GGE雙標(biāo)圖在中間香型煙葉特色彰顯度分析中的應(yīng)用

趙杰宏，謝升東，王軼 ，蒲文宣，王毅，戴秀梅，孫渭，張玉芹

1 貴州省煙草科學(xué)研究院，貴陽觀山湖區(qū)龍灘壩路 550081;

2 湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，長沙勞動中路426號 410007;

3 湖北省煙草科研所，武漢硚口區(qū)寶豐二路6號 430030;

4 重慶市煙草科學(xué)研究所，重慶市北碚區(qū)天生路2號400715;

5 陜西省煙草研究所，西安碑林區(qū)南關(guān)正街55號 710061;

6 山東省煙草公司，濟(jì)南市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)新濼大街250100

煙葉的風(fēng)格特色是煙葉不同質(zhì)量特征的重要表征，特定的風(fēng)格特色將成為一個(gè)產(chǎn)區(qū)煙葉的特定標(biāo)志，是進(jìn)行煙葉品質(zhì)區(qū)域劃分的重要依據(jù)，也是制訂生產(chǎn)技術(shù)措施、進(jìn)一步彰顯煙葉風(fēng)格特色和衡量煙葉質(zhì)量的重要指標(biāo)，目前已成為中式卷煙原料研發(fā)中的熱點(diǎn)問題。中間香型煙葉產(chǎn)區(qū)，包括我國東北至西南多個(gè)省份，跨越北緯26～46°，東經(jīng)105～132°；包括海拔從100～1500 m的山地；氣候和土壤類型多樣，生態(tài)條件極其復(fù)雜，造就了豐富而多樣的煙葉風(fēng)格特色。各產(chǎn)區(qū)的煙葉，在風(fēng)格特色、吸食品質(zhì)、化學(xué)成分、物理性狀、外觀質(zhì)量上，各有特點(diǎn)，存在明顯差異，并且不能相互替代使用，但至今未能對各產(chǎn)區(qū)煙葉的不同風(fēng)格特色加以細(xì)致描述和劃分[1]。盡管最新有研究提出中間香型具有“以干草香為本香，以正甜香、木香、辛香等為主體香韻”的香氣特征，但不同生態(tài)條件下煙葉的中間香型特色彰顯程度如何，特色彰顯度與煙葉化學(xué)成分、外觀質(zhì)量等有何內(nèi)在聯(lián)系，至今未見相關(guān)研究報(bào)道。

為深入探討各產(chǎn)區(qū)中間香型煙葉的特色彰顯程度，以及影響特色彰顯度的內(nèi)在化學(xué)成分和外觀特征，本文首次引入了近年來應(yīng)用較廣泛，能有效評價(jià)多因素互作的GGE模型[2-3]。 研究結(jié)果將有利于特色優(yōu)質(zhì)煙葉資源的開發(fā)利用，可為中間香型煙葉的品質(zhì)區(qū)劃和特色品種篩選提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2011年度在中間香型煙葉產(chǎn)區(qū)6省（市）布置了貴州貴定（e1）、貴州遵義（e2）、重慶武隆（e3）、陜西旬陽（e4）、山東蒙陰（e5）、湖北咸豐（e6）、湖南桑植（e7）7個(gè)試點(diǎn)，試驗(yàn)材料10個(gè)，包括貴煙1號、畢納1號、秦?zé)?8、ZC-01、中煙203、HB023、HB032、湘煙2號、湘煙3號、湘煙4號，以K326為對照（表1）。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4～6行區(qū)，行株距為1.2×0.55 m，小區(qū)面積不少于50 m2，3次重復(fù)。按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行播種、育苗、田間管理和烘烤；按照《GB/T 23222-2008 煙草病蟲害分級及調(diào)查方法》和《YC/T 142-2010 煙草農(nóng)藝性狀調(diào)查測量方法》對病蟲害、農(nóng)藝性狀等進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)各產(chǎn)區(qū)當(dāng)年煙葉收購標(biāo)準(zhǔn)對煙葉的產(chǎn)量和產(chǎn)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。打頂后及時(shí)掛牌標(biāo)記各材料全部煙株的中部葉（從上往下第9～12葉位），從烘烤煙葉中選取無青黃煙和雜色煙的混合煙樣，等級平衡后進(jìn)行主要化學(xué)成分檢測、外觀質(zhì)量評價(jià)和感官質(zhì)量評吸。

表1 試驗(yàn)選取的烤煙材料介紹

1.2 煙葉化學(xué)成分檢測和外觀質(zhì)量評價(jià)

在貴州省煙草科學(xué)研究院分析測試中心對煙葉主要化學(xué)成分和外觀質(zhì)量進(jìn)行檢測?；瘜W(xué)成分檢測按以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行：YC/T159-2002(水溶性總糖，TS)、YC/T159-2002(還 原 糖，RS)、YC/T 160-2002(煙堿，NIC)、YC/T 161-2002(總氮，TKN)、YC/T 161-2002(蛋白質(zhì)，PR)、YC/T162-2002(氯，Cl)、YC/T 217-2007(鉀，K)。外觀質(zhì)量檢測采用百分制對來樣的各外觀指標(biāo)進(jìn)行不同檔次分類，然后對應(yīng)計(jì)分表打分（表2），最后計(jì)算各指標(biāo)在各程度檔次的總分。指標(biāo)值=∑各檔次葉數(shù)/總?cè)~數(shù)%×分值。

表2 煙葉外觀質(zhì)量評價(jià)量化計(jì)分表

1.3 煙葉感官評價(jià)

由湖南中煙工業(yè)公司組織國內(nèi)7家中煙工業(yè)公司的評吸專家對各樣品的單料煙參照標(biāo)準(zhǔn)YC/T138-1998進(jìn)行感官評吸，分別按中間香型特色彰顯度、香氣質(zhì)、香氣量、濃度、雜氣、刺激性、余味、甜度等指標(biāo)進(jìn)行量化打分。各指標(biāo)在1-9分內(nèi)記分，最小記分單位0.5分（表3）。中間香型特色彰顯度的分值僅代表樣品彰顯中間香型特色風(fēng)格的大小，數(shù)值越大表示中間香型特色風(fēng)格越明顯，不表示樣品評吸質(zhì)量好壞。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用 GGE biplot 軟件（http://www.ggebiplot.com/）分析不同試點(diǎn)和材料各個(gè)指標(biāo)間的關(guān)系。首先，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行指標(biāo)離差標(biāo)準(zhǔn)化，再經(jīng)過主成分分析和特征值分配后，用前兩個(gè)主成分值，即以第一主成分( PC1) 為 x 軸，第二主成分( PC2) 為 y 軸將品種和環(huán)境置于一個(gè)平面圖上，形成 GGE 雙標(biāo)圖[2]。

2 結(jié)果與分析

2.1 特色彰顯度與評吸指標(biāo)的關(guān)系

GGE 雙標(biāo)圖可以直觀地判斷不同處理下各指標(biāo)的相互關(guān)系。把各處理的標(biāo)志點(diǎn)用直線連接起來，形成一個(gè)把所有處理都囊括在內(nèi)的多邊形，從原點(diǎn)(0,0)起作各邊的垂線，把整個(gè)雙標(biāo)圖分為若干個(gè)扇區(qū)，不同的指標(biāo)落于各個(gè)區(qū)內(nèi)，每個(gè)區(qū)內(nèi)的頂角處理即為該扇區(qū)內(nèi)所有指標(biāo)的最優(yōu)處理[2-4]。圖 1a直觀評價(jià)各試點(diǎn)特色彰顯度與評吸指標(biāo)的關(guān)系。第1主成分的效應(yīng)為 78.2%，第 2 主成分的效應(yīng)為14.1%，GGE 雙標(biāo)圖展示了各處理真實(shí)信息的92.3%，說明數(shù)據(jù)信息得到了充分展示。根據(jù)中間香型特色彰顯度及8個(gè)評吸指標(biāo)，可以將7個(gè)參試地點(diǎn)劃分為4個(gè)區(qū)。e1區(qū)的特色彰顯度最高；e2、e3、e6、e7區(qū)的評吸總分、甜度、雜氣、余味、香氣質(zhì)、刺激性、香氣量較高，其中e3點(diǎn)的各指標(biāo)值最高；e4區(qū)的濃度值最高；e5區(qū)內(nèi)沒有相關(guān)的指標(biāo)，說明這些性狀在e5試點(diǎn)的表現(xiàn)均較差。用 GGE 雙標(biāo)圖中的指標(biāo)向量和相鄰指標(biāo)間的夾角余弦值可判斷指標(biāo)間的相關(guān)性。從坐標(biāo)系原點(diǎn)到每個(gè)指標(biāo)點(diǎn)的連線作為指標(biāo)向量，以某一個(gè)指標(biāo)向量為起始，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，其他指標(biāo)向量與該線夾角的余弦值即為兩指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)[2-5]。從圖1b可以看出，在不同試驗(yàn)地點(diǎn)，特色彰顯度除了與濃度間的夾角接近90°，兩者間幾乎沒有相關(guān)性外（0.076），與其余各指標(biāo)間的夾角均小于90°，呈正相關(guān)。與特色彰顯度相關(guān)系數(shù)較高的為雜氣（0.683）、香氣質(zhì)（0.661）、余味（0.574）、甜度（0.553）。

圖 1c直觀評價(jià)各材料特色彰顯度與評吸指標(biāo)的關(guān)系。第 1 主成分的效應(yīng)為69%，第 2 主成分的效應(yīng)為13.1%，GGE雙標(biāo)圖展示了各處理真實(shí)信息的82.1%，說明數(shù)據(jù)信息得到充分展示。根據(jù)特色彰顯度及8個(gè)評吸指標(biāo)，11個(gè)參試材料中，g11、g3的特色彰顯度最高；g3的雜氣、余味、香氣量較高；g5、g1、g6的刺激性、香氣量、甜度、濃度和評吸總分較高，其中g(shù)5的這些指標(biāo)值最高；g2、g7、g10、g8、g9這5個(gè)烤煙材料的各指標(biāo)值較一般。與特色彰顯度相關(guān)系數(shù)較高的為雜氣（0.323）（圖1d）。為更好地評價(jià)試驗(yàn)材料，對試驗(yàn)材料的兼?zhèn)涮匦赃M(jìn)行了比較。圖1e 中斜線是特色彰顯度和評吸總分兩指標(biāo)的等值線，虛線分別為每個(gè)指標(biāo)的平均值。特色彰顯度高于平均值的材料位于垂直虛線右方，評吸總分高于平均值的材料位于水平虛線的上方，兼?zhèn)湔蔑@度好且評吸總分高的材料有g(shù)3、g11。

圖1 中間香型煙葉特色彰顯度與評吸指標(biāo)的關(guān)系

2.2 特色彰顯度與化學(xué)成分的關(guān)系

圖2a直觀評價(jià)了各試點(diǎn)特色彰顯度與化學(xué)成分的關(guān)系。第1主成分的效應(yīng)為 49.9%，第2主成分的效應(yīng)為34%，GGE雙標(biāo)圖展示了各處理真實(shí)信息的83.9%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息得到充分展示。根據(jù)特色彰顯度及11個(gè)化學(xué)指標(biāo)，將7個(gè)參試地點(diǎn)劃分為6個(gè)區(qū)。e1區(qū)的特色彰顯度、K、K/Cl皆最高，e2區(qū)Nic最高，e4區(qū)TKN、PR皆最高，e5區(qū)的Cl、RS、TS、RS/TS、N/NIC、RS/NIC皆最高，e3、e6、e7區(qū)內(nèi)沒有相關(guān)的指標(biāo)，說明這些性狀在這3個(gè)試點(diǎn)的表現(xiàn)均較差。圖2b可以看出，在不同試驗(yàn)地點(diǎn)，與特色彰顯度相關(guān)系數(shù)最高的為RS/TS（-0.873**）、N/NIC（-0.822*）、NIC（0.704*）。

圖2c直觀評價(jià)了各材料特色彰顯度與化學(xué)成分的關(guān)系。第1主成分的效應(yīng)為45.4%，第2主成分的效應(yīng)為30.5%，GGE 雙標(biāo)圖展示了各處理真實(shí)信息的75.9%，說明數(shù)據(jù)信息得到較充分展示。根據(jù)特色彰顯度及11個(gè)化學(xué)指標(biāo)，11個(gè)參試的烤煙材料中，g3、g4、g9的特色彰顯度、RS、TS較高，其中g(shù)3的3個(gè)指標(biāo)值最高；g2、g5、g8的N/NIC、RS/NIC、K、K/Cl較高，其中g(shù)8的4個(gè)指標(biāo)值最高；g1的RS/TS最高；g6的PR、TKN、Cl、NIC最高；g7、g10、g11這3個(gè)烤煙材料的各指標(biāo)值較一般。與特色彰顯度相關(guān)系數(shù)較高的為Pr（-0.505）、Rs（0.461）（圖2d ）。

圖2 中間香型煙葉特色彰顯度與化學(xué)成分的關(guān)系

2.3 特色彰顯度與外觀質(zhì)量的關(guān)系

圖3a直觀評價(jià)了各試點(diǎn)特色彰顯度與外觀質(zhì)量的關(guān)系。第 1 主成分的效應(yīng)為52.2%，第 2 主成分的效應(yīng)為29.7%，GGE 雙標(biāo)圖展示了各處理真實(shí)信息的 81.9%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息得到充分展示。根據(jù)中間香型特色彰顯度及6個(gè)外觀質(zhì)量指標(biāo)，將7個(gè)參試地點(diǎn)劃分為4個(gè)區(qū)。e1、 e3區(qū)的特色彰顯度、身份值較高，其中e1最高； e2、 e6、e7區(qū)內(nèi)顏色、油分、成熟度、結(jié)構(gòu)值較高，其中e6最高；e5區(qū)的色度最高；e4區(qū)內(nèi)沒有相關(guān)的指標(biāo)，說明這些性狀在e4點(diǎn)的表現(xiàn)均一般。圖 3b可以看出，在不同試驗(yàn)地點(diǎn)，與特色彰顯度相關(guān)系數(shù)最高的為身份（0.692）。

圖3 中間香型煙葉特色彰顯度與外觀質(zhì)量的關(guān)系

圖3c直觀評價(jià)了各材料特色彰顯度與外觀質(zhì)量的關(guān)系。第1主成分的效應(yīng)為34.9%，第2主成分的效應(yīng)為31.3%，GGE 雙標(biāo)圖展示了各處理真實(shí)信息的66.2%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息得到較充分展示。11個(gè)參試材料中，g3、g5的特色彰顯度、顏色、成熟度較高，其中g(shù)3最高；g10的結(jié)構(gòu)和油分最高；g8、g9、g11的身份、色度值較高，其中g(shù)8最高； g1 、g2、g4、g6、g7區(qū)內(nèi)沒有相關(guān)的指標(biāo)，這5個(gè)材料的各性狀表現(xiàn)均一般。與特色彰顯度相關(guān)系數(shù)較高的為顏色（0.318）（圖 3d）。

3 討論

使用傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)表難以將田間試驗(yàn)中各處理與環(huán)境之間的關(guān)系直觀表述清楚，借助于GGE 雙標(biāo)圖不僅可以清晰分析因素間的關(guān)系，而且可以把各因素間復(fù)雜的互作模式直觀地表現(xiàn)出來，具有較大的直觀性和便利性，已在品種與環(huán)境互作試驗(yàn)中得到充分應(yīng)用[6-12]。此處GGE模型分別直觀地反映了不同烤煙材料或不同環(huán)境條件下，中間香型煙葉特色彰顯度與評吸指標(biāo)、化學(xué)成分及外觀特征的相互關(guān)系。

同一生態(tài)環(huán)境下不同的烤煙品種（系）總是表現(xiàn)出較一致的風(fēng)格特色，從而形成地方煙葉的品牌特色。此處從試驗(yàn)環(huán)境角度來看，與特色彰顯度相關(guān)性較大的指標(biāo)有RS/TS（-0.873**）、N/NIC（-0.822*）、NIC（0.704*）、身份（0.692）、雜氣（0.683）、香氣質(zhì)（0.661）、余味（0.574）、甜度（0.553）。特色彰顯度與RS/TS、N/NIC呈顯著負(fù)相關(guān)，與NIC呈顯著正相關(guān)，這與通徑分析的結(jié)果相一致[13]；與雜氣呈正相關(guān)，這可能體現(xiàn)了烤煙香型“二韻論”中描述的中間香型包括“不受歡迎氣味”的理論[1]。這可以作為地方煙葉特色彰顯度評價(jià)的間接指標(biāo)。根據(jù)特色彰顯度可以把7個(gè)試點(diǎn)分為 3個(gè)區(qū)：區(qū) 1（e1）、區(qū) 2（e3、e7、e2、e6）和區(qū)3（e4、e5）。其中e1的特色彰顯度、身份、K、K/Cl值最高，e2 的Nic值最高，e3的評吸總分、甜度、雜氣、余味、香氣質(zhì)、刺激性、香氣量最高，e4的濃度、TKN、PR最高，e5區(qū)的色度、Cl、RS、TS、RS/TS、N/NIC、RS/NIC值最高，e6顏色、油分、成熟度、結(jié)構(gòu)值最高。對多個(gè)試點(diǎn)環(huán)境的分區(qū)，不僅有利于評價(jià)各區(qū)展現(xiàn)的特色彰顯度，還可以對不同環(huán)境煙葉化學(xué)成分或外觀特征的典型性和獨(dú)特性給予描述，從而增加理論支持。

同一環(huán)境下不同的烤煙品種（系）所能展現(xiàn)出地方煙葉風(fēng)格特色的水平有一定的差別，這就為優(yōu)化篩選特色烤煙品種，進(jìn)一步彰顯地方煙葉的風(fēng)格特色提供了契機(jī)。此處從試驗(yàn)材料角度來看，與特色彰顯度相關(guān)性較高的指標(biāo)為Pr（-0.505）、Rs（0.461）、雜氣（0.323）、顏色（0.318），但皆不顯著。11個(gè)材料中，g1的RS/TS最高；g3的特色彰顯度、雜氣、余味、香氣量、顏色、成熟度、RS、TS最高；g5的評吸總分、刺激性、香氣量、甜度和濃度最高；g6的PR、TKN、Cl、NIC最高；g8的身份、色度、N/NIC、RS/NIC、K、K/Cl最高，g10的結(jié)構(gòu)、油分最高。不同試驗(yàn)材料間的差異較大，與其遺傳因素及基因和環(huán)境的互作有關(guān)，同時(shí)煙葉生產(chǎn)中涉及的極端氣候、病蟲草害和采烤加工等過程的影響也加大了這種差異的不穩(wěn)定性?？梢?，篩選特色彰顯度高的品種（系）應(yīng)首先篩選對特定環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，并且在抗逆、抗病、穩(wěn)產(chǎn)、易烤等方面表現(xiàn)突出的材料，才能減少風(fēng)險(xiǎn)。此處g3在不同試點(diǎn)的特色彰顯度最高，將作為課題試驗(yàn)篩選的特色品種（系）加大示范生產(chǎn)的力度，為特色品種開發(fā)提供材料。

[1]唐遠(yuǎn)駒.關(guān)于烤煙香型問題的探討[J].中國煙草科學(xué),2011, 32(3): 1-7.

[2]嚴(yán)威凱.雙標(biāo)圖分析在農(nóng)作物品種多點(diǎn)試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].作物學(xué)報(bào), 2010, 36(11): 1805-1819.

[3]Jalata Z.GGE-biplot analysis of multi-enviroment yield trails of Barley (Hordeium vulgare L.) genotypes in Southeastern Ethiopia highlands[J].International Journal of Plant Breeding and Genetics,2011, 5(1): 59-75.

[4]Rao P S, Reddy P S, Rathore A, et al.Application GGE biplot and AMMI model to evaluate sweet sorghum (Sorghum bicolor)hybrids for genotype × environment interaction and seasonal adaptation[J].Indian Journal of Agricultural Sciences, 2011, 81 (5):438-444.

[5]Yan W K, Holland J B.A heritability-adjusted GGE biplot for test environment evaluation[J].Euphytica, 2010, 171: 355-369.

[6]Yan W, Pageau D, Frégeau-Reid J A, et al.Assessing the Representativeness and Repeatability of Test Locations for Genotype Evaluation[J].Crop Science, 2011, 51(4): 1603-1610.

[7]Yan W, Frégeau-Reid J, Pageau D, et al.Identifying Essential Test Locations for Oat Breeding in Eastern Canada[J].Crop Science,2010, 50(2): 504-515.

[8]胡新中, 盧為利, 阮偵區(qū), 等.影響小麥面粉白度的品質(zhì)指標(biāo)分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2007, 40(6): 1142-1149.

[9]陳四龍, 李玉榮, 程增書, 等.用 GGE 雙標(biāo)圖分析種植密度對高油花生生長和產(chǎn)量的影響[J].作物學(xué)報(bào), 2009,35(7): 1328-1335.

[10]尚毅, 賈巧君, 朱靖環(huán), 等.楊建明基于 GGE 雙標(biāo)圖對南方冬大麥區(qū)域試驗(yàn)的分析[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2011, 23(2) :197-202.

[11]柴守璽, 常磊, 楊蕊菊, 等.小黑麥基因型與環(huán)境互作效應(yīng)及產(chǎn)量穩(wěn)定性分析[J].核農(nóng)學(xué)報(bào), 2011, 25(1) : 0155 -0161.

[12]焦偉紅, 劉景輝, 齊冰潔, 等. 用GGE雙標(biāo)圖分析燕麥品種（系）農(nóng)藝與品質(zhì)性狀[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2011, 27(01): 24-29.

[13]吳春, 王軼, 蒲文宣, 等.中間香型煙葉特色彰顯度與主要化學(xué)成分的相關(guān)及通徑分析[J].中國煙草科學(xué).2012, 33(4): 1-6.