性。下表可用作解释纤维细度测定的指南。
| 强度 | HVI强度（克/特克斯） |
| 很强 | 31和以上 |
| 强 | 29-30 |
| 平均 | 26-28 |
| 中等 | 24-25 |
| 弱 | 23和以下 |
样品一送到 USDA 分级设施即进行调湿，以在分级过程开始前使其到达标准的水分含量。
纤维细度测定值受生长环境因素影响，例如水分、温度、阳光、植物营养、棉株密度或棉铃数量等。
纤维细度在几个方面影响加工性能及最终产品的质量。在开棉、清棉和梳理过程中，低马克隆值或细纤维的棉花要求较慢的加工速度以避免损坏纤维。用细纤维制造出的棉纱其横断面中含较多纤维，因而纱线的强度较大。染料的吸收和保留程度随纤维成熟度而变化，纤维越成熟，其染料吸收和保留程度越高。
色泽
棉花色泽由反射 (Rd) 和黄色 (+b) 决定。反射显示一个样品明亮或暗淡的程度，而黄色则显示颜色沉积的程度。采用一个三位数的色泽代码，通过在陆地棉花的Nickerson-Hunter棉花比色图上找出 Rd和 +b 数值的交叉点来决定色泽代码 (请参阅附录 A)。
影响棉花纤维色泽的因素有雨量、冰冻、昆虫、霉菌以及通过接触土壤、草或棉花植株的叶子而受到的污染等。在轧棉前后的储藏过程中过分的水分和温度条件也会影响棉花颜色。
当棉花颜色因环境因素而变差时，加工效率降低的可能性就增大。颜色变差也影响到纤维吸收和保留染料以及后整理的能力。采用最先进的技术和设备，样品通过流水线进行分级，纤维测定结果通过电子传输方式送到分级设施的计算机数据库中。
杂质
杂质是棉花中非棉纤材料 (如叶屑和棉壳) 的量度。用一台摄象机对棉花样品的表面进行扫描，计算出杂质所占的表面积百分数。尽管杂质测定和目测叶屑等级不一样，但它们之间有相关性 (请参阅下表)。
| 杂质测定与目测叶屑等级间的关系 | |
| 杂质测定（4年的平均结果）（%面积） | 目测叶屑等级 |
| 0.12 | 1 |
| 0.2 | 2 |
| 0.33 | 3 |
| 0.5 | 4 |
| 0.68 | 5 |
| 0.92 | 6 |
| 1.21 | 7 |
B. 目光定级
尽管 USDA 用仪器测定色泽和杂质，由目光定级色泽、叶屑和外来物的传统方法仍对棉花工业界有用，并继续成为 USDA 正式分级的一部分。分级结果由当地分级设施保存在计算机数据库中，棉农或其代理人可在分级完成后立即得到结果。数据发送的标准方法是通过计算机间的电子通信，单包棉花的数据只提供给当前棉花的拥有者。批发商和生产商在获取棉花拥有权后即可从Beltwide中央数据库中获得数据。
色泽等级
美洲陆地棉有 25 个正式色泽等级，另加 5 种低级别颜色，如下表所示。USDA 保存其中 15 个色泽等级的物理标准，其它的则为描述性标准。
| 陆地棉花色泽等级 1993 年生效 | |||||
| 白色 | 轻微有斑点 | 有斑点 | 污班 | 黄渍 | |
| Good Middling | 11* | 12 | 13 | — | — |
| Strict Middling | 21* | 22 | 23* | 24 | 25 |
| Middling | 31* | 32 | 33* | 34* | 35 |
| Strict Low Middling | 41* | 42 | 43* | 44* | — |
| Low Middling | 51* | 52 | 53* | 54* | — |
| Strict Good Ordinary | 61* | 62 | 63* | — | — |
| Good Ordinary | 71* | — | — | — | — |
| 低级别 | 81 | 82 | 83 | 84 | 85 |
| *物理标准。其它都是描述性的标准。 | |||||
叶屑等级
目测叶屑等级是对棉花中棉花植物叶子碎片数量的视觉估计。有 7 个叶屑等级，从 1 到 7，都有物理标准。另外，等外品是描述性的。
叶屑含量受棉花品种、收获方法、和收获条件的影响。轧棉后留在皮棉中的叶屑数量取决于轧棉前棉花中的叶屑数量，以及所使用的清理和干燥设备的类型和数量。即使采用最仔细的收获和轧棉方法，仍会有一小部分叶屑留在皮棉中。
对加工商来讲，叶屑是无用的，去除它需要花费资金。另外，小的叶屑碎片总是无法完全去除，它们影响纺织品的质量。
准备
“准备”一词是用来描述轧棉后皮棉的平滑或粗糙程度的。不同的收获、处理和轧棉方法会造成准备上的差异，有时这种差异很明显。
外来物
外来物是棉花中除纤维或叶屑之外的任何物质，例如外壳、草、种子碎片、灰尘和油。分级员在分级文件中应说明外来物类型及数量 (少或多)。
IV. 美洲长绒棉分级
美洲长绒棉的分级过程与美洲陆地棉的分级过程相似，都转变到用仪器测定。因为美洲长绒棉的颜色比陆地棉的颜色更黄，所以使用的等级标准不大相同 (请参阅附录 B，美洲长绒棉比色图)。 另外，二者的轧棉方法亦不相同，前者用皮辊轧棉，后者用锯齿轧棉。皮辊棉不如锯齿棉平滑。
美洲长绒棉有 6 个正式等级 (从 1 到 6)，都有物理标准，另加一个描述性的低级别。将美洲长绒棉纤维长度从 1/32 英寸转换到 1/100 英寸所用的表格不同，该表如下所示。
| 美洲长绒棉长度转换表 | |||
| 英寸 | 1/32 英寸 | 英寸 | 1/32 英寸 |
| 1.20及更低 | 40 | 1.37-1.42 | 48 |
| 1.21-1.25 | 42 | 1.43-1.47 | 50 |
| 1.26-1.31 | 44 | 1.48及以上 | 52 |
| 1.32-1.36 | 46 | ||
V. 分级数据的可靠性
USDA 各设施间的分级结果重现性是 USDA 用来决定数据可靠性的一个方法。实验室之间的可重现性比实验室内部或同一机器的重现性更难达到，因为要保持相同测试条件更难。实验室间的结果比较为分级结果在制造商实验室中的重现性 (在棉花被运到纺织厂后) 提供了一个较现实的估计。下表反映1997年USDA实验室结果的重现性。这些结果来自 10 万多个抽查样品，在 1997 年的测试季节里对每个 USDA 分级设施的每条仪器测试线和每个分级员随机抽样，然后在 USDA 位于孟菲斯的质量控制室对抽查样品进行重新测试。
测试结果 采用以下允许偏差：长度，0.02英寸; 长度均匀度，1.0 % ; 强度，1.5 g/tex; 细度, 0.1单位; 色泽 Rd, 1.0单位; 色泽 +b，0.5单位; 杂物，0.1 % 面积。
VI. 质量控制
过程控制
USDA 所使用的分级仪器都定期得到性能研究，以决定测定结果的准确性。研究结果还用于建立测量误差的允许范围。
仪器性能参数
分级仪器的最低性能参数是 USDA 购买仪器过程所不可缺少的一个部分。1998 年新仪器规范参数包括以下准确度和精密度的最大允许误差。
| 纤维性质 | 准确度 | 精密度 |
| 长度（英寸） | +/-0.018 | +/-0.012 |
| 均匀度（百分数） | +/-1.200 | +/-0.800 |
| 强度（克/特克斯） | +/-1.500 | +/-1.000 |
| 纤维细度（单位） | +/-0.150 | +/-0.100 |
| 色泽（Rd）（单位） | +/-1.000 | +/-0.700 |
| 色泽（+b）（单位） | +/-0.500 | +/-0.300 |
| 杂质（%面积） | +/-0.100 | +/-0.040 |
“准确度”是指一台仪器对某一性质的测量值与真实值的差异。“精密度”是指该仪器能否取得相同测定结果的能力。
实验室空气调节
空气条件对棉花纤维性质的测定有影响。因此，分级实验室的温度和湿度必须进行严格控制。温度保持在华氏 70 +/- 1 度 ，相对湿度保持在 65 +/- 2 %。
样品调湿
样品需进行调湿使其水分含量与规定的空气条件相平衡。调节后的样品含水率 6.75 ~ 8.25 % (以干重计)。样品可以通过慢速或快速调节湿度。
在慢速调湿中，将样品单层放置在底部穿孔的托盘中，空气可自由通过。样品必须暴置在规定的环境中，直至到达其规定的水分含量。通常需要 48 小时。
在快速调湿中，使用一个“快速调湿”装置。将特定的空气穿过样品，直至到达平衡。这种方式只要 10 分钟就可以调湿好样品。
调湿后的样品要进行水分测定以验证确实达到水分含量要求。测试样品与校准棉样在水分含量上不应相差一个百分点。
实验室照明
USDA 实验室分级平面的照明条件要求达至少 100 英尺烛光的水平。采用特殊灯泡以提供最真实的色泽辨别。实验室里所有的表面都是白色、灰色或黑色，而墙壁是灰白色，以增强色泽辨别。
校准棉样的选择
用于仪器校验的棉花需要经过严格的筛选过程。第一步，USDA 精心寻找当年产的最均匀的棉包。从每个初选的棉包中取 6 个样品，检测它们纤维质量的均匀性。不符合质量要求的棉花被淘汰不再做检验。通过初选的样品再做如下详细分析，以便确定它们是否符合 USDA 的高标准及用作校准棉样。
建立校准棉样的数据
当前有 5 个实验室共同建立校准棉样的数据，其中 4 个是属于 USDA 的，另外一个是学术界的独立实验室。这个独立实验室所使用的实验室空气条件和样品调湿过程符合 USDA的规定。这些实验室对每包棉花进行 180 次检测，测试结果用于建立校准棉样的数据。 为便于比较，以前建立的校准棉样也与被选的样品一起测试。如果一包棉花的测试结果超过规定范围，则该包棉花就落选了。反之，如果所有的测试标准都符合的话，则该包棉花就可以包装起来分运出去用作校准棉样。
仪器校准
采用校准棉样，对仪器进行长度、长度均匀度、纤维细度和强度指标校验。采用颜色板来校验颜色和杂物的测定。除了校验之外，每 8 个小时在每台仪器上还要测定一些已知值的样品。如果测试值与已知值的偏差超过一定的允许范围，则进行仪器校正。1998 年的校验允许范围是：
| 质量因素允许偏差 | |||
| 纤维细度（单位） | +/-0.100 | 长度 (英寸) | +/- .007 |
| 色泽 Rd (单位) | +/- .400 | 均匀度 (百分数) | +/- .700 |
| 色泽 +b (单位) | +/- .400 | 强度 (克/特克斯) | +/- .500 |
| 杂质 (% 面积) | +/- .050 | ||
抽查计划
USDA 的抽查计划是为确保所有在棉花产地的 USDA 棉花分级设施能提供一致的测试结果。根据这个计划，用计算机从每个班次的每台测试仪器和每个目测人员中随机取样。这些样品第二天就送到田纳西州孟菲斯市的 USDA 质量控制室进行再次测试。测试所得结果与原先的测试结果进行对照，并将此信息立即用电信方法反馈到被抽查的单位。如果必要，原先的分级结果要进行调整。USDA 保存对每台设备和每个分级员进行的每天、每周和每个季节的比较记录。