湖南南嶺丘陵生態(tài)區(qū)烤煙物理指標(biāo)特征及分區(qū)研究

潘若瑜，唐春平，湯 婷，王儀敏，李 強(qiáng)，付品山，劉曉穎

（1.湖南煙葉復(fù)烤有限公司郴州復(fù)烤廠，湖南 郴州 423000；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

煙葉的物理性狀是指煙葉的外部形態(tài)和物理性能，主要包括含梗率、葉片厚度、葉質(zhì)重、葉片密度、平衡含水率等[1]。它與煙葉質(zhì)量、加工性能、可用性及煙氣成分緊密相關(guān)，是煙葉質(zhì)量的重要構(gòu)成因素，也是衡量復(fù)烤品質(zhì)的重要指標(biāo)[2-4]。打葉復(fù)烤加工是卷煙生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其加工后的片煙結(jié)構(gòu)與卷煙煙絲結(jié)構(gòu)和質(zhì)量均密切相關(guān)[5-6]。煙葉的外觀形態(tài)及內(nèi)在品質(zhì)經(jīng)打葉復(fù)烤各工序后均會(huì)發(fā)生變化，并且打葉復(fù)烤后的煙葉質(zhì)量對(duì)卷煙品質(zhì)也有重要影響[7-9]。衛(wèi)盼盼等[10]研究了煙葉物理特性與打葉風(fēng)分工藝參數(shù)的關(guān)系得出：煙葉的溫度、含水率、寬度、厚度和拉力均會(huì)影響到打葉風(fēng)分工藝參數(shù)的設(shè)定。羅海燕等[11]研究得出，煙葉的出片率在一定范圍內(nèi)隨著打葉前的煙葉含水率和溫度的升高而升高，但是若超過(guò)一定范圍則會(huì)增加葉中含梗率。史雙雙等[12]研究發(fā)現(xiàn)：葉長(zhǎng)、抗張力、平衡含水率、厚度、含梗率與煙葉出片率均呈顯著相關(guān)關(guān)系；葉長(zhǎng)是影響煙葉出片率的最主要決策因素，厚度則是影響煙葉出片率的最主要限制因素。還有研究認(rèn)為，煙葉的物理指標(biāo)將不同程度地影響打葉復(fù)烤的出片率[12]。筆者在郴州市、永州市、衡陽(yáng)市、長(zhǎng)沙市和邵陽(yáng)市5市的16個(gè)縣采集了35個(gè)典型生態(tài)點(diǎn)的初烤C3F等級(jí)煙葉樣品，深入比較了不同煙區(qū)煙葉物理性狀均值的差異，利用多元統(tǒng)計(jì)分析和模糊C均值聚類相結(jié)合的方法根據(jù)煙葉物理性狀特征對(duì)湖南南嶺丘陵生態(tài)區(qū)進(jìn)行分區(qū)探索，以期為復(fù)烤企業(yè)采取差異化的工藝加工區(qū)域內(nèi)不同物理指標(biāo)分區(qū)的煙葉、提高煙葉出片率提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

依據(jù)湖南南嶺丘陵烤煙主產(chǎn)區(qū)生態(tài)特點(diǎn)，于2018年分別在郴州市、永州市、衡陽(yáng)市、長(zhǎng)沙市和邵陽(yáng)市5市的16個(gè)縣采集了35個(gè)典型生態(tài)點(diǎn)的初烤C3F等級(jí)煙葉樣品，每個(gè)樣品取樣量不少于3 kg，品種為該典型生態(tài)點(diǎn)種植面積最大的主栽品種，主要為K326、云煙87。在樣品采集的同時(shí)，記錄煙葉采樣點(diǎn)的栽培方式、海拔高度、經(jīng)度和緯度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 物理特性指標(biāo)檢測(cè)

煙葉物理特性指標(biāo)選取葉長(zhǎng)、葉寬、開片度、單葉重、含梗率、葉片厚度、葉質(zhì)重（單位葉面積重量）、葉片密度和平衡含水率等9項(xiàng)。依據(jù)《煙草物理檢測(cè)》[13]中的方法測(cè)定煙葉的葉長(zhǎng)（cm）、葉寬（cm）、單葉重（g）、含梗率（%）、葉質(zhì)重（g/m）、葉片厚度（μm）和葉片密度（mg/cm3）等，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T31—1996[14]測(cè)定平衡含水率（%），開片度（%）根據(jù)葉寬與葉長(zhǎng)的百分比計(jì)算。

1.3 數(shù)據(jù)分析

模糊C均值聚類（FCM）是一種采用隸屬度確定每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)屬于某個(gè)類別程度的非監(jiān)督聚類方法，在土壤、地形和遙感等數(shù)據(jù)的分類中運(yùn)用較多。聚類過(guò)程引入模糊性能指數(shù)（FPI）和歸一化分類熵（NCE）2項(xiàng)參數(shù)對(duì)管理分區(qū)數(shù)（模糊類別數(shù)）進(jìn)行定量化表達(dá)和聚類有效性檢驗(yàn)。分別可用公式（1）、（2）表示。

FPI數(shù)值在0到1之間。FPI越小，表示聚類時(shí)共用數(shù)據(jù)越少，類別劃分越明顯，聚類效果越好。NCE越小則模糊C分區(qū)的分解量越大，分類效果越好。FPI和NCE同時(shí)達(dá)到最小值時(shí)的聚類數(shù)為最佳分類數(shù)。

模糊C均值聚類在Matlab軟件中完成，多元統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS 22.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖南南嶺丘陵生態(tài)區(qū)烤煙物理指標(biāo)基本統(tǒng)計(jì)特征

2.1.1 描述性統(tǒng)計(jì)表1和表2為5個(gè)市區(qū)煙葉物理性狀基本統(tǒng)計(jì)特征。從變異系數(shù)（表2）來(lái)看，各指標(biāo)變異系數(shù)按大小順序排列依次為平衡含水率＞葉片密度＞葉質(zhì)重＞單葉重＞葉片厚度＞葉寬＞開片度＞含梗率＞葉長(zhǎng)。由此可看出，葉長(zhǎng)和含梗率變異較小，均在10%以下，表明它們不易受外界生長(zhǎng)條件影響。平衡含水率、葉片密度和葉質(zhì)重變異較大，均在15%以上，特別是平衡含水率變異最大，表明它們?nèi)菀资芡饨鐥l件影響，穩(wěn)定性差。由峰度系數(shù)可以看出，平衡含水率、開片度和葉寬的峰度系數(shù)大于0，形成尖峭峰，其余各項(xiàng)指標(biāo)峰度系數(shù)均小于0，形成平闊峰，比較之下葉寬更接近正態(tài)峰。由偏斜度系數(shù)可以看出，葉長(zhǎng)、葉質(zhì)重和葉片密度偏斜度系數(shù)小于0，表現(xiàn)為負(fù)向的偏態(tài)分布，其余各指標(biāo)呈正向的偏態(tài)分布，其中單葉重更接近于正態(tài)。

表1 烤煙物理指標(biāo)基本統(tǒng)計(jì)特征（n=34）

表2 烤煙物理指標(biāo)觀測(cè)值間的變化情況

2.1.2 區(qū)域間差異由表3可知，不同地區(qū)間葉長(zhǎng)、葉寬、開片度、單葉重、含梗率、葉片厚度、葉質(zhì)重、葉片密度和平衡含水率均存在一定差異，各指標(biāo)數(shù)值最高的地區(qū)分別為長(zhǎng)沙、衡陽(yáng)、衡陽(yáng)、衡陽(yáng)、長(zhǎng)沙、郴州、衡陽(yáng)、衡陽(yáng)和衡陽(yáng)，數(shù)值最低的地區(qū)分別為永州、邵陽(yáng)、邵陽(yáng)、邵陽(yáng)、衡陽(yáng)、邵陽(yáng)、永州、永州和長(zhǎng)沙。

表3 地區(qū)間煙葉物理指標(biāo)基本統(tǒng)計(jì)特征

2.2 湖南南嶺丘陵生態(tài)區(qū)烤煙物理指標(biāo)相關(guān)性分析

從表4的相關(guān)系數(shù)可知，部分物理指標(biāo)間存在顯著或極顯著相關(guān)性。其中，葉長(zhǎng)與葉寬、單葉重極顯著正相關(guān)，與葉質(zhì)重顯著正相關(guān)；葉寬與開片度、單葉重極顯著正相關(guān)；開片度與單葉重極顯著正相關(guān)；單葉重與含梗率顯著負(fù)相關(guān)，與葉質(zhì)量極顯著正相關(guān)；含梗率與葉質(zhì)重顯著負(fù)相關(guān)；葉片厚度與葉片密度極顯著負(fù)相關(guān)；葉質(zhì)重與葉片密度極顯著正相關(guān)；其他指標(biāo)之間相關(guān)性不顯著。從表4還可看出，單葉重與大多數(shù)指標(biāo)間的相關(guān)性顯著或極顯著，而平衡含水率與其他所有指標(biāo)的相關(guān)性均不顯著。

表4 湖南南嶺丘陵生態(tài)區(qū)烤煙物理指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

2.3 湖南南嶺丘陵生態(tài)區(qū)烤煙物理指標(biāo)分區(qū)

利用Matlab軟件對(duì)湖南南嶺丘陵生態(tài)區(qū)烤煙物理指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊C均值聚類分析，運(yùn)算參數(shù)設(shè)置如下：最大迭代次數(shù)為300，收斂閾值為0.000 1，模糊指數(shù)為1.30，最大分區(qū)數(shù)為6，最小分區(qū)數(shù)為2，NCE和FPI同時(shí)達(dá)到最小值時(shí)的分區(qū)數(shù)為最佳分區(qū)數(shù)（圖1）。圖1的NCE和FPI在分區(qū)數(shù)為4個(gè)時(shí)都同時(shí)達(dá)到最小值，表明該研究區(qū)的最佳分區(qū)數(shù)為4個(gè)。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)隨分區(qū)數(shù)的變化

各分區(qū)所包括的鄉(xiāng)鎮(zhèn)如表5所示，進(jìn)一步對(duì)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以分區(qū)為單位對(duì)烤煙各物理指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表6所示。9項(xiàng)指標(biāo)中的葉片厚度、葉質(zhì)重和葉片密度3項(xiàng)在分區(qū)間差異達(dá)極顯著水平，表明分區(qū)合理有效。第一分區(qū)的煙葉特點(diǎn)是：開片度較好，葉片厚，葉質(zhì)重較大；第二分區(qū)的煙葉特點(diǎn)是：開片度好，單葉重大，葉質(zhì)重大，葉片密度大，平衡含水率較高；第三分區(qū)的煙葉特點(diǎn)是：含梗率較高，平衡含水率高；第四分區(qū)的煙葉特點(diǎn)是：?jiǎn)稳~重小，含梗率高，葉片較厚，葉質(zhì)重小，葉片密度小，平衡含水率低。

表5 各分區(qū)所包括鄉(xiāng)鎮(zhèn)及煙葉物理指標(biāo)特點(diǎn)

表6 烤煙物理指標(biāo)分區(qū)統(tǒng)計(jì)和多重比較

3 結(jié)論與討論

在烘烤過(guò)程中，煙葉物理指標(biāo)與打葉復(fù)烤的出片率密切相關(guān)，試驗(yàn)利用多元統(tǒng)計(jì)分析和模糊C均值聚類相結(jié)合的方法對(duì)湖南南嶺丘陵生態(tài)區(qū)根據(jù)煙葉物理性狀特征進(jìn)行了分區(qū)探索，將其劃分為4個(gè)分區(qū)。第一分區(qū)的煙葉特點(diǎn)為開片度較好、葉片厚、葉質(zhì)重較大；第二分區(qū)的煙葉特點(diǎn)為開片度好、單葉重大、葉質(zhì)重大、葉片密度大、平衡含水率較高；第三分區(qū)的煙葉特點(diǎn)為含梗率較高、平衡含水率高；第四分區(qū)的煙葉特點(diǎn)為單葉重小、含梗率高、葉片較厚、葉質(zhì)重小、葉片密度小、平衡含水率低。

湖南南嶺丘陵生態(tài)區(qū)地形地貌復(fù)雜，海拔落差較大，形成包含完整縣域行政區(qū)域的有效分區(qū)較難實(shí)現(xiàn)，因而在此次分區(qū)過(guò)程中，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位進(jìn)行分區(qū)，雖分區(qū)的工作量加大，但對(duì)提高烘烤過(guò)程中打葉復(fù)烤的出片率具有一定的意義。