基于煙堿、總糖、農藝性狀聚類和灰色關聯度分析的優質曬煙栽培種篩選

林姍姍，汪海生，趙文濤，沈 軼*，宗 浩，劉仕民，劉艷華，張忠鋒，竇玉青

1.中國農業科學院煙草研究所，山東省青島市嶗山區科苑經四路11號 266101

2.華環國際煙草有限公司，安徽省鳳陽縣門臺工業園區 233121

3.上海煙草集團有限責任公司，上海楊浦區長陽路717號 200082

4.山東臨沂煙草有限公司，山東省臨沂市北城新區智圣路3號 276400

5.山東中煙有限責任公司，濟南市歷下區經十路11888號 250014

我國的曬煙資源豐富［1］，而有關曬煙的研究主要在集中傳統混合型或烤煙型卷煙上［2-6］。優質曬煙還可以用作其他煙草制品的生產原料，根據瑞典火柴公司的產品介紹［7］及相關文獻報道［8-10］，瑞典口含煙（Snus）中煙草成分占40%～45% (主要為晾煙和曬煙)，水分占45%～60%，還有適量的香味物質、矯味劑、保潤劑和酸堿調節劑等。因此，從我國現有的曬煙種質中篩選出優良種質用于除傳統卷煙外的其他煙草制品的生產具有重要意義。灰色關聯度分析法在烤煙性狀評價上應用廣泛［11-12］。宋志美等［13］運用灰色關聯度分析法對烤煙品種的重要性狀進行綜合評價；張曉兵等［14］通過灰色關聯度分析法分析了云南烤煙煙葉化學成分的適應性；殷英等［15］采用灰色關聯度分析法分析了烤煙主要農藝性狀與產量產值的關系。以上研究的結果與實際結果基本一致，但采用灰色關聯度分析法分析曬煙化學成分的研究則鮮見報道。而聚類分析方法在曬煙的研究中應用較多：李開和等［16］采用聚類分析法對廣西20 個晾曬煙品種進行分類；劉岱松等［17］運用聚類分析方法對32 個晾曬煙品種的綜合性狀進行了分類；黃學躍等［18］用聚類分析方法對157 個晾曬煙品種進行了農藝性狀分類。這些研究均未涉及曬煙的化學成分分類，且大多數研究中考察的煙草品種較少。鑒于此，從國家煙草種質資源庫中篩選出88 份曬煙種質，同時采用聚類分析和灰色關聯度分析法分析了88 份曬煙種質的煙堿、總糖含量和農藝性狀，旨在篩選出優質曬煙栽培種，用于除傳統卷煙外的其他煙草制品的生產，以拓寬我國曬煙煙葉的使用范圍。

1 材料與方法

1.1 供試材料

從國家煙草種質資源庫篩選出88 份曬煙種質，分別以 S1～S88 表示。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗地概況

試驗地點設置在曬煙種植歷史悠久的山東省沂水縣西部的高莊鎮。平均海拔532 m，屬暖溫帶季風氣候。年均氣溫12.3 ℃，年均降水量770.2 mm，平均無霜期191.7 d，平均日照時數6.6 h。試驗地前茬作物為甘薯，土壤類型為砂壤土，pH 7.81，有機質15.4 g/kg，堿性氮18.67 mg/kg，有效磷31.69 mg/kg，速效鉀270.05 mg/kg。

1.2.2 試驗設計

采用隨機完全區組試驗設計。設88 個小區，每小區種植1 份種質，約180 株，行株距110 cm×50 cm。按山東省沂水縣曬煙栽培與調制技術規范進行生產，煙葉成熟后去除下部葉，采收中部葉和上部葉。調制過程為煙葉采收后上索，拉開曬制4～5 h 后將煙葉擠緊，進行捂曬（塑料薄膜包裹）；待葉片捂曬至8～9 成黃時，將煙索平鋪于整潔、露水干后的草地上暴曬，傍晚煙葉回潮后收起，第2 天曬制煙索的另一面，一般曬制2～3 d 煙葉就可以變紅。將變紅煙葉一索壓一索鋪在整潔、露水干后的草地上曬制，露出葉片主脈和煙拐，傍晚回潮后收起；第2 天曬另一面，隨著煙筋干燥程度的增加，不斷加大疊壓面積，直至主脈和煙拐完全干燥為止。

1.3 測定與調查方法

在煙草盛花期進行農藝性狀調查，依據YC/T 344—2010［19］，選取 30 株煙株，測量其株高、莖圍、有效葉片數和葉片長寬，每10 株為1 次重復，共3次重復。選取調制后的中部葉，按照標準YC/T 160—2002［20］、YC/T 159—2002［21］方法測定煙堿和總糖含量（質量分數）。

1.4 數據處理

利用Excel、SAS9.2 統計軟件對試驗數據進行聚類分析和灰色關聯度分析［13，22］。

計算公式：

數據無量綱化處理：

式中：r'i(j)為第i 個種質的第j 個指標無量綱化值；ri(j)為第i 個曬煙種質的第j 個評價性狀指標值（平均值）；rmax為第j 個評價指標的最大值，rmin為第j 個評價指標的最小值；K1～K9 分別為煙堿含量、總糖含量、株高、莖圍、有效葉片數、上部葉面積、中部葉面積、下部葉面積和產量等性狀指標；r0為第j 個評價指標的中間值；εi(j)為第i 個種質第j 個評價指標的關聯系數；ρ為分辨系數，通常取值為 0.5；r0(j)為理想種質的第 j 個評價性狀指值；εi為第i 個種質的等權關聯度；ε'i為第i 個種質的加權關聯度；wj為第j 個評價性狀的指標權重；m 為評價性狀指標數；Cj是第j 項指標的變異系數。

2 結果與分析

2.1 曬煙種質總糖和煙堿含量分析

根據瑞典火柴公司的研究［7］，以及國內外口含煙開發研究實踐［23］，認為口含煙原料煙葉煙堿含量宜在3.5%以上，消費者在使用時有適中及以上的生理滿足感，當煙堿含量在4.5%以上，曬煙原料在配方調配過程中則更具可用性；總糖含量要求不宜高于2%，高含糖量的煙粉易結塊，影響加工和使用。另外，由于口含煙使用方法不同于傳統卷煙的抽吸方式，因此本試驗中在篩選原料煙葉時不考慮總氮、氯和鉀等與燃燒性能相關的化學成分指標。

根據表1 和圖1，結合國內外口含煙生產對煙葉原料的要求，88 份曬煙種質的煙堿和總糖含量狀況表現，總體為煙堿含量適宜、總糖含量偏高。曬煙煙堿含量在1.45%～8.63%之間，平均含量為5.74%，其中煙堿含量大于3.5%的有78 份種質，大于4.5%的有62 份種質；曬煙總糖含量在1.51%～7.84%之間，平均為3.03%，低于2%的種質僅有6份。88 份種質煙堿和總糖含量的變異系數均較大，表明不同曬煙種質間煙堿和總糖含量的差異均較大。

表1 88 份曬煙種質的煙堿和總糖含量Tab.1 Contents of nicotine and total sugar（%）in 88 sun-cured tobacco germplasms

圖1 88 份曬煙種質的煙堿和總糖含量分布Fig.1 Distribution of contents of nicotine and total sugar in 88 sun-cured tobacco germplasms

2.2 曬煙種質煙堿和總糖含量的聚類分析

根據曬煙的平均煙堿和總糖含量，對88 份曬煙種質進行聚類分析，結果見圖2。圖2 表明，在歐式距離為2.0 時將88 份曬煙種質分為三大類。第一類曬煙種質有5 份，第二類曬煙種質有32 份，第三類曬煙種質有51 份。

圖2 88 份曬煙種質煙堿和總糖含量聚類分析樹狀圖Fig.2 Cluster analysis of contents of nicotine and total sugar in 88 sun-cured tobacco germplasms

表2 不同類別曬煙種質煙堿和總糖含量特征Tab.2 Characteristics of contents of nicotine and total sugar in sun-cured tobacco germplasms in different categories（%）

表2 表明，三大類曬煙的特點分別為：第一類曬煙煙堿含量低（平均含量2.61%），總糖含量高（平均含量6.31%）；第二類曬煙煙堿含量中等（平均含量4.09%），總糖含量中等（平均含量3.10%）；第三類曬煙，煙堿含量高（平均含量6.43%），總糖含量低（平均含量2.63%）。

根據口含煙對曬煙原料煙堿含量［7］和總糖含量［23］的要求，認為第三類曬煙煙堿和總糖含量綜合指標優于其他兩類。因此，對第三類的51 份曬煙種質進行進一步篩選。51 份曬煙種質為S1、S57、S7、S41、S63、S83、S2、S11、S65、S6、S18、S4、S22、S14、S3、S9、S12、S5、S19、S10、S21、S15、S32、S68、S86、S26、S36、S75、S17、S28、S29、S39、S73、S43、S47、S61、S66、S20、S48、S37、S69、S16、S79、S40、S49、S58、S59、S76、S54、S77、S56。

2.3 曬煙種質農藝性狀的聚類分析

對第三類51 份曬煙種質進行農藝性狀指標的聚類分析，結果見圖3。圖3 表明，在歐式距離1.7時，將51 份曬煙種質又分成3 類，第Ⅰ類有11 份，第Ⅱ類有28 份，第Ⅲ類有12 份。

圖3 51 份曬煙種質的農藝性狀指標聚類分析樹狀圖Fig.3 Cluster analysis of agronomic traits of 51 sun-cured tobacco germplasms

根據表3，曬煙的農藝性狀特征分別為：第Ⅰ類曬煙的株高和有效葉片數處于中間水平（但與第Ⅱ類曬煙的差異不大，平均株高僅相差4.18 cm，平均有效葉片數僅相差0.7 片），莖圍、葉面積最大，產量最高；第Ⅱ類曬煙的株高最高，有效葉片數最多，莖圍、葉面積以及產量處于中間水平；第Ⅲ類曬煙的曬煙煙株最矮，莖圍最小，有效葉片數最少，葉面積最小，產量最低。可見，第Ⅰ類曬煙種質的農藝性狀表現最好，共 11 份種質，分別為 S32、S65、S63、S48、S58、S61、S59、S36、S47、S43 和S29。

2.4 曬煙種質煙堿、總糖含量和農藝性狀指標的灰色關聯分析

根據聚類分析結果，煙堿和總糖含量相對適宜且農藝性狀指標相對較好曬煙種質共11 份。根據灰色系統理論及分析方法的要求［13］，11 份曬煙種質的9 個性狀指標組成灰色系統，這9 個性狀指標編號為K1～K9 分別為煙堿含量、總糖含量、株高、莖圍、有效葉片數、上部葉面積、中部葉面積、下部葉面積和產量。其中K1 和K3～K9 這8 個指標在適宜范圍內越大越好，K2 在適宜的范圍內越小越好［23］。因此，在構造理想種質時，將 K1 和K3～K9 的最大值作為參考值，K2 的最小值作為參考值。理想種質命名為S0，理想種質參考值及各曬煙種質的指標值如表4所示。采用初值化法，運用公式（1）對理想種質參考值及各曬煙種質的指標值進行數據的無量綱化處理，得到一系列（0，1）范圍內的數值。根據公式（2）計算得到參考種質的關聯系數，根據公式（3）計算出各曬煙種質的等權關聯度，根據公式（4）計算出各指標的權重Wj=（0.110 6 0.134 1 0.103 6 0.096 6 0.173 1 0.096 9 0.091 0 0.084 0 0.110 1），求得權重后即可代入公式（5）求得各種質的加權關聯度，見表5。

表3 不同類別曬煙種質農藝性狀特征Tab.3 Characteristics of agronomic traits of sun-cured tobacco germplasms in different categories

表4 11 份曬煙種質評價指標平均值及理想種質參考值Tab.4 Average values of evaluation indexes of 11 sun-cured tobacco germplasms and reference values of ideal germplasm

表5 顯示，各曬煙種質的等權關聯度的排序為S32＞S65＞S63＞S58＞S48＞S61＞S36＞S47＞S43＞S59＞S29，加 權 關 聯度的排序依次為 S32＞S65＞S63＞S58＞S48＞S61＞S59＞S43＞S36＞S47＞S29。經過 加 權后，有4 份種質的關聯度排名發生變化，這4 份種質分別為S59、S36、S47 和S43，但名次變化幅度不大，排在前6 位和最后1 位的種質沒有發生變化。最終將11 份曬煙種質的加權關聯度排名［13］作為評價結果，S32 的綜合性狀表現最好，其次是S65和S63，S29 的綜合性狀表現較差。

表5 11 份曬煙種質的綜合評價Tab.5 Comprehensive evaluation of 11 sun-cured tobacco germplasms

3 結論

根據煙堿和總糖含量對88 份曬煙種質進行了聚類分析，在歐式距離為2.0 時將88 份曬煙種質分為三大類。第一類曬煙煙堿和總糖含量的適宜性最差，有5 份種質；第二類曬煙煙堿和總糖含量的適宜性次之，有32 份種質；第三類曬煙的煙堿和總糖含量的適宜性最好，有51 份種質。通過對煙堿和總糖含量相對適宜的51 份曬煙種質農藝性狀的聚類分析發現，在歐式距離為1.7 時可將51 份種質分為3 類。第Ⅰ類農藝性狀表現最優，有11 份種質；第Ⅱ類農藝性狀居中，有28 份種質；第Ⅲ類的農藝性狀表現最差，有12 份種質。通過對第Ⅰ類11 份曬煙種質進行灰色關聯度分析，得到11 份種質的綜合評價結果排序依次為S32＞S65＞S63＞S58＞S48＞S61＞S36＞S47＞S43＞S59＞S29。因此，篩選出的用于除傳統卷煙外的其他煙草制品（口含煙）生產的優質曬煙種質為S32，其次是S65 和S63。