豫中烤煙種植區煙葉水溶性總糖和還原糖的空間變異性研究

陳海生, 林高印

(浙江同濟科技職業學院, 浙江 杭州 311231)

豫中烤煙種植區煙葉水溶性總糖和還原糖的空間變異性研究

陳海生, 林高印*

(浙江同濟科技職業學院, 浙江 杭州 311231)

在地統計和GIS的支持下，以半方差函數為工具，研究了豫中烤煙種植區煙葉水溶性總糖和還原糖含量的空間變異性特征。運用普通克立格法進行最優無偏線性插值，制作了研究區內煙葉水溶性總糖、還原糖含量的空間分布圖。豫中烤煙種植區煙葉水溶性總糖和還原糖含量都符合指數模型，自相關距離分別為39 600 和20 400 m，半方差變異函數的C0/(C0+C)分別為0.159和0.202，空間變異主要受結構性因素影響。 豫中烤煙種植區烤煙中水溶性總糖含量的平均值為23.818 %，變化范圍為15.280 % ～ 32.350 %,豫中烤煙種植區烤煙還原糖含量的平均值為20.885 %,變化范圍為13.400 % ～ 30.200 %。都呈從東到西逐漸升高的趨勢。豫中烤煙種植區煙葉總糖和還原糖含量處于適宜范圍內。其空間變異性主要受制于地理經緯度和土壤質地等結構性因素的影響，而受人類活動等隨機性的影響較少。

GIS；空間變異性；總糖；還原糖

煙葉是卷煙工業的原料基礎，其質量優劣直接影響著卷煙產品的品質。煙葉質量包括外觀質量、物理特性、化學成分、感官質量以及安全性，其中化學成分是評價烤煙品質的主要指標[1]。煙葉化學成分中的總糖還原糖可以消除蛋白質燃燒的不良氣味，與煙堿、總氮等化合物一起決定煙葉的吸味和刺激性，對煙葉質量起到平衡作用[2-3]。煙草中的水溶性總糖和還原糖對煙葉品質具有重要影響，煙葉中水溶性總糖和還原糖的含量被認為是體現煙草優良品質的指標。煙草中單糖、二糖和其他低聚糖均具有水溶性，而且這些水溶性糖對煙草品質的影響又基本相同，因此在檢測時常常用相同的方法提取，測定其總量，稱為水溶性總糖。主要包括葡萄糖、果糖和蔗糖、麥芽糖等二糖，以及低聚糖的棉子糖等。還原糖在卷煙吸燃時可以熱解形成多種香氣物質，是影響煙氣醇和性的主要因素。我國煙葉普遍存在煙葉含糖量過高或過低而使葉片化學成分失衡的問題,因此,改善煙葉含糖量對提高我國煙葉質量具有重要的意義[4]。以往的研究多集中在煙葉水溶性總糖和還原糖對煙葉質量的影響方面。.而進行一個區域范圍內煙葉水溶性總糖和還原糖含量分布的空間變異性方面的研究則并不多見[5]。豫中煙區(許昌、平頂山、漯河)位于河南省中部，地處北亞熱帶與暖溫帶氣候的過渡地帶，該區地貌為豫西山地向黃淮平原的過渡帶,自西向東漸低。土壤類型多為褐土、潮土, 烤煙常年種植面積為3.67×105hm2,為河南省植煙面積最大產區。該地區是我國烤煙種植的發源地之一，自1913年英美煙草公司在許昌試種烤煙成功后，烤煙生產一直是豫中地區優勢的傳統產業，無論是種煙面積、收購量還是生產水平，該煙區都曾居全國領先水平，被譽為“煙葉王國”。該地區的緯度與美國的北卡州相近，光、熱、水、溫資源適中，絕大部分地區適宜種植煙葉。且灌溉條件較好，80 %以上的煙田能做到旱澇保收。其煙葉質量以色澤鮮亮、油分充足、香味濃郁、配伍性強而聞名中外，被譽為濃香型煙葉的典型代表，有著較大的市場需求潛力[6]。探索該煙區煙葉質量的空間分布特點和變異特性，有利于作物的合理布局和煙葉品質的提高。本研究利用地統計學和GIS相結合的方法，探討河南豫中煙草種植區煙葉總糖和還原糖含量的空間異質性特征，以期為實現精確田間栽培管理、提高該煙區烤煙品質提供依據。

1 材料與方法

1.1 采樣方法

2011年2月下旬至4月上旬對研究區內煙葉樣品進行采集。取樣點根據基本煙田分布情況進行布置，遵循均勻性、代表性的原則。平原區每 33.3km采集1個煙樣，低山丘陵煙區每20.00 km采集1個煙樣。選取當地烤煙主栽品種, 定中位葉取樣。每個樣品取1 kg, 用于葉片總糖和還原糖含量測定[1]。田間取樣時，用手持式 GPS 定位，記錄采樣點的經緯度和高程。共采集煙樣1259個(圖1)。煙樣烘干、粉碎, 過 60 目篩備用。

圖1 豫中煙區煙葉采樣點分布Fig.1 Sampling points distribution

1.2 測定方法

按照行業標準 YC/T159-2002, 并參考文獻[1]進行, 檢測數據都換算成百分率。

1.3 數據處理方法

地統計學方法：利用半方差函數的相關參數對研究區煙葉總糖和還原糖含量進行空間結構分析[7-11]。軟件平臺：①SPSS10.0:描述性統計分析；②GS+5.3：半方差函數分析；③ArcGIS: 數字化地圖、Kriging插值。

2 結果與分析

2.1 豫中烤煙種植區煙葉總糖和還原糖含量的描述性統計

烤煙煙葉中總糖含量平均值23.817 %，低于云南玉溪的27.54 %、貴州福泉的25.68 %、廣西玉林的32.20 %、廣東梅縣的28.79 %；烤煙煙葉中還原糖含量平均值為20.8848 %，低于云南玉溪的22.09 %、貴州福泉的23.75 %、廣西玉林的24.68 %、廣東梅縣的25.68 %，更低于津巴布韋的26.27 %。但高于巴西的19 %(表1)。

由于特異值的存在會造成變量連續表面的中斷，影響變量的分布特征，因此本文采用域法識別特異值，即樣本平均值a加，減3倍標準差S，在區間[a-3S，a+3S]以外的數據均定為特異值，然后分別用正常的最大值和最小值代替特異值和用SPSS10.0對土壤養分分別進行了Kolmogorov-Smironov檢驗。

表1 豫中烤煙種植區煙葉總糖和還原糖含量描述性統計

表2 豫中烤煙種植區煙葉總糖與還原糖含量的半方差模型及其參數值

結果表明，豫中烤煙種植區煙葉中總糖和還原糖含量均為正態分布；根據變異系數的大小可粗略的估計變量的變異程度，變異系數小于10 %為弱變異性。變異系數在10 %～100 %為中等變異性。變異系數大于100 %的為強變異系數。豫中烤煙種植區煙葉中總糖和還原糖含量的變異系數分別為17.54 %、16.65 %，都為中等變異性。

2.3 半方差函數的結構分析

半方差函數模型及參數的選取原則見有關參考文獻[ 12]。 根據各個樣點各項指標的數據，計算出實際半方差函數的值γ (h)，繪制實際半方差函數曲線，然后選擇幾個(各向同性)模型分別進行擬合，從中選出最優的半方差函數理論模型。

在地統計學中，半方差函數的計算要求數據符合正態分布或近似正態分布，否則可能存在比例效應，本例利用K-S軟件對數據的正態分布進行了檢驗，并在GS+地統計學軟件中對不符合正態分布的數據進行對數轉換，使其符合正態分布。

表中C0表示塊內方差，C1表示結構方差，Range 為自相關距，C0/(C0+C)表示空間異質性程度。如果C0/(C0+C)小于25 %，表現為強空間相關性；在25 %～75 %，空間相關性中等；大于75 %，空間相關性很弱；若比值接近于1，說明在整個尺度上具有恒定的變異[9-11]。

從表2可以看出，豫中烤煙種植區煙葉中總糖和還原糖含量均符合指數模型，決定系數分別為0.575和0.630，說明模型擬合程度較好，塊金值/基臺值分別為0.159和0.202，比值較小，說明其空間變異受結構性的因素影響較大。結構性因素，如氣侯、母質、地形、土壤類型自然因素等會導致煙葉品質強的空間相關性，而隨機性因素如施肥、耕作措施、種植制度等各種人為活動使得煙葉品質的空間相關性減弱，朝均一化方向發展[9-12]。

變程表示土壤養分因子在某一區域內空間自相關范圍的大小，它與觀測尺度以及在取樣尺度上影響土壤養分因子含量的各種生態過程、人為因素、自然條件等作用都有關。在變程之內具有空間相關性，在變程之外則不存在這種相關性。所以，變程提供了研究某種屬性相似范圍的一種測度。豫中烤煙種植區煙葉水溶性總糖含量的變程是39 600 m, 原糖含量的變程為20 400 m。

半方差的雙對數曲線具有良好的線性相關，這可以通過由雙對數半方差圖所計算的分形維數D和決定系數R2來比較各土壤養分因素含量的空間分布格局。D的幾何意義是空間相關性(空間異質性)程度的變量，R2是用來說明這個模型對被研究對象的解釋，D越小，被研究對象的空間相關程度越高。豫中烤煙種植區煙葉水溶性總糖含量的分形維數D為1.954，決定系數0.621，而煙葉還原性總糖含量的分形維數為期1.985，決定為0.616。

2.3 豫中烤煙種植區煙葉總糖和還原糖含量分布

普通Kriging法是利用區域化變量的原始數據和變異函數的結構特點，對未采樣點的區域化變量的取值進行線性無偏最優估計的一種方法。Krigin插值圖是此法在空間布局估計中的重要應用[13]。

根據所得到的半方差函數模型，應用普通克金格法(ordinary-kriging)進行最優內插繪制了豫中烤煙種植區煙葉總糖、還原糖含量的插值分布圖(圖1～2)。

豫中烤煙種植區烤煙中總糖含量的平均值為23.8179 %，呈從東南到西北逐漸升高的趨勢，大于26.81 %的高值區分布于西部占研究區總面積的13.72 %，小于19.45 %的低值區分布于東南部的一小部分地區，這部分面積最小占研究區總面積的4.37 %，煙葉中總糖含量為19.45 %～24.36 %的中值區分布于南部，北部以及中部地區，這部分面積最大占研究區總面積的52.76 %，煙葉中總糖含量為24.36 %～26.81 %，分布于中西部地區，占研究區總面積的29.15 %。

圖1 豫中烤煙種植區煙葉總糖含量的空間分布Fig.1 Spatial distribution of total sugar in tobacco leaves in tobacco planting fields in central Henan province

圖2 豫中烤煙種植區煙葉還原糖含量的空間分布Fig.2 Spatial distribution of reducible sugar in tobacco leaves in tobacco planting fields in central Henan province

豫中烤煙種植區烤煙中還原糖含量的平均值為20.8848 %。呈從東南到西北逐漸升高的趨勢，大于23.54 %的高值區分布于西部占研究區總面積的12.17 %，小于17.20 %的低值區分布于東南部的一小部分地區，這部分面積最小占研究區總面積的6.99 %，煙葉中還原糖含量為17.20 %～21.43 %的中值區分布于南部，北部以及中部地區，這部分面積最大占研究區總面積的48.97 %，煙葉中還原糖含量為21.43 %～23.54 %分布于中西部地區，占研究區總面積的31.87 %。

3 討 論

還原糖和總糖是影響煙草吃味的主要化學成分。在一定范圍內，糖含量高，煙葉品質好，但是，糖含量過高，對煙質也不利。因此，在生產中，要及時對其進行調控。由于影響烤煙含量的因素較多，因此在調控糖含量時，應首先選擇適宜烤煙生長的地區種植：適宜的溫度，充足的光照，充分的降水和適合的海拔高度。就一個地區而言，應針對其存在的實際土壤情況(土壤類型、土壤水分、土壤養分以及土壤酸堿性)，積極研究和探討合適的栽培措施，就有可能生產出糖類含量適宜、化學成分較協調的烤煙。

4 結 論

(1)豫中烤煙種植區煙葉總糖和還原糖含量都服從正態分布，總糖、還原糖含量的變異系數分別為17.54 %和16.65 %。

(2)豫中烤煙種植區煙葉中總糖和還原糖含量都符合指數模型。塊金值/基臺值分別為0.159和0.201，比值較小，說明其的空間變異受結構性的因素影響較大。

(3)利用Kriging最優內插法繪制了豫中烤煙種植區煙葉總糖還原糖含量的等值線圖，可更準確和直觀地了解研究區的土壤養分與煙葉品質的相關關系，從而為精確施肥提供依據。

(4)一般以烤煙煙葉水性糖含量20 %～16 %，還原糖含量16 %～22 %為適宜。豫中烤煙種植區烤煙中總糖含量的平均值為23.8179 %，變化范圍為15.280 %～32.350 %，豫中烤煙種植區烤煙還原糖含量的平均值為20.8848 %,變化范圍為13.400 %～30.200 %。都呈從東到西逐漸升高的趨勢。從總體看，豫中烤煙種植區煙葉總糖和還原糖含量還是處于適宜范圍內的。

[1]王瑞新. 煙草化學[M]. 北京:中國農業出版社，2003.

[2]黎妍妍，許自成，王金平，等. 湖南烤煙總糖、還原糖含量與幾種土壤養分的關系分析[J]. 土壤通報，2007，38(5)：912-914.

[3]史宏志，劉國順. 煙草香味學[M]. 北京:中國農業出版社, 1998.

[4]許自成，黎妍妍, 肖漢乾, 等. 湖南烤煙營養元素含量與總糖和煙堿的關系[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版),2008,36(1):137-142,148.

[5]宋朝鵬， 張勇剛， 許自成， 等. 河南烤煙總糖含量的區域特征及其對評吸質量的影響[J].云南農業大學學報，2010，25(4)：506-510.

[6]陳海生，王世界，趙玉明. 豫中植煙區土壤速效養分的空間變異分析[J]. 水土保持研究, 2014, 21(4):78-81.

[7]Tsegaye T, Hill R L．Intensive tillage effects on spatial variability of soil test, plant growth and nutrient uptake measurement[J]．Soil Sci., 1998，163(2):155-165．

[8]高祥照，胡克林，郭 焱，等. 土壤養分與作物產量的空間變異特征與精確施肥[J]．中國農業科學，2002，35(6)：660-666．

[9]劉杏梅，徐建民，章明奎，等. 太湖流域土壤養分空問變異特征分析—— 以浙江省平湖市為例[J]．浙江大學學報(農業與生命科學版)，2003, 29(1): 76-82．

[10]郭旭東，傅伯杰，馬克明，等．基于GIS和地統計分析的土壤養分空間變異特征研究[J]．應用生態學報，2000，11(4)：557-563．

[11]劉付程，史學正，于樂升，等．基于地統計學和GIS的太湖典型地區土壤屬性制圖研究-以土壤全氮制圖為例[J]．土壤學報，2004，41(1) ：20-27.

[12]CHIEN Y J, LEED Y, GUO H Y. et al Geostatistical analysis of soil properties of mid-west Taiwan soils[J].Soil Science，1997，62：291-298.

[13]Burgess T M, Webster R. Optimal interpolation and isarithmic mapping of soil properties I.The semivariogram and punctual Kriging[J]. Journal of Soil Science, 1980,31:315-341.

(責任編輯 陳 虹)

SpatialVariabilityofConcentrationofLeafSolubleTotalSugarandReducingSugarofFlue-curedTobaccoinTobaccoPlantingRegionsinCentralHenanProvince

CHEN Hai-sheng, LIN Gao-yin*
(Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology, Zhejiang Hangzhou 311233, China)

Geostatistics and geographic information system(GIS) were applied to study the spatial variability of concentration of leaf soluble total sugar and reducing sugar of flue-cured tobacco in tobacco planting regions in central Henan province by analysis of isotropic variogram. The maps generated by ordinary kriging also distinctly revealed that the distribution of soluble total sugar and reducing sugar in flue-cured tobacco leaves in the study regions. The result showed that the concentration of soluble total sugar and reducing sugar in flue-cured tobacco leaves in the study regions were well described with gaussian model，with the distance of spatial dependence being 39 600 and 20 400 m, respectively and strongly spatial dependence with C0/sill being 0.159 and 0.202，which were mainly induced by structure factors. The mean of concentration of soluble total sugar in the study regions was 23.818 %，varying from 15.280 %-32.350 %.The mean of concentration of reducing sugar in the study regions was 20.885 %，varying from 13.400 %-30.200 %.The concentration of soluble total sugar and reducing sugar were increasing from east to west in this regions.The concentration of soluble total sugar and reducing sugar in flue-cured tobacco leaves in central Henan province was in the appropriate range. The spatial variation was mainly caused by structure factors such as geographical position and soil texture.

GIS; Spatial variability; Soluble total sugar; Reducing sugar

1001-4829(2017)3-0565-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.3.014

S572

A

2016-01-20

國家煙草專賣局重點資助項目

陳海生(1965-)，男，浙江臨海人，教授，博士后，研究方向為地理信息系統，E-mail:haishch@126.com，*為通訊作者：林高印(1964-)，男，浙江玉環人，高級工程師，工程地質碩士，主要從事水利水電工程地質及水利水電應用軟件開發研究，E-mail:1055854474@qq.com。