地表温度日较差对湖北烟区烤烟化学成分的影响

刘 静，阳 威，成 丹，任永建，王丽娟

（湖北省气象服务中心，武汉 430205）

0 引言

烟草是中国重要的经济作物，烟草行业是中国财政收入的重要来源，国家最重要的实体经济之一[1]。烟叶作为卷烟工业的原料，品质的优劣举足轻重，其中其化学成分是烟叶质量和香型风格特征的重要物质基础[2-3]。研究表明，烤烟的化学构成是生态环境、品种基因和栽培技术共同作用的结果[4]，三者对烟叶质量的贡献率分别为56%、32%和10%[5-6]。可见，生态环境对烤烟品质至关重要。其中气候条件中的光照、温度、水分等因素的变化，对烤烟内在化学成分含量及其协调性影响更显著[7-8]。

2011年以来，不少学者针对不同烟区对气候要素与烤烟化学成分之间的关系进行了研究。河南省盛产焦甜香型烤烟[9]，研究发现，河南烟区烤烟化学品质指标受气候条件影响颇大，其中温热因素影响程度最大、水湿因素次之、光照因素最小，且旺长期太阳总辐射是影响烤烟化学成分协调性评分的主要气候因素[10-11]。但是温热条件对烤烟不同部位的化学成分的影响也不尽相同。石油醚提取物是形成烟叶芳香气味的因素，其上部叶主导气候因子为大田期最高气温，中、下部叶则是旺长期平均气温[12]；烟碱和总氮的含量随成熟期昼夜温差增大而减小，而总糖、还原糖含量以及钾氯比则与成熟期昼夜温差呈显著正相关[13]。

云南省盛产清甜香型烤烟[9]，研究发现，影响云南烟区烤烟化学成分的气象因子中最重要的是光照和降水量，温度的影响微乎其微[14]。其中降水量在烟草不同生长阶段的合理分布是确保烟草品质的前提，旺长期烟草对水分的需求最大，降水增加有利于提高总糖含量[15]。另外，在分析影响贵州乌蒙烟区烤烟风格的气候要素时发现，虽然该地区气温偏低，但充足的日照和丰富的降水促使烤烟在旺长期生长迅速，积累较多糖分的同时也降低烟碱含量，促使烤烟化学成分协调，表现出蜜甜香特点[16]。

综合之前学者的研究，对影响烤烟化学成分的气候要素分析大多集中于气温、降水、光照等。地表温度是衡量地面热状况的重要参数[17]，反映了地表与大气之间的物质交换和能量平衡，其变化对种子的萌发、植物的生长和农作物的产量影响巨大[18]。目前有关地表温度对烤烟品质的研究相对较少，吴璐[19]研究发现河南烤烟化学成分与生育期地表温度日较差（简称地温差，即日地表最高温度与日地表最低温度的差值）关系密切，地温差缩小将导致烤烟上部叶总糖、还原糖、蛋白质含量减少，钾氯比含量增加；中部叶的氮碱比、糖碱比减少，烟碱、钾含量增加，下部叶两糖比增加。

湖北在中国烟草生产中占有重要地位[20]，其烤烟常年产量100000 t左右。据最新的中国烟草种植区划[21]统计，湖北作为烟草主产区被归类为最适宜区和适宜区，其中鄂西南、鄂西北和鄂东北3个烟区是湖北最重要的三大烤烟原料产地。由于地表温度的变化严重影响烤烟品质，而目前湖北烟区烤烟化学成分受其影响程度并无研究分析，故本研究收集了湖北省16个产烟县（按行政区划分为恩施市、宜昌市、十堰市和襄阳市4个地区）的主要气象和烤烟化学成分数据，拟分析湖北烟区烤烟生育期地温差变化对烤烟化学成分的影响，以期为该烟区烤烟生产布局和充分利用气候资源提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 气象数据

本研究所使用的气象数据为湖北烟区1960—2020年共61年16个国家气象观测站烤烟生育期的0 cm地表温度（简称地温）数据，该数据来源于湖北省信息与技术保障中心，所用气象数据均经过了校验和订正，具有较高的代表性和可信度。具体烟区和对应的站点包括：恩施市（巴东、恩施、鹤峰、建始、来凤、利川、咸丰、宣恩）、宜昌市（兴山、秭归）、十堰市（房县、郧西、竹山、竹溪）、襄阳市（保康、南漳）（图1）。

图1 湖北烟区国家气象观测站分布

1.2 烤烟化学成分数据

本研究使用湖北烟区16个产烟县2005—2020年共16年的烤烟化学成分数据，其测定指标包括烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾和氯，由湖北省烟草质量监督检测站进 行分析测定。其中总糖和还原糖采用铁氰化钾比色法[22]；烟碱、总氮、钾和氯的测定参照行业标准YC/T 160[23]、YC/T 161[24]、YC/T 162[25]和 YC/T 173[26]进行。钾氯比、氮碱比、糖碱比和两糖比反映了烤烟化学成分的协调性，由上述相关指标推算得出。所采集的有效烤烟样品共708份，其中上部叶、中部叶、下部叶各236份。

1.3 烤烟生育期确定

湖北南部和北部气候条件的差异造成了南北烟区烤烟的生长发育起止日期略有不同。本研究根据恩施市、宜昌市、十堰市和襄阳市的烤烟农业气象试验站的生育期观测资料，并参考各地的移栽时间和终烤时间，分别确定南、北烟区烤烟的各个生育阶段时间。其中南部烟区（巴东、恩施、鹤峰、建始、来凤、利川、咸丰、宣恩、兴山、秭归）烤烟大田生长期时间段为5月1日—9月15日，其中伸根—团棵期为5月1日—5月31日，旺长期为6月11日—7月11日，成熟期为7月21日—9月15日。北部烟区（房县、郧西、竹山、竹溪、保康、南漳）烤烟大田生长期时间段为4月25日—9月9日，其中伸根—团棵期为4月25日—5月25日，旺长期为6月5日—7月5日，成熟期为7月15日—9月9日。

2 湖北烟区烤烟生育期地温差气候变化特征

2.1 地温差线性趋势变化特征

图2为湖北烟区1960—2020年烤烟各生育期平均地温差的逐年变化图。可知，湖北烟区烤烟生育期地温差整体呈现下降趋势，其中整个大田生长期的地温差平均每10年下降0.24℃，相关系数R为-0.23，通过了0.1显著性水平检验。旺长期和成熟期，地温差同样表现出下降的趋势特征，相关系数R分别为-0.18和-0.24，均通过了0.1显著性水平检验。而伸根—团棵期，虽然地温差的气候趋势倾向率达到0.21℃/10 a，但相关系数R并未通过显著性水平检验。

图2 湖北烟区1960—2020年烤烟各生育期平均地温差年变化

2.2 地温差突变特征分析

本研究将联合Mann-Kendall法和滑动t检验法来确定湖北烟区1960—2020年烤烟各生育期平均地温差的突变点，其中图3为Mann-Kendall法结果。可知，湖北烟区大田期地温差突变点发生于1974年。结合滑动t检验的计算结果，1960—1974年湖北烤烟大田期地温差平均值为24.3℃，方差为1.48，1975—1989年平均值为22.7℃，方差为3.18，推算得到t值为2.73，通过了0.05显著性水平检验(tα=2.05)。综合2种方法结果，1974年湖北烟区大田期地温差发生突变，且从UF曲线可看出自1973年起，湖北烟区大田期地温差呈下降趋势，1985—1994年下降趋势显著，超过了0.05显著性水平。

图3 湖北烟区1960—2020年烤烟各生育期平均地温差突变检验

同理，对湖北烟区1960—2020年烤烟伸根—团棵期、旺长期和成熟期的平均地温差进行突变检验，得到湖北烟区伸根—团棵期地温差突变年份为1978年，t值为-1.85，通过了0.1显著性水平检验(tα=1.70)。虽自1981年起，伸根—团棵期地温差呈上升趋势，但并未超过0.05显著性水平。

湖北烟区旺长期地温差突变年份为1973年，t值为2.15，通过了0.05显著性水平检验(tα=2.06)。且自1973年起，旺长期地温差呈下降趋势，1989—1996年下降趋势显著，超过了0.05显著性水平。

湖北烟区成熟期地温差突变年份为1979年，t值为 1.99，通过了 0.1 显著性水平检验(tα=1.70)。且自1980年起，成熟期地温差呈下降趋势，1987—1991、2007—2018年下降趋势显著，超过了0.05显著性水平。

2.3 地温差线性趋势空间分布特征

图4为湖北烟区16个国家气象观测站1960—2020年烤烟各生育期地温差线性趋势空间分布图。可知，除伸根—团棵期外，湖北烟区大部分站点烤烟生育期地温差呈现下降趋势。其中大田期、旺长期和成熟期地温差变化趋势大体相似，南部烟区的恩施、鹤峰、建始、兴山、秭归和北部烟区的房县、竹山、南漳地温差下降趋势显著（通过了0.1、0.05或0.01的显著性水平检验）；而伸根—团棵期，大部分站点地温差虽呈现上升趋势，不过趋势变化并不明显（未通过0.1、0.05或0.01的显著性水平检验）。整体而言，湖北烟区烤烟生育期地温差呈下降趋势，下降最显著区域为鄂西南的兴山和秭归，鄂西北的竹山和南漳。

图4 湖北烟区16个国家气象观测站1960—2020年烤烟各生育期地温差线性趋势空间分布

3 湖北烟区烤烟生育期地温差与烟叶化学成分的关系

表1为湖北烟区2005—2020年烤烟不同部位烟叶各化学成分的统计值，可知，湖北烤烟上部叶、中部叶和下部叶各化学成分的含量存在差异且不均等。从离散系数来看，烟碱、总糖、还原糖、总氮、钾、氮碱比和两糖比三部位均在13%以下，其中烟碱、还原糖、钾和氮碱比以上部叶最小，总糖以中部叶最小，总氮和两糖比以下部叶最小；氯、钾氯比和糖碱比三部位均在16%以上，且均以上部位最小。整体而言，湖北烤烟上部叶各化学成分的离散程度相对较小，空间差异不大；下部叶各化学成分的离散程度相对较大，空间差异显著。

表1 湖北烟区2005—2020年烤烟上部叶、中部叶、下部叶化学成分统计特征

表2为湖北烟区2005—2020年烤烟各生育期地温差分别与上部叶、中部叶和下部叶化学成分的相关系数。可知，在大田期，地温差与三部位的烟碱和还原糖呈正相关；与三部位的钾、钾氯比、氮碱比和两糖比呈负相关。在伸根—团棵期，地温差与三部位的总糖和钾氯比、上部叶的还原糖和中部叶的烟碱呈正相关；与三部位的钾、氯和两糖比呈负相关。在旺长期，地温差与三部位的烟碱和总氮、中部叶和下部叶的还原糖呈正相关；与三部位的总糖、钾、氯、氮碱比、糖碱比和两糖比呈负相关。在成熟期，地温差与三部位的总糖、氯、糖碱比和两糖比、上部叶和中部叶的钾、中部叶和下部叶的氮碱比、下部叶的还原糖呈正相关；与三部位的烟碱、总氮和钾氯比、上部叶的氮碱比、中部叶的还原糖呈负相关。整体而言，湖北烤烟不同生育期地温差与不同部位烟叶化学成分的相关性存在一定的差异。根据前文的分析可知，湖北烟区烤烟生育期地温差整体呈现下降趋势，则将导致三部位的烟碱和还原糖含量减小，三部位的钾和上部位的总糖含量增加。

表2 湖北烟区2005—2020年烤烟各生育期地温差与烟叶化学成分相关系数

4 湖北烟区烤烟生育期地温差趋势变化对烟叶化学成分的影响

根据湖北烟区1960—2020年烤烟各生育期平均地温差的突变特征，以及地温差与烟叶不同部位化学成分的相关关系，进而总结了湖北烟区1960—2020年烤烟各生育期地温差趋势变化对烟叶不同部位化学成分的影响（表3）。可知，烤烟大田期的突变年份为1974年，突变之前（1960—1973年）的气候倾向率为0.07℃/10 a，突变之后（1974—2020年）为-0.72℃/10 a（通过了0.05的显著性水平检验），由于大田期地温差与烟叶上部叶、中部叶和下部叶三部位的烟碱和还原糖呈正相关，与三部位的钾、钾氯比、氮碱比和两糖比呈负相关，因此大田期地温差突变之后，将引起烟叶的烟碱和还原糖含量减少，钾、钾氯比、氮碱比和两糖比含量增加。

表3 湖北烟区1960—2020年烤烟生育期地温差趋势变化对烟叶化学成分的影响

烤烟旺长期的突变年份为1973年，突变之前（1960—1972年）的气候倾向率为0.09℃/10 a，突变之后（1973—2020年）为-0.03℃/10 a（通过了0.05的显著性水平检验），由于旺长期地温差与烟叶上部叶、中部叶和下部叶三部位的烟碱和总氮、中部叶和下部叶的还原糖呈正相关；与三部位的总糖、钾、氯、氮碱比、糖碱比和两糖比呈负相关，尤其与三部位的烟碱、上部叶和中部叶的总氮、中部叶的还原糖、上部叶的总糖和糖碱比、中部叶的钾相关性显著（通过了0.1、0.05或0.01的显著性水平检验），因此旺长期地温差突变之后，将加速引起烟叶的烟碱、总氮和还原糖含量减少，总糖、钾和糖碱比含量增加。

烤烟成熟期的突变年份为1979年，突变之前（1960—1978年）的气候倾向率为1.05℃/10 a，突变之后（1979—2020年）为-0.22℃/10 a（通过了0.05的显著性水平检验），由于成熟期地温差与烟叶上部叶、中部叶和下部叶三部位的总糖、氯、糖碱比和两糖比、上部叶和中部叶的钾、中部叶和下部叶的氮碱比、下部叶的还原糖呈正相关；与三部位的烟碱、总氮和钾氯比、上部叶的氮碱比、中部叶的还原糖呈负相关，尤其与三部位的两糖比、中部叶和下部叶的总糖和糖碱比、中部叶的氯相关性显著（通过了0.1、0.05或0.01的显著性水平检验），因此成熟期地温差突变之后，将加速引起烟叶的总糖、氯、糖碱比和两糖比的含量增加。

5 结论与讨论

本研究利用湖北烟区16个国家气象观测站1960—2020年共61年烤烟生育期的0 cm地表温度数据和16个产烟县2005—2020年共16年的烤烟化学成分数据，分析了地表温度日较差变化对湖北烟区烤烟化学成分的影响，结果发现，除伸根—团棵期外，湖北烟区烤烟大田期、旺长期和成熟期的地温差均呈现明显下降趋势，其气候倾向率分别为0.24、0.29、0.40℃/10 a，其中南部烟区的恩施、鹤峰、建始、兴山、秭归和北部烟区的房县、竹山、南漳地温差下降趋势显著。烤烟上部叶、中部叶和下部叶三部位中，下部叶各化学成分的离散程度最大，空间差异显著；上部叶离散程度最小，空间差异不大。烤烟地温差大田期、旺长期和成熟期的突变年份分别为1974、1973、1979年，突变之后，地温差的下降趋势显著，由于未来地温差可能进一步缩小，故将引起烟叶的烟碱、还原糖和总氮含量减少，总糖、钾、氯、钾氯比、氮碱比、糖碱比和两糖比含量增加。

湖北省盛产醇甜香型烤烟[9]，之前并无学者研究地表温度对湖北烤烟化学品质的影响，本研究对湖北烟区1960—2020年烤烟大田期平均地表温度日较差与气温日较差（以下简称气温差）做相关分析，得到相关系数为0.93，通过了0.01显著性水平检验，说明地温差与气温差表现出显著一致性。黎妍妍等[4]分析得到气温和降雨量是影响鄂西“金神农”烟区烟叶化学成分的主要因子，对烟叶糖碱平衡至关重要[4]，进一步说明地温差的变化对湖北烤烟化学成分有一定影响。吴璐等[19]研究发现河南烟区烤烟生育期地温差整体呈现显著下降趋势，烤烟下部叶化学成分的空间差异最显著，这与本研究结论基本一致；而其认为地温差缩小将导致烤烟上部叶总糖、还原糖、蛋白质含量减少，钾氯比含量增加，中部叶的氮碱比、糖碱比减少，烟碱、钾含量增加，下部叶两糖比增加，这与本文的研究成果存在部分差异。研究结果的差异可能与各区域气象因子对烟叶不同部位化学成分的影响程度不同有关，也说明了气象因子在不同区域烟叶特色品质形成中发挥的作用不均。