基于響應(yīng)曲面模型優(yōu)化施硼方式提升烤煙上部葉質(zhì)量

陳相君，張永輝，郭仕平，夏 春，吳潤生，李 鑫，劉 雷，劉雅潔*，曾淑華*

（1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川成都 611130；2 四川省煙草公司瀘州市公司，四川瀘州 646600；3 四川省煙草公司，四川成都 610041）

烤煙的上部葉占煙葉產(chǎn)量的40%[1]，品質(zhì)僅次于中部葉。隨著國內(nèi)卷煙消費市場向細支煙、中支煙、短支煙轉(zhuǎn)變，對上部煙葉的需求增加。然而上部煙葉存在偏窄偏厚、組織結(jié)構(gòu)緊密、成熟度偏低，煙堿和總氮含量偏高、淀粉殘留過多，香氣風(fēng)格不突出、刺激性較大等問題[2–7]。因此提升上部煙葉質(zhì)量具有重要意義。

研究表明，加強微量營養(yǎng)調(diào)控是提高上部葉質(zhì)量的有效途徑[8–12]。其中硼是煙草生長發(fā)育中必需的元素之一，參與煙草的一系列代謝過程[13]。研究表明土壤有效硼含量與煙葉硼含量呈正相關(guān)[14]，土壤有效硼≤0.40 mg/kg時，煙葉就會出現(xiàn)缺硼現(xiàn)象[15]。前人研究表明增施硼肥對煙株生長和煙葉質(zhì)量具有提升作用[16–21]。瀘州是四川省的主要煙區(qū)之一，調(diào)查發(fā)現(xiàn)瀘州植煙土壤的有效硼含量為0.4 mg/kg左右，部分煙區(qū)<0.3 mg/kg。缺硼主要影響煙株的生長點和新生葉，煙株進入旺長期后對營養(yǎng)的需求大量增加，因此缺硼對中上部煙葉影響更大，而硼肥對上部煙葉品質(zhì)的影響鮮見報道。故研究硼肥基施量、噴施濃度和噴施時期對烤煙上部煙葉質(zhì)量的影響，篩選出最佳的硼肥施用措施，為缺硼煙區(qū)合理施用硼肥及提高上部煙葉質(zhì)量提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在瀘州市古藺縣大寨苗族鄉(xiāng)進行，供試土壤為黃壤，基本理化性質(zhì)：pH為5.03，有機質(zhì)41.67 g/kg，堿解氮 129.97 mg/kg，速效鉀 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 (硼含量處于低水平[22])，土壤交換性鈣1.37 g/kg，交換性鎂0.13 g/kg，有效鐵 14.13 g/kg。

1.2 供試材料和方法

供試烤煙品種為‘中川208’，硼砂(硼含量≥15%，四川麗隆添易農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn))。

試驗設(shè)置3個硼砂基施量：9、12、15 kg/hm2，3個硼砂噴施濃度：0.1%、0.25%、0.4%，和3個噴施時期：移栽后60、70、80天，采用Box-Behnken軟件設(shè)計共16個處理(表1)，對照不施用硼肥。小區(qū)面積為36 m2，每小區(qū)64株煙，株行距為50×120 cm。N、P2O5、K2O 施用量均為 127.65、219.75、337.95 kg/hm2，硼肥基肥于煙苗移栽時施入。在晴天下午5點之后對上部葉噴施不同濃度的硼肥，每株噴施 100 mL。

表1 依據(jù)Box-Behnken法設(shè)計的處理因素與水平Table 1 Treatment design at different factors and levels using the Box-Behnken method

1.3 分析測定方法

煙葉化學(xué)成分測定：烤后取每個小區(qū)上部煙葉1 kg，等級為B2F。將烤后的煙葉樣品置于烘箱中，在60℃下烘干后，研磨成粉，反復(fù)研磨后過0.25 mm篩，之后裝入塑封袋中密封保存。各項化學(xué)指標參照王瑞新[23]的方法測定，總糖的測定采用乙醇提取—蒽酮顯色法；還原糖的測定采用乙醇提取—DNS顯色法；總氮的測定采用凱式定氮法；煙堿的測定采用紫外分光光度法；鉀的測定采用火焰分光光度法；氯的測定采用硝酸銀容量法。

外觀質(zhì)量評價：按照GB 2635—1992[24]標準中顏色、成熟度、結(jié)構(gòu)、身份、油分、色度等指標量化分數(shù)進行評分。

感官質(zhì)量評價：各處理樣品制成的單料煙參照GB 5606.4—2005[25]評吸標準由評吸專家進行評吸評價。

煙葉綜合質(zhì)量評價：參照王彥亭等[26]的方法進行煙葉質(zhì)量的綜合評價。由于未進行物理特性評價，因此煙葉品質(zhì)值計算公式調(diào)整為：Y (煙葉品質(zhì)值)=(外觀質(zhì)量評價得分×15%+化學(xué)成分評價得分×25%+感官質(zhì)量評價得分×50%)×100/90。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2010整理數(shù)據(jù)，Design Expert 11.0進行響應(yīng)曲面分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施硼處理對上部煙葉化學(xué)成分的影響

由表2 可知，按上部葉各項化學(xué)指標百分制權(quán)重總氮0.109、還原糖0.125、煙堿0.159、鉀0.102、糖堿比0.184、氮堿比0.130、鉀氯比0.073、淀粉0.118計算，不同硼肥施用水平煙葉化學(xué)成分存在差異。其中處理13得分最高，協(xié)調(diào)性表現(xiàn)最好。硼肥處理中處理6得分最低，與處理13相比降低了10.32%。與處理6相比，處理13總氮含量增加2.96%，還原糖含量降低10.29%，淀粉含量降低5.78%，煙堿含量增加了2.49%。糖堿比、鉀氯比、氮堿比更趨于協(xié)調(diào)，提高了煙葉化學(xué)得分。各處理鉀含量均處于優(yōu)質(zhì)煙葉標準含量。各處理得分均高于對照，說明施用硼肥有效改善烤煙上部葉化學(xué)成分含量，化學(xué)得分顯著提升了0.17%～11.70%，使得化學(xué)成分更加協(xié)調(diào)，提高上部煙葉品質(zhì)。

表2 不同施硼水平的烤煙上部葉化學(xué)得分Table 2 Chemical scores of the upper leaves of flue-cured tobacco at different boron levels

2.2 不同施硼處理對上部煙葉外觀質(zhì)量的影響

不同硼肥施用水平對烤煙上部葉外觀質(zhì)量的影響如表3所示，其中處理6的外觀質(zhì)量得分最高，處理8的外觀質(zhì)量得分最低。各處理間外觀質(zhì)量得分無明顯差異。與對照相比，施用硼肥提升了上部葉的外觀結(jié)構(gòu)、油分和色度，對顏色、成熟度及身份方面沒有促進作用。施用硼肥對上部葉外觀得分沒有明顯提升。

表3 不同施硼水平的烤煙上部葉外觀得分Table 3 Appearance score of the upper leaves of flue-cured tobacco at different boron levels

2.3 不同施硼處理對上部煙葉感官質(zhì)量的影響

不同硼肥施用水平對烤煙上部煙葉感官質(zhì)量的影響如表4所示。處理11得分最高，硼肥處理中處理6得分最低。與處理6相比，處理11香氣質(zhì)、香氣量、柔和程度、細膩程度、圓潤感有所提升，雜氣明顯減少，余味刺激性、干燥感明顯降低。與對照相比，各個指標均有提升，感官質(zhì)量得分提升了2.96%～10.26%，表現(xiàn)為香氣質(zhì)、香氣量較足，煙氣細膩透發(fā)，吸食雜氣減少，口感較好。

表4 不同施硼水平的烤煙上部葉評吸得分Table 4 Evaluation scores of the upper leaves of flue-cured tobacco at different boron levels

2.4 不同施硼處理對上部煙葉綜合質(zhì)量的影響

通過對烤煙上部葉化學(xué)成分、外觀質(zhì)量及感官評析得分進行賦權(quán)，得到不同施硼水平對上部葉質(zhì)量的影響得分 (表5)。其中處理11的得分最高，處理9的得分最低。各處理得分均高于對照，質(zhì)量比對照提升了2.04%～8.40%。隨著硼肥施用量增加，烤煙上部葉片的化學(xué)質(zhì)量及感官質(zhì)量得分均提升，外觀質(zhì)量得分無明顯提升。以硼肥基肥施用12 kg/hm2、噴施濃度為0.25%、施用時期為移栽后70天的綜合得分最高，為最佳處理。

表5 不同施硼水平的烤煙上部葉質(zhì)量得分Table 5 Quality scores of the upper flue-cured leaves as affected by boron levels

2.5 施硼效果的響應(yīng)曲面分析

2.5.1 響應(yīng)曲面模型及其準確性分析模型的準確性直接影響試驗的誤差以及最終結(jié)論。利用方差分析回歸方程中系數(shù)的顯著性可以判斷模型的準確性。響應(yīng)曲面模型的可信度及方差分析結(jié)果如下：模型決定系數(shù)R2＝0.98，校正決定系數(shù)R2adj＝0.95，說明本試驗響應(yīng)曲面優(yōu)化設(shè)計的模型擬合度高；可信數(shù)據(jù)/不可信數(shù)據(jù)=15.51>4 (即信噪比>4表示可信度較強[27])，標準差0.34，均值75.02，說明該模型能夠很好地模擬本試驗。

由表5中數(shù)據(jù)進行多元線性擬合，建立硼肥基施量(A)、噴施濃度(B)、噴施時期(C)的二次線性回歸擬合曲面模型，并對模型以及模型失擬項進行顯著性檢驗(表6），可得該模型的F值為32.20，P<0.0001。模型失擬項的P值大于0.05，表明模型統(tǒng)計學(xué)顯著，精確度高，模擬效果好，可以使用。

表6 回歸模型方差分析Table 6 Analysis of variance of the regression model

由表7可得該模型常數(shù)項極顯著，一次項A、C、互作項AB、二次項B2及C2顯著，二次項A2極顯著。以上部葉質(zhì)量得分為因變量，硼肥基施量、噴施濃度、噴施時期為因素，對本試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析擬合得到上部葉質(zhì)量的二次多項式回歸方程：Y=76.69+0.38A–0.29C–0.54AB–2.53A2–0.51B2–0.51C2。

表7 回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗Table 7 Significance test for the regression model coefficients

2.5.2 上部葉質(zhì)量的響應(yīng)曲面分析及優(yōu)化根據(jù)回歸方程做出響應(yīng)曲面和等高線，考察擬合響應(yīng)曲面的圖形，分析硼肥基施量、噴施濃度和噴施時期對烤煙上部葉質(zhì)量的影響(圖1)。3D響應(yīng)面圖能直觀反應(yīng)出各因素互相作用對響應(yīng)值的影響。

由圖1可以看出，烤煙上部葉質(zhì)量得分先隨著硼肥基施量和噴施濃度的增加而增加，在硼肥基施量12 kg/hm2，噴施濃度為0.25%時達到最大值77.14分。隨著硼肥基施量及噴施濃度的繼續(xù)增加，上部葉質(zhì)量得分逐漸下降。適當(dāng)增加硼肥基施量和噴施濃度有利于提高烤煙上部葉質(zhì)量，其中兩者交互作用顯著。由于硼肥噴施時期為非數(shù)值因素，所代表的水平只能取整數(shù)。用響應(yīng)面分析法分析得出含有小數(shù)的結(jié)果，以實際情況為準，代表水平取其靠近的真實值。硼肥基施量與噴施時期、噴施濃度與噴施時期交互作用不顯著。但是可以得出在同一噴施時期，隨著硼肥基施量的增加，上部葉質(zhì)量逐步提升且達到最大值。然而隨著噴施濃度增加，上部葉質(zhì)量得分變化不明顯。

本試驗經(jīng)過 Design Expert 11.0軟件優(yōu)化分析，得到最佳硼肥施用方案，基施量12.20 kg/hm2、噴施濃度0.26%、噴施時期移栽后67.24天，葉質(zhì)量得分為76.74。

由Design Expert軟件優(yōu)化可得，對應(yīng)試驗值硼肥基施量12.20 kg/hm2、噴施濃度為0.26%、噴施時期為移栽后67天時，此時上部葉質(zhì)量得分為76.74。說明在此水平下施用硼肥，上部煙葉質(zhì)量表現(xiàn)最佳。

3 討論

增施硼肥可以提高烤煙質(zhì)量，這與前人[16–18]研究結(jié)果一致。其中化學(xué)成分方面，聶新柏等[17]認為增施硼肥后煙葉中還原糖含量提高，煙堿、總氮含量下降。韓冰等[28]認為硼肥處理的煙株煙堿、還原糖增加，氯離子降低。施用硼肥使烤煙上部葉化學(xué)成分更協(xié)調(diào)，提高煙葉內(nèi)在品質(zhì)。齊永杰等[29]認為施用硼肥有利于提高烤煙上部葉感官質(zhì)量。李嬌嬌等[30]認為適當(dāng)增施硼肥有利于烤煙中部葉身份、色度、油分的改善，但對葉片結(jié)構(gòu)影響不大。本試驗結(jié)果表明增施硼肥后煙葉中淀粉、總氮含量降低，使得上部葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)，提高煙葉內(nèi)在品質(zhì)。感官評析口感較好，香氣質(zhì)、香氣量較足。施用硼肥后有利于上部葉后期落黃成熟，但烤煙外觀質(zhì)量得分沒有明顯提升，可能是成熟后期當(dāng)?shù)夭焕臍夂驐l件所致。

響應(yīng)曲面在試驗條件優(yōu)化中可以連續(xù)的對試驗條件的各個水平進行分析，克服了正交試驗對一個個試驗點分析。本試驗設(shè)計中先給出獨立的試驗點，目的是通過響應(yīng)曲面分析擬合的回歸方程及響應(yīng)曲面圖形確定最佳優(yōu)化條件。因此利用Box-Behnken進行3因素3水平試驗設(shè)計硼肥施用水平的方案，以烤煙上部葉質(zhì)量為響應(yīng)值，擬合響應(yīng)曲面模型。其中以硼肥基施量12 kg/hm2，噴施濃度為0.25%，噴施時期為移栽后70天為最佳處理。在此處理水平下，雜氣減少，柔和細膩程度都有所增加。方差分析結(jié)果顯示，擬合模型顯著，可用于試驗分析預(yù)測。通過響應(yīng)曲面優(yōu)化分析得到瀘州地區(qū)硼肥最佳施用方案為，硼肥基施量12.20 kg/hm2、噴施濃度為0.26%、噴施時期為移栽后67天。利用Box-Benhnken法優(yōu)化了試驗方案，減少試驗工作量，是一種可行的試驗設(shè)計方法。

4 結(jié)論

在缺硼土壤上，施硼能使烤煙化學(xué)成分更加協(xié)調(diào)，感官質(zhì)量有所提高，葉片結(jié)構(gòu)、顏色等方面有所提升，綜合質(zhì)量明顯提高，因此施用硼肥是提高烤煙質(zhì)量的有效方式。通過響應(yīng)曲面法優(yōu)化得到的最佳硼肥施用措施為：基施12.20 kg/hm2配合在移栽后67天噴施0.26%的硼肥。