龍巖煙區(qū)土壤因子與煙葉內(nèi)在品質(zhì)的關(guān)系及其評(píng)估模型的構(gòu)建

柯麗華，趙羨波，胡鈺萍，蘭立娟，張 星，董桂全，劉招香，董桂郯，盧彬榮*

（1.龍巖市煙草公司 長(zhǎng)汀分公司，福建 龍巖 366399；2.福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，福建 廈門(mén) 361021）

0 引言

優(yōu)質(zhì)煙葉原料是卷煙工業(yè)賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，煙葉的風(fēng)格特色決定了卷煙配方的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。煙葉風(fēng)格具象化體現(xiàn)為煙葉中總氮、總植物堿、總糖、還原糖、氯、鉀等化學(xué)成分的含量及配比情況，上述量化指標(biāo)也是煙草工業(yè)企業(yè)評(píng)價(jià)煙葉風(fēng)格的重要依據(jù)［1-3］。

由于卷煙產(chǎn)品的風(fēng)格定位不同，不同工業(yè)企業(yè)對(duì)煙葉原料的風(fēng)格需求也有所差異，進(jìn)而對(duì)煙葉化學(xué)成分的要求也存在不同。同時(shí)，隨著煙草行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展及高端卷煙開(kāi)發(fā)逐步加速，企業(yè)對(duì)高端原料煙葉品質(zhì)的要求更高，風(fēng)格需求更為明確。為達(dá)到針對(duì)高端卷煙原料煙葉的需求，部分工業(yè)企業(yè)建設(shè)了以鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)為單位的定制化原料生產(chǎn)區(qū)域（如福建中煙在永定煙區(qū)選定了2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為高端卷煙原料的定制化開(kāi)發(fā)區(qū)域），以期達(dá)到煙葉風(fēng)格特色更加凸顯、質(zhì)量水平和穩(wěn)定性更高、高端卷煙配方中匹配性更強(qiáng)的目標(biāo)。

煙葉風(fēng)格是特色品種、生態(tài)因素及栽培管理、烘烤技術(shù)綜合作用的結(jié)果［4-6］。其中，生態(tài)因素是影響煙葉風(fēng)格特色形成的核心。作為礦物營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源，產(chǎn)區(qū)土壤化學(xué)成分構(gòu)成及其對(duì)應(yīng)的測(cè)土配方施肥是煙葉風(fēng)格構(gòu)成的主要調(diào)控方式［7-11］。已有研究表明，煙葉化學(xué)成分與土壤的理化性狀、土壤養(yǎng)分狀況之間具有密切的關(guān)聯(lián)。陳麗燕等［12］采用相關(guān)分析和逐步回歸分析法分析了環(huán)秦嶺區(qū)域植煙土壤養(yǎng)分與煙葉化學(xué)成分的相關(guān)性，結(jié)果表明土壤有機(jī)質(zhì)與煙葉總糖呈顯著正相關(guān)，速效磷含量與煙葉鉀含量呈顯著正相關(guān)；杜倩等［13］通過(guò)描述性統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析，對(duì)涼山煙區(qū)土壤養(yǎng)分和煙葉化學(xué)品質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明煙葉還原糖含量與堿解氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)，煙葉鉀含量與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，土壤有效磷含量和煙葉總糖、氯含量呈顯著負(fù)相關(guān)，和煙葉鉀含量、鉀氯比呈顯著正相關(guān)。上述研究闡明了土壤因子與煙葉化學(xué)成分之間的關(guān)系，但多以省級(jí)或地市級(jí)煙區(qū)為分析尺度進(jìn)行探討，尚缺少鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)的小尺度研究視角，也未提供土壤因子作為輸入的煙葉化學(xué)成分?jǐn)M合模型的構(gòu)建方法。這些不足可能會(huì)影響工業(yè)高端卷煙原料生產(chǎn)區(qū)域技術(shù)方案制定及調(diào)整的科學(xué)性、有效性，不利于高端原料煙葉的生產(chǎn)。

基于此，本研究以福建省龍巖市71個(gè)植煙鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤的化學(xué)性質(zhì)及對(duì)應(yīng)地塊的烤后煙葉作為研究對(duì)象，通過(guò)聚類(lèi)分析和方差分析，對(duì)全市土壤進(jìn)行更為精細(xì)化的區(qū)劃，進(jìn)一步闡明了龍巖市不同鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）間植煙土壤化學(xué)性質(zhì)與煙葉主要化學(xué)成分之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用相關(guān)性分析、逐步回歸分析法構(gòu)建了基于不同土壤條件的煙葉內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)模型，以期為鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)基地單元?jiǎng)澐旨敖ㄔO(shè)提供理論依據(jù)，從而更好地滿(mǎn)足卷煙工業(yè)企業(yè)對(duì)高端原料的需求，推動(dòng)龍巖市煙葉產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)于2017年在福建省龍巖市永定、上杭、武平、長(zhǎng)汀、連城、漳平等6個(gè)縣級(jí)煙葉產(chǎn)區(qū)下轄的71個(gè)植煙鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）開(kāi)展，試驗(yàn)煙田土壤為水稻土，前茬作物為水稻，田塊肥力中等均勻，排水方便，烤煙品種為當(dāng)?shù)氐闹髟云贩N云煙87?？緹熒a(chǎn)、烘烤措施均嚴(yán)格參照《龍巖市優(yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系》(Q/LYYC 122—2010)執(zhí)行。

1.2 樣品采集與測(cè)定

1.2.1 土壤樣品 在71個(gè)植煙鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）選擇代表性煙田，采用5點(diǎn)取樣法，按照隨機(jī)、等量和多點(diǎn)混合的原則采集深度為0~20 cm耕層的土壤樣品共71份。土壤樣品經(jīng)登記編號(hào)后，風(fēng)干、磨細(xì)、過(guò)篩、混勻、裝袋后備用。土壤樣品測(cè)定項(xiàng)目包括：pH值、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀。pH值的測(cè)定采用水浸提電位法（水土比為2.5∶1.0）［14］；有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀滴定法［15］；堿解氮含量的測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法［16］；有效磷含量的測(cè)定采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法［17］；速效鉀含量的測(cè)定采用醋酸銨浸提—火焰光度法［18］。

1.2.2 煙葉樣品 于當(dāng)年煙葉出烤后，采用隨機(jī)抽樣法，采集對(duì)應(yīng)煙田的C3F、B2F、X2F等3個(gè)等級(jí)煙葉樣品各1套作為分析樣品，最終共采集213份樣品。煙葉水分要求在16%~17%之間，煙葉樣品經(jīng)登記編號(hào)后進(jìn)行捆扎、包裝、裝箱后備用。煙葉樣品測(cè)定項(xiàng)目包括總氮、總煙堿、總糖、還原糖、總氯、總鉀等常規(guī)化學(xué)成分，測(cè)定方法均參照中華人民共和國(guó)煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法測(cè)定［19］。

1.3 煙葉化學(xué)成分預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

1.3.1 聚類(lèi)分析與方差分析 將2017年龍巖市71個(gè)植煙鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，利用SPSS軟件的系統(tǒng)聚類(lèi)法對(duì)土壤因子進(jìn)行分類(lèi)，并采用方差分析法對(duì)不同土壤類(lèi)型的煙葉化學(xué)成分進(jìn)行多重比較。

1.3.2 相關(guān)分析 對(duì)土壤因子與煙葉化學(xué)成分進(jìn)行皮爾森(Person)相關(guān)分析，顯著性檢驗(yàn)采用雙尾檢驗(yàn)。

1.3.3 回歸模型構(gòu)建 以71個(gè)植煙鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）的土壤pH值、主要養(yǎng)分含量為自變量，以對(duì)應(yīng)所產(chǎn)煙葉的化學(xué)成分為因變量，借助SPSS 22.0軟件建立基于最小二乘法的逐步回歸線性模型。

1.3.4 模型驗(yàn)證 將71個(gè)植煙鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）土壤數(shù)據(jù)輸入回歸模型中，計(jì)算煙葉化學(xué)成分含量及模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度(Acc)，計(jì)算公式為：

式中：N為模型預(yù)測(cè)值，M為化學(xué)成分實(shí)測(cè)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植煙鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）土壤養(yǎng)分狀況聚類(lèi)分析

對(duì)全市71個(gè)植煙鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）土壤的pH值和主要養(yǎng)分含量進(jìn)行聚類(lèi)分析（圖1），在聚類(lèi)距離為20時(shí)可將71個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)分為3種不同類(lèi)型的土壤養(yǎng)分區(qū)域（表1）。對(duì)3類(lèi)土壤養(yǎng)分區(qū)域pH值和主要養(yǎng)分含量的分析結(jié)果表明（表2），Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)土壤pH值的一般范圍分別為5.5~5.66、5.72~6.11、5.53~5.72，較適宜烤煙的生長(zhǎng)，pH值的平均值大小次序?yàn)椋孩蝾?lèi)＞Ⅲ類(lèi)＞Ⅰ類(lèi)，Ⅱ類(lèi)土壤的pH值與Ⅰ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)間差異達(dá)到了顯著水平；3類(lèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量一般范圍分別為20.33~28.06、20.35~26.41、31.04~37.41 g/kg，土壤有機(jī)質(zhì)含量均較為豐富，大部分土壤處于烤煙適宜有機(jī)質(zhì)含量范圍（15~35 g/kg），有機(jī)質(zhì)平均含量的表現(xiàn)為：Ⅲ類(lèi)＞Ⅱ類(lèi)＞Ⅰ類(lèi)，Ⅲ類(lèi)土壤的有機(jī)質(zhì)含量與Ⅰ、Ⅱ類(lèi)間的差異均達(dá)到顯著水平；3類(lèi)土壤堿解氮含量的一般范圍分別為79.63~91.36、90.40~112.02、94.08~112.90 mg/kg，堿解氮平均含量表現(xiàn)為：Ⅲ類(lèi)＞Ⅱ類(lèi)＞Ⅰ類(lèi)，Ⅱ、Ⅲ類(lèi)土壤堿解氮含量與Ⅰ類(lèi)的差異均達(dá)到顯著水平；3類(lèi)土壤有效磷含量一般范圍分別為45.76~50.56、27.99~37.38、29.81~33.65 mg/kg，有效磷含量總體豐富，有效磷平均含量表現(xiàn)為：Ⅰ類(lèi)＞Ⅱ類(lèi)＞Ⅲ類(lèi)，Ⅰ類(lèi)土壤有效磷含量與Ⅱ、Ⅲ類(lèi)間的差異均達(dá)到顯著水平；3類(lèi)土壤速效鉀含量一般范圍分別為80.28~121.9、94.02~141.99、53.6~89.07 mg/kg，速效鉀平均含量表現(xiàn)為：Ⅱ類(lèi)＞Ⅰ類(lèi)＞Ⅲ類(lèi)，3類(lèi)土壤間的差異均達(dá)到了顯著水平。

圖1 龍巖市不同鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）土壤因子的聚類(lèi)樹(shù)

2.2 不同類(lèi)型土壤養(yǎng)分區(qū)域煙葉化學(xué)成分比較

對(duì)3類(lèi)不同類(lèi)型土壤養(yǎng)分區(qū)域所產(chǎn)煙葉的總氮、總植物堿、總糖、還原糖、氯、鉀等主要化學(xué)成分含量進(jìn)行方差分析。由表3可知，不同類(lèi)型土壤的煙葉總糖、氯、鉀含量具有顯著差異，總氮、總植物堿、還原糖沒(méi)有顯著差異；在總糖含量方面為：Ⅲ類(lèi)＞Ⅰ類(lèi)＞Ⅱ類(lèi)，其中Ⅲ類(lèi)的總糖含量較Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)分別提高1.03、2.07個(gè)百分點(diǎn)；Ⅰ、Ⅱ類(lèi)的氯含量大于Ⅲ類(lèi)的，高出0.07個(gè)百分點(diǎn)；鉀含量方面，Ⅰ類(lèi)的鉀含量較Ⅱ、Ⅲ類(lèi)分別高出0.07、0.18個(gè)百分點(diǎn)。綜上，不同類(lèi)型土壤養(yǎng)分區(qū)域?qū)熑~的總糖、氯、鉀含量均存在影響。

表3 不同類(lèi)型土壤養(yǎng)分區(qū)域的煙葉化學(xué)成分比較 %

2.3 煙葉化學(xué)成分與土壤因子的相關(guān)性

對(duì)受到顯著影響的煙葉化學(xué)成分與土壤養(yǎng)分進(jìn)行相關(guān)性分析。由表4可知，土壤的pH值、有效磷含量與煙葉總糖、氯、鉀含量之間的相關(guān)性不大；土壤有機(jī)質(zhì)含量與煙葉的氯、鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)；土壤堿解氮含量與煙葉鉀含量呈顯著正相關(guān)；土壤速效鉀含量與煙葉總糖、氯、鉀含量之間的相關(guān)性較強(qiáng)，且與總糖含量呈極顯著正相關(guān)，與氯、鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。綜上，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量在一定程度上會(huì)影響煙葉總糖、氯、鉀含量。

表4 土壤養(yǎng)分與煙葉化學(xué)成分的相關(guān)性

2.4 煙葉化學(xué)成分預(yù)測(cè)模型構(gòu)建與準(zhǔn)確度分析

采用逐步回歸法將煙葉總糖、氯、鉀含量與土壤pH值、主要養(yǎng)分指標(biāo)構(gòu)建煙葉化學(xué)成分與土壤因子的回歸模型。由表5可知，煙葉總糖、氯、鉀含量預(yù)測(cè)模型的回歸顯著性均達(dá)到了極顯著水平，說(shuō)明建立的回歸模型有效；從回歸方程中可以看出，煙葉總糖、氯、鉀含量預(yù)測(cè)模型的自變量均為土壤有機(jī)質(zhì)，說(shuō)明土壤有機(jī)質(zhì)是影響龍巖煙葉內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)的主要土壤因子。應(yīng)用3個(gè)模型分別對(duì)全市煙葉總糖、氯、鉀含量進(jìn)行預(yù)測(cè)并計(jì)算模型準(zhǔn)確度，結(jié)果表明：煙葉總糖、氯、鉀含量回歸模型的平均準(zhǔn)確度分別達(dá)到了89.04%、68.90%、86.58%。

表5 煙葉各化學(xué)成分含量的預(yù)測(cè)模型

3 討論

土壤因子為煙草的生長(zhǎng)發(fā)育提供了基本的環(huán)境條件，煙草需要從土壤中吸收足夠的養(yǎng)分才能順利生長(zhǎng)，并形成豐富的內(nèi)含物質(zhì)［20-21］。許自成等［22-24］研究表明，土壤因子在很大程度上會(huì)影響煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的變化及其協(xié)調(diào)性，并最終決定煙葉及其卷煙制品的風(fēng)格特征。本研究以鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）為單位，開(kāi)展了煙葉化學(xué)成分與植煙土壤因子的相關(guān)性分析研究，構(gòu)建了基于不同土壤條件的煙葉內(nèi)在化學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)模型，有助于滿(mǎn)足不同企業(yè)對(duì)煙葉風(fēng)格質(zhì)量的不同需求，助力于企業(yè)在特定小區(qū)內(nèi)開(kāi)展卷煙高端原料的定制化開(kāi)發(fā)。

本研究通過(guò)系統(tǒng)聚類(lèi)分析將龍巖市下轄的71個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）劃分為3種不同類(lèi)型的土壤養(yǎng)分區(qū)域，通過(guò)比較3類(lèi)土壤養(yǎng)分區(qū)域的pH值和主要養(yǎng)分可知，不同類(lèi)型土壤因子之間存在顯著差異，3類(lèi)植煙土壤pH值都比較適宜烤煙的生長(zhǎng)，堿解氮含量處于適中水平，Ⅰ類(lèi)土壤堿解氮含量較其他2類(lèi)偏低，有機(jī)質(zhì)、有效磷含量都較為豐富，以Ⅲ類(lèi)土壤的有機(jī)質(zhì)含量最為豐富，Ⅰ類(lèi)土壤有效磷含量最豐富，Ⅲ類(lèi)土壤速效鉀含量偏低。因此，在生產(chǎn)中可以根據(jù)不同類(lèi)型土壤養(yǎng)分區(qū)域的養(yǎng)分情況調(diào)整施肥措施，從而更好地提升煙葉品質(zhì)。通過(guò)比較不同類(lèi)型土壤養(yǎng)分區(qū)域的煙葉化學(xué)成分發(fā)現(xiàn)，不同類(lèi)型植煙土壤間的煙葉總糖、氯、鉀含量存在顯著差異。在進(jìn)一步對(duì)土壤因子與煙葉總糖、氯、鉀含量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀含量與煙葉總糖、氯、鉀含量間存在顯著相關(guān)性，這表明土壤因子在一定程度上影響了煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的含量?；谕寥鲤B(yǎng)分指標(biāo)與煙葉化學(xué)成分間顯著相關(guān)，采用逐步回歸法構(gòu)建煙葉總糖、氯、鉀含量的土壤因子預(yù)測(cè)模型，從模型方程表達(dá)式來(lái)看，土壤有機(jī)質(zhì)是影響煙葉總糖、氯、鉀含量的主要因子。模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度結(jié)果表明，煙葉總糖、鉀含量預(yù)測(cè)模型的擬合效果更優(yōu)。

4 結(jié)論

土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效鉀是影響龍巖市各植煙鄉(xiāng)鎮(zhèn)煙葉化學(xué)成分的主要土壤養(yǎng)分指標(biāo)，土壤有機(jī)質(zhì)是煙葉總糖、氯、鉀含量預(yù)測(cè)模型的主要自變量，且與煙葉總糖、鉀含量間構(gòu)建的模型擬合效果更優(yōu)。因此，在鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）級(jí)基地單元建設(shè)中，可以把不同類(lèi)型土壤養(yǎng)分區(qū)域作為其劃分依據(jù)，并根據(jù)不同類(lèi)型養(yǎng)分區(qū)域的土壤條件制定和調(diào)整科學(xué)有效的施肥管理措施。