地表溫度日較差對湖北煙區(qū)烤煙化學成分的影響

劉 靜，陽 威，成 丹，任永建，王麗娟

（湖北省氣象服務中心，武漢 430205）

0 引言

煙草是中國重要的經(jīng)濟作物，煙草行業(yè)是中國財政收入的重要來源，國家最重要的實體經(jīng)濟之一[1]。煙葉作為卷煙工業(yè)的原料，品質的優(yōu)劣舉足輕重，其中其化學成分是煙葉質量和香型風格特征的重要物質基礎[2-3]。研究表明，烤煙的化學構成是生態(tài)環(huán)境、品種基因和栽培技術共同作用的結果[4]，三者對煙葉質量的貢獻率分別為56%、32%和10%[5-6]?？梢?，生態(tài)環(huán)境對烤煙品質至關重要。其中氣候條件中的光照、溫度、水分等因素的變化，對烤煙內在化學成分含量及其協(xié)調性影響更顯著[7-8]。

2011年以來，不少學者針對不同煙區(qū)對氣候要素與烤煙化學成分之間的關系進行了研究。河南省盛產(chǎn)焦甜香型烤煙[9]，研究發(fā)現(xiàn)，河南煙區(qū)烤煙化學品質指標受氣候條件影響頗大，其中溫熱因素影響程度最大、水濕因素次之、光照因素最小，且旺長期太陽總輻射是影響烤煙化學成分協(xié)調性評分的主要氣候因素[10-11]。但是溫熱條件對烤煙不同部位的化學成分的影響也不盡相同。石油醚提取物是形成煙葉芳香氣味的因素，其上部葉主導氣候因子為大田期最高氣溫，中、下部葉則是旺長期平均氣溫[12]；煙堿和總氮的含量隨成熟期晝夜溫差增大而減小，而總糖、還原糖含量以及鉀氯比則與成熟期晝夜溫差呈顯著正相關[13]。

云南省盛產(chǎn)清甜香型烤煙[9]，研究發(fā)現(xiàn)，影響云南煙區(qū)烤煙化學成分的氣象因子中最重要的是光照和降水量，溫度的影響微乎其微[14]。其中降水量在煙草不同生長階段的合理分布是確保煙草品質的前提，旺長期煙草對水分的需求最大，降水增加有利于提高總糖含量[15]。另外，在分析影響貴州烏蒙煙區(qū)烤煙風格的氣候要素時發(fā)現(xiàn)，雖然該地區(qū)氣溫偏低，但充足的日照和豐富的降水促使烤煙在旺長期生長迅速，積累較多糖分的同時也降低煙堿含量，促使烤煙化學成分協(xié)調，表現(xiàn)出蜜甜香特點[16]。

綜合之前學者的研究，對影響烤煙化學成分的氣候要素分析大多集中于氣溫、降水、光照等。地表溫度是衡量地面熱狀況的重要參數(shù)[17]，反映了地表與大氣之間的物質交換和能量平衡，其變化對種子的萌發(fā)、植物的生長和農作物的產(chǎn)量影響巨大[18]。目前有關地表溫度對烤煙品質的研究相對較少，吳璐[19]研究發(fā)現(xiàn)河南烤煙化學成分與生育期地表溫度日較差（簡稱地溫差，即日地表最高溫度與日地表最低溫度的差值）關系密切，地溫差縮小將導致烤煙上部葉總糖、還原糖、蛋白質含量減少，鉀氯比含量增加；中部葉的氮堿比、糖堿比減少，煙堿、鉀含量增加，下部葉兩糖比增加。

湖北在中國煙草生產(chǎn)中占有重要地位[20]，其烤煙常年產(chǎn)量100000 t左右。據(jù)最新的中國煙草種植區(qū)劃[21]統(tǒng)計，湖北作為煙草主產(chǎn)區(qū)被歸類為最適宜區(qū)和適宜區(qū)，其中鄂西南、鄂西北和鄂東北3個煙區(qū)是湖北最重要的三大烤煙原料產(chǎn)地。由于地表溫度的變化嚴重影響烤煙品質，而目前湖北煙區(qū)烤煙化學成分受其影響程度并無研究分析，故本研究收集了湖北省16個產(chǎn)煙縣（按行政區(qū)劃分為恩施市、宜昌市、十堰市和襄陽市4個地區(qū)）的主要氣象和烤煙化學成分數(shù)據(jù)，擬分析湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差變化對烤煙化學成分的影響，以期為該煙區(qū)烤煙生產(chǎn)布局和充分利用氣候資源提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

本研究所使用的氣象數(shù)據(jù)為湖北煙區(qū)1960—2020年共61年16個國家氣象觀測站烤煙生育期的0 cm地表溫度（簡稱地溫）數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來源于湖北省信息與技術保障中心，所用氣象數(shù)據(jù)均經(jīng)過了校驗和訂正，具有較高的代表性和可信度。具體煙區(qū)和對應的站點包括：恩施市（巴東、恩施、鶴峰、建始、來鳳、利川、咸豐、宣恩）、宜昌市（興山、秭歸）、十堰市（房縣、鄖西、竹山、竹溪）、襄陽市（?？怠⒛险模▓D1）。

圖1 湖北煙區(qū)國家氣象觀測站分布

1.2 烤煙化學成分數(shù)據(jù)

本研究使用湖北煙區(qū)16個產(chǎn)煙縣2005—2020年共16年的烤煙化學成分數(shù)據(jù)，其測定指標包括煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀和氯，由湖北省煙草質量監(jiān)督檢測站進 行分析測定。其中總糖和還原糖采用鐵氰化鉀比色法[22]；煙堿、總氮、鉀和氯的測定參照行業(yè)標準YC/T 160[23]、YC/T 161[24]、YC/T 162[25]和 YC/T 173[26]進行。鉀氯比、氮堿比、糖堿比和兩糖比反映了烤煙化學成分的協(xié)調性，由上述相關指標推算得出。所采集的有效烤煙樣品共708份，其中上部葉、中部葉、下部葉各236份。

1.3 烤煙生育期確定

湖北南部和北部氣候條件的差異造成了南北煙區(qū)烤煙的生長發(fā)育起止日期略有不同。本研究根據(jù)恩施市、宜昌市、十堰市和襄陽市的烤煙農業(yè)氣象試驗站的生育期觀測資料，并參考各地的移栽時間和終烤時間，分別確定南、北煙區(qū)烤煙的各個生育階段時間。其中南部煙區(qū)（巴東、恩施、鶴峰、建始、來鳳、利川、咸豐、宣恩、興山、秭歸）烤煙大田生長期時間段為5月1日—9月15日，其中伸根—團棵期為5月1日—5月31日，旺長期為6月11日—7月11日，成熟期為7月21日—9月15日。北部煙區(qū)（房縣、鄖西、竹山、竹溪、?？?、南漳）烤煙大田生長期時間段為4月25日—9月9日，其中伸根—團棵期為4月25日—5月25日，旺長期為6月5日—7月5日，成熟期為7月15日—9月9日。

2 湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差氣候變化特征

2.1 地溫差線性趨勢變化特征

圖2為湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期平均地溫差的逐年變化圖?？芍睙焻^(qū)烤煙生育期地溫差整體呈現(xiàn)下降趨勢，其中整個大田生長期的地溫差平均每10年下降0.24℃，相關系數(shù)R為-0.23，通過了0.1顯著性水平檢驗。旺長期和成熟期，地溫差同樣表現(xiàn)出下降的趨勢特征，相關系數(shù)R分別為-0.18和-0.24，均通過了0.1顯著性水平檢驗。而伸根—團棵期，雖然地溫差的氣候趨勢傾向率達到0.21℃/10 a，但相關系數(shù)R并未通過顯著性水平檢驗。

圖2 湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期平均地溫差年變化

2.2 地溫差突變特征分析

本研究將聯(lián)合Mann-Kendall法和滑動t檢驗法來確定湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期平均地溫差的突變點，其中圖3為Mann-Kendall法結果?？芍睙焻^(qū)大田期地溫差突變點發(fā)生于1974年。結合滑動t檢驗的計算結果，1960—1974年湖北烤煙大田期地溫差平均值為24.3℃，方差為1.48，1975—1989年平均值為22.7℃，方差為3.18，推算得到t值為2.73，通過了0.05顯著性水平檢驗(tα=2.05)。綜合2種方法結果，1974年湖北煙區(qū)大田期地溫差發(fā)生突變，且從UF曲線可看出自1973年起，湖北煙區(qū)大田期地溫差呈下降趨勢，1985—1994年下降趨勢顯著，超過了0.05顯著性水平。

圖3 湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期平均地溫差突變檢驗

同理，對湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙伸根—團棵期、旺長期和成熟期的平均地溫差進行突變檢驗，得到湖北煙區(qū)伸根—團棵期地溫差突變年份為1978年，t值為-1.85，通過了0.1顯著性水平檢驗(tα=1.70)。雖自1981年起，伸根—團棵期地溫差呈上升趨勢，但并未超過0.05顯著性水平。

湖北煙區(qū)旺長期地溫差突變年份為1973年，t值為2.15，通過了0.05顯著性水平檢驗(tα=2.06)。且自1973年起，旺長期地溫差呈下降趨勢，1989—1996年下降趨勢顯著，超過了0.05顯著性水平。

湖北煙區(qū)成熟期地溫差突變年份為1979年，t值為 1.99，通過了 0.1 顯著性水平檢驗(tα=1.70)。且自1980年起，成熟期地溫差呈下降趨勢，1987—1991、2007—2018年下降趨勢顯著，超過了0.05顯著性水平。

2.3 地溫差線性趨勢空間分布特征

圖4為湖北煙區(qū)16個國家氣象觀測站1960—2020年烤煙各生育期地溫差線性趨勢空間分布圖?？芍旄獔F棵期外，湖北煙區(qū)大部分站點烤煙生育期地溫差呈現(xiàn)下降趨勢。其中大田期、旺長期和成熟期地溫差變化趨勢大體相似，南部煙區(qū)的恩施、鶴峰、建始、興山、秭歸和北部煙區(qū)的房縣、竹山、南漳地溫差下降趨勢顯著（通過了0.1、0.05或0.01的顯著性水平檢驗）；而伸根—團棵期，大部分站點地溫差雖呈現(xiàn)上升趨勢，不過趨勢變化并不明顯（未通過0.1、0.05或0.01的顯著性水平檢驗）。整體而言，湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差呈下降趨勢，下降最顯著區(qū)域為鄂西南的興山和秭歸，鄂西北的竹山和南漳。

圖4 湖北煙區(qū)16個國家氣象觀測站1960—2020年烤煙各生育期地溫差線性趨勢空間分布

3 湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差與煙葉化學成分的關系

表1為湖北煙區(qū)2005—2020年烤煙不同部位煙葉各化學成分的統(tǒng)計值，可知，湖北烤煙上部葉、中部葉和下部葉各化學成分的含量存在差異且不均等。從離散系數(shù)來看，煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氮堿比和兩糖比三部位均在13%以下，其中煙堿、還原糖、鉀和氮堿比以上部葉最小，總糖以中部葉最小，總氮和兩糖比以下部葉最?。宦?、鉀氯比和糖堿比三部位均在16%以上，且均以上部位最小。整體而言，湖北烤煙上部葉各化學成分的離散程度相對較小，空間差異不大；下部葉各化學成分的離散程度相對較大，空間差異顯著。

表1 湖北煙區(qū)2005—2020年烤煙上部葉、中部葉、下部葉化學成分統(tǒng)計特征

表2為湖北煙區(qū)2005—2020年烤煙各生育期地溫差分別與上部葉、中部葉和下部葉化學成分的相關系數(shù)。可知，在大田期，地溫差與三部位的煙堿和還原糖呈正相關；與三部位的鉀、鉀氯比、氮堿比和兩糖比呈負相關。在伸根—團棵期，地溫差與三部位的總糖和鉀氯比、上部葉的還原糖和中部葉的煙堿呈正相關；與三部位的鉀、氯和兩糖比呈負相關。在旺長期，地溫差與三部位的煙堿和總氮、中部葉和下部葉的還原糖呈正相關；與三部位的總糖、鉀、氯、氮堿比、糖堿比和兩糖比呈負相關。在成熟期，地溫差與三部位的總糖、氯、糖堿比和兩糖比、上部葉和中部葉的鉀、中部葉和下部葉的氮堿比、下部葉的還原糖呈正相關；與三部位的煙堿、總氮和鉀氯比、上部葉的氮堿比、中部葉的還原糖呈負相關。整體而言，湖北烤煙不同生育期地溫差與不同部位煙葉化學成分的相關性存在一定的差異。根據(jù)前文的分析可知，湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差整體呈現(xiàn)下降趨勢，則將導致三部位的煙堿和還原糖含量減小，三部位的鉀和上部位的總糖含量增加。

表2 湖北煙區(qū)2005—2020年烤煙各生育期地溫差與煙葉化學成分相關系數(shù)

4 湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差趨勢變化對煙葉化學成分的影響

根據(jù)湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期平均地溫差的突變特征，以及地溫差與煙葉不同部位化學成分的相關關系，進而總結了湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期地溫差趨勢變化對煙葉不同部位化學成分的影響（表3）?？芍?，烤煙大田期的突變年份為1974年，突變之前（1960—1973年）的氣候傾向率為0.07℃/10 a，突變之后（1974—2020年）為-0.72℃/10 a（通過了0.05的顯著性水平檢驗），由于大田期地溫差與煙葉上部葉、中部葉和下部葉三部位的煙堿和還原糖呈正相關，與三部位的鉀、鉀氯比、氮堿比和兩糖比呈負相關，因此大田期地溫差突變之后，將引起煙葉的煙堿和還原糖含量減少，鉀、鉀氯比、氮堿比和兩糖比含量增加。

表3 湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙生育期地溫差趨勢變化對煙葉化學成分的影響

烤煙旺長期的突變年份為1973年，突變之前（1960—1972年）的氣候傾向率為0.09℃/10 a，突變之后（1973—2020年）為-0.03℃/10 a（通過了0.05的顯著性水平檢驗），由于旺長期地溫差與煙葉上部葉、中部葉和下部葉三部位的煙堿和總氮、中部葉和下部葉的還原糖呈正相關；與三部位的總糖、鉀、氯、氮堿比、糖堿比和兩糖比呈負相關，尤其與三部位的煙堿、上部葉和中部葉的總氮、中部葉的還原糖、上部葉的總糖和糖堿比、中部葉的鉀相關性顯著（通過了0.1、0.05或0.01的顯著性水平檢驗），因此旺長期地溫差突變之后，將加速引起煙葉的煙堿、總氮和還原糖含量減少，總糖、鉀和糖堿比含量增加。

烤煙成熟期的突變年份為1979年，突變之前（1960—1978年）的氣候傾向率為1.05℃/10 a，突變之后（1979—2020年）為-0.22℃/10 a（通過了0.05的顯著性水平檢驗），由于成熟期地溫差與煙葉上部葉、中部葉和下部葉三部位的總糖、氯、糖堿比和兩糖比、上部葉和中部葉的鉀、中部葉和下部葉的氮堿比、下部葉的還原糖呈正相關；與三部位的煙堿、總氮和鉀氯比、上部葉的氮堿比、中部葉的還原糖呈負相關，尤其與三部位的兩糖比、中部葉和下部葉的總糖和糖堿比、中部葉的氯相關性顯著（通過了0.1、0.05或0.01的顯著性水平檢驗），因此成熟期地溫差突變之后，將加速引起煙葉的總糖、氯、糖堿比和兩糖比的含量增加。

5 結論與討論

本研究利用湖北煙區(qū)16個國家氣象觀測站1960—2020年共61年烤煙生育期的0 cm地表溫度數(shù)據(jù)和16個產(chǎn)煙縣2005—2020年共16年的烤煙化學成分數(shù)據(jù)，分析了地表溫度日較差變化對湖北煙區(qū)烤煙化學成分的影響，結果發(fā)現(xiàn)，除伸根—團棵期外，湖北煙區(qū)烤煙大田期、旺長期和成熟期的地溫差均呈現(xiàn)明顯下降趨勢，其氣候傾向率分別為0.24、0.29、0.40℃/10 a，其中南部煙區(qū)的恩施、鶴峰、建始、興山、秭歸和北部煙區(qū)的房縣、竹山、南漳地溫差下降趨勢顯著?？緹熒喜咳~、中部葉和下部葉三部位中，下部葉各化學成分的離散程度最大，空間差異顯著；上部葉離散程度最小，空間差異不大。烤煙地溫差大田期、旺長期和成熟期的突變年份分別為1974、1973、1979年，突變之后，地溫差的下降趨勢顯著，由于未來地溫差可能進一步縮小，故將引起煙葉的煙堿、還原糖和總氮含量減少，總糖、鉀、氯、鉀氯比、氮堿比、糖堿比和兩糖比含量增加。

湖北省盛產(chǎn)醇甜香型烤煙[9]，之前并無學者研究地表溫度對湖北烤煙化學品質的影響，本研究對湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙大田期平均地表溫度日較差與氣溫日較差（以下簡稱氣溫差）做相關分析，得到相關系數(shù)為0.93，通過了0.01顯著性水平檢驗，說明地溫差與氣溫差表現(xiàn)出顯著一致性。黎妍妍等[4]分析得到氣溫和降雨量是影響鄂西“金神農”煙區(qū)煙葉化學成分的主要因子，對煙葉糖堿平衡至關重要[4]，進一步說明地溫差的變化對湖北烤煙化學成分有一定影響。吳璐等[19]研究發(fā)現(xiàn)河南煙區(qū)烤煙生育期地溫差整體呈現(xiàn)顯著下降趨勢，烤煙下部葉化學成分的空間差異最顯著，這與本研究結論基本一致；而其認為地溫差縮小將導致烤煙上部葉總糖、還原糖、蛋白質含量減少，鉀氯比含量增加，中部葉的氮堿比、糖堿比減少，煙堿、鉀含量增加，下部葉兩糖比增加，這與本文的研究成果存在部分差異。研究結果的差異可能與各區(qū)域氣象因子對煙葉不同部位化學成分的影響程度不同有關，也說明了氣象因子在不同區(qū)域煙葉特色品質形成中發(fā)揮的作用不均。