陕西烤烟主产区气象因子和烟叶化学成分特征及关系分析

杜兴华,胡颖梅,高明博,过伟民,王林虹,王爱国

(1.中国烟草总公司陕西省公司,西安 710061;2.中国烟草总公司郑州烟草研究院/烟草行业生态环境与烟叶质量重点实验室,郑州 450001)

烟草是一种对于生态环境较为敏感的作物,生态条件影响烟草的形态特征、农艺性状以及化学成分。很多研究者认为,生态条件是烟叶品质和风格特色的决定性影响因素[1],其中气象因素起主导作用[2-7],但气象因素对不同区域烟叶化学成分的影响有所差异[8]。

陕西是中国重要的烤烟产区之一,主要植烟区包括安康、宝鸡、汉中、商洛、咸阳和延安等6个产区,近年来植烟面积约2万hm2,收购量约3.75万t。陕西烤烟产区横跨4个纬度,南北相距超400km,最南端产区安康平利县纬度为32.09° N,而最北端产区延安富县纬度为36.00° N,加之秦岭对气流的阻挡作用,使得省内南北气候差异明显,因此,明确气象因子对产区烟叶质量的影响具有重要意义。关于陕西产区气象因子与烟叶产量和品质的研究较多,韦成才等[9]、王玉玺等[10]分析了陕南5个植烟县烤烟质量与气象因子的关系,认为大田平均气温和日均气温≥20℃的持续时间对烟叶质量最重要;李小芳等[11]研究了生育期气象因子对安康产区烟叶产量和质量的影响,认为旺长期平均温度和降水量是决定烤烟产量的最关键因素;李淑娥等[12]对陕南白河县烤烟生育期气象因子与烟叶产量进行灰色关联分析,认为与烟叶产量关联度最大的3个气象因子分别是5月烟田土壤5cm平均最低低温、8月平均最高气温和8月有效积温。但以上研究关注的地理范围均相对较小,局限于某一个或者几个产区县,气象因子的变异范围也相对较小。尚未见到以整个陕西烤烟产区为研究范围的烟叶质量与气象因子关系分析研究。因此,以2010-2019年陕西省6个烤烟主产区烟叶的化学成分和对应采样点的气象数据为资料,探讨气象因子对陕西产区烟叶化学成分的影响,筛选影响烟叶化学成分的关键气象因素,以期为指导陕西产区烟叶科学生产和品质提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与气象数据

采集陕西省6个主要植烟地市13个县(区)的烟叶样品,取样时间为2010-2019年,共采集56个C3F等级烟叶样品。具体的采样产区及样品数量为:安康市旬阳县14个、平利县1个,汉中市南郑区3个、西乡县9个,商洛市洛南县10个、镇安县1个,宝鸡市麟游县2个、陇县6个,咸阳市旬邑县7个,延安市富县2个、黄龙县1个。采样县(区)的气象资料均来源于中国气象数据网,气象资料包括逐日平均气温、降水量、日照时数和相对湿度。将烤烟生育期划分为3个时期,其中4月下旬至5月底为伸根期(移栽-还苗-团棵),6月为旺长期(团棵-现蕾),7月至9月上旬为成熟期(现蕾-采收完毕),分别计算各县(区)逐年大田生育期的气象指标,并进行统计分析。

1.2 烟叶化学成分指标测定方法

采用烟草行业标准要求的方法测定烟叶样品的烟碱、总氮、还原糖、总糖、钾、氯和淀粉含量,其中,烟碱含量和总氮含量分别依据YC/T 160-2002[13]和YC/T 161-2002[14]测定,水溶性总糖含量和还原糖含量依据YC/T 159-2002[15]测定,钾含量和氯含量分别依据YC/T 217-2007[16]和YC/T 162-2002[17]测定,淀粉含量依据YC/T 216-2007[18]测定。

1.3 数据分析和统计方法

采用DPS v17.10 统计软件对气象指标和烟叶化学成分进行相关分析、逐步回归分析和灰色关联度分析。

2 结果与分析

2.1 气象特征分析

由表1和表2可知,2010-2019年,陕西烟区烤烟生育期平均气温为18.2～25.3 ℃,其中咸阳产区最低,整个生育期均温仅为18.6 ℃,除咸阳产区外,其他产区烤烟成熟期的气温均在20～25 ℃的最佳区间[15];烤烟生育期的相对湿度为68%～86.4%,其中汉中产区相对湿度显著高于其他5个产区;烤烟生育期日照时数为456.1～ 1 109.9 h,大田生育期日照时数超过400～600 h即可满足烤烟生长发育所需[15],因此陕西各烤烟产区的日照时数均较为适宜;烤烟生育期降水量为286.9～1 047.7 mm,其中汉中降水量最高,均值为689 mm,咸阳产区相对较低,均值为473 mm。分析烤烟各生育期的降水量发现,伸根-旺长期间降水量相对较少,而在烟叶成熟期降雨较多,成熟期降水量约占整个生育期降水量的 65.7%～73.3%。

表1 陕西烟区烤烟生育期主要气象因素统计分析Table 1 Statistic indices of main meteorological factors during field growth period of flue-cured tobacco in Shaanxi

表2 各烟区烤烟生育期主要气象因素Table 2 Main meteorological factors during field growth period of flue-cured tobacco in six tobacco planting regions of Shaanxi province

2.2 烟叶化学成分状况分析

由表3和表4可知,陕西各产区的烟叶烟碱含量为0.76%～3.38%,其中咸阳和延安两地的烟叶烟碱含量均值分别为1.59%和1.26%,显著低于其他4个市(P<0.05);烟叶总氮含量为 1.35%～2.58%,6个产区间无显著差异(P> 0.05);汉中市烟叶的钾含量显著高于宝鸡市 (P<0.05),但与其他4个产区间均无显著差异(P>0.05)。延安、咸阳两地烟叶的氮碱比和糖碱比相对较高,显著高于其他4个产区 (P<0.05),而其他4个产区间无显著差异(P>0.05)。

表3 陕西烟叶主要化学成分及指标Table 3 Statistic indices of main chemical components in tobacco leaves from Shaanxi

表4 陕西6个产区烟叶主要化学成分Table 4 Main chemical components of tobacco leaves from six tobacco planting regions in Shaanxi

2.3 气象因素对烟叶化学成分的影响

由表5可知,与氮相关的指标,如烟碱、总氮、氮碱比和糖碱比均与气象因子有较为明显的相关性,其中,烟碱含量与各生育期的平均气温均呈极显著正相关(P<0.01),与伸根的降水量和相对湿度分别呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关,与伸根期和旺长期的日照时数呈显著负相关(P<0.05);总氮与烟碱类似,与各生育时期的平均气温呈显著(P<0.05)或极显著(P< 0.01)正相关;糖碱比、氮碱比与各生育时期的平均气温及与伸根期和旺长期的相对湿度均呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)负相关,而与旺长期的日照时数则呈显著正相关(P<0.05)。

表5 气象因子与烟叶化学成分相关性分析Table 5 Correlation analysis between meteorological factors and chemical components of tobacco leaves

进一步对各生育时期的气象因子和烟叶化学成分进行逐步回归分析,探讨多种气象因子对烟叶化学成分的综合影响。选取回归系数显著且决定系数(R2)大于0.15的方程进行分析(表6),并计算各气象因素对化学成分作用的直接通径系数(表7)。

表6 陕西产区气象因子与烟叶化学成分逐步回归分析Table 6 Stepwise regression analysis between meteorological factors and chemical components of tobacco leaves

表7 陕西产区气象因子对烟叶化学成分直接通径系数Table 7 Direct path coefficient of meteorological factors on chemical components of tobacco leaves in Shaanxi

逐步回归和通径分析结果显示,烟碱回归模型的决定系数相对较高,生育期平均气温和伸根期相对湿度对烟叶烟碱含量有正向影响,而生育期相对湿度对烟叶烟碱含量有负向影响;旺长期平均气温对总氮含量有正向影响;伸根期平均气温对糖碱比有负向影响,而旺长期日照时数对糖碱比有正向影响。

灰色关联分析(表8)表明,成熟期平均气温与烟碱关联度最高,总氮含量与旺长期和成熟期平均气温关联度最高,还原糖、总糖和钾含量与生育期相对湿度及生育期平均气温的关联度均较高,两糖比与生育期相对湿度及旺长期平均气温的关联度均较高。灰色关联分析的结果与相关性和回归分析的结果基本一致。

表8 气象因子与化学成分灰色关联度Table 8 Grey correlation degree between climatic factor and chemical components of tobacco leaves

3 讨 论

3.1 陕西产区气象条件特点

烤烟是喜温作物,温度是影响烤烟品质的重要因素[11,19-20]。一般认为,烤烟在大田生长的最适宜温度是22 ℃～28 ℃,在该温度范围内,烟叶的化学成分随着成熟期平均气温的升高而提高[19],但这也不是绝对的,在云南一些高海拔地区最热月份日均温低于20 ℃依然可生产出优质烟叶[21]。陕西6个烟叶产区在烤烟生育期的平均气温表现安康>汉中>商洛>宝鸡>咸阳≈延安,同一生育时期不同产区间最大温差可达5 ℃。降雨是维持烤烟生长的重要气象因素,降水量及其在不同生育时期的分布也直接影响烟叶的品质,在烤烟移栽伸根期,月降水量80～100 mm为优,旺长期的适宜降水量宜为100～200 mm[22-24]。本研究显示,近10年来,安康、汉中、宝鸡和商洛等烟叶产区在烤烟伸根期的平均降水量为75～103 mm,而咸阳和延安同期平均降水量仅有50 mm左右,可能会影响烤烟正常的还苗伸根。除汉中产区旺长期降水量均值为103 mm外,其他产区旺长期降水量均低于100 mm,伸 根-旺长期降水量不足是影响陕西产区烤烟种植较为突出问题。另外,成熟期降雨偏多也给烟叶成熟采烤带来一定的压力[25]。

3.2 烟叶化学成分特点及其与气象因子关系

本研究显示,陕西各产区间烟叶的化学成分差异较大,尤其是烟碱及其衍生指标差异较大。安康、汉中、商洛和宝鸡产区的C3F烟叶烟碱含量均为2.12%～2.32%,较为适宜,而咸阳和延安产区烟叶烟碱含量相对较低。本研究还显示,生育期平均气温尤其是成熟期平均气温是影响烟碱含量的最重要因素。这一结论与董继国等[26]在环神农架地区的研究结果类似,因为烟碱主要在根系合成,在一定范围内,温度越高,根系活力越强,有利于根系合成烟碱;烟碱的积累主要发生在烤烟打顶后的成熟期,因此成熟期气温是影响烟叶烟碱含量的关键因素。而韦成才等[9]和王玉玺等[10]对陕南烟区的研究显示,烟碱与大田期降水量和7月湿度呈负相关;周翔等[27]对于山东烟区的研究也表明,烟碱受5月至8月的降水总量影响较大,呈负相关。由于阴雨天往往气温也较低,因此上述研究结论与本研究结论也是基本一致的。戴冕[28]关于全国10个主产植烟省的研究显示,烟叶生育期降水量与烟叶烟碱积累的相关性高于温度因素(包括成熟采烤期旬平均气温、积温和 ≥30 ℃的高温天数),且降水量与烟碱呈正相关关系,因此作者认为水对烟叶积累烟碱起主导作用,温和热因素仅起辅助作用。戴冕[28]分析的10个产烟省中烟碱含量较高的地市为广东南雄、湖南郴州、河南宝丰和福建龙岩,而烟叶烟碱含量比较低的地市为安徽宿县、辽宁宽甸和贵州遵义,从中也可以发现烟碱含量较高的产区烟叶成熟期的气温较高,而多数烟碱含量相对较低的产区烤烟成熟期的气温也相对较低。

4 小 结

综合来看,陕西各产区的气象条件均适宜烤烟生长发育,但不同产区的气象条件差异较大,其中气温和降水量表现尤为明显,部分北部烟区烤烟成熟期气温较低,多数产区烟叶移栽-旺长期降水量相对较少且波动较大,而成熟期降水量偏多。汉中、安康、宝鸡和商洛4个烤烟产区的C3F烟叶的烟碱含量适宜,而咸阳和延安产区烟叶的烟碱含量稍低。各产区烟叶的烟碱和总氮含量与生育期平均气温呈显著或极显著正相关,氮碱比和糖碱比与生育期平均气温及伸根期和旺长期的相对湿度呈显著或极显著负相关。烤烟生育期平均气温和相对湿度是影响陕西烤烟产区烟叶品质的主要因素。