陳海生,王 可,劉國(guó)順

(1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231; 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)家煙草栽培 生理生化基地，河南 鄭州 450002; 3.安徽宣城市宣州區(qū)煙草發(fā)展局，安徽 宣城 242000)

我國(guó)是煙草生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)。煙堿(Nicotine)是煙草重要的生理活性物質(zhì)，約占煙草生物堿總量的95%。正是煙堿的存在使得煙草被作為一種特殊的嗜好作物，但煙草中煙堿含量過(guò)高則會(huì)影響人體健康[1]。煙葉煙堿含量的高低是煙葉原料和卷煙產(chǎn)品質(zhì)量控制的一個(gè)重要指標(biāo)，直接決定著煙葉的內(nèi)在品質(zhì)和可用性。目前，國(guó)內(nèi)外煙草企業(yè)和煙草市場(chǎng)都需要具有適宜含量的安全煙草原料。適度的煙堿含量是優(yōu)質(zhì)低害煙葉生產(chǎn)所追求的目標(biāo)[2]。

在植煙田土壤中，土壤質(zhì)地影響土壤的通透性，不僅決定土壤養(yǎng)分的供給和保持水平，而且還影響土壤空氣和水分的供給和保持水平，因此在很大程度上影響煙葉的品質(zhì)[3]。陳杰等[4]研究了貴州煙區(qū)土壤質(zhì)地對(duì)烤煙品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，砂質(zhì)土所產(chǎn)的烤煙煙葉煙堿含量較低，而黏質(zhì)較重的粉黏土所產(chǎn)烤煙煙堿含量較高。劉超等[5]認(rèn)為，在貴州省烏蒙烤煙產(chǎn)區(qū)，植煙田土壤由黏性土向砂質(zhì)土轉(zhuǎn)變時(shí)，烤煙的清香型風(fēng)格也逐步增強(qiáng)。高琳等[6]通過(guò)對(duì)我國(guó)濃香型典型產(chǎn)區(qū)河南襄城、安徽宣城、湖南桂陽(yáng)和江華，以及清香型典型產(chǎn)區(qū)云南江川和南澗、福建永定和泰寧等地的野外實(shí)地調(diào)查，比較研究了不同香型煙區(qū)的農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景特征狀況。結(jié)果表明，不同香型煙區(qū)的成土母巖類(lèi)型差異較明顯，濃香型煙區(qū)的成土母質(zhì)主要是碳酸鈣含量較高的碳酸鹽巖類(lèi)沉積巖和黃土狀沉積物，而清香型烤煙種植區(qū)的成土母質(zhì)大都是碎屑類(lèi)沉積巖。成土母質(zhì)在很大程度上影響著煙葉香型風(fēng)格的形成。

在田間作物信息和土壤屬性的空間變異性研究方面，地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和GIS技術(shù)的結(jié)合可以有效克服基于概率論的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析在結(jié)構(gòu)和過(guò)程分析方面存在的不足。目前，已有很多學(xué)者采用此方法對(duì)植煙田土壤屬性的空間變異性進(jìn)行了研究[7-10]。但區(qū)域內(nèi)煙葉煙堿含量和土壤顆粒組成的空間變異性研究尚未見(jiàn)報(bào)道。對(duì)大區(qū)域內(nèi)煙葉煙堿含量及土壤顆粒組成進(jìn)行空間變異性分析，對(duì)植煙田實(shí)行合理布局以及進(jìn)一步提高煙葉品質(zhì)有重要意義。豫中煙區(qū)，包括許昌、平頂山、漯河3個(gè)烤煙種植區(qū)，在地理位置上處于北亞熱帶與暖溫帶的過(guò)渡地帶，該煙區(qū)植煙田土壤類(lèi)型多為褐土、潮土，烤煙常年種植面積為3.67×105hm2，是我國(guó)典型的濃香型煙葉產(chǎn)區(qū)，也是河南省種植煙草最早、種植面積最大的烤煙種植區(qū)[7,11]。本研究利用GIS技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)豫中煙區(qū)煙葉煙堿含量與其植煙田土壤顆粒組成進(jìn)行空間變異性分析，以期為提升該區(qū)域煙葉質(zhì)量、進(jìn)行植煙田合理布局提供參考。

1 材料和方法

1.1 土壤和煙葉樣品采集與測(cè)定

2016年6月上旬對(duì)河南省平頂山、許昌、漯河產(chǎn)煙區(qū)土樣和烤煙煙葉樣本進(jìn)行采集。取樣原則：樣點(diǎn)均勻分布且具有代表性。在平原烤煙種植區(qū)，每采集1個(gè)土樣間隔33.3 km2；在低山丘陵烤煙種植區(qū)每采集1個(gè)土樣間隔20.00 km2。采用手持式GPS定位儀進(jìn)行定位，在半徑10 m的圓形區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)混合取樣，采集耕層(0～20 cm)土壤樣品約1 kg帶回實(shí)驗(yàn)室。于2016年9月初煙葉收獲時(shí)采集烤煙煙葉樣本，采集煙株自上而下 8～12葉位煙葉，每個(gè)煙葉樣品取2.5 kg，采集煙葉樣本的位置與采集土樣時(shí)相同。采集土壤樣品和煙葉樣品各1 259個(gè)(圖1)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

煙葉煙堿含量的測(cè)定采用紫外分光光度法[12]。土壤顆粒組成的測(cè)定采用(卡氏制)比重計(jì)法測(cè)定[13]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法：利用半方差函數(shù)的相關(guān)參數(shù)對(duì)研究區(qū)煙葉樣品煙堿含量及土壤顆粒組成進(jìn)行空間變異性分析[14-17]。描述性統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 10.0軟件，半方差函數(shù)分析利用GS+5.3軟件，采用ArcGIS進(jìn)行Kriging插值產(chǎn)生數(shù)字化地圖[18]。

圖1 烤煙煙葉和植煙田土壤采樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites of soil and flue-cured tobacco leaves in the study regions

2 結(jié)果與分析

2.1 豫中煙區(qū)煙葉煙堿含量和土壤顆粒組成的描述性統(tǒng)計(jì)

由表1可見(jiàn)，豫中煙區(qū)烤煙中部葉煙堿含量平均值為1.41%，遠(yuǎn)高于云南玉溪烤煙(1.14%)、貴州福泉烤煙(0.75%)、廣西玉林烤煙(0.93%)，但仍低于巴西烤煙(2.71%)[19]。豫中煙區(qū)植煙田土壤顆粒組成中，以粒徑0.01～0.05 mm的土壤顆粒含量平均值最高，達(dá)46.46%，其次是粒徑<0.001 mm的土壤顆粒含量，為21.94%，粒徑>0.1 mm的土壤顆粒含量平均值最低，只有6.09%。

從表1可以看出，豫中煙區(qū)烤煙煙堿含量為正態(tài)分布。土壤顆粒組成中，除了粒徑>0.1 mm的土壤顆粒含量為非正態(tài)分布外，其他粒徑的土壤顆粒含量均為正態(tài)分布。

根據(jù)變異系數(shù)的大小可粗略估計(jì)變量的變異程度。豫中煙區(qū)煙葉中煙堿含量的變異系數(shù)為25.53%。土壤顆粒組成中，粒徑>0.1 mm的土壤顆粒含量變異系數(shù)最大，為143.02%，其次是粒徑為0.05～0.1 mm的土壤顆粒含量，變異系數(shù)為78.26%，以粒徑0.01～0.05 mm的土壤顆粒含量變異系數(shù)最小，只有20.49%。

表1 豫中煙區(qū)煙葉煙堿含量與土壤顆粒組成的描述性統(tǒng)計(jì)Tab.1 Descriptive statistics of nicotine contents in flue-cured tobacco leaves and soil granule composition in the study regions

2.2 豫中煙區(qū)煙葉煙堿含量與土壤顆粒組成的相關(guān)關(guān)系

從表2可看出，煙葉煙堿含量與粒徑0.05～0.10 mm土壤顆粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.37，與粒徑0.001～0.010 mm的土壤顆粒含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.38，與粒徑<0.001 mm土壤顆粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.31。

2.3 半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)分析

由表3可見(jiàn)，豫中煙區(qū)煙葉煙堿含量的分布符合指數(shù)模型，決定系數(shù)為0.83，說(shuō)明模型擬合程度較好，塊金值與基臺(tái)值的比值[C0/(C0+C)]為0.31，比值較小，變程為17 700 m，分維數(shù)為1.96。說(shuō)明豫中煙區(qū)煙葉煙堿含量的空間變異性除了受成土母質(zhì)、地理位置和氣候因素等結(jié)構(gòu)性因素影響以外，還受施肥、耕作、灌溉等人為因素的影響。土壤顆粒組成中，粒徑>0.10 mm和粒徑0.001～0.010 mm的土壤顆粒含量的半方差理論模型為高斯模型，決定系數(shù)分別為0.89和0.82；粒徑0.05～0.10 mm的土壤顆粒含量的半方差理論模型為指數(shù)模型，決定系數(shù)為0.69；粒徑<0.001 mm的土壤顆粒含量半方差理論模型為球狀模型，決定系數(shù)為0.37；粒徑0.01～0.05 mm的土壤顆粒含量的半方差理論模型為線性模型，決定系數(shù)為0.56。粒徑0.001～0.010 mm的土壤顆粒和<0.001 mm的土壤顆粒含量的C0/(C0+C)分別為0.23和0.24，均小于0.25，屬于強(qiáng)空間變異性；粒徑>0.10 mm、粒徑0.05～0.10 mm土壤顆粒含量的C0/(C0+C)介于0.25～0.75，屬于中等強(qiáng)度的空間變異性；粒徑0.01～0.05 mm的土壤顆粒含量的C0(C0+C)為0.76，屬于弱的空間變異性。

土壤顆粒組成中，粒徑0.001～0.010 mm土壤顆粒含量的變程最大，為763 200 m；其次是粒徑0.05～0.10 mm的土壤顆粒含量，變程為370 300 m；粒徑<0.001 mm的土壤顆粒含量變程最小，只有10 500 m。說(shuō)明植煙田中不同粒徑土壤顆粒在不同尺度上影響著煙葉煙堿含量。

表2 研究區(qū)煙葉煙堿含量與不同粒徑土壤顆粒含量的相關(guān)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水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上極顯著相關(guān)。

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

表3 研究區(qū)煙葉煙堿含量與土壤顆粒組成的半方差模型及其參數(shù)值Tab.3 The semivariogram models of nicotine contents in flue-cured tobacco leaves and soil granule composition in the study regions

注：C0表示塊金方差，C表示結(jié)構(gòu)方差，Range為自相關(guān)距，C0/(C0+C)表示空間異質(zhì)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 烤煙種植區(qū)煙葉煙堿含量和土壤顆粒組成的空間分布

根據(jù)計(jì)算所得到的各變量的半方差函數(shù)模型，應(yīng)用普通克立格法進(jìn)行最優(yōu)內(nèi)插[20-21]，形成了研究區(qū)烤煙煙葉煙堿含量與土壤顆粒組成的空間分布圖(圖2)。由圖2可見(jiàn)，豫中烤煙種植區(qū)煙葉煙堿含量普遍較高，含量為1.70%～1.91%的高值區(qū)分布在豫中煙區(qū)的南端和北端，只占研究區(qū)面積的2.08%；含量為1.50%～1.70%的分布在豫中煙區(qū)的南部，占研究區(qū)總面積的26.64%；含量為1.29%～1.50%的分布在豫中煙區(qū)的西、北、東部，這部分面積最大，占研究區(qū)總面積的52.64%；含量為1.08%～1.29%的低值區(qū)分布在豫中煙區(qū)的中北部地區(qū)，占研究區(qū)總面積的18.64%。從不同粒徑土壤顆粒含量的分布來(lái)看，粒徑為0.001～0.010 mm的土壤顆粒含量高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的西部和北部，粒徑為0.01～0.05 mm的土壤顆粒含量高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的南部，粒徑為0.05～0.10 mm的土壤顆粒含量高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的東部和中北部，粒徑>0.10 mm土壤顆粒含量高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的西部。而粒徑<0.001 mm的土壤顆粒含量高值區(qū)在該區(qū)域內(nèi)分布集中的趨勢(shì)并不明顯。

圖2 研究區(qū)煙葉煙堿含量與土壤顆粒組成的空間分布Fig.2 Spatial distribution of nicotine contents in flue-cured tobacco leaves and soil granule composition in the study regions

3 結(jié)論與討論

內(nèi)在質(zhì)量好的煙葉和煙制品應(yīng)含有適量的煙堿，一般要求在1.5%～3.5%[1]。豫中煙區(qū)煙葉煙堿含量平均為1.41%，處在適宜范圍內(nèi)。其中煙堿含量為1.50%～1.91%的高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的南部，占研究區(qū)總面積的28.72%；研究區(qū)52.64%面積的煙葉煙堿含量為1.29%～1.50%，主要集中在研究區(qū)的西、北、東部；煙葉煙堿含量為1.08%～1.29%的低值區(qū)主要分布在研究區(qū)的中部和東部。

豫中煙區(qū)煙葉煙堿含量的變異系數(shù)為25.53%。土壤顆粒組成中，粒徑>0.10 mm的土壤顆粒含量變異系數(shù)最大，其次是粒徑為0.05～0.10 mm的土壤顆粒含量，粒徑0.01～0.05 mm的土壤顆粒含量變異系數(shù)最小。豫中煙區(qū)煙葉煙堿含量與粒徑0.05～0.10 mm、粒徑<0.001 mm的土壤顆粒含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與粒徑0.001～0.010 mm的土壤顆粒含量呈極顯著正相關(guān)。

豫中煙區(qū)煙葉煙堿含量符合指數(shù)模型，塊金值/基臺(tái)值即C0/(C0+C)為0.31。說(shuō)明其空間變異除了受結(jié)構(gòu)性因素如成土母質(zhì)、地理位置和氣候因素的影響外，還受施肥、耕作、灌溉等人為因素的影響。土壤顆粒組成中，粒徑>0.10 mm和粒徑0.001～0.010 mm的土壤顆粒含量半方差理論模型均為高斯模型，粒徑0.05～0.10 mm的土壤顆粒含量半方差理論模型可擬合為指數(shù)模型，粒徑<0.001 mm的土壤顆粒含量半方差理論模型為球狀模型；粒徑0.01～0.05 mm的土壤顆粒含量半方差理論模型為線性模型。粒徑0.001～0.010 mm和粒徑<0.001 mm的土壤顆粒含量的C0/(C0+C)均小于 0.25，屬于強(qiáng)空間變異性；粒徑>0.10 mm、粒徑0.05～0.10 mm的土壤顆粒含量的C0/(C0+C)都介于0.25～0.75，屬于中等強(qiáng)度的空間變異性；粒徑0.01～0.05 mm的土壤顆粒含量的C0/(C0+C)為0.76，屬于弱的空間變異性。

煙堿的主要作用是構(gòu)成煙葉特殊的生理強(qiáng)度和影響煙葉的吃味和勁頭。適宜的煙堿含量會(huì)產(chǎn)生好的吃味。本研究區(qū)一些烤煙煙葉存在著煙堿含量偏高的問(wèn)題，有些植煙田煙葉煙堿平均含量甚至達(dá)到3%～4%。因此，本研究區(qū)要提高煙葉品質(zhì)，首先應(yīng)努力降低煙葉中的煙堿含量[2-3]。

選擇適宜土壤有利于調(diào)節(jié)煙葉中的煙堿含量[4]。前人[5]研究認(rèn)為，烤煙風(fēng)格形成與農(nóng)業(yè)地質(zhì)背景特征關(guān)系密切；粗粒徑土壤顆粒含量高的砂質(zhì)土植煙田由于肥力低下，所產(chǎn)煙葉煙堿含量大都較低；細(xì)粒徑土壤顆粒含量高的黏性重的植煙田土壤由于含氮量高，所產(chǎn)煙葉的煙堿含量也高。質(zhì)地黏重的土壤持水力強(qiáng)，排水不暢，通透性差，不利于煙株根系發(fā)育；黏重土壤通常保肥能力強(qiáng)，養(yǎng)分持續(xù)供應(yīng)能力強(qiáng)，呈前弱后強(qiáng)的趨勢(shì)，與煙株需肥規(guī)律不符，生長(zhǎng)在黏重土壤上的煙株一般煙堿累積量大；土壤過(guò)砂的情況下，排水好，但持水力不夠，保肥保水能力差，煙堿合成能力弱，煙葉煙堿含量低，口味平淡。隨土壤黏粒含量增加，土壤結(jié)構(gòu)變得黏重，煙堿含量呈增加趨勢(shì)，由壤砂土、砂壤土、壤土到粉砂質(zhì)壤土，土壤質(zhì)地逐漸加重，煙堿含量也逐步增加[19,22]。本研究表明，豫中煙區(qū)烤煙濃香型風(fēng)格的形成受植煙田質(zhì)地的影響，隨土壤黏粒含量增加，質(zhì)地變重，煙堿含量增加的趨勢(shì)明顯，表現(xiàn)為煙葉煙堿含量與粒徑0.05～0.10 mm土壤顆粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與粒徑0.001～0.010 mm的土壤顆粒含量呈極顯著正相關(guān)。因此，為了解決本研究區(qū)煙葉煙堿含量偏高的問(wèn)題，除了選用煙堿含量適中的品種外，還應(yīng)盡量避免在土壤質(zhì)地過(guò)黏的田塊上種植煙草。