基于一次性施肥的烤煙協調性預測模型構建
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摘 要：為研究清鎮煙區烤煙在一次性施肥條件下常規化學成分的協調性，分析煙區2013—2015年采集煙葉樣品的煙堿（x1）、總糖（x2）、還原糖（x3）、總氮（x4）、Cl（x5）、K（x6）、蛋白質（x7）等7項數據，應用多元線性回歸構建烤煙協調性的預測模型。結果表明：（1）方差膨脹因子（VIF）值在3.77～13.6之間，說明7項常規化學成分存在多重共線性;（2）部分常規化學成分與施木克值（y1）、兩糖比（y2）、氮堿比（y3）、糖堿比（y4）、鉀氯比（y5）之間存在極顯著相關關系，說明以主成分分析方法建立化學成分（xi）與協調性（yi）的多元線性回歸模型是合理的;（3）通過對常規化學成分（xi）做主成分分析，提出3個主成分（Z1、Z2、Z3）并計算出得分，共包含了總體信息量的83.26%，采用逐步回歸分析擬合的最優模型分別為y1=4.298+0.479Z1-0.437Z2+0.118Z3、y2=0.829+0.042Z2、y3=0.787+0.123Z1-0.067Z2+0.041Z3、y4=12.123+2.68Z1+1.357Z2-1.046Z3、y5=7.427-1.959Z3+0.781Z1，調整R2在52.3%～94.6%之間，且回歸系數與回歸方程均能通過顯著性檢驗（P<0.01），說明通過本研究擬合的回歸模型不僅可用于預測烤煙協調性，還能為進一步探索烤煙化學成分與烤煙協調性之間的關系提供參考。
關鍵詞：一次性施肥;烤煙;化學成分;烤煙協調性;相關分析;主成分分析
中圖分類號：S572 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.05.013
Model for Predicting Coordination of Flue-cured Tobacco Based on Single Basal Fertilization
WEI Guangyu1， HU Yong1， PENG You2， WU Yongqin1， CHEN Yongsheng1， ZHOU Nan3
（1.Guiyang Tobacco Company，Guizhou Province，Guiyang， Guizhou 550000， China;2.Zunyi Tobacco Company， Guizhou Province， Zunyi， Guizhou 563000， China; 3.Agricultural College， Guizhou University， Guiyang， Guizhou 550000， China）
Abstract： In order to research the coordination of single basal fertilization in flue-cured tobacco leaves in Qingzhen City， the data of nicotine， total sugar， reducing sugar， total nitrogen， Cl， K and protein of tobacco leaf samples collected from 2013 to 2015 in tobacco growing areas were analyzed， a prediction model for the coordination of conventional chemical components in flue-cured tobacco was established by multiple linear regression. The results showed that：（1）the variance inflation factor （VIF） value between 3.77～13.6， showing that the existence of multicollinearity was among seven chemical indicators; （2）while there was significant relationship between part of the chemical composition and the Shmuck value（y1）， two sugar ratio （y2）， nitrogen alkali ratio （y3），sugar alkali ratio （y4） and potassium chloride ratio （y5）.This indicated it was reasonable that applying principal component analysis method to establish the multiple linear regression model of the chemical composition（xi） and the coordination of（yi） of flue-cured tobacco; （3）in principal component analysis of flue-cured tobacco （xi）， the three main components （Z1，Z2，Z3） and calculate the score， containing a total of 83.26% of the total amount of information. Applying stepwise regression analysis to find the best models were below： y1=4.298+0.479Z1-0.437Z2+0.118Z3， y2=0.829+0.042Z2， y3=0.787+0.123Z1-0.067Z2+0.041Z3， y4=12.123+2.68Z1+1.357Z2-1.046Z3， y5=7.427-1.959Z3+0.781Z1.R2 adjusted between 52.3%～94.6%. And the regression coefficient and regression equation could pass the significance test （P<0.01）. This study showed that regression model fitting flue-cured tobacco not only used to predict coordination， but also to provide a reference for further exploration of the relationship between principal component analysis and coordination of flue-cured tobacco. Key words： single basal fertilization; flue-cured tobacco; chemical components; coordination of flue-cured tobacco; related analysis; principal component analysis
烤煙是我國的重要經濟作物，種植面積大，適應性強，其葉片被加工成卷煙制品，供人吸食[1]?？緹熁瘜W成分含量不僅是衡量煙葉品質的重要指標，還能決定煙葉的感官特性[2]，對其客觀規律的認識是烤煙生命科學不可分割的內容[3]?？緹熁瘜W成分及其協調性在不同程度上影響著煙葉的物理特性[3-4]?？緹焻f調性是煙葉內各類物質形成某種香味風格的平衡點，篩選與烤煙協調性關系密切的化學成分尤為重要，肖雅等[5]通過聚類分析將云南烤煙化學成分劃分為4類，但并沒有對全國各地烤煙化學質量作出綜合評價。要科學地評價煙葉品質，必須對煙草化學成分及其協調性進行深入研究。為改善煙葉化學成分的協調性，提高煙葉品質，促進經濟效益，滿足工業需求，筆者對清鎮煙區2013—2015年烤煙化學成分與烤煙協調性構建預測模型，旨在為煙草農業與卷煙工業提供參考依據。
1 材料和方法
1.1 試驗基本情況
本試驗于2013—2015年在貴州省清鎮市進行。該區位于黔中腹地（東經106°07′～106°32′，北緯26°25′～26°56′），地勢南高北低，海拔1 100 m，屬北亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫14.1 ℃，年降雨量1 180.9 mm，水熱資源豐富。
供試土壤為當地具有較強代表性的砂巖黃壤，土壤肥力指標如下：pH值 6.57，有機質35.21 g·kg-1，全氮含量2.12 g·kg-1，堿解氮含量128 mg·kg-1，有效磷含量36.3 mg·kg-1，速效鉀含量193 mg·kg-1，有效銅含量1.99 mg·kg-1，有效硼含量0.15 mg·kg-1，氯離子含量6.38 mg·kg-1。供試品種為云煙87，在烤煙達到成熟時采收（堅持不成熟不采收原則），選擇大田長勢均勻、長相整齊的煙作為烘烤試驗材料，選擇成熟度和煙葉大小相對一致的煙葉以掛桿烘烤的方式裝入烤房。
1.2 試驗設計
1.2.1 一次性施肥標準 煙草專用基肥（N∶P2O5∶K2O=9∶10∶27）814.5 kg·hm-2;煙草專用追肥（N∶P2O5∶K2O =13∶0∶26）243.45 kg·hm-2;商品有機肥（有機質質量分數≥45）750 kg·hm-2;發酵油枯225 kg·hm-2。
1.2.2 施肥方法 在烤煙起壟時，一次性將煙草專用基肥、煙草專用追肥、有機肥及發酵油枯同時施下。一次性施肥和地膜覆蓋相結合。其他烤煙生產環節按正常體系進行。
1.3 測定項目與方法
煙堿采用連續流動區測定[6]、總糖和還原糖依據《YC/T159-2002》測定[7]、總氮根據YC/T161-2002測定[8]、Cl根據YC/T162-2002測定[9]、K根據YC/T173-2003測定[10]、蛋白質根據YC/T 166-2003測定[11]。
1.4 根據化學成分鑒定烤煙的協調性
蘇聯煙草化學家施木克提出了水溶性總糖與蛋白質之比是判定烤煙品質的重要指標，施木克值越高，表明卷煙品質越好[12];也有相關研究表明，施木克值并非越高越好，水溶性總糖與蛋白質含量都應保持在一個各自適宜的范圍才有利于提升煙葉品質[13]。鉀、氯含量是影響卷煙燃燒性的重要因素;Mulchi[14]研究表明，氯含量高卷煙燃燒速率慢，鉀含量高則卷煙燃燒速率快，鉀氯比可作為煙葉燃燒性的質量指標，比值越大，其燃燒性就越好，但并非越大越好，必須保持在適宜的范圍才有利于卷煙燃吸。有研究表明，煙葉燃燒時熱解成酸性與堿性物質的協調性是影響烤煙吃味的重要因素[15];常用糖堿比衡量煙葉吃味的和諧性，若比值較高，煙味溫和，勁頭小;若比值較低，勁頭大，苦味重[16]。氮堿比是衡量烤煙內在品質的指標，質量好的煙葉，比值通?！?，所以煙葉化學成分可作為鑒定煙葉品質的重要指標，一般認為優質烤煙以施木克值在2～2.5之間，糖堿比在8～12之間，氮堿比<1，兩糖比>0.9，鉀氯比>4為宜[17]。
1.5 烤煙協調性多元回歸線性模型構建
設烤煙化學成分為自變量xi={x1，x2，…，xn}共計7個，分別為煙堿（x1）、總糖（x2）、還原糖（x3）、總氮（x4）、Cl（x5）、K（x6）、蛋白質（x7），以烤煙協調性為因變量yi={y1，y2，…，yn}共計5個，分別為施木克值（y1）、兩糖比（y2）、氮堿比（y3）、糖堿比（y4）、鉀氯比（y5），描述因變量yi如何依賴自變量xi和誤差項ε，分別建立烤煙協調性的最優多元線性回歸模型。其一般形式如下：
yi=β0+β1x1+β2x2+β3x3+β4x4+β5x5+β6x6+β7x7+ε
式中，β0、β1、β2、β3、β4、β5、β6、β7為模型參數;ε為隨機誤差。
1.6 數據處理
采用Spss21.0與Excel2010，以進入回歸、逐步回歸、相關分析、主成分分析、單尾檢測及方差分析為統計方法。
2 結果與分析
2.1 烤煙協調性與化學成分之間的相關分析
當|r|≥0.8時可視為高度相關;0.8>|r|≥0.5時，可視為中度相關;0.5>|r|≥0.3，可視為低度相關;當|r|<0.3時，說明2個變量之間相關程度極弱，可視為不相關;|r|=0時，說明2個變量間不存在線性相關關系[18-19]。由表1看出，總糖、還原糖與施木克值分別呈高度正相關、低度正相關，總氮、蛋白質與施木克值分別呈高度負相關、中度負相關，煙堿、Cl、K含量與施木克之間相關關系極弱，最低相關系數為0.02;蛋白質與兩糖比呈高度正相，還原糖、Cl含量與兩糖比之間呈中度正相關，煙堿、總糖與兩糖比之間呈低度負相關，總氮、K含量與兩糖比之間相關關系較弱;蛋白質與氮堿比呈中度正相關，K含量與氮堿比呈低度正相關，煙堿與氮堿比呈高度負相關，總糖、還原糖、總氮、Cl含量與氮堿比之間相關關系極弱。煙堿、總氮與糖堿比之間分別呈高度負相關、中度負相關，還原糖、K含量與糖堿比呈中度正相關，總糖與糖堿比呈低度正相關，蛋白質、K含量與糖堿比、鉀氯比呈中度正相關，與Cl、總氮、煙堿均呈極顯著負相關;總糖、還原糖、蛋白質與鉀氯比相關關系弱，最低相關系數為0.01，可初步認為無相關性。 2.2 烤煙協調性與化學成分的回歸統計與方差分析
根據統計學相關結論，判定系數R2是判斷線性回歸擬合優度的重要指標，當回歸模型具有較高的R2值時，表示此時變量間具有良好的線性關系，即認為使用當前的回歸模型對序列yi進行擬合是合適的，可以繼續讀入后續數據[20-21]。由表2可知，施木克值、兩糖比、氮堿比、糖堿比和鉀氯比的復相關系數均大于0.96，說明烤煙協調性yi與7個化學成分xi具有高度相關性;它們的判定系數和調整R2均大于0.91，說明烤煙協調性yi與7個化學成分間所擬合的多元回歸方程能解釋的比例均大于91%;以煙堿、總糖、還原糖、總氮、Cl、K、蛋白質來預測烤煙協調性的標準誤差分別為0.059，0.005，0.049，1.048，
0.719;方差分析結果表明，烤煙協調性yi與化學成分xi的線性關系檢驗，P值均小于0.01，意味著至少存在一個化學成分xi與協調性yi線性關系顯著。
2.3 烤煙協調性與化學成分的多元回歸模型建立
通過線性擬合烤煙各化學成分間與烤煙協調性的關系，確定回歸模型參數，回歸至原假設方程中，通過回歸方程來預測烤煙協調性的趨勢。利用最小二乘法估計模型參數、顯著性檢驗及自變量間的共線性診斷，分別建立5項烤煙協調性與7項化學成分間的多元線性回歸模型。由表2可知，模型統計量檢驗P值均小于0.01，5個模型都具有統計學意義。
由表3可知，（1）以施木克值（y1）與烤煙化學成分xi建立多元回歸模型，其中煙堿（x1）、總氮（x4）、K（x6）的回歸系數分別為-1.064，0.066，-0.006，回歸系數t檢驗的t值分別為-1.064，0.497，-0.206，3個系數所對應的P值均大于0.05，未通過檢驗，無統計學意義，但采用進入分析所擬合的回歸方程為y1=4.279-0.026x1+0.157x2-0.027x3+0.066x4+0.286x5-0.006x6-0.589x7;根據擬合優度檢驗看，判定系數R2=0.993，調整R2=0.993，表明方程擬合優度較高，在施木克值（y1）取值變差中，能被施木克值（y1）與烤煙化學成分xi的多元回歸方程所解釋的比例為99.3%。
?。?）以兩糖比（y2）與烤煙化學成分xi建立多元回歸模型，總糖、還原糖的回歸系數分別為-0.027，0.032，回歸系數t檢驗的t值分別為-54.781，52.484，P值均小于0.05，有統計學意義，但煙堿（x1）、總氮（x4）、Cl（x5）、K（x6）、蛋白質（x7）的系數所對應的P值均大于0.05，未能通過檢驗，采用進入分析所擬合的回歸方程為y2=0.872-0.004x1-0.027x2+0.032x3+0.006x4+0.011x5-0.001x6-0.003x7;根據擬合優度檢驗看，判定系數R2=0.993，調整R2=0.992，表明方程擬合優度較高，用樣本量和模型中自變量的個數進行調整后，在兩糖比（y2）取值變差中，能被兩糖比（y2）與烤煙化學成分xi的多元回歸方程所解釋的比例為99.2%。
（3）以氮堿比（y3）與烤煙化學成分xi建立多元回歸模型，煙堿（x1）、總糖（x2）、還原糖（x3）、總氮（x4）的回歸系數分別為-0.288，0.012，-0.014，0.238，回歸系數t檢驗的t值分別為-14.229，2.21，-2.044，2.199，P值均小于0.05，有統計學意義，但Cl（x5）、K（x6）、蛋白質（x7）的系數所對應的P值均大于0.05，未能通過檢驗，采用進入分析所擬合的回歸方程為y3=0.556-0.288x1+0.012x2-0.014x3+0.238x4+0.073x5+0.001x6+0.067x7;根據擬合優度檢驗看，判定系數R2=0.926，調整R2=0.917，表明方程擬合優度較高，用樣本量和模型中自變量的個數進行調整后，在氮堿比（y3）取值變差中，能被氮堿比（y3）與烤煙化學成分xi的多元回歸方程所解釋的比例為91.7%。
?。?）以糖堿比（y4）與烤煙化學成分xi建立多元回歸模型，煙堿（x1）、總糖（x2）的回歸系數分別為-4.402，
0.620，回歸系數t檢驗的t值分別為-10.166，5.303，P值均小于0.05，有統計學意義，但還原糖（x3）、總氮（x4）、Cl（x5）、K（x6）、蛋白質（x7）的系數所對應的P值均大于0.05，未能通過檢驗，采用進入分析所擬合的回歸方程為y4=7.264-4.402x1+0.620x2-0.274x3-3.086x4+1.192x5+0.06x6+1.456x7;根據擬合優度檢驗看，判定系數R2=0.922，調整R2=0.912，表明方程擬合優度較高，用樣本量和模型中自變量的個數進行調整后，在糖堿比（y4）取值變差中，能被糖堿比（y4）與烤煙化學成分xi的多元回歸方程所解釋的比例為91.2%。
?。?）以鉀氯比（y5）與烤煙化學成分xi建立多元回歸模型，Cl（x5）、K（x6）的回歸系數分別為-25.288，4.032，回歸系數t檢驗的t值分別為-16.339，11.435，P值均小于0.05，有統計學意義，但煙堿（x1）、總糖（x2）、還原糖（x3）、總氮（x4）、蛋白質（x7）的系數所對應的P值均大于0.05，未能通過檢驗，采用進入分析所擬合的回歸方程為y5=3.852+0.016x1+0.03x2-0.008x3+0.415x4-25.288x5+4.032x6+0.424x7;根據擬合優度檢驗看，判定系數R2=0.927，調整R2=0.918，表明方程擬合優度較高，用樣本量和模型中自變量的個數進行調整后，在鉀氯比（y5）取值變差中，能被鉀氯比（y5）與烤煙化學成分xi的多元回歸方程所解釋的比例為91.8%。
2.4 主成分回歸模型建立及顯著性檢驗 由表3可知，總氮（x4）、蛋白質（x7）的方差膨脹因子分別為12.593，13.554，說明存在較強的共線性。從表4可以看出，對化學成分自變量xi做主成分分析，提出3個主成分并計算出得分，共包含了總體信息量的83.26%，采用逐步回歸分析擬合最優模型如下：
y1=4.298+0.479Z1-0.437Z2+0.118Z3
y2=0.829+0.042Z2
y3=0.787+0.123Z1-0.067Z2+0.041Z3
y4=12.123+2.68Z1+1.357Z2-1.046Z3
y5=7.427-1.959Z3+0.781Z1
由表5可知，所建立5個方程矯正后的判定系數在52.3%～94.6%之間，德賓-沃森檢驗統計量在1.005到1.54之間，接近于2，表示殘差相互獨立，對回歸方程進行檢驗，其P值均小于0.01，說明5個方程均可靠，用煙堿、總糖、還原糖、總氮、Cl、K、蛋白質等數據的第1主成分、第2主成分、第3主成分得分對烤煙協調性進行預測是可行的。
3 結論與討論
采集2013—2015年清鎮煙區一次性施肥處理下烤煙各化學成分數據，綜合相關分析、主成分分析及回歸模型等方法探討烤煙各化學成分與烤煙協調性之間的量化關系，烤煙煙堿、總糖、還原糖、總氮、Cl、K、蛋白質雖存在著多重共線性但并不嚴重，即便如此也可能導致回歸模型失真，難以達到準確估計的目的，運用主成分分析方法建立烤煙化學成分與烤煙協調性多元回歸模型是合理的。本研究結果表明，影響施木克值的主要成分為總糖和蛋白質，提高煙葉品質協調性應適當提高總糖含量、降低蛋白質含量;適當降低煙堿含量不僅能改善烤煙內在品質的協調性，還能讓烤煙吃味更加和諧;適當提高鉀含量，降低氯含量有助于卷煙燃吸，以增強烤煙協調性?？緹熁瘜W成分與烤煙協調性間存在多元回歸關系，且主成分回歸方程的擬合優度均達到中上等水平，通過本研究擬合的回歸模型不僅可用于預測烤煙協調性，還能為進一步探索烤煙化學成分與烤煙協調性之間的關系提供參考依據。
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