基于烟碱、总糖、农艺性状聚类和灰色关联度分析的优质晒烟栽培种筛选

林姗姗，汪海生，赵文涛，沈 轶*，宗 浩，刘仕民，刘艳华，张忠锋，窦玉青

1.中国农业科学院烟草研究所，山东省青岛市崂山区科苑经四路11号 266101

2.华环国际烟草有限公司，安徽省凤阳县门台工业园区 233121

3.上海烟草集团有限责任公司，上海杨浦区长阳路717号 200082

4.山东临沂烟草有限公司，山东省临沂市北城新区智圣路3号 276400

5.山东中烟有限责任公司，济南市历下区经十路11888号 250014

我国的晒烟资源丰富［1］，而有关晒烟的研究主要在集中传统混合型或烤烟型卷烟上［2-6］。优质晒烟还可以用作其他烟草制品的生产原料，根据瑞典火柴公司的产品介绍［7］及相关文献报道［8-10］，瑞典口含烟（Snus）中烟草成分占40%～45% (主要为晾烟和晒烟)，水分占45%～60%，还有适量的香味物质、矫味剂、保润剂和酸碱调节剂等。因此，从我国现有的晒烟种质中筛选出优良种质用于除传统卷烟外的其他烟草制品的生产具有重要意义。灰色关联度分析法在烤烟性状评价上应用广泛［11-12］。宋志美等［13］运用灰色关联度分析法对烤烟品种的重要性状进行综合评价；张晓兵等［14］通过灰色关联度分析法分析了云南烤烟烟叶化学成分的适应性；殷英等［15］采用灰色关联度分析法分析了烤烟主要农艺性状与产量产值的关系。以上研究的结果与实际结果基本一致，但采用灰色关联度分析法分析晒烟化学成分的研究则鲜见报道。而聚类分析方法在晒烟的研究中应用较多：李开和等［16］采用聚类分析法对广西20 个晾晒烟品种进行分类；刘岱松等［17］运用聚类分析方法对32 个晾晒烟品种的综合性状进行了分类；黄学跃等［18］用聚类分析方法对157 个晾晒烟品种进行了农艺性状分类。这些研究均未涉及晒烟的化学成分分类，且大多数研究中考察的烟草品种较少。鉴于此，从国家烟草种质资源库中筛选出88 份晒烟种质，同时采用聚类分析和灰色关联度分析法分析了88 份晒烟种质的烟碱、总糖含量和农艺性状，旨在筛选出优质晒烟栽培种，用于除传统卷烟外的其他烟草制品的生产，以拓宽我国晒烟烟叶的使用范围。

1 材料与方法

1.1 供试材料

从国家烟草种质资源库筛选出88 份晒烟种质，分别以 S1～S88 表示。

1.2 试验方法

1.2.1 试验地概况

试验地点设置在晒烟种植历史悠久的山东省沂水县西部的高庄镇。平均海拔532 m，属暖温带季风气候。年均气温12.3 ℃，年均降水量770.2 mm，平均无霜期191.7 d，平均日照时数6.6 h。试验地前茬作物为甘薯，土壤类型为砂壤土，pH 7.81，有机质15.4 g/kg，碱性氮18.67 mg/kg，有效磷31.69 mg/kg，速效钾270.05 mg/kg。

1.2.2 试验设计

采用随机完全区组试验设计。设88 个小区，每小区种植1 份种质，约180 株，行株距110 cm×50 cm。按山东省沂水县晒烟栽培与调制技术规范进行生产，烟叶成熟后去除下部叶，采收中部叶和上部叶。调制过程为烟叶采收后上索，拉开晒制4～5 h 后将烟叶挤紧，进行捂晒（塑料薄膜包裹）；待叶片捂晒至8～9 成黄时，将烟索平铺于整洁、露水干后的草地上暴晒，傍晚烟叶回潮后收起，第2 天晒制烟索的另一面，一般晒制2～3 d 烟叶就可以变红。将变红烟叶一索压一索铺在整洁、露水干后的草地上晒制，露出叶片主脉和烟拐，傍晚回潮后收起；第2 天晒另一面，随着烟筋干燥程度的增加，不断加大叠压面积，直至主脉和烟拐完全干燥为止。

1.3 测定与调查方法

在烟草盛花期进行农艺性状调查，依据YC/T 344—2010［19］，选取 30 株烟株，测量其株高、茎围、有效叶片数和叶片长宽，每10 株为1 次重复，共3次重复。选取调制后的中部叶，按照标准YC/T 160—2002［20］、YC/T 159—2002［21］方法测定烟碱和总糖含量（质量分数）。

1.4 数据处理

利用Excel、SAS9.2 统计软件对试验数据进行聚类分析和灰色关联度分析［13，22］。

计算公式：

数据无量纲化处理：

式中：r'i(j)为第i 个种质的第j 个指标无量纲化值；ri(j)为第i 个晒烟种质的第j 个评价性状指标值（平均值）；rmax为第j 个评价指标的最大值，rmin为第j 个评价指标的最小值；K1～K9 分别为烟碱含量、总糖含量、株高、茎围、有效叶片数、上部叶面积、中部叶面积、下部叶面积和产量等性状指标；r0为第j 个评价指标的中间值；εi(j)为第i 个种质第j 个评价指标的关联系数；ρ为分辨系数，通常取值为 0.5；r0(j)为理想种质的第 j 个评价性状指值；εi为第i 个种质的等权关联度；ε'i为第i 个种质的加权关联度；wj为第j 个评价性状的指标权重；m 为评价性状指标数；Cj是第j 项指标的变异系数。

2 结果与分析

2.1 晒烟种质总糖和烟碱含量分析

根据瑞典火柴公司的研究［7］，以及国内外口含烟开发研究实践［23］，认为口含烟原料烟叶烟碱含量宜在3.5%以上，消费者在使用时有适中及以上的生理满足感，当烟碱含量在4.5%以上，晒烟原料在配方调配过程中则更具可用性；总糖含量要求不宜高于2%，高含糖量的烟粉易结块，影响加工和使用。另外，由于口含烟使用方法不同于传统卷烟的抽吸方式，因此本试验中在筛选原料烟叶时不考虑总氮、氯和钾等与燃烧性能相关的化学成分指标。

根据表1 和图1，结合国内外口含烟生产对烟叶原料的要求，88 份晒烟种质的烟碱和总糖含量状况表现，总体为烟碱含量适宜、总糖含量偏高。晒烟烟碱含量在1.45%～8.63%之间，平均含量为5.74%，其中烟碱含量大于3.5%的有78 份种质，大于4.5%的有62 份种质；晒烟总糖含量在1.51%～7.84%之间，平均为3.03%，低于2%的种质仅有6份。88 份种质烟碱和总糖含量的变异系数均较大，表明不同晒烟种质间烟碱和总糖含量的差异均较大。

表1 88 份晒烟种质的烟碱和总糖含量Tab.1 Contents of nicotine and total sugar（%）in 88 sun-cured tobacco germplasms

图1 88 份晒烟种质的烟碱和总糖含量分布Fig.1 Distribution of contents of nicotine and total sugar in 88 sun-cured tobacco germplasms

2.2 晒烟种质烟碱和总糖含量的聚类分析

根据晒烟的平均烟碱和总糖含量，对88 份晒烟种质进行聚类分析，结果见图2。图2 表明，在欧式距离为2.0 时将88 份晒烟种质分为三大类。第一类晒烟种质有5 份，第二类晒烟种质有32 份，第三类晒烟种质有51 份。

图2 88 份晒烟种质烟碱和总糖含量聚类分析树状图Fig.2 Cluster analysis of contents of nicotine and total sugar in 88 sun-cured tobacco germplasms

表2 不同类别晒烟种质烟碱和总糖含量特征Tab.2 Characteristics of contents of nicotine and total sugar in sun-cured tobacco germplasms in different categories（%）

表2 表明，三大类晒烟的特点分别为：第一类晒烟烟碱含量低（平均含量2.61%），总糖含量高（平均含量6.31%）；第二类晒烟烟碱含量中等（平均含量4.09%），总糖含量中等（平均含量3.10%）；第三类晒烟，烟碱含量高（平均含量6.43%），总糖含量低（平均含量2.63%）。

根据口含烟对晒烟原料烟碱含量［7］和总糖含量［23］的要求，认为第三类晒烟烟碱和总糖含量综合指标优于其他两类。因此，对第三类的51 份晒烟种质进行进一步筛选。51 份晒烟种质为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 晒烟种质农艺性状的聚类分析

对第三类51 份晒烟种质进行农艺性状指标的聚类分析，结果见图3。图3 表明，在欧式距离1.7时，将51 份晒烟种质又分成3 类，第Ⅰ类有11 份，第Ⅱ类有28 份，第Ⅲ类有12 份。

图3 51 份晒烟种质的农艺性状指标聚类分析树状图Fig.3 Cluster analysis of agronomic traits of 51 sun-cured tobacco germplasms

根据表3，晒烟的农艺性状特征分别为：第Ⅰ类晒烟的株高和有效叶片数处于中间水平（但与第Ⅱ类晒烟的差异不大，平均株高仅相差4.18 cm，平均有效叶片数仅相差0.7 片），茎围、叶面积最大，产量最高；第Ⅱ类晒烟的株高最高，有效叶片数最多，茎围、叶面积以及产量处于中间水平；第Ⅲ类晒烟的晒烟烟株最矮，茎围最小，有效叶片数最少，叶面积最小，产量最低。可见，第Ⅰ类晒烟种质的农艺性状表现最好，共 11 份种质，分别为 S32、S65、S63、S48、S58、S61、S59、S36、S47、S43 和S29。

2.4 晒烟种质烟碱、总糖含量和农艺性状指标的灰色关联分析

根据聚类分析结果，烟碱和总糖含量相对适宜且农艺性状指标相对较好晒烟种质共11 份。根据灰色系统理论及分析方法的要求［13］，11 份晒烟种质的9 个性状指标组成灰色系统，这9 个性状指标编号为K1～K9 分别为烟碱含量、总糖含量、株高、茎围、有效叶片数、上部叶面积、中部叶面积、下部叶面积和产量。其中K1 和K3～K9 这8 个指标在适宜范围内越大越好，K2 在适宜的范围内越小越好［23］。因此，在构造理想种质时，将 K1 和K3～K9 的最大值作为参考值，K2 的最小值作为参考值。理想种质命名为S0，理想种质参考值及各晒烟种质的指标值如表4所示。采用初值化法，运用公式（1）对理想种质参考值及各晒烟种质的指标值进行数据的无量纲化处理，得到一系列（0，1）范围内的数值。根据公式（2）计算得到参考种质的关联系数，根据公式（3）计算出各晒烟种质的等权关联度，根据公式（4）计算出各指标的权重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），求得权重后即可代入公式（5）求得各种质的加权关联度，见表5。

表3 不同类别晒烟种质农艺性状特征Tab.3 Characteristics of agronomic traits of sun-cured tobacco germplasms in different categories

表4 11 份晒烟种质评价指标平均值及理想种质参考值Tab.4 Average values of evaluation indexes of 11 sun-cured tobacco germplasms and reference values of ideal germplasm

表5 显示，各晒烟种质的等权关联度的排序为S32＞S65＞S63＞S58＞S48＞S61＞S36＞S47＞S43＞S59＞S29，加 权 关 联度的排序依次为 S32＞S65＞S63＞S58＞S48＞S61＞S59＞S43＞S36＞S47＞S29。经过 加 权后，有4 份种质的关联度排名发生变化，这4 份种质分别为S59、S36、S47 和S43，但名次变化幅度不大，排在前6 位和最后1 位的种质没有发生变化。最终将11 份晒烟种质的加权关联度排名［13］作为评价结果，S32 的综合性状表现最好，其次是S65和S63，S29 的综合性状表现较差。

表5 11 份晒烟种质的综合评价Tab.5 Comprehensive evaluation of 11 sun-cured tobacco germplasms

3 结论

根据烟碱和总糖含量对88 份晒烟种质进行了聚类分析，在欧式距离为2.0 时将88 份晒烟种质分为三大类。第一类晒烟烟碱和总糖含量的适宜性最差，有5 份种质；第二类晒烟烟碱和总糖含量的适宜性次之，有32 份种质；第三类晒烟的烟碱和总糖含量的适宜性最好，有51 份种质。通过对烟碱和总糖含量相对适宜的51 份晒烟种质农艺性状的聚类分析发现，在欧式距离为1.7 时可将51 份种质分为3 类。第Ⅰ类农艺性状表现最优，有11 份种质；第Ⅱ类农艺性状居中，有28 份种质；第Ⅲ类的农艺性状表现最差，有12 份种质。通过对第Ⅰ类11 份晒烟种质进行灰色关联度分析，得到11 份种质的综合评价结果排序依次为S32＞S65＞S63＞S58＞S48＞S61＞S36＞S47＞S43＞S59＞S29。因此，筛选出的用于除传统卷烟外的其他烟草制品（口含烟）生产的优质晒烟种质为S32，其次是S65 和S63。