基于產(chǎn)值和感官指標(biāo)的豫中“上六片”煙葉栽培措施優(yōu)化

劉扣珠, 高真真, 夏素素, 李建華, 頓松陽, 李洪亮,王京, 段衛(wèi)東, 史宏志*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家煙草栽培生理生化研究基地, 煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鄭州 450002; 2.河南省煙草公司許昌市公司, 河南 許昌 461000; 3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司, 鄭州 450017)

提高上部煙葉可用性是促進(jìn)“卷煙上水平”的重要措施[1]。優(yōu)質(zhì)的上部煙葉具有煙氣濃度厚實(shí)飽滿且香氣濃郁的特點(diǎn)，有利于增加吃味濃度與豐富煙香，在卷煙葉組配方中，可作為主料煙起骨架支撐作用，尤其是完熟的上部煙葉香味濃度大，可以彌補(bǔ)烤煙型低焦油卷煙香味不足的缺陷[2]，自21世紀(jì)初，朱尊權(quán)院士提出上六片概念以來，豫中煙區(qū)進(jìn)行了積極探索和實(shí)踐，所生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)上六片煙葉在河南中煙高端品牌中的應(yīng)用取得顯著效果[3-4]。

“上六片”煙葉是在特定的“光、溫、水、土”條件下發(fā)育而成的一種高成熟度的煙葉，是在傳統(tǒng)上部煙葉生產(chǎn)技術(shù)上，為進(jìn)一步提高上部煙葉的可用性，所采取特定的生產(chǎn)措施培育而成的煙葉。營養(yǎng)充分、發(fā)育良好、耐熟性高，是形成優(yōu)質(zhì)上六片的基礎(chǔ)，而與之相適應(yīng)的配套栽培技術(shù)是優(yōu)質(zhì)上六片生產(chǎn)的保障，其中施氮量、種植密度和留葉數(shù)是豫中煙區(qū)影響煙葉生長發(fā)育狀況和質(zhì)量形成的關(guān)鍵因素，合理調(diào)控氮肥用量、種植密度和留葉數(shù)3大栽培措施能對(duì)增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、提高效益起到重要作用[5]。煙草對(duì)氮比較敏感[6-7]，氮肥供應(yīng)不足，煙葉致香物質(zhì)含量低，香味不足，但氮肥供應(yīng)過量，部分致香物質(zhì)含量明顯下降，并對(duì)評(píng)吸質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。種植密度通過影響作物群體的光截獲、光分布以及影響田間CO2濃度等來影響群體的光合作用，進(jìn)而影響煙葉養(yǎng)分吸收和香氣物質(zhì)[8]的積累轉(zhuǎn)化，對(duì)煙葉的產(chǎn)質(zhì)量造成影響。留葉數(shù)能夠直接影響打頂后煙株內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)的分配，并且會(huì)影響群體內(nèi)部小氣候的變化，影響煙葉開片、株型建成、上部葉成熟落黃及干物質(zhì)、香氣物質(zhì)的積累，從而對(duì)烤煙生長發(fā)育和品質(zhì)形成產(chǎn)生影響[9-10]。

但是目前由于上六片煙葉生產(chǎn)尚缺乏科學(xué)的生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，栽培技術(shù)存在一定的盲目性和不合理性，煙株?duì)I養(yǎng)基礎(chǔ)和耐熟性較差，上六片優(yōu)質(zhì)煙葉的潛力尚未得到充分發(fā)揮，限制了上部煙葉質(zhì)量的提升和有效利用，煙農(nóng)收益較低[11-12]，因此科學(xué)建立優(yōu)質(zhì)上六片技術(shù)指標(biāo)體系勢在必行。本試驗(yàn)選擇施氮量、種植密度和留葉數(shù)3個(gè)栽培因子，設(shè)計(jì)L9(34)正交試驗(yàn)，建立數(shù)學(xué)模型并模擬尋優(yōu)，以尋找最優(yōu)的栽培措施組合，探究栽培措施對(duì)上六片煙葉產(chǎn)質(zhì)量的影響，為豫中煙區(qū)優(yōu)質(zhì)上六片煙葉的生產(chǎn)和栽培技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

本試驗(yàn)在河南省許昌市襄城縣進(jìn)行，該地區(qū)肥力中等，試驗(yàn)田處于E112°41′～114°15′、N34°16′～34°58′，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，光照充足，雨量適中。全年平均日照時(shí)數(shù)為1 800～2 100 h，年平均日照率為52%，全年太陽輻射總量為121.49 kcal·cm-3；年平均氣溫15～16 ℃，年平均積溫5 463.8 ℃。；年平均降水量820～1 100 mm；無霜期228～249 d。試驗(yàn)地土質(zhì)為褐土，前茬作物為烤煙，土壤理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)1.58%，堿解氮66.6 mg·kg-1，速效磷20.18 mg·kg-1，速效鉀122 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)品種采用當(dāng)?shù)刂髟钥緹熎贩N‘中煙100’，2月20日播種，采用漂浮育苗，于4月26日移栽。試驗(yàn)樣品選用上六片煙葉，各處理留烤后煙樣2 kg，烘干磨碎過60目篩。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用L9(34)三因素三水平正交設(shè)計(jì)，試驗(yàn)因素分別為施氮量(A)、密度(B)和留葉數(shù)(C)，分別設(shè)置3個(gè)水平，共9個(gè)處理，3次重復(fù)，共27個(gè)小區(qū)，各小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)處理333.5 m2。按照不同施氮量(A)處理的要求調(diào)配肥料用量，其中基肥條施餅肥(鄭州豫昕農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司)A1、A2和A3各600 kg·hm-2、煙草專用復(fù)合肥(湖北香青化肥有限公司)A1：0 kg·hm-2、A2：180 kg·hm-2、A3：360 kg·hm-2，移栽時(shí)穴施煙草專用復(fù)合肥(湖北香青化肥有限公司)A1、A2和A3各75 kg·hm-2，煙株團(tuán)棵追施KNO3(三明市浩倫園藝植保貿(mào)易有限公司)A1、A2和A3各75 kg·hm-2，其他栽培措施按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉管理規(guī)范進(jìn)行。除試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素外，其他田間栽培措施均與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理一致。根據(jù)技術(shù)方案要求，并依據(jù)豫中煙區(qū)3個(gè)因素的常規(guī)操作標(biāo)準(zhǔn)(施氮量約為37.5～45 kg·hm-2左右，種植密度不低于15 000 株·hm-2，單株留有效葉18～22 片左右)設(shè)置試驗(yàn)各因素水平，并對(duì)施氮量、種植密度和留葉數(shù)3個(gè)栽培因子的3水平分別賦值為-1、0和1，各試驗(yàn)因素水平設(shè)置見表1。

表1 試驗(yàn)因素和水平設(shè)置

1.4 測定項(xiàng)目與方法

上六片煙葉的產(chǎn)值計(jì)算按照42級(jí)國標(biāo)(GB 2635—1992)[13]執(zhí)行(不含價(jià)外補(bǔ)貼)，由河南省許昌市襄城縣王洛鎮(zhèn)煙站技術(shù)員分級(jí)并單獨(dú)統(tǒng)計(jì)各等級(jí)煙葉的重量，以2017年當(dāng)?shù)氐臒熑~收購價(jià)格計(jì)算產(chǎn)值。

感官指標(biāo)測定由鄭州市黃金葉制造中心切成0.12 mm的煙絲，卷制成單料煙后，平衡水分48 h，送至國家煙草生理生化基地，由專家進(jìn)行評(píng)吸，按標(biāo)準(zhǔn)《YC/T138-1998煙草及煙草制品感官評(píng)價(jià)方法》[14]進(jìn)行。

1.5 數(shù)據(jù)處理分析

使用 SPSS 22.0軟件進(jìn)行非線性回歸分析和差異顯著性分析，MATLAB R2017a軟件進(jìn)行模擬尋優(yōu)，Origin 7.5和 Microsoft Excel 2013 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)值、感官指標(biāo)結(jié)果及數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

2.1.1各處理的產(chǎn)值和感官指標(biāo) 根據(jù)表1的因子賦值得到各處理的結(jié)構(gòu)矩陣，不同處理的產(chǎn)值和感官指標(biāo)結(jié)果(表2)顯示，A2B2C1組合處理的產(chǎn)值最大、感官品質(zhì)和香氣質(zhì)的得分最高。A1B1C1組合處理的產(chǎn)值和香氣量得分最低，A3B3C1組合處理的感官品質(zhì)和香氣質(zhì)得分最低。

表2 L9(34)結(jié)構(gòu)矩陣及產(chǎn)值、感官指標(biāo)結(jié)果

2.1.2數(shù)學(xué)模型構(gòu)建 使用 SPSS 軟件非線性回歸功能，構(gòu)建產(chǎn)值(Y)、感官品質(zhì)(Y1)、香氣質(zhì)(Y2)、香氣量(Y3)與施氮量(X1)、種植密度(X2)、留葉數(shù)(X3)的數(shù)學(xué)模型及單因子影響的數(shù)學(xué)模型(表3)，在非線性回歸設(shè)計(jì)中對(duì)各因素處理進(jìn)行無量綱性編碼，各因子系數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，故可直接由擬合方程中系數(shù)的絕對(duì)值大小觀察出各因素的重要程度。其中單因子影響的數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建是假設(shè)其他因子為零水平，將方程進(jìn)行降維處理，對(duì)各因素進(jìn)行單因素效應(yīng)分析，用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新擬合。

結(jié)果顯示，各模型的擬合系數(shù)較高，說明表中的數(shù)學(xué)模型可用以判斷各指標(biāo)與3個(gè)栽培因子的關(guān)系。根據(jù)互作影響的數(shù)學(xué)模型中各因子系數(shù)可知，施氮量和種植密度是顯著影響產(chǎn)值的栽培因子(P<0.05)，且施氮量與種植密度互作對(duì)產(chǎn)值影響較大，表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)。感官指標(biāo)中感官品質(zhì)和香氣質(zhì)受施氮量和種植密度以及其互作的影響均較大，香氣量受施氮量和留葉數(shù)及其互作的影響較大。

2.1.3單因子對(duì)各指標(biāo)的效應(yīng)分析 根據(jù)表3中單因子影響的數(shù)學(xué)模型繪制施氮量(X1)、種植密度(X2)和留葉數(shù)(X3)不同水平的產(chǎn)值和感官指標(biāo)變化曲線(圖1)，并對(duì)各因素進(jìn)行單因子效應(yīng)分析。在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，各指標(biāo)與栽培因子的關(guān)系呈現(xiàn)不同程度的二次曲線。產(chǎn)值隨施氮量和種植密度的增加先增加后降低，隨留葉數(shù)的增加先降低后增加。感官指標(biāo)隨栽培因子的變化呈現(xiàn)不同的變化趨勢，隨著施氮量的增加，感官品質(zhì)總分逐漸降低，香氣質(zhì)和香氣量得分先增加后降低，因此施氮量較高不利于提高煙葉品質(zhì)。隨種植密度的增加，感官品質(zhì)和香氣質(zhì)得分先增加后降低，香氣量得分逐漸增加；隨留葉數(shù)的增加，感官品質(zhì)和香氣量得分先增加后降低，香氣質(zhì)得分逐漸增加，因此通過栽培措施提升煙葉香氣需要同時(shí)協(xié)調(diào)煙葉的香氣質(zhì)和香氣量。

圖1 各指標(biāo)受單因子影響的變化曲線

表3 上六片煙葉產(chǎn)值和感官指標(biāo)數(shù)學(xué)模型

2.1.4因子間互作對(duì)各指標(biāo)的影響效應(yīng)分析

與單因子影響相比，因子互作并非僅僅表現(xiàn)出簡單的加和作用，同時(shí)還存在協(xié)同促進(jìn)作用和拮抗作用。圖2顯示，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，產(chǎn)值、感官品質(zhì)和香氣質(zhì)在施氮量與種植密度互作的影響下存在最優(yōu)值，香氣量在施氮量和留葉數(shù)的影響下有最優(yōu)值。因此，可在本試驗(yàn)范圍中尋找出最佳的栽培組合，使得各指標(biāo)達(dá)到最佳。

圖2 因子間互作對(duì)各指標(biāo)的影響

2.2 栽培措施優(yōu)化

2.2.1產(chǎn)值的栽培措施優(yōu)化 本研究中，產(chǎn)值與-1～1約束區(qū)間內(nèi)的3個(gè)栽培因子為非線性規(guī)劃問題，使用MATLAB R2017a對(duì)產(chǎn)值進(jìn)行數(shù)學(xué)建模尋求最優(yōu)解。綜合措施組合方案為X1=0.123 0、X2=0.130 7、X3=-1.000，即施氮量為50.214 kg·hm-2、種植密度為16 044 株·hm-2、單株留葉數(shù)為16片時(shí)，產(chǎn)值有最大值為63 580.0元·hm-2。

為了使栽培方案能夠更好地與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，在95%置信域取值范圍內(nèi)求得產(chǎn)值最大值的三因素(最佳組合方案)范圍值見表4。產(chǎn)值具有最大值時(shí)的施氮量編碼值為0.118 1～0.120 5、種植密度編碼值為0.129 2～0.131 3、留葉數(shù)編碼值范圍為-1.005 3～-0.993 9，即施氮量范圍為50.125 8～50.169 0 kg·hm-2、種植密度范圍為16 041～16 045株·hm-2、留葉數(shù)范圍為16 片·株-1左右，此時(shí)產(chǎn)值能達(dá)到最大值。平均編碼值為施氮量0.119 3、種植密度0.130 2、留葉數(shù)-0.999 6，即施氮量50.114 7 kg·hm-2、種植密度16 043株·hm-2、留葉數(shù)16 片·株-1時(shí)，產(chǎn)值最大值達(dá)63 569.9 元·hm-2。

表4 上六片煙葉產(chǎn)值達(dá)最高分的栽培措施編碼值

根據(jù)單因素分析，留葉16或22片·株-1時(shí)，煙葉產(chǎn)值均較大，進(jìn)一步驗(yàn)證模型，當(dāng)單株留葉數(shù)為22片時(shí)，產(chǎn)值可達(dá)到65 531.34 元·hm-2。因此產(chǎn)值達(dá)最大值的栽培措施組合方案為施氮量50.114 7 kg·hm-2、種植密度16 043株·hm-2、單株留葉數(shù)22片。

2.2.2感官品質(zhì)的栽培措施優(yōu)化 使用MATLAB R2017a對(duì)感官品質(zhì)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模尋求最優(yōu)解可知，栽培措施為X1=-0.111 7、X2=-0.012 6、X3=0.085 0，即施氮量為45.990 kg·hm-2、種植密度為15 720 株·hm-2、留葉數(shù)為19 片，此時(shí)感官評(píng)價(jià)總得分最高為62.005 7。

表5顯示，在95%置信域取值范圍內(nèi)求得感官品質(zhì)最佳的三因素(最佳組合方案)編碼值范圍值為施氮量-0.115 1～-0.112 9、種植密度-0.012 6～-0.012 5、留葉數(shù)0.084 6～0.086 2，即施氮量范圍為45.928 5～45.967 5 kg·hm-2、種植密度范圍為15 720 株·hm-2左右、留葉數(shù)范圍為19片·株-1左右。在該栽培措施范圍內(nèi)，感官評(píng)價(jià)總得分能達(dá)到最大值。平均編碼值為施氮量-0.114 0、種植密度-0.012 6、留葉數(shù)0.085 4，即施氮量45.948 kg·hm-2、種植密度157 208株·hm-2、留葉數(shù)19片·株-1時(shí)，感官評(píng)價(jià)總得分有最大值62.005 7，此時(shí)香氣質(zhì)得分為7.263 0，香氣量得分為8.077 1，表現(xiàn)為香氣質(zhì)好，香氣量充足。

表5 上六片煙葉感官指標(biāo)達(dá)最高分的栽培措施編碼值

3 討論

本研究表明，施氮量和種植密度是影響烤煙上六片煙葉產(chǎn)值、感官品質(zhì)的主要栽培因子，中等施氮量和種植密度條件下的上六片煙葉具有較高的產(chǎn)值和較優(yōu)的感官品質(zhì)。在本研究范圍內(nèi)，留葉數(shù)對(duì)產(chǎn)值和感官指標(biāo)的影響相對(duì)較小，說明豫中煙區(qū)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)上六片煙葉時(shí)，首先需要合理調(diào)控施氮量和種植密度。留葉數(shù)對(duì)上六片煙葉產(chǎn)值和感官品質(zhì)的影響不顯著，根據(jù)單因素分析，留葉16或22片·株-1時(shí)，煙葉產(chǎn)值均較大，且在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)留葉數(shù)中等偏多時(shí)更有利于提高煙葉的感官品質(zhì)，表明在本地區(qū)中等肥力條件下，煙株留葉以19～22片·株-1為宜。因此，中等肥力水平植煙土壤中，烤煙上六片煙葉產(chǎn)值達(dá)到最大值的優(yōu)化栽培措施范圍為施氮量50.125 8～50.169 0 kg·hm-2、種植密度16 041～16 045株·hm-2、留葉19～22片·株-1，此時(shí)產(chǎn)值可達(dá)最大值65 531.34元·hm-2。

目前，豫中煙區(qū)的實(shí)際施氮量約為52.5 kg·hm-2左右，種植密度14 250～15 000株·hm-2。因此，許昌市襄城縣煙草當(dāng)前的栽培措施與各指標(biāo)的優(yōu)化栽培技術(shù)相比，施氮量偏高、種植密度偏低，通過適當(dāng)調(diào)整施氮量與種植密度可以有效提高上六片煙葉產(chǎn)值，優(yōu)化煙葉感官品質(zhì)。感官品質(zhì)達(dá)到最佳時(shí)的施氮量范圍為45.928 5～45.967 5 kg·hm-2、種植密度范圍為15 720株·hm-2左右、留葉數(shù)范圍為19片·株-1左右，此時(shí)感官品質(zhì)得分最高?？梢园l(fā)現(xiàn)，栽培措施對(duì)于煙葉感官各指標(biāo)的影響不一致，這是由于構(gòu)成香氣的物質(zhì)成分多樣而復(fù)雜[15]，有些成分含量較低卻對(duì)香氣質(zhì)量貢獻(xiàn)很大[16]，因此香氣量與香氣質(zhì)受栽培措施影響的不同效果可能是由于煙葉中香氣量的增加往往伴隨著雜氣和刺激性的增強(qiáng)，弱化了香氣質(zhì)的凸顯，也可能會(huì)影響整體的感官品質(zhì)評(píng)價(jià)。產(chǎn)值與感官指標(biāo)是從經(jīng)濟(jì)效益和感官質(zhì)量兩個(gè)角度進(jìn)行煙葉質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)的，是農(nóng)業(yè)與工業(yè)共同關(guān)注的煙葉指標(biāo)，產(chǎn)質(zhì)量的共同提升是煙草研究的主要目標(biāo)。因此基于產(chǎn)值和感官指標(biāo)的優(yōu)質(zhì)上六片煙葉栽培技術(shù)對(duì)于提升煙葉品質(zhì)更有意義。