豫中烟区烟叶烟碱含量与土壤颗粒 组成的空间变异性

陈海生,王 可,刘国顺

(1.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231; 2.河南农业大学 国家烟草栽培 生理生化基地，河南 郑州 450002; 3.安徽宣城市宣州区烟草发展局，安徽 宣城 242000)

我国是烟草生产与消费大国。烟碱(Nicotine)是烟草重要的生理活性物质，约占烟草生物碱总量的95%。正是烟碱的存在使得烟草被作为一种特殊的嗜好作物，但烟草中烟碱含量过高则会影响人体健康[1]。烟叶烟碱含量的高低是烟叶原料和卷烟产品质量控制的一个重要指标，直接决定着烟叶的内在品质和可用性。目前，国内外烟草企业和烟草市场都需要具有适宜含量的安全烟草原料。适度的烟碱含量是优质低害烟叶生产所追求的目标[2]。

在植烟田土壤中，土壤质地影响土壤的通透性，不仅决定土壤养分的供给和保持水平，而且还影响土壤空气和水分的供给和保持水平，因此在很大程度上影响烟叶的品质[3]。陈杰等[4]研究了贵州烟区土壤质地对烤烟品质的影响，结果发现，砂质土所产的烤烟烟叶烟碱含量较低，而黏质较重的粉黏土所产烤烟烟碱含量较高。刘超等[5]认为，在贵州省乌蒙烤烟产区，植烟田土壤由黏性土向砂质土转变时，烤烟的清香型风格也逐步增强。高琳等[6]通过对我国浓香型典型产区河南襄城、安徽宣城、湖南桂阳和江华，以及清香型典型产区云南江川和南涧、福建永定和泰宁等地的野外实地调查，比较研究了不同香型烟区的农业地质背景特征状况。结果表明，不同香型烟区的成土母岩类型差异较明显，浓香型烟区的成土母质主要是碳酸钙含量较高的碳酸盐岩类沉积岩和黄土状沉积物，而清香型烤烟种植区的成土母质大都是碎屑类沉积岩。成土母质在很大程度上影响着烟叶香型风格的形成。

在田间作物信息和土壤属性的空间变异性研究方面，地统计学方法和GIS技术的结合可以有效克服基于概率论的经典统计分析在结构和过程分析方面存在的不足。目前，已有很多学者采用此方法对植烟田土壤属性的空间变异性进行了研究[7-10]。但区域内烟叶烟碱含量和土壤颗粒组成的空间变异性研究尚未见报道。对大区域内烟叶烟碱含量及土壤颗粒组成进行空间变异性分析，对植烟田实行合理布局以及进一步提高烟叶品质有重要意义。豫中烟区，包括许昌、平顶山、漯河3个烤烟种植区，在地理位置上处于北亚热带与暖温带的过渡地带，该烟区植烟田土壤类型多为褐土、潮土，烤烟常年种植面积为3.67×105hm2，是我国典型的浓香型烟叶产区，也是河南省种植烟草最早、种植面积最大的烤烟种植区[7,11]。本研究利用GIS技术和地统计学方法，对豫中烟区烟叶烟碱含量与其植烟田土壤颗粒组成进行空间变异性分析，以期为提升该区域烟叶质量、进行植烟田合理布局提供参考。

1 材料和方法

1.1 土壤和烟叶样品采集与测定

2016年6月上旬对河南省平顶山、许昌、漯河产烟区土样和烤烟烟叶样本进行采集。取样原则：样点均匀分布且具有代表性。在平原烤烟种植区，每采集1个土样间隔33.3 km2；在低山丘陵烤烟种植区每采集1个土样间隔20.00 km2。采用手持式GPS定位仪进行定位，在半径10 m的圆形区域内多点混合取样，采集耕层(0～20 cm)土壤样品约1 kg带回实验室。于2016年9月初烟叶收获时采集烤烟烟叶样本，采集烟株自上而下 8～12叶位烟叶，每个烟叶样品取2.5 kg，采集烟叶样本的位置与采集土样时相同。采集土壤样品和烟叶样品各1 259个(图1)。

1.2 测定项目及方法

烟叶烟碱含量的测定采用紫外分光光度法[12]。土壤颗粒组成的测定采用(卡氏制)比重计法测定[13]。

1.3 数据统计与分析

地统计学方法：利用半方差函数的相关参数对研究区烟叶样品烟碱含量及土壤颗粒组成进行空间变异性分析[14-17]。描述性统计分析采用SPSS 10.0软件，半方差函数分析利用GS+5.3软件，采用ArcGIS进行Kriging插值产生数字化地图[18]。

图1 烤烟烟叶和植烟田土壤采样点分布Fig.1 Sampling sites of soil and flue-cured tobacco leaves in the study regions

2 结果与分析

2.1 豫中烟区烟叶烟碱含量和土壤颗粒组成的描述性统计

由表1可见，豫中烟区烤烟中部叶烟碱含量平均值为1.41%，远高于云南玉溪烤烟(1.14%)、贵州福泉烤烟(0.75%)、广西玉林烤烟(0.93%)，但仍低于巴西烤烟(2.71%)[19]。豫中烟区植烟田土壤颗粒组成中，以粒径0.01～0.05 mm的土壤颗粒含量平均值最高，达46.46%，其次是粒径<0.001 mm的土壤颗粒含量，为21.94%，粒径>0.1 mm的土壤颗粒含量平均值最低，只有6.09%。

从表1可以看出，豫中烟区烤烟烟碱含量为正态分布。土壤颗粒组成中，除了粒径>0.1 mm的土壤颗粒含量为非正态分布外，其他粒径的土壤颗粒含量均为正态分布。

根据变异系数的大小可粗略估计变量的变异程度。豫中烟区烟叶中烟碱含量的变异系数为25.53%。土壤颗粒组成中，粒径>0.1 mm的土壤颗粒含量变异系数最大，为143.02%，其次是粒径为0.05～0.1 mm的土壤颗粒含量，变异系数为78.26%，以粒径0.01～0.05 mm的土壤颗粒含量变异系数最小，只有20.49%。

表1 豫中烟区烟叶烟碱含量与土壤颗粒组成的描述性统计Tab.1 Descriptive statistics of nicotine contents in flue-cured tobacco leaves and soil granule composition in the study regions

2.2 豫中烟区烟叶烟碱含量与土壤颗粒组成的相关关系

从表2可看出，烟叶烟碱含量与粒径0.05～0.10 mm土壤颗粒含量呈极显著负相关，相关系数为-0.37，与粒径0.001～0.010 mm的土壤颗粒含量呈极显著正相关，相关系数为0.38，与粒径<0.001 mm土壤颗粒含量呈极显著负相关，相关系数为-0.31。

2.3 半方差函数的结构分析

由表3可见，豫中烟区烟叶烟碱含量的分布符合指数模型，决定系数为0.83，说明模型拟合程度较好，块金值与基台值的比值[C0/(C0+C)]为0.31，比值较小，变程为17 700 m，分维数为1.96。说明豫中烟区烟叶烟碱含量的空间变异性除了受成土母质、地理位置和气候因素等结构性因素影响以外，还受施肥、耕作、灌溉等人为因素的影响。土壤颗粒组成中，粒径>0.10 mm和粒径0.001～0.010 mm的土壤颗粒含量的半方差理论模型为高斯模型，决定系数分别为0.89和0.82；粒径0.05～0.10 mm的土壤颗粒含量的半方差理论模型为指数模型，决定系数为0.69；粒径<0.001 mm的土壤颗粒含量半方差理论模型为球状模型，决定系数为0.37；粒径0.01～0.05 mm的土壤颗粒含量的半方差理论模型为线性模型，决定系数为0.56。粒径0.001～0.010 mm的土壤颗粒和<0.001 mm的土壤颗粒含量的C0/(C0+C)分别为0.23和0.24，均小于0.25，属于强空间变异性；粒径>0.10 mm、粒径0.05～0.10 mm土壤颗粒含量的C0/(C0+C)介于0.25～0.75，属于中等强度的空间变异性；粒径0.01～0.05 mm的土壤颗粒含量的C0(C0+C)为0.76，属于弱的空间变异性。

土壤颗粒组成中，粒径0.001～0.010 mm土壤颗粒含量的变程最大，为763 200 m；其次是粒径0.05～0.10 mm的土壤颗粒含量，变程为370 300 m；粒径<0.001 mm的土壤颗粒含量变程最小，只有10 500 m。说明植烟田中不同粒径土壤颗粒在不同尺度上影响着烟叶烟碱含量。

表2 研究区烟叶烟碱含量与不同粒径土壤颗粒含量的相关分析Tab.2 Correlation matrix of contents of nicotine in flue-cured tobacco leaves and soil granule composition in the study regions

注：*表示在0.05水平上显著相关；**表示在0.01水平上极显著相关。

Note:*means correlation is significant at the 0.05 level,** means correlation is significant at the 0.01 level.

表3 研究区烟叶烟碱含量与土壤颗粒组成的半方差模型及其参数值Tab.3 The semivariogram models of nicotine contents in flue-cured tobacco leaves and soil granule composition in the study regions

注：C0表示块金方差，C表示结构方差，Range为自相关距，C0/(C0+C)表示空间异质性程度。

Note:C0is nugget variance;C is structural variance,Range is autocorrelation distances,C0/(C0+C) indicates the percentage of the variation caused by stochastic factor to the total variation of the system.

2.4 烤烟种植区烟叶烟碱含量和土壤颗粒组成的空间分布

根据计算所得到的各变量的半方差函数模型，应用普通克立格法进行最优内插[20-21]，形成了研究区烤烟烟叶烟碱含量与土壤颗粒组成的空间分布图(图2)。由图2可见，豫中烤烟种植区烟叶烟碱含量普遍较高，含量为1.70%～1.91%的高值区分布在豫中烟区的南端和北端，只占研究区面积的2.08%；含量为1.50%～1.70%的分布在豫中烟区的南部，占研究区总面积的26.64%；含量为1.29%～1.50%的分布在豫中烟区的西、北、东部，这部分面积最大，占研究区总面积的52.64%；含量为1.08%～1.29%的低值区分布在豫中烟区的中北部地区，占研究区总面积的18.64%。从不同粒径土壤颗粒含量的分布来看，粒径为0.001～0.010 mm的土壤颗粒含量高值区主要分布在研究区的西部和北部，粒径为0.01～0.05 mm的土壤颗粒含量高值区主要分布在研究区的南部，粒径为0.05～0.10 mm的土壤颗粒含量高值区主要分布在研究区的东部和中北部，粒径>0.10 mm土壤颗粒含量高值区主要分布在研究区的西部。而粒径<0.001 mm的土壤颗粒含量高值区在该区域内分布集中的趋势并不明显。

图2 研究区烟叶烟碱含量与土壤颗粒组成的空间分布Fig.2 Spatial distribution of nicotine contents in flue-cured tobacco leaves and soil granule composition in the study regions

3 结论与讨论

内在质量好的烟叶和烟制品应含有适量的烟碱，一般要求在1.5%～3.5%[1]。豫中烟区烟叶烟碱含量平均为1.41%，处在适宜范围内。其中烟碱含量为1.50%～1.91%的高值区主要分布在研究区的南部，占研究区总面积的28.72%；研究区52.64%面积的烟叶烟碱含量为1.29%～1.50%，主要集中在研究区的西、北、东部；烟叶烟碱含量为1.08%～1.29%的低值区主要分布在研究区的中部和东部。

豫中烟区烟叶烟碱含量的变异系数为25.53%。土壤颗粒组成中，粒径>0.10 mm的土壤颗粒含量变异系数最大，其次是粒径为0.05～0.10 mm的土壤颗粒含量，粒径0.01～0.05 mm的土壤颗粒含量变异系数最小。豫中烟区烟叶烟碱含量与粒径0.05～0.10 mm、粒径<0.001 mm的土壤颗粒含量均呈极显著负相关，与粒径0.001～0.010 mm的土壤颗粒含量呈极显著正相关。

豫中烟区烟叶烟碱含量符合指数模型，块金值/基台值即C0/(C0+C)为0.31。说明其空间变异除了受结构性因素如成土母质、地理位置和气候因素的影响外，还受施肥、耕作、灌溉等人为因素的影响。土壤颗粒组成中，粒径>0.10 mm和粒径0.001～0.010 mm的土壤颗粒含量半方差理论模型均为高斯模型，粒径0.05～0.10 mm的土壤颗粒含量半方差理论模型可拟合为指数模型，粒径<0.001 mm的土壤颗粒含量半方差理论模型为球状模型；粒径0.01～0.05 mm的土壤颗粒含量半方差理论模型为线性模型。粒径0.001～0.010 mm和粒径<0.001 mm的土壤颗粒含量的C0/(C0+C)均小于 0.25，属于强空间变异性；粒径>0.10 mm、粒径0.05～0.10 mm的土壤颗粒含量的C0/(C0+C)都介于0.25～0.75，属于中等强度的空间变异性；粒径0.01～0.05 mm的土壤颗粒含量的C0/(C0+C)为0.76，属于弱的空间变异性。

烟碱的主要作用是构成烟叶特殊的生理强度和影响烟叶的吃味和劲头。适宜的烟碱含量会产生好的吃味。本研究区一些烤烟烟叶存在着烟碱含量偏高的问题，有些植烟田烟叶烟碱平均含量甚至达到3%～4%。因此，本研究区要提高烟叶品质，首先应努力降低烟叶中的烟碱含量[2-3]。

选择适宜土壤有利于调节烟叶中的烟碱含量[4]。前人[5]研究认为，烤烟风格形成与农业地质背景特征关系密切；粗粒径土壤颗粒含量高的砂质土植烟田由于肥力低下，所产烟叶烟碱含量大都较低；细粒径土壤颗粒含量高的黏性重的植烟田土壤由于含氮量高，所产烟叶的烟碱含量也高。质地黏重的土壤持水力强，排水不畅，通透性差，不利于烟株根系发育；黏重土壤通常保肥能力强，养分持续供应能力强，呈前弱后强的趋势，与烟株需肥规律不符，生长在黏重土壤上的烟株一般烟碱累积量大；土壤过砂的情况下，排水好，但持水力不够，保肥保水能力差，烟碱合成能力弱，烟叶烟碱含量低，口味平淡。随土壤黏粒含量增加，土壤结构变得黏重，烟碱含量呈增加趋势，由壤砂土、砂壤土、壤土到粉砂质壤土，土壤质地逐渐加重，烟碱含量也逐步增加[19,22]。本研究表明，豫中烟区烤烟浓香型风格的形成受植烟田质地的影响，随土壤黏粒含量增加，质地变重，烟碱含量增加的趋势明显，表现为烟叶烟碱含量与粒径0.05～0.10 mm土壤颗粒含量呈极显著负相关，与粒径0.001～0.010 mm的土壤颗粒含量呈极显著正相关。因此，为了解决本研究区烟叶烟碱含量偏高的问题，除了选用烟碱含量适中的品种外，还应尽量避免在土壤质地过黏的田块上种植烟草。