主成分與聚類分析在NC297煙葉品質區域劃分中的應用

周 敏， 張忠武， 陳拾華， 楊景華， 王建新，段宗顏，魯 耀， 鄒炳禮， 周紹松*， 董石飛， 李 偉， 張 靜

(1.云南省農業科學院 農業環境資源研究所， 云南 昆明 650205； 2.紅云紅河煙草(集團)有限責任公司， 云南 昆明 650231)

品種單一與退化現象已經成為目前國內烤煙生產面臨的主要問題[1]，解決這些問題的有效途徑是引進優良品種，同時也是卷煙企業對品牌導向型原料需求的重要舉措[2-3]。烤煙種植區域的氣候特點是形成不同烤煙特色的主要因子，在烤煙生長發育的各個時期，光照、溫度、水分和土壤等因子都直接影響烤煙的品質[4-6]。一直以來，煙草主要是依靠煙葉的外觀質量和感官質量對其進行品質評價，受主觀因素的影響較大。在烤煙品種區域適應性綜合評價時通常采用因子分析法分析烤煙的主要化學成分，或在此基礎上與烤煙的感官質量評價得分進行對比驗證[7-9]，但這些評價方法并不能完全客觀地評價烤煙品種的區域適應性，仍然存在一定的主觀性。1998年美國金葉種子公司育成的雜交F1代烤煙品種NC297，2000年成為美國北卡州官方品種試驗的推廣品種。該品種具有抗黑脛病、青枯病、TMV和南方根結線蟲，以及易烘烤和香氣質好等特點。云南中煙工業公司2006年從美國引進NC297品種，其生產的煙葉符合云煙高端卷煙品牌的原料需求。但在引種試驗中發現其區域適應性不廣，在不同區域種植時煙葉經濟性狀差異較大，在部分區域種植經濟性狀偏低。為此，采用主成分分析法，對云南昆明、紅河和文山種植的NC297煙葉主要化學成分和感官質量指標進行綜合評價，利用系統聚類法對NC297的適宜種植區域進行劃分，以期為NC297在云南煙區的合理布局提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

煙葉樣品：烤煙品種為NC297，B2F和C3F煙葉樣品各154個，2016年采自云南省昆明、紅河和文山3個(市、州)的12個縣31個鄉鎮。

1.2 方法

1.2.1 指標測定 煙葉的化學成分指標有總氮、煙堿、還原糖、鉀、淀粉、糖堿比、氮堿比和鉀氯比；煙葉感官質量評價指標有香氣量、香氣質、口感和雜氣。按文獻[10]的方法進行化學成分測定。按文獻[11]的方法進行感官質量評價。

1.2.2 原始數據標準化處理 由于化學成分和感官質量各項指標的量綱不一致，有較大的數量級差異。所以，通過對各項指標進行標準化處理消除量綱和數量級對綜合評價帶來的不良影響。數據標準化轉化的公式如下：

1.2.3 主成分分析 選擇12個成分均值化后的數據進行主成分分析，得出解釋的總方差。

1.2.4 聚類分析 將31個種植區域的B2F和C3F煙葉樣品主成分綜合得分經標準化法處理后，以卡方距離為衡量各種植區域煙葉樣品間綜合品質差異大小的指標，采用離差平方和法對B2F和C3F煙葉樣品綜合得分進行系統聚類分析。

1.2.5 最適種植區域的確定 因為主成分一般不只1個，采用1個主成分對NC297最適種植區域進行綜合評價不易作出準確的判定。選取B2F的x個主成分和C3F的y個主成分的方差貢獻率作為權重系數，利用其主成分分值(Fx和Fy)構建NC297最適種植區域的綜合評價數學模型，得到B2F煙葉的x個主成分和C3F的y個主成分與原12項化學指標和感官質量指標的標準化數據的線性組合以及綜合得分公式，求得31個種植區域的B2F和C3F煙葉樣品主成分綜合得分，綜合得分越高，該種植區域煙葉樣本的綜合品質越好。

1.3 數據處理

采用 Excel 2007處理數據，采用DPS 15.0進行主成分分析、相關分析和系統聚類[12]。

2 結果與分析

2.1 NC297各個指標的標準化相關系數

從表1可知，NC297的B2F煙葉煙堿與鉀、糖堿比、氮堿比、鉀氯比、香氣量、香氣質、口感和雜氣呈極顯著正相關，與還原糖呈顯著正相關；總氮與還原糖、糖堿比、香氣質和雜氣呈極顯著正相關；還原糖與糖堿比、香氣量、香氣質、口感和雜氣呈極顯著正相關；鉀與鉀氯比、香氣量、香氣質、口感和雜氣呈極顯著正相關；糖堿比與香氣量、香氣質、口感和雜氣呈極顯著正相關；氮堿比與香氣量呈顯著正相關；鉀氯比與香氣量和口感呈極顯著正相關，與香氣質呈顯著正相關；香氣量與香氣質、口感和雜氣呈極顯著正相關；香氣質與口感和雜氣呈極顯著正相關，口感與雜氣呈極顯著正相關。

從表2看出，NC297的C3F煙葉煙堿與鉀、糖堿比、氮堿比、香氣質、口感和雜氣呈極顯著正相關，與香氣量呈顯著正相關；鉀與鉀氯比、香氣量、香氣質和口感呈極顯著正相關，與氮堿比和雜氣呈顯著正相關；糖堿比與氮堿比呈顯著正相關；鉀氯比與香氣量、香氣質、口感和雜氣呈顯著正相關；香氣量與香氣質、口感和雜氣呈極顯著正相關；香氣質與口感和雜氣呈極顯著正相關，口感與雜氣呈極顯著正相關。由于存在相關性，在進行綜合評價時如果直接采用這些指標分布狀況，信息重疊將會不可避免，最終致使評價結果失真。

表1 B2F煙葉化學成分及感官質量評價指標間的相關系數

注：*和**分別表示相關性顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)，下同。

Note: *and ** indicate significant correlation(P<0.05) and extremely significant correlation(P<0.01). The same below.

表2 C3F煙葉化學成分及感官質量評價指標間的相關系數

2.2 主成分分析

從表3和表4可知，B2F煙葉特征根>1的成分有3個，即成分1、成分2和成分3，其特征根分別為6.190、1.797和1.236，3個成分(因子)可解釋76.860%的累計方差貢獻率。因此，B2F煙葉的主成分為成分1～3，即第1主成分(Y1)、第2主成分(Y2)和第3主成分(Y3)。Y1的貢獻率為51.580%，香氣量、香氣質、口感、雜氣、煙堿和糖堿比有較大的正系數，所以第1主成分反映的是感官質量和化學品質的正相關關系，可稱為B2F煙葉感官品質指數；Y2的貢獻率為14.977%，氮堿比和鉀氯比有較大的正系數，可稱為B2F煙葉化學品質指數；Y3的貢獻率為10.303%，淀粉有較大的正系數，可稱為B2F煙葉淀粉指數。B2F煙葉第1主成分的特征向量分別乘以12個原始變量標準化之后的變量即為B2F煙葉第1主成分的函數表達式，同理可以得出B2F煙葉第2～3主成分的函數表達式：Y1=0.323X煙堿+0.201X總氮+0.265X還原糖+0.262X鉀+0.042X淀粉+0.328X糖堿比+0.134X氮堿比+0.293X鉀氯比+0.093X香氣量+0.208X香氣質+0.231X口感+0.046X雜氣；Y2=0.265X煙堿-0.532X總氮-0.321X還原糖+0.217X鉀+0.060X淀粉-0.176X糖堿比+0.537X氮堿比+0.355X鉀氯比+0.128X香氣量-0.071X香氣質-0.009X口感-0.162X雜氣；Y3=-0.125X煙堿+0.057X總氮-0.361X還原糖-0.055X鉀+0.705X淀粉-0.288X糖堿比-0.368X氮堿比+0.235X鉀氯比+0.120X香氣量+0.159X香氣質+0.143X口感+0.131X雜氣。

C3F煙葉特征根>1的成分有4個，即成分1、成分2、成分3和成分4，其特征根分別為5.125、1.863、1.277和1.172，4個成分(因子)可解釋78.648%的累計方差貢獻率。因此，C3F煙葉的主成分為成分1～4，即第1主成分(Y1)、第2主成分(Y2)、第3主成分(Y3)和第4主成分(Y4)。Y1的貢獻率為42.711%，香氣量、香氣質、口感、雜氣、煙堿和鉀有較大的正系數，所以第1主成分反映的是感官質量和化學品質的正相關關系，可稱為C3F煙葉的感官品質指數；Y2的貢獻率為15.523%，煙堿、還原糖、糖堿比和氮堿比有較大的正系數，可稱為C3F煙葉的化學品質指數；Y3的貢獻率為10.645%，淀粉有較大的正系數，可稱為C3F煙葉淀粉指數；Y4的貢獻率為9.768%，總氮有較大的正系數，可稱為C3F煙葉總氮指數。C3F煙葉第1主成分的特征向量分別乘以12個原始變量標準化之后的變量即為C3F煙葉第1主成分的函數表達式，同理可以得出C3F煙葉第2～4主成分的函數表達式：Y1=0.320X煙堿-0.111X總氮-0.061X還原糖+0.310X鉀-0.040X淀粉+0.209X糖堿比+0.248X氮堿比+0.255X鉀氯比+0.369X香氣量+0.406X香氣質+0.402X口感+0.389X雜氣；Y2=0.424X煙堿+0.059X總氮+0.356X還原糖+0.030X鉀-0.329X淀粉+0.506X糖堿比+0.384X氮堿比-0.024X鉀氯比-0.243X香氣量-0.189X香氣質-0.178X口感-0.224X雜氣；Y3=0.158X煙堿-0.594X總氮+0.362X還原糖+0.038X鉀+0.524X淀粉+0.265X糖堿比-0.352X氮堿比-0.118X鉀氯比+0.022X香氣量-0.084X香氣質-0.004X口感+0.224X雜氣；Y4=0.020X煙堿+0.362X總氮+0.158X還原糖-0.446X鉀+0.099X淀粉+0.210X糖堿比+0.010X氮堿比-0.659X鉀氯比+0.226X香氣量+0.199X香氣質+0.176X口感+0.187X雜氣。

表3 B2F及C3F煙葉化學成分及感官質量評價指標解釋的總方差

表4 B2F及C3F煙葉化學成分及感官質量評價指標主成分的特征向量

2.3 NC297最適種植區域的篩選

試驗結果表明，NC297最適種植區域的綜合評價數學模型為YB2F=0.671F1+0.195F2+0.134F3，YC3F=0.543F1+0.197F2+0.135F3+0.124F4。在31個種植區域中，硯山干河、廣南珠琳和廣南蓮城的B2F煙葉綜合品質最好(表5)，麻栗坡大坪的C3F煙葉綜合品質最好(表6)。

表5NC297不同種植區域B2F煙葉的主成分分值

Table 5 Principal component score of B2F from different planting areas of NC297

表6NC297不同種植區域的C3F煙葉主成分分值

Table 6 Principal component score of C3F from different planting areas in NC297

2.4 聚類分析

從圖1和表7看出，當距離系數為2.30時，在31個種植區域的B2F煙葉綜合品質可分為5類。第1類種植區域包括硯山干河、廣南珠琳、廣南蓮城、西疇西灑、馬關仁和、硯山阿猛和西疇興街，該類區域的煙葉綜合品質得分≥1.272分，綜合品質平均得分為1.941分，該類種植區域的煙葉綜合品質好。第2類種植區域包括硯山盤龍、硯山者臘、馬關大栗樹、馬關馬白、馬關八寨、廣南楊柳井和麻栗坡大坪，該類區域的煙葉綜合品質≥1.045分，綜合品質平均得分為1.538分，該類種植區域的煙葉綜合品質較好。第3類種植區域包括瀘西午街鋪、硯山平遠、安寧縣街、嵩明楊橋、瀘西白水、蒙自鳴鷲、硯山江那、嵩明嵩陽、瀘西中樞、宜良馬街和瀘西向陽，該類區域的煙葉綜合品質得分≥-1.768分，綜合品質平均得分為-1.104分，該類種植區域的煙葉綜合品質中等。第4類種植區域包括嵩明楊林、石林鹿阜和瀘西金馬，該類區域的煙葉綜合品質得分≥-1.881分，綜合品質平均得分為-1.799分，該類種植區域的煙葉綜合品質稍差。第5類種植區域包括瀘西永寧、蒙自老寨和蒙自西北勒，該類區域的煙葉綜合品質得分≥-2.554分，綜合品質平均得分為-2.272分，該類種植區域的煙葉綜合品質差。

當距離系數為2.25時，在31個種植區域的C3F煙葉綜合品質同樣可分為5類。第1類種植區域包括硯山盤龍、硯山者臘、硯山干河、硯山阿猛、廣南蓮城、廣南楊柳井、西疇西灑、西疇興街、麻栗坡大坪、馬關馬白、馬關大栗樹、馬關八寨和馬關仁和，該類區域的煙葉綜合品質得分≥0.634分，綜合品質平均得分為1.134分，該類種植區域的煙葉綜合品質好。第2類種植區域包括石林鹿阜、蒙自老寨和廣南珠琳，該類區域的煙葉綜合品質得分≥-1.171分，綜合品質平均得分為0.064分，該類種植區域的煙葉綜合品質較好。第3類種植區域包括宜良馬街、嵩明嵩陽、瀘西中樞、瀘西午街鋪和硯山平遠，該類區域的煙葉綜合品質得分≥-0.515分，綜合品質平均得分為0.028分，該類種植區域的煙葉綜合品質中等。第4類種植區域包括嵩明楊橋、瀘西向陽、瀘西金馬、瀘西白水、瀘西永寧和蒙自鳴鷲，該類區域的煙葉綜合品質得分≥-1.873分，綜合品質平均得分為-1.251分，其煙葉綜合品質為“稍差”。第5類種植區域包括嵩明楊林、安寧縣街、蒙自西北勒和硯山江那，該類區域的煙葉綜合品質得分≥-2.878分，綜合品質平均得分為-1.892分，其煙葉綜合品質為“差”。

圖1 NC297不同種植區域B2F 及 C3F煙葉綜合得分的系統聚類

表7 NC297的B2F 及 C3F煙葉綜合品質不同類別的樣本分布

3 結論與討論

應用主成分分析法研究烤煙品質區域劃分，通常先對煙葉化學成分進行相關性分析及主成分分析，然后再把化學成分的主成分得分與感官質量得分進行符合性評價[7,9,13]，或把外觀質量評價、感官質量、經濟性狀和致香成分進行相關性分析及主成分分析[14]，或僅對煙葉化學成分[8]、化學成分與物理性狀[15]、外觀質量與化學成分[16]或致香成分[17-18]、物理性狀[19]進行相關性分析及主成分分析，最終得出烤煙品種品質區域劃分結論。有采用雷達圖[20-21]、AMMI(加性主效應和乘積交互作用模型)[22]、主成分分析結合聚類分析應用外觀質量[23]對烤煙品種品質區域進行劃分，采用灰色多層次綜合評判與系統聚類法對烤煙品質進行區劃[24]、也有采用光照因子和熱量因子，利用系統聚類方法對烤煙生態區域進行劃分[25]。

由于卷煙工業企業更為關注烤煙化學成分和感官質量的協調性，因此，尋求更加全面、準確地對烤煙品種進行品質區域劃分具有重要意義。將NC297的B2F和C3F煙葉的主要化學成分指標和感官質量評價指標進行相關性分析及主成分分析，然后通過系統聚類對其進行品質區域劃分表明，NC297在云南省的昆明、紅河和文山3個市(州)31個種植區域可分為5類。第1類種植區域包括硯山干河(B2F、C3F)、廣南蓮城(B2F、C3F)、西疇西灑(B2F、C3F)、馬關仁和(B2F、C3F)、硯山阿猛(B2F、C3F)、西疇興街(B2F、C3F)、硯山盤龍(C3F)、硯山者臘(C3F)、廣南楊柳井(C3F)、麻栗坡大坪(C3F)、馬關馬白(C3F)、馬關大栗樹(C3F)和馬關八寨(C3F)，煙葉綜合品質好。第2類種植區域包括硯山盤龍(B2F)、硯山者臘(B2F)、馬關大栗樹(B2F)、馬關馬白(B2F)、馬關八寨(B2F)、廣南楊柳井(B2F)、麻栗坡大坪(B2F)、石林鹿阜(C3F)、蒙自老寨(C3F)和廣南珠琳(C3F)，煙葉綜合品質較好。第3類種植區域包括宜良馬街(B2F、C3F)、嵩明嵩陽(B2F、C3F)、瀘西中樞(B2F、C3F)、瀘西午街鋪(B2F、C3F)、硯山平遠(B2F、C3F)、安寧縣街(B2F)、嵩明楊橋(B2F)、瀘西白水(B2F)、蒙自鳴鷲(B2F)、硯山江那(B2F)和瀘西向陽(B2F)，煙葉綜合品質中等。第4類種植區域包括瀘西金馬(B2F、C3F)、嵩明楊林(B2F)、石林鹿阜(B2F)、嵩明楊橋(C3F)、瀘西向陽(C3F)、瀘西白水(C3F)、瀘西永寧(C3F)和蒙自鳴鷲(C3F)，煙葉綜合品質稍差。第5類種植區域包括蒙自西北勒(B2F、C3F)、瀘西永寧(B2F)、蒙自老寨(B2F)、嵩明楊林(C3F)、安寧縣街(C3F)和硯山江那(C3F)，煙葉綜合品質差。

云南作為中國最大的煙葉產區，其生態區域特性差異較大，不同的品種在不同的生態區域的表現不同[26-30]，該研究結果也印證了這一點。為了更好地豐富中國煙草品種的種質資源，為煙葉生產提供更多適應性強、表現好的優質煙葉品種，引進更多的國外品種資源，在不同的生態區域進行區試和示范性試驗，是加速中國優質煙葉品種本土化和品種更新換代、促進煙葉生產可持續發展的重要措施之一。