Effects of the Maturity of the Upper Tobacco Leaves in One-time Harvest on Physical Characteristics

ZHANG Wenjun, GUO Song, YANG Liu, XIONG Chengliang, ZHANG Qingfu, YAO Weiyuan, HE Jiguang, ZHENG Hongbin, ZHANG Cheng, WANG Wei, JIANG Zhimin, PAN Feilong, ZHU Lin, LI Qilin, DENG Xiaohua

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Journal of Agriculture ›› 2023, Vol. 13 ›› Issue (6) : 80-85. DOI: 10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2022-0075

Effects of the Maturity of the Upper Tobacco Leaves in One-time Harvest on Physical Characteristics

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Abstract

To clarify the suitable harvest maturity of upper tobacco leaves in Ningxiang, ‘Yunyan 87’ was used to design three treatments of low maturity (M1), medium maturity (M2) and high maturity (M3), the effects of different harvest maturity on the physical characteristics of tobacco leaves were studied, the fuzzy evaluation method was used to comprehensively evaluate the test results, and the effects of harvest maturity, leaf position and their interaction on physical characteristics of tobacco leaves were studied by η2 value analysis. The results showed that with the delay of the harvest time of upper leaves, the stem ratio of upper leaves decreased, while the leaf thickness increased. Compared with those of M1 and M3, the single leaf weight of M2 was 7.64% and 12.79% higher, the leaf thickness was 11.70% and -14.37% higher, the stem ratio was -4.54 and 1.33 percentage points higher, the equilibrium moisture content was 0.14 and 2.86 percentage points higher, the leaf specific weight was 14.59% and 39.81% higher, and the physical characteristic index was 7.31% and 7.01% higher, respectively. The effect of harvest time on the physical characteristics of upper tobacco leaves was 35.04%, and the effect of leaf position was 29.98%. The interaction effect of harvest time and leaf position was 34.98%. The effect of harvest maturity on physical characteristics was leaf specific weight> leaf thickness> stem ratio> equilibrium moisture content> single leaf weight. The leaf appearance characteristics on the 13th leaf position for suitable harvest maturity were as follows, the leaf surface turned yellow by 70%-80%, most of the midrib fell off, the leaf surface was shiny, wrinkled, and little sticky feeling. The main vein turned white by 4/5, and the branch vein turned white by 1/2. The leaf margin was curled and wrinkled, the leaf tip showed a downward hook, and the mature spots appeared on leaves.

Key words

upper tobacco leaves / harvest maturity / physical characteristics / fuzzy evaluation / effect analysis

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ZHANG Wenjun , GUO Song , YANG Liu , XIONG Chengliang , ZHANG Qingfu , YAO Weiyuan , HE Jiguang , ZHENG Hongbin , ZHANG Cheng , WANG Wei , JIANG Zhimin , PAN Feilong , ZHU Lin , LI Qilin , DENG Xiaohua. Effects of the Maturity of the Upper Tobacco Leaves in One-time Harvest on Physical Characteristics. Journal of Agriculture. 2023, 13(6): 80-85 https://doi.org/10.11923/j.issn.2095-4050.cjas2022-0075

0 引言

烟叶质量评价中的物理特性主要是反映烟叶质量与加工性能的指标，包括烟叶的外部形态及其物理性能，不仅影响烟叶品质，还影响卷烟制造过程中的产品风格、成本及其他经济指标[1-2]。烤烟上部6片烟叶占总产量的30%~40%，是中式卷烟配方的重要原料[3-4]。上部烟叶适熟采收是提高烟叶外观质量[5]、物理特性[6]、化学成分[7-8]和评吸质量[9]的关键措施。传统烟叶采收方法是成熟一片采收一片[10]，既增加烤烟生产劳动强度和成本[11]，又影响上部烟叶可用性。目前主要推广上部4~6片烟叶一次性采烤[12-13]，其适宜成熟度研究方法是将上部6片烟叶混合采烤[7,11⇓-13]，也有将上部烟叶按顶1~3和顶4~6分为2组[14]或按相邻叶位两两分置3组[15]烘烤，而将上部6片烟叶按叶位分为6组的采收成熟度研究少有报道。有关农艺措施对烟叶物理特性的影响，于庆涛等[16]采用多指标模糊评价方法研究了优化烟叶结构措施对烤烟物理特性的影响；张继旭等[17]分析比较了不同光照强度对烤烟上部烟叶的叶宽、叶面积、单叶重、叶面密度、含梗率、平衡含水率等物理特性的影响；齐永杰等[18]、邓小华等[19]采用偏η2值分析了烤烟密度和施氮量对烟叶物理特性的效应；不同采收成熟度对不同叶位上部烟叶物理特性的效应研究报道较少。笔者在宁乡市烟区开展上部烟叶一次性采收成熟度和叶位的双因素试验，研究稻茬烤烟上部6片烟叶采收成熟度对烟叶物理特性的影响，采用偏η2值分析采收成熟度和叶位及其互作对上部烟叶物理特性的效应，旨在明确上部烟叶一次性采收适宜成熟度，为提升湖南稻作烟区上部烟叶质量提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

2021年在湖南省宁乡市大屯营镇开展试验。种植烤烟品种为‘云烟87’，按株行距50 cm×120 cm的规格于3月15日移栽烟苗；烤烟施氮量为169.5 kg/hm2，m(N):m(P2O5):m(K2O)=1:1:2.7；初花期打顶，留叶数16片；其他田间管理依据宁乡市优质烤烟生产技术规范进行。待中部烟叶采收完毕后，试验烟株全部选留上部6片烟叶。每炕装烟量约为4000 kg，采用三段式中温中湿烘烤工艺，循环风机功率为2.2 kW。中温中湿烘烤工艺：变黄期干球温度38℃，湿球温度36℃，至下棚烟叶基本全黄；以1℃/h将干球温度升至40℃，湿球温度升至37℃，保持温度至全房烟叶充分变黄，主脉充分变软；定色期1℃/2 h将干球温度升至55℃，湿球温度升至40℃，保持温度至全房烟叶干燥；干筋期以1℃/h将干球温度升至68℃，湿球温度升至42℃，直到主脉全部干燥。

1.2 试验设计

试验为双因素（上部烟叶采收成熟度和叶位）随机区组设计。烟叶采收成熟度设3个水平，分别标记为M1（习惯采收，低成熟度）、M2（延迟7 d采收，中成熟度）、M3（延迟14 d采收，高成熟度），其成熟采收时叶片特征见表1。整株烤烟采收有效叶片数为16片，采收的上部烟叶的叶位从下至上为第11叶~第16叶，设计6个水平，分别标记为D11~D16。一次性采收6片烟叶，每个叶位选择120片左右烟叶，按叶位分别上杆编烟并做标记，3次重复；同一成熟度不同叶位的烟叶放在同一烤房进行烘烤，烤房内其他烟叶为同一农户种植。
表1 不同采收成熟度的鲜烟叶外观成熟特征（第13叶位）
处理 成熟特征
M1 叶面变黄50%~60%，茸毛无脱落，叶面有光泽，褶皱，有少许粘手感，主脉变白2/5，
支脉变白1/3，叶缘微曲，叶尖下勾，叶尖出现少量成熟斑
M2 叶面变黄70%~80%，茸毛大部分脱落，叶面有光泽，褶皱，有少许粘手感，主脉变白4/5，
支脉变白1/2，叶缘卷曲起皱，叶尖下勾，叶面有成熟斑
M3 叶面变黄90%~100%，茸毛大部分脱落，叶面有光泽，褶皱，有粘手感，叶脉变白，叶缘卷曲起皱，叶缘和叶尖出现焦枯

1.3 烟叶物理特性测定指标及方法

选取各处理具有代表性的烟叶，随机抽取20片平衡水分后的烤烟，参照文献[20-21]的方法测定单叶重、含梗率、叶片厚度、平衡含水率、叶质重等物理特性指标。

1.4 烟叶物理特性模糊评价方法

1.4.1 烟叶物理特性指标无量纲化转换为0~1数值

参考文献[2]，含梗率采用下限效果测度模型，如式(1)；单叶重、叶片厚度、叶质重、平衡含水率采用适中效果测度模型，如式(2)。
rij=minuijuij
(1)
rij=ui0j0ui0j0+uij-ui0j0
(2)
式中，minuij为某物理特性指标所有样品的最小值；uij为烟叶物理特性指标实测值； ui0j0为某物理特性指标指定的适中值，单叶重为13 g，叶片厚度为230 μm，叶质重为100 g/m2，平衡含水率为15%。

1.4.2 烟叶物理特性指标的权重确定

利用主成分分析对烟叶物理特性赋予不同的权重。参考文献[2]的方法对5个物理特性指标进行主成分分析，提取贡献率分别为51.74%、30.63%的2个主成分，计算这2个主成分的载荷矩阵，依照2个主成分因子载荷矩阵的和所占比例确定物理特性评价指标的权重。经计算，叶片厚度、含梗率、单叶重、平衡含水率、叶质重的权重分别为18.81%、20.05%、21.50%、18.57%、21.07%。

1.4.3 物理特性指数计算

构建烟叶物理特性指数(physical properties index，PPI)对不同处理烟叶物理特性进行模糊综合评价，如式(3)，其值越大物理特性越好。
PPI=∑j=1n(Qij×Wj)
(3)
式中，Qij表示第 i个样本第 j个指标的无量纲值，0<Qij≤1；Wj为第 j个指标的权重。

1.5 贡献率计算方法

将采收时间和叶位进行双因素方差分析，当检定为显著性差异时，同时引入η2值大小来比较采收时间和叶位及其互作对烟叶物理特性指标变异的贡献率大小[22⇓-24]。将采收时间和叶位及其互作的烟叶5个物理特性指标η2值求和后转换为百分率，其结果是采收时间和叶位及其互作对烟叶物理特性总变异的贡献率。

1.6 数据处理方法

采用Microsoft Excel 2013软件初步整理试验数据后，用IBM Statistics SPSS 17.0统计软件进行方差分析，多重比较采用新复极差法。

2 结果与分析

2.1 不同采收成熟度对单叶重的影响

由图1可知，叶位D11~D16烟叶的单叶重均表现M2>M1>M3，D12~D16叶位的单叶重为M2显著高于M3。从单叶重平均值看，M2较M1、M3分别高7.64%和12.79%，M2显著高于M3。M1的鲜烟叶成熟度低，为促进其变黄，变黄期时间拉长，干物质消耗较多，导致其单叶重低于M2；M3的鲜烟叶成熟度高，在大田已消耗较多干物质，导致其单叶重低于M1、M2。表明采收成熟度过高会降低上部烟叶单叶重。
图1 不同采收成熟度的上部烟叶单叶重比较
小写字母表示差异在5%显著性水平，下同

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2.2 不同采收成熟度对叶片厚度的影响

由图2可知，叶位D11~D16烟叶厚度均表现M1<M2<M3，D11~D15叶位为M3显著厚于M1、M2。从叶片厚度平均值看，M3较M1、M2分别厚27.75%和14.37%，M3显著厚于M1。M3的鲜烟叶成熟度高，烤后烟叶褶皱多，而M1的烤后烟叶较光滑，M3的叶片相对较厚[20]。表明采收成熟度高的叶片褶皱多，会提高上部烟叶的叶片厚度。
图2 不同采收成熟度的上部烟叶厚度比较

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2.3 不同采收成熟度对烟叶含梗率的影响

由图3可知，叶位D12~D16烟叶的含梗率均表现M3<M2<M1，D11叶位的3个处理差异不显著。从含梗率平均值看，M1较M2、M3分别高4.54、5.87个百分点，M1的含梗率显著高于M2、M3。M2、M3由于采收延迟，烟梗成熟度高，鲜烟叶的烟梗干物质消耗多，导致其烤后烟叶含梗率低。可见，提高采收成熟度会降低上部烟叶的含梗率。
图3 不同采收成熟度的上部烟叶含梗率比较

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2.4 不同采收成熟度对烟叶平衡含水率的影响

由图4可知，叶位D11~D13烟叶平衡含水率均表现M3<M2<M1，叶位D14~D16烟叶平衡含水率均表现M2<M1<M3。从叶片平衡含水率平均值看，M2较M1、M3分别高0.14、2.86个百分点，M1、M2显著高于M3。表明采收成熟度过高会降低上部烟叶的平衡含水率。
图4 不同采收成熟度的上部烟叶平衡含水率比较

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2.5 不同采收成熟度对烟叶叶质重的影响

由图5可知，叶位D11~D16烟叶的叶质重均表现M2>M1>M3，D12~D16叶位的叶质重在3个处理间差异显著。从叶质重平均值看，M2较M1、M3分别高14.59%、39.81%。表明适当提高采收成熟度有利于提高上部烟叶的叶质重。
图5 不同采收成熟度的上部烟叶叶质重比较

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2.6 不同采收成熟度烟叶物理特性模糊综合评价

由图6可知，D11叶位物理特性指数为M1<M2<M3，D12~D15叶位物理特性指数为M3<M1<M2，D16叶位物理特性指数为M1<M3<M2。从物理特性指数平均值看，M2较M1、M3分别高7.31%、7.01%，M2显著高于M1、M3。表明适当提高成熟度会提高上部烟叶物理特性指数。
图6 不同采收成熟度的上部烟叶物理特性指数比较

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2.7 采收成熟度和叶位及其互作对烟叶物理特性的贡献率

上部烟叶采收成熟度和叶位的双因素方差分析结果见表2。从效应的显著性看，采收成熟度和叶位及其互作对单叶重影响不显著，采收成熟度和叶位互作对平衡含水率影响不显著，其他均达到显著或极显著水平。从η2值看，成熟度对含梗率、平衡含水率、叶片厚度、叶质重影响相对较大，但采收成熟度和叶位互作单叶重影响相对较大。从η2值大小看，采收成熟度对烟叶物理特性的影响由大到小表现为叶质重>叶片厚度>含梗率>平衡含水率>单叶重。将表2中5个烟叶物理特性指标的采收成熟度和叶位及其互作的η2值求和，并转换为百分率，取结果的整数，得出采收成熟度对烟叶物理特性的贡献率为38%，叶位对烟叶物理特性贡献率为31%，而两者互作为31%。可见，采收成熟度对上部烟叶物理特性的影响要大于叶位及其互作。
表2 采收成熟度和叶位对上部烟叶物理特性的影响效应
物理特性 变异来源 平方和 均方 F值 P值 η2
单叶重 采收成熟度 24.75 12.37 1.20 0.31 0.06
叶位 67.85 13.57 1.31 0.28 0.15
采收成熟度×叶位 83.32 8.33 0.80 0.63 0.18
含梗率 采收成熟度 304.04 152.02 16.92 0.00 0.48
叶位 113.76 22.75 2.53 0.05 0.26
采收成熟度×叶位 209.41 20.94 2.33 0.03 0.39
叶片厚度 采收成熟度 51844.70 25922.35 24.89 0.00 0.58
叶位 40948.76 8189.75 7.86 0.00 0.52
采收成熟度×叶位 28915.30 2891.53 2.78 0.01 0.44
平衡含水率 采收成熟度 131.81 65.91 12.31 0.00 0.41
叶位 76.09 15.22 2.84 0.03 0.28
采收成熟度×叶位 32.63 3.26 0.61 0.80 0.14
叶质重 采收成熟度 9530.80 4765.40 318.57 0.00 0.95
叶位 2192.52 438.50 29.31 0.00 0.80
采收成熟度×叶位 2863.64 286.36 19.14 0.00 0.84
η2的均值 采收成熟度 - - - - 38.27
叶位 - - - - 31.02
采收成熟度×叶位 - - - - 30.71

3 讨论

席奇亮等[6]研究认为，随上部烟叶采收延迟，烤后烟叶的单叶重、叶质重降低；石锦辉等[25]研究认为，叶片采收成熟度由尚熟提高到成熟再到完熟，烤后烟叶的叶质重下降；这与本研究结果不一致，其主要原因是上部烟叶烘烤工艺不同。本研究结果还表明，随着烟叶采收成熟度提高，叶片厚度增加，含梗率降低；叶片厚度增加，主要与烤后烟叶表面褶皱增多、细胞形状更不规则[26]有关；含梗率降低，主要与鲜烟叶主脉和支脉变白有关，变白的叶脉干物质在大田消耗较多，特别是在烘烤过程中干物质消耗也较多[27]。烟叶采收成熟度提高，单叶重下降，也会导致烟叶产量降低，在现行的收购制度下对增加烟农收益是不利的。因此，把握上部烟叶适宜采收成熟度十分重要。
在烟草农业试验中，常测定多个指标来分析试验处理效果，但不同指标趋向往往不一致，甚至相反，很容易引起误判[28]。为解决多指标评价问题，本研究采用模糊评价方法，首先采用效果测度模型对物理特性指标进行归一化处理，然后采用主成分方法计算不同指标权重，最后采用加权求和方法计算物理特性指数，依据指数大小确定处理的优劣。这种模糊综合评价方法得出试验结论较为客观，在烟草农业试验多指标评价中具有一定应用价值。
在多变量效应强弱分析过程中，可以用F值或P值或平方和粗略比较[29]。η2值是因变量在不同因素影响下的方差比例，是扣除了其他效果项影响后的效果项和参数估计值的净相关平方值，用它来当作效果度量指标，能较客观地反映变量效应强弱及其真实强度[30-31]，应用较为广泛。本研究利用η2值大小判断双因素试验效果表明，采收成熟度和叶位及其互作对上部烟叶物理特性具有重要影响，其贡献率分别为38%、31%、31%；采收成熟度对烟叶物理特性影响最大，采收成熟度对烟叶物理特性的影响由大到小表现为叶质重>叶片厚度>含梗率>平衡含水率>单叶重。因此，把握好上部烟叶采收成熟度，可改善烟叶物理特性。

4 结论

随烟叶采收成熟度提高，上部烟叶含梗率下降，叶片厚度增加；单叶重、平衡含水率和叶质重以中等成熟度采收最高。采收成熟度和叶位及其互作对上部烟叶化学成分具有重要影响，其贡献率分别为38%、31%、31%。采收成熟度对物理特性指标影响由大到小表现为叶质重>叶片厚度>含梗率>平衡含水率>单叶重。不同处理以M2的物理特性相对较优，其第13叶成熟外观特征为：叶面变黄70%~80%，茸毛大部分脱落，叶面有光泽，褶皱，有少许粘手感，主脉变白4/5，支脉变白1/2，叶缘卷曲起皱，叶尖下勾，叶面有成熟斑。

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