基于一次性施肥的烤烟协调性预测模型构建

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　　摘    要：為研究清镇烟区烤烟在一次性施肥条件下常规化学成分的协调性，分析烟区2013—2015年采集烟叶样品的烟碱（x1）、总糖（x2）、还原糖（x3）、总氮（x4）、Cl（x5）、K（x6）、蛋白质（x7）等7项数据，应用多元线性回归构建烤烟协调性的预测模型。结果表明：（1）方差膨胀因子（VIF）值在3.77～13.6之间，说明7项常规化学成分存在多重共线性;（2）部分常规化学成分与施木克值（y1）、两糖比（y2）、氮碱比（y3）、糖碱比（y4）、钾氯比（y5）之间存在极显著相关关系，说明以主成分分析方法建立化学成分（xi）与协调性（yi）的多元线性回归模型是合理的;（3）通过对常规化学成分（xi）做主成分分析，提出3个主成分（Z1、Z2、Z3）并计算出得分，共包含了总体信息量的83.26%，采用逐步回归分析拟合的最优模型分别为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，调整R2在52.3%～94.6%之间，且回归系数与回归方程均能通过显著性检验（P<0.01），说明通过本研究拟合的回归模型不仅可用于预测烤烟协调性，还能为进一步探索烤烟化学成分与烤烟协调性之间的关系提供参考。
　　关键词：一次性施肥;烤烟;化学成分;烤烟协调性;相关分析;主成分分析
　　中图分类号：S572          文献标识码：A         DOI 编码：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
　　烤烟是我国的重要经济作物，种植面积大，适应性强，其叶片被加工成卷烟制品，供人吸食[1]。烤烟化学成分含量不仅是衡量烟叶品质的重要指标，还能决定烟叶的感官特性[2]，对其客观规律的认识是烤烟生命科学不可分割的内容[3]。烤烟化学成分及其协调性在不同程度上影响着烟叶的物理特性[3-4]。烤烟协调性是烟叶内各类物质形成某种香味风格的平衡点，筛选与烤烟协调性关系密切的化学成分尤为重要，肖雅等[5]通过聚类分析将云南烤烟化学成分划分为4类，但并没有对全国各地烤烟化学质量作出综合评价。要科学地评价烟叶品质，必须对烟草化学成分及其协调性进行深入研究。为改善烟叶化学成分的协调性，提高烟叶品质，促进经济效益，满足工业需求，笔者对清镇烟区2013—2015年烤烟化学成分与烤烟协调性构建预测模型，旨在为烟草农业与卷烟工业提供参考依据。
　　1 材料和方法
　　1.1 试验基本情况
　　本试验于2013—2015年在贵州省清镇市进行。该区位于黔中腹地（东经106°07′～106°32′，北纬26°25′～26°56′），地势南高北低，海拔1 100 m，属北亚热带季风湿润气候，年平均气温14.1 ℃，年降雨量1 180.9 mm，水热资源丰富。
　　供试土壤为当地具有较强代表性的砂岩黄壤，土壤肥力指标如下：pH值 6.57，有机质35.21 g·kg-1，全氮含量2.12 g·kg-1，碱解氮含量128 mg·kg-1，有效磷含量36.3 mg·kg-1，速效钾含量193  mg·kg-1，有效铜含量1.99  mg·kg-1，有效硼含量0.15 mg·kg-1，氯离子含量6.38 mg·kg-1。供试品种为云烟87，在烤烟达到成熟时采收（坚持不成熟不采收原则），选择大田长势均匀、长相整齐的烟作为烘烤试验材料，选择成熟度和烟叶大小相对一致的烟叶以挂杆烘烤的方式装入烤房。
　　1.2 试验设计
　　1.2.1 一次性施肥标准 烟草专用基肥（N∶P2O5∶K2O=9∶10∶27）814.5 kg·hm-2;烟草专用追肥（N∶P2O5∶K2O =13∶0∶26）243.45 kg·hm-2;商品有机肥（有机质质量分数≥45）750 kg·hm-2;发酵油枯225 kg·hm-2。
　　1.2.2 施肥方法 在烤烟起垄时，一次性将烟草专用基肥、烟草专用追肥、有机肥及发酵油枯同时施下。一次性施肥和地膜覆盖相结合。其他烤烟生产环节按正常体系进行。
　　1.3 测定项目与方法
　　烟碱采用连续流动区测定[6]、总糖和还原糖依据《YC/T159-2002》测定[7]、总氮根据YC/T161-2002测定[8]、Cl根据YC/T162-2002测定[9]、K根据YC/T173-2003测定[10]、蛋白质根据YC/T 166-2003测定[11]。
　　1.4 根据化学成分鉴定烤烟的协调性
　　苏联烟草化学家施木克提出了水溶性总糖与蛋白质之比是判定烤烟品质的重要指标，施木克值越高，表明卷烟品质越好[12];也有相关研究表明，施木克值并非越高越好，水溶性总糖与蛋白质含量都应保持在一个各自适宜的范围才有利于提升烟叶品质[13]。钾、氯含量是影响卷烟燃烧性的重要因素;Mulchi[14]研究表明，氯含量高卷烟燃烧速率慢，钾含量高则卷烟燃烧速率快，钾氯比可作为烟叶燃烧性的质量指标，比值越大，其燃烧性就越好，但并非越大越好，必须保持在适宜的范围才有利于卷烟燃吸。有研究表明，烟叶燃烧时热解成酸性与碱性物质的协调性是影响烤烟吃味的重要因素[15];常用糖碱比衡量烟叶吃味的和谐性，若比值较高，烟味温和，劲头小;若比值较低，劲头大，苦味重[16]。氮碱比是衡量烤烟内在品质的指标，质量好的烟叶，比值通常≤1，所以烟叶化学成分可作为鉴定烟叶品质的重要指标，一般认为优质烤烟以施木克值在2～2.5之间，糖碱比在8～12之间，氮碱比<1，两糖比>0.9，钾氯比>4为宜[17]。
　　1.5 烤烟协调性多元回归线性模型构建
　　设烤烟化学成分为自变量xi={x1，x2，…，xn}共计7个，分别为烟碱（x1）、总糖（x2）、还原糖（x3）、总氮（x4）、Cl（x5）、K（x6）、蛋白质（x7），以烤煙协调性为因变量yi={y1，y2，…，yn}共计5个，分别为施木克值（y1）、两糖比（y2）、氮碱比（y3）、糖碱比（y4）、钾氯比（y5），描述因变量yi如何依赖自变量xi和误差项ε，分别建立烤烟协调性的最优多元线性回归模型。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为模型参数;ε为随机误差。
　　1.6 数据处理
　　采用Spss21.0与Excel2010，以进入回归、逐步回归、相关分析、主成分分析、单尾检测及方差分析为统计方法。
　　2 结果与分析
　　2.1 烤烟协调性与化学成分之间的相关分析
　　当|r|≥0.8时可视为高度相关;0.8>|r|≥0.5时，可视为中度相关;0.5>|r|≥0.3，可视为低度相关;当|r|<0.3时，说明2个变量之间相关程度极弱，可视为不相关;|r|=0时，说明2个变量间不存在线性相关关系[18-19]。由表1看出，总糖、还原糖与施木克值分别呈高度正相关、低度正相关，总氮、蛋白质与施木克值分别呈高度负相关、中度负相关，烟碱、Cl、K含量与施木克之间相关关系极弱，最低相关系数为0.02;蛋白质与两糖比呈高度正相，还原糖、Cl含量与两糖比之间呈中度正相关，烟碱、总糖与两糖比之间呈低度负相关，总氮、K含量与两糖比之间相关关系较弱;蛋白质与氮碱比呈中度正相关，K含量与氮碱比呈低度正相关，烟碱与氮碱比呈高度负相关，总糖、还原糖、总氮、Cl含量与氮碱比之间相关关系极弱。烟碱、总氮与糖碱比之间分别呈高度负相关、中度负相关，还原糖、K含量与糖碱比呈中度正相关，总糖与糖碱比呈低度正相关，蛋白质、K含量与糖碱比、钾氯比呈中度正相关，与Cl、总氮、烟碱均呈极显著负相关;总糖、还原糖、蛋白质与钾氯比相关关系弱，最低相关系数为0.01，可初步认为无相关性。 　　2.2 烤烟协调性与化学成分的回归统计与方差分析
　　根据统计学相关结论，判定系数R2是判断线性回归拟合优度的重要指标，当回归模型具有较高的R2值时，表示此时变量间具有良好的线性关系，即认为使用当前的回归模型对序列yi进行拟合是合适的，可以继续读入后续数据[20-21]。由表2可知，施木克值、兩糖比、氮碱比、糖碱比和钾氯比的复相关系数均大于0.96，说明烤烟协调性yi与7个化学成分xi具有高度相关性;它们的判定系数和调整R2均大于0.91，说明烤烟协调性yi与7个化学成分间所拟合的多元回归方程能解释的比例均大于91%;以烟碱、总糖、还原糖、总氮、Cl、K、蛋白质来预测烤烟协调性的标准误差分别为0.059，0.005，0.049，1.048，
　　0.719;方差分析结果表明，烤烟协调性yi与化学成分xi的线性关系检验，P值均小于0.01，意味着至少存在一个化学成分xi与协调性yi线性关系显著。
　　2.3 烤烟协调性与化学成分的多元回归模型建立
　　通过线性拟合烤烟各化学成分间与烤烟协调性的关系，确定回归模型参数，回归至原假设方程中，通过回归方程来预测烤烟协调性的趋势。利用最小二乘法估计模型参数、显著性检验及自变量间的共线性诊断，分别建立5项烤烟协调性与7项化学成分间的多元线性回归模型。由表2可知，模型统计量检验P值均小于0.01，5个模型都具有统计学意义。
　　由表3可知，（1）以施木克值（y1）与烤烟化学成分xi建立多元回归模型，其中烟碱（x1）、总氮（x4）、K（x6）的回归系数分别为-1.064，0.066，-0.006，回归系数t检验的t值分别为-1.064，0.497，-0.206，3个系数所对应的P值均大于0.05，未通过检验，无统计学意义，但采用进入分析所拟合的回归方程为y1=4.279-0.026x1+0.157x2-0.027x3+0.066x4+0.286x5-0.006x6-0.589x7;根据拟合优度检验看，判定系数R2=0.993，调整R2=0.993，表明方程拟合优度较高，在施木克值（y1）取值变差中，能被施木克值（y1）与烤烟化学成分xi的多元回归方程所解释的比例为99.3%。
　　（2）以两糖比（y2）与烤烟化学成分xi建立多元回归模型，总糖、还原糖的回归系数分别为-0.027，0.032，回归系数t检验的t值分别为-54.781，52.484，P值均小于0.05，有统计学意义，但烟碱（x1）、总氮（x4）、Cl（x5）、K（x6）、蛋白质（x7）的系数所对应的P值均大于0.05，未能通过检验，采用进入分析所拟合的回归方程为y2=0.872-0.004x1-0.027x2+0.032x3+0.006x4+0.011x5-0.001x6-0.003x7;根据拟合优度检验看，判定系数R2=0.993，调整R2=0.992，表明方程拟合优度较高，用样本量和模型中自变量的个数进行调整后，在两糖比（y2）取值变差中，能被两糖比（y2）与烤烟化学成分xi的多元回归方程所解释的比例为99.2%。
　　（3）以氮碱比（y3）与烤烟化学成分xi建立多元回归模型，烟碱（x1）、总糖（x2）、还原糖（x3）、总氮（x4）的回归系数分别为-0.288，0.012，-0.014，0.238，回归系数t检验的t值分别为-14.229，2.21，-2.044，2.199，P值均小于0.05，有统计学意义，但Cl（x5）、K（x6）、蛋白质（x7）的系数所对应的P值均大于0.05，未能通过检验，采用进入分析所拟合的回归方程为y3=0.556-0.288x1+0.012x2-0.014x3+0.238x4+0.073x5+0.001x6+0.067x7;根据拟合优度检验看，判定系数R2=0.926，调整R2=0.917，表明方程拟合优度较高，用样本量和模型中自变量的个数进行调整后，在氮碱比（y3）取值变差中，能被氮碱比（y3）与烤烟化学成分xi的多元回归方程所解释的比例为91.7%。
　　（4）以糖碱比（y4）与烤烟化学成分xi建立多元回归模型，烟碱（x1）、总糖（x2）的回归系数分别为-4.402，
　　0.620，回归系数t检验的t值分别为-10.166，5.303，P值均小于0.05，有统计学意义，但还原糖（x3）、总氮（x4）、Cl（x5）、K（x6）、蛋白质（x7）的系数所对应的P值均大于0.05，未能通过检验，采用进入分析所拟合的回归方程为y4=7.264-4.402x1+0.620x2-0.274x3-3.086x4+1.192x5+0.06x6+1.456x7;根据拟合优度检验看，判定系数R2=0.922，调整R2=0.912，表明方程拟合优度较高，用样本量和模型中自变量的个数进行调整后，在糖碱比（y4）取值变差中，能被糖碱比（y4）与烤烟化学成分xi的多元回归方程所解释的比例为91.2%。
　　（5）以钾氯比（y5）与烤烟化学成分xi建立多元回归模型，Cl（x5）、K（x6）的回归系数分别为-25.288，4.032，回归系数t检验的t值分别为-16.339，11.435，P值均小于0.05，有统计学意义，但烟碱（x1）、总糖（x2）、还原糖（x3）、总氮（x4）、蛋白质（x7）的系数所对应的P值均大于0.05，未能通过检验，采用进入分析所拟合的回归方程为y5=3.852+0.016x1+0.03x2-0.008x3+0.415x4-25.288x5+4.032x6+0.424x7;根据拟合优度检验看，判定系数R2=0.927，调整R2=0.918，表明方程拟合优度较高，用样本量和模型中自变量的个数进行调整后，在钾氯比（y5）取值变差中，能被钾氯比（y5）与烤烟化学成分xi的多元回归方程所解释的比例为91.8%。
　　2.4 主成分回归模型建立及显著性检验 　　由表3可知，总氮（x4）、蛋白质（x7）的方差膨胀因子分别为12.593，13.554，说明存在较强的共线性。从表4可以看出，对化学成分自变量xi做主成分分析，提出3个主成分并计算出得分，共包含了总体信息量的83.26%，采用逐步回归分析拟合最优模型如下：
　　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個方程矫正后的判定系数在52.3%～94.6%之间，德宾-沃森检验统计量在1.005到1.54之间，接近于2，表示残差相互独立，对回归方程进行检验，其P值均小于0.01，说明5个方程均可靠，用烟碱、总糖、还原糖、总氮、Cl、K、蛋白质等数据的第1主成分、第2主成分、第3主成分得分对烤烟协调性进行预测是可行的。
　　3 结论与讨论
　　采集2013—2015年清镇烟区一次性施肥处理下烤烟各化学成分数据，综合相关分析、主成分分析及回归模型等方法探讨烤烟各化学成分与烤烟协调性之间的量化关系，烤烟烟碱、总糖、还原糖、总氮、Cl、K、蛋白质虽存在着多重共线性但并不严重，即便如此也可能导致回归模型失真，难以达到准确估计的目的，运用主成分分析方法建立烤烟化学成分与烤烟协调性多元回归模型是合理的。本研究结果表明，影响施木克值的主要成分为总糖和蛋白质，提高烟叶品质协调性应适当提高总糖含量、降低蛋白质含量;适当降低烟碱含量不仅能改善烤烟内在品质的协调性，还能让烤烟吃味更加和谐;适当提高钾含量，降低氯含量有助于卷烟燃吸，以增强烤烟协调性。烤烟化学成分与烤烟协调性间存在多元回归关系，且主成分回归方程的拟合优度均达到中上等水平，通过本研究拟合的回归模型不仅可用于预测烤烟协调性，还能为进一步探索烤烟化学成分与烤烟协调性之间的关系提供参考依据。
　　
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