基于响应曲面模型优化施硼方式提升烤烟上部叶质量

陈相君，张永辉，郭仕平，夏 春，吴润生，李 鑫，刘 雷，刘雅洁*，曾淑华*

（1 四川农业大学，四川成都 611130；2 四川省烟草公司泸州市公司，四川泸州 646600；3 四川省烟草公司，四川成都 610041）

烤烟的上部叶占烟叶产量的40%[1]，品质仅次于中部叶。随着国内卷烟消费市场向细支烟、中支烟、短支烟转变，对上部烟叶的需求增加。然而上部烟叶存在偏窄偏厚、组织结构紧密、成熟度偏低，烟碱和总氮含量偏高、淀粉残留过多，香气风格不突出、刺激性较大等问题[2–7]。因此提升上部烟叶质量具有重要意义。

研究表明，加强微量营养调控是提高上部叶质量的有效途径[8–12]。其中硼是烟草生长发育中必需的元素之一，参与烟草的一系列代谢过程[13]。研究表明土壤有效硼含量与烟叶硼含量呈正相关[14]，土壤有效硼≤0.40 mg/kg时，烟叶就会出现缺硼现象[15]。前人研究表明增施硼肥对烟株生长和烟叶质量具有提升作用[16–21]。泸州是四川省的主要烟区之一，调查发现泸州植烟土壤的有效硼含量为0.4 mg/kg左右，部分烟区<0.3 mg/kg。缺硼主要影响烟株的生长点和新生叶，烟株进入旺长期后对营养的需求大量增加，因此缺硼对中上部烟叶影响更大，而硼肥对上部烟叶品质的影响鲜见报道。故研究硼肥基施量、喷施浓度和喷施时期对烤烟上部烟叶质量的影响，筛选出最佳的硼肥施用措施，为缺硼烟区合理施用硼肥及提高上部烟叶质量提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在泸州市古蔺县大寨苗族乡进行，供试土壤为黄壤，基本理化性质：pH为5.03，有机质41.67 g/kg，碱解氮 129.97 mg/kg，速效钾 96.18 mg/kg，有效磷12.73 mg/kg，水溶性氯17.09 mg/kg，有效硼 0.34 mg/kg (硼含量处于低水平[22])，土壤交换性钙1.37 g/kg，交换性镁0.13 g/kg，有效铁 14.13 g/kg。

1.2 供试材料和方法

供试烤烟品种为‘中川208’，硼砂(硼含量≥15%，四川丽隆添易农业科技有限公司生产)。

试验设置3个硼砂基施量：9、12、15 kg/hm2，3个硼砂喷施浓度：0.1%、0.25%、0.4%，和3个喷施时期：移栽后60、70、80天，采用Box-Behnken软件设计共16个处理(表1)，对照不施用硼肥。小区面积为36 m2，每小区64株烟，株行距为50×120 cm。N、P2O5、K2O 施用量均为 127.65、219.75、337.95 kg/hm2，硼肥基肥于烟苗移栽时施入。在晴天下午5点之后对上部叶喷施不同浓度的硼肥，每株喷施 100 mL。

表1 依据Box-Behnken法设计的处理因素与水平Table 1 Treatment design at different factors and levels using the Box-Behnken method

1.3 分析测定方法

烟叶化学成分测定：烤后取每个小区上部烟叶1 kg，等级为B2F。将烤后的烟叶样品置于烘箱中，在60℃下烘干后，研磨成粉，反复研磨后过0.25 mm筛，之后装入塑封袋中密封保存。各项化学指标参照王瑞新[23]的方法测定，总糖的测定采用乙醇提取—蒽酮显色法；还原糖的测定采用乙醇提取—DNS显色法；总氮的测定采用凯式定氮法；烟碱的测定采用紫外分光光度法；钾的测定采用火焰分光光度法；氯的测定采用硝酸银容量法。

外观质量评价：按照GB 2635—1992[24]标准中颜色、成熟度、结构、身份、油分、色度等指标量化分数进行评分。

感官质量评价：各处理样品制成的单料烟参照GB 5606.4—2005[25]评吸标准由评吸专家进行评吸评价。

烟叶综合质量评价：参照王彦亭等[26]的方法进行烟叶质量的综合评价。由于未进行物理特性评价，因此烟叶品质值计算公式调整为：Y (烟叶品质值)=(外观质量评价得分×15%+化学成分评价得分×25%+感官质量评价得分×50%)×100/90。

1.4 数据处理

采用 Excel 2010整理数据，Design Expert 11.0进行响应曲面分析。

2 结果与分析

2.1 不同施硼处理对上部烟叶化学成分的影响

由表2 可知，按上部叶各项化学指标百分制权重总氮0.109、还原糖0.125、烟碱0.159、钾0.102、糖碱比0.184、氮碱比0.130、钾氯比0.073、淀粉0.118计算，不同硼肥施用水平烟叶化学成分存在差异。其中处理13得分最高，协调性表现最好。硼肥处理中处理6得分最低，与处理13相比降低了10.32%。与处理6相比，处理13总氮含量增加2.96%，还原糖含量降低10.29%，淀粉含量降低5.78%，烟碱含量增加了2.49%。糖碱比、钾氯比、氮碱比更趋于协调，提高了烟叶化学得分。各处理钾含量均处于优质烟叶标准含量。各处理得分均高于对照，说明施用硼肥有效改善烤烟上部叶化学成分含量，化学得分显著提升了0.17%～11.70%，使得化学成分更加协调，提高上部烟叶品质。

表2 不同施硼水平的烤烟上部叶化学得分Table 2 Chemical scores of the upper leaves of flue-cured tobacco at different boron levels

2.2 不同施硼处理对上部烟叶外观质量的影响

不同硼肥施用水平对烤烟上部叶外观质量的影响如表3所示，其中处理6的外观质量得分最高，处理8的外观质量得分最低。各处理间外观质量得分无明显差异。与对照相比，施用硼肥提升了上部叶的外观结构、油分和色度，对颜色、成熟度及身份方面没有促进作用。施用硼肥对上部叶外观得分没有明显提升。

表3 不同施硼水平的烤烟上部叶外观得分Table 3 Appearance score of the upper leaves of flue-cured tobacco at different boron levels

2.3 不同施硼处理对上部烟叶感官质量的影响

不同硼肥施用水平对烤烟上部烟叶感官质量的影响如表4所示。处理11得分最高，硼肥处理中处理6得分最低。与处理6相比，处理11香气质、香气量、柔和程度、细腻程度、圆润感有所提升，杂气明显减少，余味刺激性、干燥感明显降低。与对照相比，各个指标均有提升，感官质量得分提升了2.96%～10.26%，表现为香气质、香气量较足，烟气细腻透发，吸食杂气减少，口感较好。

表4 不同施硼水平的烤烟上部叶评吸得分Table 4 Evaluation scores of the upper leaves of flue-cured tobacco at different boron levels

2.4 不同施硼处理对上部烟叶综合质量的影响

通过对烤烟上部叶化学成分、外观质量及感官评析得分进行赋权，得到不同施硼水平对上部叶质量的影响得分 (表5)。其中处理11的得分最高，处理9的得分最低。各处理得分均高于对照，质量比对照提升了2.04%～8.40%。随着硼肥施用量增加，烤烟上部叶片的化学质量及感官质量得分均提升，外观质量得分无明显提升。以硼肥基肥施用12 kg/hm2、喷施浓度为0.25%、施用时期为移栽后70天的综合得分最高，为最佳处理。

表5 不同施硼水平的烤烟上部叶质量得分Table 5 Quality scores of the upper flue-cured leaves as affected by boron levels

2.5 施硼效果的响应曲面分析

2.5.1 响应曲面模型及其准确性分析模型的准确性直接影响试验的误差以及最终结论。利用方差分析回归方程中系数的显著性可以判断模型的准确性。响应曲面模型的可信度及方差分析结果如下：模型决定系数R2＝0.98，校正决定系数R2adj＝0.95，说明本试验响应曲面优化设计的模型拟合度高；可信数据/不可信数据=15.51>4 (即信噪比>4表示可信度较强[27])，标准差0.34，均值75.02，说明该模型能够很好地模拟本试验。

由表5中数据进行多元线性拟合，建立硼肥基施量(A)、喷施浓度(B)、喷施时期(C)的二次线性回归拟合曲面模型，并对模型以及模型失拟项进行显著性检验(表6），可得该模型的F值为32.20，P<0.0001。模型失拟项的P值大于0.05，表明模型统计学显著，精确度高，模拟效果好，可以使用。

表6 回归模型方差分析Table 6 Analysis of variance of the regression model

由表7可得该模型常数项极显著，一次项A、C、互作项AB、二次项B2及C2显著，二次项A2极显著。以上部叶质量得分为因变量，硼肥基施量、喷施浓度、喷施时期为因素，对本试验数据进行回归分析拟合得到上部叶质量的二次多项式回归方程：Y=76.69+0.38A–0.29C–0.54AB–2.53A2–0.51B2–0.51C2。

表7 回归模型系数的显著性检验Table 7 Significance test for the regression model coefficients

2.5.2 上部叶质量的响应曲面分析及优化根据回归方程做出响应曲面和等高线，考察拟合响应曲面的图形，分析硼肥基施量、喷施浓度和喷施时期对烤烟上部叶质量的影响(图1)。3D响应面图能直观反应出各因素互相作用对响应值的影响。

由图1可以看出，烤烟上部叶质量得分先随着硼肥基施量和喷施浓度的增加而增加，在硼肥基施量12 kg/hm2，喷施浓度为0.25%时达到最大值77.14分。随着硼肥基施量及喷施浓度的继续增加，上部叶质量得分逐渐下降。适当增加硼肥基施量和喷施浓度有利于提高烤烟上部叶质量，其中两者交互作用显著。由于硼肥喷施时期为非数值因素，所代表的水平只能取整数。用响应面分析法分析得出含有小数的结果，以实际情况为准，代表水平取其靠近的真实值。硼肥基施量与喷施时期、喷施浓度与喷施时期交互作用不显著。但是可以得出在同一喷施时期，随着硼肥基施量的增加，上部叶质量逐步提升且达到最大值。然而随着喷施浓度增加，上部叶质量得分变化不明显。

本试验经过 Design Expert 11.0软件优化分析，得到最佳硼肥施用方案，基施量12.20 kg/hm2、喷施浓度0.26%、喷施时期移栽后67.24天，叶质量得分为76.74。

由Design Expert软件优化可得，对应试验值硼肥基施量12.20 kg/hm2、喷施浓度为0.26%、喷施时期为移栽后67天时，此时上部叶质量得分为76.74。说明在此水平下施用硼肥，上部烟叶质量表现最佳。

3 讨论

增施硼肥可以提高烤烟质量，这与前人[16–18]研究结果一致。其中化学成分方面，聂新柏等[17]认为增施硼肥后烟叶中还原糖含量提高，烟碱、总氮含量下降。韩冰等[28]认为硼肥处理的烟株烟碱、还原糖增加，氯离子降低。施用硼肥使烤烟上部叶化学成分更协调，提高烟叶内在品质。齐永杰等[29]认为施用硼肥有利于提高烤烟上部叶感官质量。李娇娇等[30]认为适当增施硼肥有利于烤烟中部叶身份、色度、油分的改善，但对叶片结构影响不大。本试验结果表明增施硼肥后烟叶中淀粉、总氮含量降低，使得上部叶化学成分协调，提高烟叶内在品质。感官评析口感较好，香气质、香气量较足。施用硼肥后有利于上部叶后期落黄成熟，但烤烟外观质量得分没有明显提升，可能是成熟后期当地不利的气候条件所致。

响应曲面在试验条件优化中可以连续的对试验条件的各个水平进行分析，克服了正交试验对一个个试验点分析。本试验设计中先给出独立的试验点，目的是通过响应曲面分析拟合的回归方程及响应曲面图形确定最佳优化条件。因此利用Box-Behnken进行3因素3水平试验设计硼肥施用水平的方案，以烤烟上部叶质量为响应值，拟合响应曲面模型。其中以硼肥基施量12 kg/hm2，喷施浓度为0.25%，喷施时期为移栽后70天为最佳处理。在此处理水平下，杂气减少，柔和细腻程度都有所增加。方差分析结果显示，拟合模型显著，可用于试验分析预测。通过响应曲面优化分析得到泸州地区硼肥最佳施用方案为，硼肥基施量12.20 kg/hm2、喷施浓度为0.26%、喷施时期为移栽后67天。利用Box-Benhnken法优化了试验方案，减少试验工作量，是一种可行的试验设计方法。

4 结论

在缺硼土壤上，施硼能使烤烟化学成分更加协调，感官质量有所提高，叶片结构、颜色等方面有所提升，综合质量明显提高，因此施用硼肥是提高烤烟质量的有效方式。通过响应曲面法优化得到的最佳硼肥施用措施为：基施12.20 kg/hm2配合在移栽后67天喷施0.26%的硼肥。