基于煙堿、總糖、農(nóng)藝性狀聚類和灰色關(guān)聯(lián)度分析的優(yōu)質(zhì)曬煙栽培種篩選

林姍姍，汪海生，趙文濤，沈 軼*，宗 浩，劉仕民，劉艷華，張忠鋒，竇玉青

1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，山東省青島市嶗山區(qū)科苑經(jīng)四路11號 266101

2.華環(huán)國際煙草有限公司，安徽省鳳陽縣門臺(tái)工業(yè)園區(qū) 233121

3.上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海楊浦區(qū)長陽路717號 200082

4.山東臨沂煙草有限公司，山東省臨沂市北城新區(qū)智圣路3號 276400

5.山東中煙有限責(zé)任公司，濟(jì)南市歷下區(qū)經(jīng)十路11888號 250014

我國的曬煙資源豐富［1］，而有關(guān)曬煙的研究主要在集中傳統(tǒng)混合型或烤煙型卷煙上［2-6］。優(yōu)質(zhì)曬煙還可以用作其他煙草制品的生產(chǎn)原料，根據(jù)瑞典火柴公司的產(chǎn)品介紹［7］及相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道［8-10］，瑞典口含煙（Snus）中煙草成分占40%～45% (主要為晾煙和曬煙)，水分占45%～60%，還有適量的香味物質(zhì)、矯味劑、保潤劑和酸堿調(diào)節(jié)劑等。因此，從我國現(xiàn)有的曬煙種質(zhì)中篩選出優(yōu)良種質(zhì)用于除傳統(tǒng)卷煙外的其他煙草制品的生產(chǎn)具有重要意義?；疑P(guān)聯(lián)度分析法在烤煙性狀評價(jià)上應(yīng)用廣泛［11-12］。宋志美等［13］運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對烤煙品種的重要性狀進(jìn)行綜合評價(jià)；張曉兵等［14］通過灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析了云南烤煙煙葉化學(xué)成分的適應(yīng)性；殷英等［15］采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析了烤煙主要農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量產(chǎn)值的關(guān)系。以上研究的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本一致，但采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析曬煙化學(xué)成分的研究則鮮見報(bào)道。而聚類分析方法在曬煙的研究中應(yīng)用較多：李開和等［16］采用聚類分析法對廣西20 個(gè)晾曬煙品種進(jìn)行分類；劉岱松等［17］運(yùn)用聚類分析方法對32 個(gè)晾曬煙品種的綜合性狀進(jìn)行了分類；黃學(xué)躍等［18］用聚類分析方法對157 個(gè)晾曬煙品種進(jìn)行了農(nóng)藝性狀分類。這些研究均未涉及曬煙的化學(xué)成分分類，且大多數(shù)研究中考察的煙草品種較少。鑒于此，從國家煙草種質(zhì)資源庫中篩選出88 份曬煙種質(zhì)，同時(shí)采用聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析法分析了88 份曬煙種質(zhì)的煙堿、總糖含量和農(nóng)藝性狀，旨在篩選出優(yōu)質(zhì)曬煙栽培種，用于除傳統(tǒng)卷煙外的其他煙草制品的生產(chǎn)，以拓寬我國曬煙煙葉的使用范圍。

1 材料與方法

1.1 供試材料

從國家煙草種質(zhì)資源庫篩選出88 份曬煙種質(zhì)，分別以 S1～S88 表示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)置在曬煙種植歷史悠久的山東省沂水縣西部的高莊鎮(zhèn)。平均海拔532 m，屬暖溫帶季風(fēng)氣候。年均氣溫12.3 ℃，年均降水量770.2 mm，平均無霜期191.7 d，平均日照時(shí)數(shù)6.6 h。試驗(yàn)地前茬作物為甘薯，土壤類型為砂壤土，pH 7.81，有機(jī)質(zhì)15.4 g/kg，堿性氮18.67 mg/kg，有效磷31.69 mg/kg，速效鉀270.05 mg/kg。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)完全區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)。設(shè)88 個(gè)小區(qū)，每小區(qū)種植1 份種質(zhì)，約180 株，行株距110 cm×50 cm。按山東省沂水縣曬煙栽培與調(diào)制技術(shù)規(guī)范進(jìn)行生產(chǎn)，煙葉成熟后去除下部葉，采收中部葉和上部葉。調(diào)制過程為煙葉采收后上索，拉開曬制4～5 h 后將煙葉擠緊，進(jìn)行捂曬（塑料薄膜包裹）；待葉片捂曬至8～9 成黃時(shí)，將煙索平鋪于整潔、露水干后的草地上暴曬，傍晚煙葉回潮后收起，第2 天曬制煙索的另一面，一般曬制2～3 d 煙葉就可以變紅。將變紅煙葉一索壓一索鋪在整潔、露水干后的草地上曬制，露出葉片主脈和煙拐，傍晚回潮后收起；第2 天曬另一面，隨著煙筋干燥程度的增加，不斷加大疊壓面積，直至主脈和煙拐完全干燥為止。

1.3 測定與調(diào)查方法

在煙草盛花期進(jìn)行農(nóng)藝性狀調(diào)查，依據(jù)YC/T 344—2010［19］，選取 30 株煙株，測量其株高、莖圍、有效葉片數(shù)和葉片長寬，每10 株為1 次重復(fù)，共3次重復(fù)。選取調(diào)制后的中部葉，按照標(biāo)準(zhǔn)YC/T 160—2002［20］、YC/T 159—2002［21］方法測定煙堿和總糖含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel、SAS9.2 統(tǒng)計(jì)軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析［13，22］。

計(jì)算公式：

數(shù)據(jù)無量綱化處理：

式中：r'i(j)為第i 個(gè)種質(zhì)的第j 個(gè)指標(biāo)無量綱化值；ri(j)為第i 個(gè)曬煙種質(zhì)的第j 個(gè)評價(jià)性狀指標(biāo)值（平均值）；rmax為第j 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的最大值，rmin為第j 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的最小值；K1～K9 分別為煙堿含量、總糖含量、株高、莖圍、有效葉片數(shù)、上部葉面積、中部葉面積、下部葉面積和產(chǎn)量等性狀指標(biāo)；r0為第j 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的中間值；εi(j)為第i 個(gè)種質(zhì)第j 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ρ為分辨系數(shù)，通常取值為 0.5；r0(j)為理想種質(zhì)的第 j 個(gè)評價(jià)性狀指值；εi為第i 個(gè)種質(zhì)的等權(quán)關(guān)聯(lián)度；ε'i為第i 個(gè)種質(zhì)的加權(quán)關(guān)聯(lián)度；wj為第j 個(gè)評價(jià)性狀的指標(biāo)權(quán)重；m 為評價(jià)性狀指標(biāo)數(shù)；Cj是第j 項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 曬煙種質(zhì)總糖和煙堿含量分析

根據(jù)瑞典火柴公司的研究［7］，以及國內(nèi)外口含煙開發(fā)研究實(shí)踐［23］，認(rèn)為口含煙原料煙葉煙堿含量宜在3.5%以上，消費(fèi)者在使用時(shí)有適中及以上的生理滿足感，當(dāng)煙堿含量在4.5%以上，曬煙原料在配方調(diào)配過程中則更具可用性；總糖含量要求不宜高于2%，高含糖量的煙粉易結(jié)塊，影響加工和使用。另外，由于口含煙使用方法不同于傳統(tǒng)卷煙的抽吸方式，因此本試驗(yàn)中在篩選原料煙葉時(shí)不考慮總氮、氯和鉀等與燃燒性能相關(guān)的化學(xué)成分指標(biāo)。

根據(jù)表1 和圖1，結(jié)合國內(nèi)外口含煙生產(chǎn)對煙葉原料的要求，88 份曬煙種質(zhì)的煙堿和總糖含量狀況表現(xiàn)，總體為煙堿含量適宜、總糖含量偏高。曬煙煙堿含量在1.45%～8.63%之間，平均含量為5.74%，其中煙堿含量大于3.5%的有78 份種質(zhì)，大于4.5%的有62 份種質(zhì)；曬煙總糖含量在1.51%～7.84%之間，平均為3.03%，低于2%的種質(zhì)僅有6份。88 份種質(zhì)煙堿和總糖含量的變異系數(shù)均較大，表明不同曬煙種質(zhì)間煙堿和總糖含量的差異均較大。

表1 88 份曬煙種質(zhì)的煙堿和總糖含量Tab.1 Contents of nicotine and total sugar（%）in 88 sun-cured tobacco germplasms

圖1 88 份曬煙種質(zhì)的煙堿和總糖含量分布Fig.1 Distribution of contents of nicotine and total sugar in 88 sun-cured tobacco germplasms

2.2 曬煙種質(zhì)煙堿和總糖含量的聚類分析

根據(jù)曬煙的平均煙堿和總糖含量，對88 份曬煙種質(zhì)進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖2。圖2 表明，在歐式距離為2.0 時(shí)將88 份曬煙種質(zhì)分為三大類。第一類曬煙種質(zhì)有5 份，第二類曬煙種質(zhì)有32 份，第三類曬煙種質(zhì)有51 份。

圖2 88 份曬煙種質(zhì)煙堿和總糖含量聚類分析樹狀圖Fig.2 Cluster analysis of contents of nicotine and total sugar in 88 sun-cured tobacco germplasms

表2 不同類別曬煙種質(zhì)煙堿和總糖含量特征Tab.2 Characteristics of contents of nicotine and total sugar in sun-cured tobacco germplasms in different categories（%）

表2 表明，三大類曬煙的特點(diǎn)分別為：第一類曬煙煙堿含量低（平均含量2.61%），總糖含量高（平均含量6.31%）；第二類曬煙煙堿含量中等（平均含量4.09%），總糖含量中等（平均含量3.10%）；第三類曬煙，煙堿含量高（平均含量6.43%），總糖含量低（平均含量2.63%）。

根據(jù)口含煙對曬煙原料煙堿含量［7］和總糖含量［23］的要求，認(rèn)為第三類曬煙煙堿和總糖含量綜合指標(biāo)優(yōu)于其他兩類。因此，對第三類的51 份曬煙種質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步篩選。51 份曬煙種質(zhì)為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 曬煙種質(zhì)農(nóng)藝性狀的聚類分析

對第三類51 份曬煙種質(zhì)進(jìn)行農(nóng)藝性狀指標(biāo)的聚類分析，結(jié)果見圖3。圖3 表明，在歐式距離1.7時(shí)，將51 份曬煙種質(zhì)又分成3 類，第Ⅰ類有11 份，第Ⅱ類有28 份，第Ⅲ類有12 份。

圖3 51 份曬煙種質(zhì)的農(nóng)藝性狀指標(biāo)聚類分析樹狀圖Fig.3 Cluster analysis of agronomic traits of 51 sun-cured tobacco germplasms

根據(jù)表3，曬煙的農(nóng)藝性狀特征分別為：第Ⅰ類曬煙的株高和有效葉片數(shù)處于中間水平（但與第Ⅱ類曬煙的差異不大，平均株高僅相差4.18 cm，平均有效葉片數(shù)僅相差0.7 片），莖圍、葉面積最大，產(chǎn)量最高；第Ⅱ類曬煙的株高最高，有效葉片數(shù)最多，莖圍、葉面積以及產(chǎn)量處于中間水平；第Ⅲ類曬煙的曬煙煙株最矮，莖圍最小，有效葉片數(shù)最少，葉面積最小，產(chǎn)量最低?？梢?，第Ⅰ類曬煙種質(zhì)的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)最好，共 11 份種質(zhì)，分別為 S32、S65、S63、S48、S58、S61、S59、S36、S47、S43 和S29。

2.4 曬煙種質(zhì)煙堿、總糖含量和農(nóng)藝性狀指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)聚類分析結(jié)果，煙堿和總糖含量相對適宜且農(nóng)藝性狀指標(biāo)相對較好曬煙種質(zhì)共11 份。根據(jù)灰色系統(tǒng)理論及分析方法的要求［13］，11 份曬煙種質(zhì)的9 個(gè)性狀指標(biāo)組成灰色系統(tǒng)，這9 個(gè)性狀指標(biāo)編號為K1～K9 分別為煙堿含量、總糖含量、株高、莖圍、有效葉片數(shù)、上部葉面積、中部葉面積、下部葉面積和產(chǎn)量。其中K1 和K3～K9 這8 個(gè)指標(biāo)在適宜范圍內(nèi)越大越好，K2 在適宜的范圍內(nèi)越小越好［23］。因此，在構(gòu)造理想種質(zhì)時(shí)，將 K1 和K3～K9 的最大值作為參考值，K2 的最小值作為參考值。理想種質(zhì)命名為S0，理想種質(zhì)參考值及各曬煙種質(zhì)的指標(biāo)值如表4所示。采用初值化法，運(yùn)用公式（1）對理想種質(zhì)參考值及各曬煙種質(zhì)的指標(biāo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)的無量綱化處理，得到一系列（0，1）范圍內(nèi)的數(shù)值。根據(jù)公式（2）計(jì)算得到參考種質(zhì)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，根據(jù)公式（3）計(jì)算出各曬煙種質(zhì)的等權(quán)關(guān)聯(lián)度，根據(jù)公式（4）計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)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），求得權(quán)重后即可代入公式（5）求得各種質(zhì)的加權(quán)關(guān)聯(lián)度，見表5。

表3 不同類別曬煙種質(zhì)農(nóng)藝性狀特征Tab.3 Characteristics of agronomic traits of sun-cured tobacco germplasms in different categories

表4 11 份曬煙種質(zhì)評價(jià)指標(biāo)平均值及理想種質(zhì)參考值Tab.4 Average values of evaluation indexes of 11 sun-cured tobacco germplasms and reference values of ideal germplasm

表5 顯示，各曬煙種質(zhì)的等權(quán)關(guān)聯(lián)度的排序?yàn)镾32＞S65＞S63＞S58＞S48＞S61＞S36＞S47＞S43＞S59＞S29，加 權(quán) 關(guān) 聯(lián)度的排序依次為 S32＞S65＞S63＞S58＞S48＞S61＞S59＞S43＞S36＞S47＞S29。經(jīng)過 加 權(quán)后，有4 份種質(zhì)的關(guān)聯(lián)度排名發(fā)生變化，這4 份種質(zhì)分別為S59、S36、S47 和S43，但名次變化幅度不大，排在前6 位和最后1 位的種質(zhì)沒有發(fā)生變化。最終將11 份曬煙種質(zhì)的加權(quán)關(guān)聯(lián)度排名［13］作為評價(jià)結(jié)果，S32 的綜合性狀表現(xiàn)最好，其次是S65和S63，S29 的綜合性狀表現(xiàn)較差。

表5 11 份曬煙種質(zhì)的綜合評價(jià)Tab.5 Comprehensive evaluation of 11 sun-cured tobacco germplasms

3 結(jié)論

根據(jù)煙堿和總糖含量對88 份曬煙種質(zhì)進(jìn)行了聚類分析，在歐式距離為2.0 時(shí)將88 份曬煙種質(zhì)分為三大類。第一類曬煙煙堿和總糖含量的適宜性最差，有5 份種質(zhì)；第二類曬煙煙堿和總糖含量的適宜性次之，有32 份種質(zhì)；第三類曬煙的煙堿和總糖含量的適宜性最好，有51 份種質(zhì)。通過對煙堿和總糖含量相對適宜的51 份曬煙種質(zhì)農(nóng)藝性狀的聚類分析發(fā)現(xiàn)，在歐式距離為1.7 時(shí)可將51 份種質(zhì)分為3 類。第Ⅰ類農(nóng)藝性狀表現(xiàn)最優(yōu)，有11 份種質(zhì)；第Ⅱ類農(nóng)藝性狀居中，有28 份種質(zhì)；第Ⅲ類的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)最差，有12 份種質(zhì)。通過對第Ⅰ類11 份曬煙種質(zhì)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，得到11 份種質(zhì)的綜合評價(jià)結(jié)果排序依次為S32＞S65＞S63＞S58＞S48＞S61＞S36＞S47＞S43＞S59＞S29。因此，篩選出的用于除傳統(tǒng)卷煙外的其他煙草制品（口含煙）生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)曬煙種質(zhì)為S32，其次是S65 和S63。