湖南南嶺丘陵生態區烤煙物理指標特征及分區研究

潘若瑜，唐春平，湯 婷，王儀敏，李 強，付品山，劉曉穎

（1.湖南煙葉復烤有限公司郴州復烤廠，湖南 郴州 423000；2.湖南農業大學農學院，湖南 長沙 410128；3.湖南農業大學化學與材料科學學院，湖南 長沙 410128）

煙葉的物理性狀是指煙葉的外部形態和物理性能，主要包括含梗率、葉片厚度、葉質重、葉片密度、平衡含水率等[1]。它與煙葉質量、加工性能、可用性及煙氣成分緊密相關，是煙葉質量的重要構成因素，也是衡量復烤品質的重要指標[2-4]。打葉復烤加工是卷煙生產過程中的關鍵環節，其加工后的片煙結構與卷煙煙絲結構和質量均密切相關[5-6]。煙葉的外觀形態及內在品質經打葉復烤各工序后均會發生變化，并且打葉復烤后的煙葉質量對卷煙品質也有重要影響[7-9]。衛盼盼等[10]研究了煙葉物理特性與打葉風分工藝參數的關系得出：煙葉的溫度、含水率、寬度、厚度和拉力均會影響到打葉風分工藝參數的設定。羅海燕等[11]研究得出，煙葉的出片率在一定范圍內隨著打葉前的煙葉含水率和溫度的升高而升高，但是若超過一定范圍則會增加葉中含梗率。史雙雙等[12]研究發現：葉長、抗張力、平衡含水率、厚度、含梗率與煙葉出片率均呈顯著相關關系；葉長是影響煙葉出片率的最主要決策因素，厚度則是影響煙葉出片率的最主要限制因素。還有研究認為，煙葉的物理指標將不同程度地影響打葉復烤的出片率[12]。筆者在郴州市、永州市、衡陽市、長沙市和邵陽市5市的16個縣采集了35個典型生態點的初烤C3F等級煙葉樣品，深入比較了不同煙區煙葉物理性狀均值的差異，利用多元統計分析和模糊C均值聚類相結合的方法根據煙葉物理性狀特征對湖南南嶺丘陵生態區進行分區探索，以期為復烤企業采取差異化的工藝加工區域內不同物理指標分區的煙葉、提高煙葉出片率提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

依據湖南南嶺丘陵烤煙主產區生態特點，于2018年分別在郴州市、永州市、衡陽市、長沙市和邵陽市5市的16個縣采集了35個典型生態點的初烤C3F等級煙葉樣品，每個樣品取樣量不少于3 kg，品種為該典型生態點種植面積最大的主栽品種，主要為K326、云煙87。在樣品采集的同時，記錄煙葉采樣點的栽培方式、海拔高度、經度和緯度等基礎數據。

1.2 物理特性指標檢測

煙葉物理特性指標選取葉長、葉寬、開片度、單葉重、含梗率、葉片厚度、葉質重（單位葉面積重量）、葉片密度和平衡含水率等9項。依據《煙草物理檢測》[13]中的方法測定煙葉的葉長（cm）、葉寬（cm）、單葉重（g）、含梗率（%）、葉質重（g/m）、葉片厚度（μm）和葉片密度（mg/cm3）等，參照行業標準YC/T31—1996[14]測定平衡含水率（%），開片度（%）根據葉寬與葉長的百分比計算。

1.3 數據分析

模糊C均值聚類（FCM）是一種采用隸屬度確定每個數據點屬于某個類別程度的非監督聚類方法，在土壤、地形和遙感等數據的分類中運用較多。聚類過程引入模糊性能指數（FPI）和歸一化分類熵（NCE）2項參數對管理分區數（模糊類別數）進行定量化表達和聚類有效性檢驗。分別可用公式（1）、（2）表示。

FPI數值在0到1之間。FPI越小，表示聚類時共用數據越少，類別劃分越明顯，聚類效果越好。NCE越小則模糊C分區的分解量越大，分類效果越好。FPI和NCE同時達到最小值時的聚類數為最佳分類數。

模糊C均值聚類在Matlab軟件中完成，多元統計分析利用SPSS 22.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 湖南南嶺丘陵生態區烤煙物理指標基本統計特征

2.1.1 描述性統計表1和表2為5個市區煙葉物理性狀基本統計特征。從變異系數（表2）來看，各指標變異系數按大小順序排列依次為平衡含水率＞葉片密度＞葉質重＞單葉重＞葉片厚度＞葉寬＞開片度＞含梗率＞葉長。由此可看出，葉長和含梗率變異較小，均在10%以下，表明它們不易受外界生長條件影響。平衡含水率、葉片密度和葉質重變異較大，均在15%以上，特別是平衡含水率變異最大，表明它們容易受外界條件影響，穩定性差。由峰度系數可以看出，平衡含水率、開片度和葉寬的峰度系數大于0，形成尖峭峰，其余各項指標峰度系數均小于0，形成平闊峰，比較之下葉寬更接近正態峰。由偏斜度系數可以看出，葉長、葉質重和葉片密度偏斜度系數小于0，表現為負向的偏態分布，其余各指標呈正向的偏態分布，其中單葉重更接近于正態。

表1 烤煙物理指標基本統計特征（n=34）

表2 烤煙物理指標觀測值間的變化情況

2.1.2 區域間差異由表3可知，不同地區間葉長、葉寬、開片度、單葉重、含梗率、葉片厚度、葉質重、葉片密度和平衡含水率均存在一定差異，各指標數值最高的地區分別為長沙、衡陽、衡陽、衡陽、長沙、郴州、衡陽、衡陽和衡陽，數值最低的地區分別為永州、邵陽、邵陽、邵陽、衡陽、邵陽、永州、永州和長沙。

表3 地區間煙葉物理指標基本統計特征

2.2 湖南南嶺丘陵生態區烤煙物理指標相關性分析

從表4的相關系數可知，部分物理指標間存在顯著或極顯著相關性。其中，葉長與葉寬、單葉重極顯著正相關，與葉質重顯著正相關；葉寬與開片度、單葉重極顯著正相關；開片度與單葉重極顯著正相關；單葉重與含梗率顯著負相關，與葉質量極顯著正相關；含梗率與葉質重顯著負相關；葉片厚度與葉片密度極顯著負相關；葉質重與葉片密度極顯著正相關；其他指標之間相關性不顯著。從表4還可看出，單葉重與大多數指標間的相關性顯著或極顯著，而平衡含水率與其他所有指標的相關性均不顯著。

表4 湖南南嶺丘陵生態區烤煙物理指標間的相關系數

2.3 湖南南嶺丘陵生態區烤煙物理指標分區

利用Matlab軟件對湖南南嶺丘陵生態區烤煙物理指標數據進行模糊C均值聚類分析，運算參數設置如下：最大迭代次數為300，收斂閾值為0.000 1，模糊指數為1.30，最大分區數為6，最小分區數為2，NCE和FPI同時達到最小值時的分區數為最佳分區數（圖1）。圖1的NCE和FPI在分區數為4個時都同時達到最小值，表明該研究區的最佳分區數為4個。

圖1 評價指標隨分區數的變化

各分區所包括的鄉鎮如表5所示，進一步對分區結果進行驗證，以分區為單位對烤煙各物理指標進行統計，結果如表6所示。9項指標中的葉片厚度、葉質重和葉片密度3項在分區間差異達極顯著水平，表明分區合理有效。第一分區的煙葉特點是：開片度較好，葉片厚，葉質重較大；第二分區的煙葉特點是：開片度好，單葉重大，葉質重大，葉片密度大，平衡含水率較高；第三分區的煙葉特點是：含梗率較高，平衡含水率高；第四分區的煙葉特點是：單葉重小，含梗率高，葉片較厚，葉質重小，葉片密度小，平衡含水率低。

表5 各分區所包括鄉鎮及煙葉物理指標特點

表6 烤煙物理指標分區統計和多重比較

3 結論與討論

在烘烤過程中，煙葉物理指標與打葉復烤的出片率密切相關，試驗利用多元統計分析和模糊C均值聚類相結合的方法對湖南南嶺丘陵生態區根據煙葉物理性狀特征進行了分區探索，將其劃分為4個分區。第一分區的煙葉特點為開片度較好、葉片厚、葉質重較大；第二分區的煙葉特點為開片度好、單葉重大、葉質重大、葉片密度大、平衡含水率較高；第三分區的煙葉特點為含梗率較高、平衡含水率高；第四分區的煙葉特點為單葉重小、含梗率高、葉片較厚、葉質重小、葉片密度小、平衡含水率低。

湖南南嶺丘陵生態區地形地貌復雜，海拔落差較大，形成包含完整縣域行政區域的有效分區較難實現，因而在此次分區過程中，以鄉鎮為單位進行分區，雖分區的工作量加大，但對提高烘烤過程中打葉復烤的出片率具有一定的意義。