龍巖煙區土壤因子與煙葉內在品質的關系及其評估模型的構建

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 長汀分公司，福建 龍巖 366399；2.福建中煙工業有限責任公司，福建 廈門 361021）

0 引言

優質煙葉原料是卷煙工業賴以生存和發展的基礎，煙葉的風格特色決定了卷煙配方的開發及應用。煙葉風格具象化體現為煙葉中總氮、總植物堿、總糖、還原糖、氯、鉀等化學成分的含量及配比情況，上述量化指標也是煙草工業企業評價煙葉風格的重要依據［1-3］。

由于卷煙產品的風格定位不同，不同工業企業對煙葉原料的風格需求也有所差異，進而對煙葉化學成分的要求也存在不同。同時，隨著煙草行業的高質量發展及高端卷煙開發逐步加速，企業對高端原料煙葉品質的要求更高，風格需求更為明確。為達到針對高端卷煙原料煙葉的需求，部分工業企業建設了以鄉鎮級為單位的定制化原料生產區域（如福建中煙在永定煙區選定了2個鄉鎮作為高端卷煙原料的定制化開發區域），以期達到煙葉風格特色更加凸顯、質量水平和穩定性更高、高端卷煙配方中匹配性更強的目標。

煙葉風格是特色品種、生態因素及栽培管理、烘烤技術綜合作用的結果［4-6］。其中，生態因素是影響煙葉風格特色形成的核心。作為礦物營養的主要來源，產區土壤化學成分構成及其對應的測土配方施肥是煙葉風格構成的主要調控方式［7-11］。已有研究表明，煙葉化學成分與土壤的理化性狀、土壤養分狀況之間具有密切的關聯。陳麗燕等［12］采用相關分析和逐步回歸分析法分析了環秦嶺區域植煙土壤養分與煙葉化學成分的相關性，結果表明土壤有機質與煙葉總糖呈顯著正相關，速效磷含量與煙葉鉀含量呈顯著正相關；杜倩等［13］通過描述性統計和相關分析，對涼山煙區土壤養分和煙葉化學品質之間的關系進行了研究，結果表明煙葉還原糖含量與堿解氮含量呈顯著負相關，煙葉鉀含量與土壤pH值呈顯著負相關，土壤有效磷含量和煙葉總糖、氯含量呈顯著負相關，和煙葉鉀含量、鉀氯比呈顯著正相關。上述研究闡明了土壤因子與煙葉化學成分之間的關系，但多以省級或地市級煙區為分析尺度進行探討，尚缺少鄉鎮級的小尺度研究視角，也未提供土壤因子作為輸入的煙葉化學成分擬合模型的構建方法。這些不足可能會影響工業高端卷煙原料生產區域技術方案制定及調整的科學性、有效性，不利于高端原料煙葉的生產。

基于此，本研究以福建省龍巖市71個植煙鄉鎮土壤的化學性質及對應地塊的烤后煙葉作為研究對象，通過聚類分析和方差分析，對全市土壤進行更為精細化的區劃，進一步闡明了龍巖市不同鄉（鎮）間植煙土壤化學性質與煙葉主要化學成分之間的關系，并在此基礎上運用相關性分析、逐步回歸分析法構建了基于不同土壤條件的煙葉內在化學品質評價模型，以期為鄉鎮級基地單元劃分及建設提供理論依據，從而更好地滿足卷煙工業企業對高端原料的需求，推動龍巖市煙葉產業的高質量發展。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗于2017年在福建省龍巖市永定、上杭、武平、長汀、連城、漳平等6個縣級煙葉產區下轄的71個植煙鄉（鎮）開展，試驗煙田土壤為水稻土，前茬作物為水稻，田塊肥力中等均勻，排水方便，烤煙品種為當地的主栽品種云煙87。烤煙生產、烘烤措施均嚴格參照《龍巖市優質烤煙生產技術標準體系》(Q/LYYC 122—2010)執行。

1.2 樣品采集與測定

1.2.1 土壤樣品 在71個植煙鄉（鎮）選擇代表性煙田，采用5點取樣法，按照隨機、等量和多點混合的原則采集深度為0~20 cm耕層的土壤樣品共71份。土壤樣品經登記編號后，風干、磨細、過篩、混勻、裝袋后備用。土壤樣品測定項目包括：pH值、有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀。pH值的測定采用水浸提電位法（水土比為2.5∶1.0）［14］；有機質含量的測定采用重鉻酸鉀滴定法［15］；堿解氮含量的測定采用堿解擴散法［16］；有效磷含量的測定采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法［17］；速效鉀含量的測定采用醋酸銨浸提—火焰光度法［18］。

1.2.2 煙葉樣品 于當年煙葉出烤后，采用隨機抽樣法，采集對應煙田的C3F、B2F、X2F等3個等級煙葉樣品各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，煙葉樣品經登記編號后進行捆扎、包裝、裝箱后備用。煙葉樣品測定項目包括總氮、總煙堿、總糖、還原糖、總氯、總鉀等常規化學成分，測定方法均參照中華人民共和國煙草行業標準規定的方法測定［19］。

1.3 煙葉化學成分預測模型構建

1.3.1 聚類分析與方差分析 將2017年龍巖市71個植煙鄉（鎮）數據作為分析對象，利用SPSS軟件的系統聚類法對土壤因子進行分類，并采用方差分析法對不同土壤類型的煙葉化學成分進行多重比較。

1.3.2 相關分析 對土壤因子與煙葉化學成分進行皮爾森(Person)相關分析，顯著性檢驗采用雙尾檢驗。

1.3.3 回歸模型構建 以71個植煙鄉（鎮）的土壤pH值、主要養分含量為自變量，以對應所產煙葉的化學成分為因變量，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 模型驗證 將71個植煙鄉（鎮）土壤數據輸入回歸模型中，計算煙葉化學成分含量及模型預測的準確度(Acc)，計算公式為：

式中：N為模型預測值，M為化學成分實測值。

2 結果與分析

2.1 不同植煙鄉（鎮）土壤養分狀況聚類分析

對全市71個植煙鄉（鎮）土壤的pH值和主要養分含量進行聚類分析（圖1），在聚類距離為20時可將71個鄉鎮分為3種不同類型的土壤養分區域（表1）。對3類土壤養分區域pH值和主要養分含量的分析結果表明（表2），Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類土壤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，pH值的平均值大小次序為：Ⅱ類＞Ⅲ類＞Ⅰ類，Ⅱ類土壤的pH值與Ⅰ類、Ⅲ類間差異達到了顯著水平；3類土壤有機質含量一般范圍分別為20.33~28.06、20.35~26.41、31.04~37.41 g/kg，土壤有機質含量均較為豐富，大部分土壤處于烤煙適宜有機質含量范圍（15~35 g/kg），有機質平均含量的表現為：Ⅲ類＞Ⅱ類＞Ⅰ類，Ⅲ類土壤的有機質含量與Ⅰ、Ⅱ類間的差異均達到顯著水平；3類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為：Ⅲ類＞Ⅱ類＞Ⅰ類，Ⅱ、Ⅲ類土壤堿解氮含量與Ⅰ類的差異均達到顯著水平；3類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為：Ⅰ類＞Ⅱ類＞Ⅲ類，Ⅰ類土壤有效磷含量與Ⅱ、Ⅲ類間的差異均達到顯著水平；3類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為：Ⅱ類＞Ⅰ類＞Ⅲ類，3類土壤間的差異均達到了顯著水平。

圖1 龍巖市不同鄉（鎮）土壤因子的聚類樹

2.2 不同類型土壤養分區域煙葉化學成分比較

對3類不同類型土壤養分區域所產煙葉的總氮、總植物堿、總糖、還原糖、氯、鉀等主要化學成分含量進行方差分析。由表3可知，不同類型土壤的煙葉總糖、氯、鉀含量具有顯著差異，總氮、總植物堿、還原糖沒有顯著差異；在總糖含量方面為：Ⅲ類＞Ⅰ類＞Ⅱ類，其中Ⅲ類的總糖含量較Ⅰ類、Ⅱ類分別提高1.03、2.07個百分點；Ⅰ、Ⅱ類的氯含量大于Ⅲ類的，高出0.07個百分點；鉀含量方面，Ⅰ類的鉀含量較Ⅱ、Ⅲ類分別高出0.07、0.18個百分點。綜上，不同類型土壤養分區域對煙葉的總糖、氯、鉀含量均存在影響。

表3 不同類型土壤養分區域的煙葉化學成分比較 %

2.3 煙葉化學成分與土壤因子的相關性

對受到顯著影響的煙葉化學成分與土壤養分進行相關性分析。由表4可知，土壤的pH值、有效磷含量與煙葉總糖、氯、鉀含量之間的相關性不大；土壤有機質含量與煙葉的氯、鉀含量呈顯著負相關；土壤堿解氮含量與煙葉鉀含量呈顯著正相關；土壤速效鉀含量與煙葉總糖、氯、鉀含量之間的相關性較強，且與總糖含量呈極顯著正相關，與氯、鉀含量呈極顯著負相關。綜上，土壤有機質、堿解氮和速效鉀含量在一定程度上會影響煙葉總糖、氯、鉀含量。

表4 土壤養分與煙葉化學成分的相關性

2.4 煙葉化學成分預測模型構建與準確度分析

采用逐步回歸法將煙葉總糖、氯、鉀含量與土壤pH值、主要養分指標構建煙葉化學成分與土壤因子的回歸模型。由表5可知，煙葉總糖、氯、鉀含量預測模型的回歸顯著性均達到了極顯著水平，說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、鉀含量預測模型的自變量均為土壤有機質，說明土壤有機質是影響龍巖煙葉內在化學品質的主要土壤因子。應用3個模型分別對全市煙葉總糖、氯、鉀含量進行預測并計算模型準確度，結果表明：煙葉總糖、氯、鉀含量回歸模型的平均準確度分別達到了89.04%、68.90%、86.58%。

表5 煙葉各化學成分含量的預測模型

3 討論

土壤因子為煙草的生長發育提供了基本的環境條件，煙草需要從土壤中吸收足夠的養分才能順利生長，并形成豐富的內含物質［20-21］。許自成等［22-24］研究表明，土壤因子在很大程度上會影響煙葉內在化學成分的變化及其協調性，并最終決定煙葉及其卷煙制品的風格特征。本研究以鄉（鎮）為單位，開展了煙葉化學成分與植煙土壤因子的相關性分析研究，構建了基于不同土壤條件的煙葉內在化學品質評價模型，有助于滿足不同企業對煙葉風格質量的不同需求，助力于企業在特定小區內開展卷煙高端原料的定制化開發。

本研究通過系統聚類分析將龍巖市下轄的71個鄉（鎮）劃分為3種不同類型的土壤養分區域，通過比較3類土壤養分區域的pH值和主要養分可知，不同類型土壤因子之間存在顯著差異，3類植煙土壤pH值都比較適宜烤煙的生長，堿解氮含量處于適中水平，Ⅰ類土壤堿解氮含量較其他2類偏低，有機質、有效磷含量都較為豐富，以Ⅲ類土壤的有機質含量最為豐富，Ⅰ類土壤有效磷含量最豐富，Ⅲ類土壤速效鉀含量偏低。因此，在生產中可以根據不同類型土壤養分區域的養分情況調整施肥措施，從而更好地提升煙葉品質。通過比較不同類型土壤養分區域的煙葉化學成分發現，不同類型植煙土壤間的煙葉總糖、氯、鉀含量存在顯著差異。在進一步對土壤因子與煙葉總糖、氯、鉀含量進行相關性分析發現，土壤有機質、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性，這表明土壤因子在一定程度上影響了煙葉內在化學成分的含量。基于土壤養分指標與煙葉化學成分間顯著相關，采用逐步回歸法構建煙葉總糖、氯、鉀含量的土壤因子預測模型，從模型方程表達式來看，土壤有機質是影響煙葉總糖、氯、鉀含量的主要因子。模型預測準確度結果表明，煙葉總糖、鉀含量預測模型的擬合效果更優。

4 結論

土壤有機質、堿解氮和速效鉀是影響龍巖市各植煙鄉鎮煙葉化學成分的主要土壤養分指標，土壤有機質是煙葉總糖、氯、鉀含量預測模型的主要自變量，且與煙葉總糖、鉀含量間構建的模型擬合效果更優。因此，在鄉（鎮）級基地單元建設中，可以把不同類型土壤養分區域作為其劃分依據，并根據不同類型養分區域的土壤條件制定和調整科學有效的施肥管理措施。