豫中烤烟种植区烟叶水溶性总糖和还原糖的空间变异性研究

陈海生, 林高印

(浙江同济科技职业学院, 浙江 杭州 311231)

豫中烤烟种植区烟叶水溶性总糖和还原糖的空间变异性研究

陈海生, 林高印*

(浙江同济科技职业学院, 浙江 杭州 311231)

在地统计和GIS的支持下，以半方差函数为工具，研究了豫中烤烟种植区烟叶水溶性总糖和还原糖含量的空间变异性特征。运用普通克立格法进行最优无偏线性插值，制作了研究区内烟叶水溶性总糖、还原糖含量的空间分布图。豫中烤烟种植区烟叶水溶性总糖和还原糖含量都符合指数模型，自相关距离分别为39 600 和20 400 m，半方差变异函数的C0/(C0+C)分别为0.159和0.202，空间变异主要受结构性因素影响。 豫中烤烟种植区烤烟中水溶性总糖含量的平均值为23.818 %，变化范围为15.280 % ～ 32.350 %,豫中烤烟种植区烤烟还原糖含量的平均值为20.885 %,变化范围为13.400 % ～ 30.200 %。都呈从东到西逐渐升高的趋势。豫中烤烟种植区烟叶总糖和还原糖含量处于适宜范围内。其空间变异性主要受制于地理经纬度和土壤质地等结构性因素的影响，而受人类活动等随机性的影响较少。

GIS；空间变异性；总糖；还原糖

烟叶是卷烟工业的原料基础，其质量优劣直接影响着卷烟产品的品质。烟叶质量包括外观质量、物理特性、化学成分、感官质量以及安全性，其中化学成分是评价烤烟品质的主要指标[1]。烟叶化学成分中的总糖还原糖可以消除蛋白质燃烧的不良气味，与烟碱、总氮等化合物一起决定烟叶的吸味和刺激性，对烟叶质量起到平衡作用[2-3]。烟草中的水溶性总糖和还原糖对烟叶品质具有重要影响，烟叶中水溶性总糖和还原糖的含量被认为是体现烟草优良品质的指标。烟草中单糖、二糖和其他低聚糖均具有水溶性，而且这些水溶性糖对烟草品质的影响又基本相同，因此在检测时常常用相同的方法提取，测定其总量，称为水溶性总糖。主要包括葡萄糖、果糖和蔗糖、麦芽糖等二糖，以及低聚糖的棉子糖等。还原糖在卷烟吸燃时可以热解形成多种香气物质，是影响烟气醇和性的主要因素。我国烟叶普遍存在烟叶含糖量过高或过低而使叶片化学成分失衡的问题,因此,改善烟叶含糖量对提高我国烟叶质量具有重要的意义[4]。以往的研究多集中在烟叶水溶性总糖和还原糖对烟叶质量的影响方面。.而进行一个区域范围内烟叶水溶性总糖和还原糖含量分布的空间变异性方面的研究则并不多见[5]。豫中烟区(许昌、平顶山、漯河)位于河南省中部，地处北亚热带与暖温带气候的过渡地带，该区地貌为豫西山地向黄淮平原的过渡带,自西向东渐低。土壤类型多为褐土、潮土, 烤烟常年种植面积为3.67×105hm2,为河南省植烟面积最大产区。该地区是我国烤烟种植的发源地之一，自1913年英美烟草公司在许昌试种烤烟成功后，烤烟生产一直是豫中地区优势的传统产业，无论是种烟面积、收购量还是生产水平，该烟区都曾居全国领先水平，被誉为“烟叶王国”。该地区的纬度与美国的北卡州相近，光、热、水、温资源适中，绝大部分地区适宜种植烟叶。且灌溉条件较好，80 %以上的烟田能做到旱涝保收。其烟叶质量以色泽鲜亮、油分充足、香味浓郁、配伍性强而闻名中外，被誉为浓香型烟叶的典型代表，有着较大的市场需求潜力[6]。探索该烟区烟叶质量的空间分布特点和变异特性，有利于作物的合理布局和烟叶品质的提高。本研究利用地统计学和GIS相结合的方法，探讨河南豫中烟草种植区烟叶总糖和还原糖含量的空间异质性特征，以期为实现精确田间栽培管理、提高该烟区烤烟品质提供依据。

1 材料与方法

1.1 采样方法

2011年2月下旬至4月上旬对研究区内烟叶样品进行采集。取样点根据基本烟田分布情况进行布置，遵循均匀性、代表性的原则。平原区每 33.3km采集1个烟样，低山丘陵烟区每20.00 km采集1个烟样。选取当地烤烟主栽品种, 定中位叶取样。每个样品取1 kg, 用于叶片总糖和还原糖含量测定[1]。田间取样时，用手持式 GPS 定位，记录采样点的经纬度和高程。共采集烟样1259个(图1)。烟样烘干、粉碎, 过 60 目筛备用。

图1 豫中烟区烟叶采样点分布Fig.1 Sampling points distribution

1.2 测定方法

按照行业标准 YC/T159-2002, 并参考文献[1]进行, 检测数据都换算成百分率。

1.3 数据处理方法

地统计学方法：利用半方差函数的相关参数对研究区烟叶总糖和还原糖含量进行空间结构分析[7-11]。软件平台：①SPSS10.0:描述性统计分析；②GS+5.3：半方差函数分析；③ArcGIS: 数字化地图、Kriging插值。

2 结果与分析

2.1 豫中烤烟种植区烟叶总糖和还原糖含量的描述性统计

烤烟烟叶中总糖含量平均值23.817 %，低于云南玉溪的27.54 %、贵州福泉的25.68 %、广西玉林的32.20 %、广东梅县的28.79 %；烤烟烟叶中还原糖含量平均值为20.8848 %，低于云南玉溪的22.09 %、贵州福泉的23.75 %、广西玉林的24.68 %、广东梅县的25.68 %，更低于津巴布韦的26.27 %。但高于巴西的19 %(表1)。

由于特异值的存在会造成变量连续表面的中断，影响变量的分布特征，因此本文采用域法识别特异值，即样本平均值a加，减3倍标准差S，在区间[a-3S，a+3S]以外的数据均定为特异值，然后分别用正常的最大值和最小值代替特异值和用SPSS10.0对土壤养分分别进行了Kolmogorov-Smironov检验。

表1 豫中烤烟种植区烟叶总糖和还原糖含量描述性统计

表2 豫中烤烟种植区烟叶总糖与还原糖含量的半方差模型及其参数值

结果表明，豫中烤烟种植区烟叶中总糖和还原糖含量均为正态分布；根据变异系数的大小可粗略的估计变量的变异程度，变异系数小于10 %为弱变异性。变异系数在10 %～100 %为中等变异性。变异系数大于100 %的为强变异系数。豫中烤烟种植区烟叶中总糖和还原糖含量的变异系数分别为17.54 %、16.65 %，都为中等变异性。

2.3 半方差函数的结构分析

半方差函数模型及参数的选取原则见有关参考文献[ 12]。 根据各个样点各项指标的数据，计算出实际半方差函数的值γ (h)，绘制实际半方差函数曲线，然后选择几个(各向同性)模型分别进行拟合，从中选出最优的半方差函数理论模型。

在地统计学中，半方差函数的计算要求数据符合正态分布或近似正态分布，否则可能存在比例效应，本例利用K-S软件对数据的正态分布进行了检验，并在GS+地统计学软件中对不符合正态分布的数据进行对数转换，使其符合正态分布。

表中C0表示块内方差，C1表示结构方差，Range 为自相关距，C0/(C0+C)表示空间异质性程度。如果C0/(C0+C)小于25 %，表现为强空间相关性；在25 %～75 %，空间相关性中等；大于75 %，空间相关性很弱；若比值接近于1，说明在整个尺度上具有恒定的变异[9-11]。

从表2可以看出，豫中烤烟种植区烟叶中总糖和还原糖含量均符合指数模型，决定系数分别为0.575和0.630，说明模型拟合程度较好，块金值/基台值分别为0.159和0.202，比值较小，说明其空间变异受结构性的因素影响较大。结构性因素，如气侯、母质、地形、土壤类型自然因素等会导致烟叶品质强的空间相关性，而随机性因素如施肥、耕作措施、种植制度等各种人为活动使得烟叶品质的空间相关性减弱，朝均一化方向发展[9-12]。

变程表示土壤养分因子在某一区域内空间自相关范围的大小，它与观测尺度以及在取样尺度上影响土壤养分因子含量的各种生态过程、人为因素、自然条件等作用都有关。在变程之内具有空间相关性，在变程之外则不存在这种相关性。所以，变程提供了研究某种属性相似范围的一种测度。豫中烤烟种植区烟叶水溶性总糖含量的变程是39 600 m, 原糖含量的变程为20 400 m。

半方差的双对数曲线具有良好的线性相关，这可以通过由双对数半方差图所计算的分形维数D和决定系数R2来比较各土壤养分因素含量的空间分布格局。D的几何意义是空间相关性(空间异质性)程度的变量，R2是用来说明这个模型对被研究对象的解释，D越小，被研究对象的空间相关程度越高。豫中烤烟种植区烟叶水溶性总糖含量的分形维数D为1.954，决定系数0.621，而烟叶还原性总糖含量的分形维数为期1.985，决定为0.616。

2.3 豫中烤烟种植区烟叶总糖和还原糖含量分布

普通Kriging法是利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点，对未采样点的区域化变量的取值进行线性无偏最优估计的一种方法。Krigin插值图是此法在空间布局估计中的重要应用[13]。

根据所得到的半方差函数模型，应用普通克金格法(ordinary-kriging)进行最优内插绘制了豫中烤烟种植区烟叶总糖、还原糖含量的插值分布图(图1～2)。

豫中烤烟种植区烤烟中总糖含量的平均值为23.8179 %，呈从东南到西北逐渐升高的趋势，大于26.81 %的高值区分布于西部占研究区总面积的13.72 %，小于19.45 %的低值区分布于东南部的一小部分地区，这部分面积最小占研究区总面积的4.37 %，烟叶中总糖含量为19.45 %～24.36 %的中值区分布于南部，北部以及中部地区，这部分面积最大占研究区总面积的52.76 %，烟叶中总糖含量为24.36 %～26.81 %，分布于中西部地区，占研究区总面积的29.15 %。

图1 豫中烤烟种植区烟叶总糖含量的空间分布Fig.1 Spatial distribution of total sugar in tobacco leaves in tobacco planting fields in central Henan province

图2 豫中烤烟种植区烟叶还原糖含量的空间分布Fig.2 Spatial distribution of reducible sugar in tobacco leaves in tobacco planting fields in central Henan province

豫中烤烟种植区烤烟中还原糖含量的平均值为20.8848 %。呈从东南到西北逐渐升高的趋势，大于23.54 %的高值区分布于西部占研究区总面积的12.17 %，小于17.20 %的低值区分布于东南部的一小部分地区，这部分面积最小占研究区总面积的6.99 %，烟叶中还原糖含量为17.20 %～21.43 %的中值区分布于南部，北部以及中部地区，这部分面积最大占研究区总面积的48.97 %，烟叶中还原糖含量为21.43 %～23.54 %分布于中西部地区，占研究区总面积的31.87 %。

3 讨 论

还原糖和总糖是影响烟草吃味的主要化学成分。在一定范围内，糖含量高，烟叶品质好，但是，糖含量过高，对烟质也不利。因此，在生产中，要及时对其进行调控。由于影响烤烟含量的因素较多，因此在调控糖含量时，应首先选择适宜烤烟生长的地区种植：适宜的温度，充足的光照，充分的降水和适合的海拔高度。就一个地区而言，应针对其存在的实际土壤情况(土壤类型、土壤水分、土壤养分以及土壤酸碱性)，积极研究和探讨合适的栽培措施，就有可能生产出糖类含量适宜、化学成分较协调的烤烟。

4 结 论

(1)豫中烤烟种植区烟叶总糖和还原糖含量都服从正态分布，总糖、还原糖含量的变异系数分别为17.54 %和16.65 %。

(2)豫中烤烟种植区烟叶中总糖和还原糖含量都符合指数模型。块金值/基台值分别为0.159和0.201，比值较小，说明其的空间变异受结构性的因素影响较大。

(3)利用Kriging最优内插法绘制了豫中烤烟种植区烟叶总糖还原糖含量的等值线图，可更准确和直观地了解研究区的土壤养分与烟叶品质的相关关系，从而为精确施肥提供依据。

(4)一般以烤烟烟叶水性糖含量20 %～16 %，还原糖含量16 %～22 %为适宜。豫中烤烟种植区烤烟中总糖含量的平均值为23.8179 %，变化范围为15.280 %～32.350 %，豫中烤烟种植区烤烟还原糖含量的平均值为20.8848 %,变化范围为13.400 %～30.200 %。都呈从东到西逐渐升高的趋势。从总体看，豫中烤烟种植区烟叶总糖和还原糖含量还是处于适宜范围内的。

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(责任编辑 陈 虹)

SpatialVariabilityofConcentrationofLeafSolubleTotalSugarandReducingSugarofFlue-curedTobaccoinTobaccoPlantingRegionsinCentralHenanProvince

CHEN Hai-sheng, LIN Gao-yin*
(Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology, Zhejiang Hangzhou 311233, China)

Geostatistics and geographic information system(GIS) were applied to study the spatial variability of concentration of leaf soluble total sugar and reducing sugar of flue-cured tobacco in tobacco planting regions in central Henan province by analysis of isotropic variogram. The maps generated by ordinary kriging also distinctly revealed that the distribution of soluble total sugar and reducing sugar in flue-cured tobacco leaves in the study regions. The result showed that the concentration of soluble total sugar and reducing sugar in flue-cured tobacco leaves in the study regions were well described with gaussian model，with the distance of spatial dependence being 39 600 and 20 400 m, respectively and strongly spatial dependence with C0/sill being 0.159 and 0.202，which were mainly induced by structure factors. The mean of concentration of soluble total sugar in the study regions was 23.818 %，varying from 15.280 %-32.350 %.The mean of concentration of reducing sugar in the study regions was 20.885 %，varying from 13.400 %-30.200 %.The concentration of soluble total sugar and reducing sugar were increasing from east to west in this regions.The concentration of soluble total sugar and reducing sugar in flue-cured tobacco leaves in central Henan province was in the appropriate range. The spatial variation was mainly caused by structure factors such as geographical position and soil texture.

GIS; Spatial variability; Soluble total sugar; Reducing sugar

1001-4829(2017)3-0565-04

10.16213/j.cnki.scjas.2017.3.014

S572

A

2016-01-20

国家烟草专卖局重点资助项目

陈海生(1965-)，男，浙江临海人，教授，博士后，研究方向为地理信息系统，E-mail:haishch@126.com，*为通讯作者：林高印(1964-)，男，浙江玉环人，高级工程师，工程地质硕士，主要从事水利水电工程地质及水利水电应用软件开发研究，E-mail:1055854474@qq.com。