高温热害气象指标对成熟期烟叶的影响评估

赵东杰，赵 喆，毛亚博，赵铭钦*，秦言敏，万应发，周国旺，张 蕊

（1.河南农业大学烟草学院，郑州 450002；2.江西省烟草公司抚州市公司，江西 抚州 344000）

高温热害气象指标对成熟期烟叶的影响评估

赵东杰1，赵 喆1，毛亚博1，赵铭钦1*，秦言敏2，万应发2，周国旺2，张 蕊2

（1.河南农业大学烟草学院，郑州 450002；2.江西省烟草公司抚州市公司，江西 抚州 344000）

为探究产生高温热害烟叶的主要气象因素，明确高温热害烟叶发生程度，运用主成分回归法分析江西省抚州地区2014—2016年6月中旬至7月上旬的相关气象指标与高温热害烟叶品质的关系，建立了热害烟叶等级评估模型，并根据烟叶实际品质进行回归分析检验。结果表明，产生高温热害烟叶的主要气象因素是热害期间最高温度、最大升温幅度、光合有效辐射和热害持续时间，高温热害烟叶等级评估模型分为3个等级：0.75≤热害指数（DHI）＜0.97时，为1级，轻度热害；0.97≤DHI＜1.13时，为2级，中度热害；DHI≥1.13时，为3级，重度热害。模型评估结果与烟叶实际质量评分呈极显著负相关，相关系数为-0.93，模型评估准确度较高达到83.3%。研究结果可为高温热害烟叶的监测预警和风险评估提供科学依据。

烤烟；高温热害；气象因子；等级评估；主成分回归

赣南烟区作为江西烟叶的核心产区，属中亚热带湿润季风气候，地貌多以山地、丘陵为主，生态环境对烟叶质量影响明显[1]。近年来，在江西烟叶生长后期，常出现高温、强光辐射等对烤烟生长不利的气象灾害，导致中上部烟叶“高温逼熟”现象时有发生，随着全球温室效应的加剧，这种情况日趋严重。烤烟生长期内温度高于30 ℃，特别在35 ℃时，干物质消耗大于积累，对烟叶质量造成明显影响[2]。烟叶成熟期适宜温度在20～28 ℃，温度过高不利于优质烟叶生产[3]。在烟叶成熟阶段，太阳辐射较强，对烟叶水溶性总糖、还原糖、烟碱和氯含量造成较大影响[4]。由于内含物没有充分转化，烟叶易烤青，导致烤后烟叶质量差、等级低。目前，水稻高温热害研究较多，烟草方面研究相对较少，黄国文等[5]研究认为，导致烤烟“高温逼熟”现象除了温度因素外，太阳辐射强度、“火南风”也是重要影响因素，但就各因素具体影响程度和相关性没有明确表述，高温热害对烟叶品质影响程度也还未见报道。本研究以江西抚州地区为例，选取2014—2016年烟叶产区的气象因素作为研究对象，通过分析高温热害天气过程中，温度、太阳辐射强度对烟叶主要经济性状的影响，探讨高温热害烟叶发生的严重程度与主要气象指标的关系，利用主成分回归分析建立高温热害烟叶评估计算模型，为防范烟叶高温热害和农事气象预警提供参考。

1 材料与方法

1.1 烟叶样品采集

1.1.1 试验点基本信息 将抚州市的广昌、宜黄、黎川、乐安、崇仁和资溪等6个主要植烟县作为本研究试验点（表1）。烟苗由抚州市烟草公司统一提供，大田管理措施均按当地优质烟生产规范进行。

1.1.2 热害烟叶形态等级划分 高温热害天气常导致日灼烟现象的发生，根据当地实际情况，各试验点选取3块历年热害高发区烟田，每块烟田面积不小于2 hm2，共计18块烟田，下部叶采收完毕后一周内进行高温热害形态特征等级调查（表2）。

田间不同热害烟叶形态特征等级划分：

形态Ⅰ级：主脉、侧脉变白发亮，叶片淡黄，叶片中上部侧脉边缘发黄，全叶发黄面积比例≤10%。

形态Ⅱ级：主脉、侧脉变白发亮，叶片淡黄，叶片中上部侧脉附近发黄，全叶发黄面积比例10%～20%。

形态Ⅲ级：主脉变白发亮，侧脉浅绿色，叶片淡绿，叶片中上部侧脉附近发白，全叶发白面积比例20%～30%，出现少量日灼斑，病斑（直径≤2 mm）不超过15个，大病斑（直径＞2 mm）不超过2个。

形态Ⅳ级：主脉变白，侧脉浅绿色，叶片淡绿，叶片中上部侧脉附近发白，全叶发白面积比例30%～40%，出现较多日灼斑，即小病斑50个以内，大病斑2～10个。

形态Ⅴ级：主脉、侧脉浅绿，叶片淡绿，叶片中上部侧脉附近发白，全叶发白面积比例≥40%，日灼斑中量到多量，即小病斑 50个以上，大病斑20个以上，个别叶片枯焦卷缩。

表1 试验点基本信息Table 1 The basic information of test sites

表2 2014—2016年高温热害烟叶形态特征等级调查（3年平均值）Table 2 The questionnaire of the morphological character of high temperature damage tobacco in 2014-2016 (3 year average)

1.1.3 高温热害烟样选取 取各试验点总体等级发生率最高烟田的中上部烤后烟叶，每部位3 kg，重复3次，产值达到当地平均水平烟田的烟叶作为对照烟田。3年烟样共计126个，并统计取样烟田的经济性状指标。

1.1.4 质量评价标准烟样选取 根据5个形态等级发生情况，每个等级取6个试验点中发生率最高的3个试验点的中上部烤后烟混匀后作为一个取样单位，每个部位取1 kg，重复3次，3年烟样共90个。

1.2 气象资料

从江西省气象中心抚州市气象局获取各试验点2014—2016年6月中旬至7月上旬气象观测站的逐日观测资料，具体包括日最高温度、太阳辐射量等。

1.3 热害天气定义

参考水稻热害温度指标，定义高温热害天气是日最高温度高于35 ℃，且持续3 d以上的高温过程[6-7]，江西烟叶大田生育期出现高温热害现象主要集中在成熟中后期，即为6月中旬至7月上旬。据此热害天气定义如下：在6月中旬至7月上旬期间，日最高气温≥35 ℃且持续 3 d时为高温热害过程开始，当日最高温＜35 ℃时，为高温热害过程结束。

1.4 气象指标选取

根据前人研究[8-10]和 GB/T 21985—2008 标准中的参考指标。选定4个指标作为研究对象：日最高气温（指热害天气过程中日最高气温）；升温幅度（指热害天气过程中日最高气温的最大值与最小值的差值）；日光合有效辐射（指热害期间大田烟叶每日所受的有效光辐射）；持续时间（指热害天气过程中每日最高气温持续3 d以上≥35 ℃的天数）。

1.5 天气数据标准化

由于气象指标与烟叶主要经济性状的量纲不同，在进行数据分析前需要进行无量纲化处理，采用极值法，公式如下：

Si为原始观察值。

1.6 样品测定与评吸

常规化学成分测定工作在河南农业大学进行。采用连续流动分析仪对烟叶常规化学成分进行测定，并在此基础上计算出糖碱比、氮碱比、钾氯比，检测方法按文献[11-12]测定。

烤烟平衡水分后切丝，卷制成单料烟，感官评吸工作在江西省抚州市烟草公司技术中心进行。评价方法参考文献[13]中烤烟化学成分指标和感官质量评价指标体系。

1.7 数据处理方法

数据结果采用Excel和SPSS 19.0进行分析。

2 结 果

2.1 高温热害烟叶主要经济性状分析

由表3可知，黎川试验点产值最低，与其他试验点差异极显著，乐安、崇仁和资溪3个试验点的产值较高，两两比较差异较小。乐安和资溪上等烟比例都在 60%以上，广昌和黎川上等烟比例不足50%，上等烟比例各试验点之间差异达极显著水平，中上等烟比例之间的差异不明显。各试验点烟田的主要经济性状都与对照烟田有显著差异。

2.2 高温热害气象指标统计分析

通过对抚州6个试验点3年热害天气过程中的日最高气温（S1）、升温幅度（S2）、日光合有效辐射（S3）和持续天数（S4）等4项指标统计分析的结果（表 4）表明，当天气处于高温热害阶段，抚州地区日最高气温平均值为35.3 ℃，其中黎川、乐安和崇仁试验点的最大值都处在 37 ℃以上，宜黄点日最高气温变异系数最大（20%），相较其他点稳定性差。全区平均升温幅度为2.0 ℃，宜黄点最大值可达5.0 ℃，变异系数最小为黎川试验点33.3%，最大为资溪试验点54.2%。抚州市日光合有效辐射平均值为10.2 MJ/m2，除黎川和乐安外，其余试验点平均值都在 10.0 MJ/m2以上，最大值达到 13.4 MJ/m2，最小值仅为5.5 MJ/m2。高温热害持续天数各试验点基本一致，主要在3.5～3.8 d，平均变异系数为21.8%。

表3 高温热害烟叶主要经济性状Table 3 The statistical analysis of main economic traits of high temperature damage tobacco

表4 高温热害期间日最高气温（S1）、升温幅度（S2）、日光合有效辐射（S3）和持续天数（S4）Table 4 The statistical analysis of maximum temperature (S1), temperature rise range (S2), solar radiation (S3) and high temperature days(S4) during high temperature heat disaster

2.3 高温热害气象指标与主要经济性状相关性

将气象指标与主要经济性状进行相关分析后发现（表5），主要经济性状与4项热害指标均呈现显著或极显著负相关，说明所选取的4个气象指标对高温热害烟叶经济性状有重要影响。

表5 气象指标与高温热害烟叶主要经济性状相关系数Table 5 Correlation coefficients between meteorological factor and main economic traits of high temperature damage tobacco

2.4 高温热害等级评估模型建立

2.4.1 因子共线性诊断和 KMO、Bartlett检验 因子共线性可从条件数和方差比两方面度量。条件数是指各维数中最大特征根与最小特征根之比 k=λ1/λp，当k＞100则认为存在共线性；若最大条件指数≥10且相应的最大方差比大于 0.5，也可认为自变量间存在共线性[14]。由表 6可见，条件数3.686/0.031≈118.90，维数5的条件指数大于10，且S1和S2的方差比大于评判标准（0.5）。上述结果表明，所选的4个因子间存在共线性，需要采用主成分回归分析。在进行主成分分析前，先进行 KMO和Bartlett球形检验[15]。检验结果表明，KMO值为0.764，大于0.6，Bartlett球形检验χ2统计值的显著性概率为0.000 1，远远小于0.05，所选指标适宜做主成分分析。

表6 共线性诊断指标Table 6 Collinearity diagnostic index

2.4.2 4个气象指标的主成分分析 4个气象指标按照式（1）进行标准化处理后，利用SPSS软件进行主成分分析可得到4个主成分的特征值、方差贡献率和累计方差贡献率（表7）。第1成分和第2成分的方差贡献率分别63.709%和15.833%，累积贡献率达到79.542%。故选取前2个成分作为主成分分析的对象，分析可得因子载荷矩阵，结合特征值（λ）和因子载荷矩阵，计算出因子的特征向量R值，结果见表8。

表7 各成分特征值和方差贡献率Table 7 Eigenvalues and contribution rates of principal components

表8 因子1、因子2的特征向量值Table 8 Eigenvectors of the component 1 and the component 2

由表8可得出主成分因子方程：

2.4.3 线性回归分析 参照陈斐等[16]研究方法，将2个主成分作为自变量，以上等烟比例作为因变量进行回归分析，建立高温热害评估模型（Damage of High Temperature Index，简写作DHI），为方便计算将常数项省略：

将公式（2）和（3）代入式（4），经转换后得出

S1、S2、S3、S4代表4个气象指标经过标准化处理后的无纲量化数值，由（1）式计算可得。从（5）式中可以看出，DHI与4个气象指标都呈正比。S2的系数最大，其次是S3和S4，最小是S1，对DHI的影响作用依次减弱。

2.4.4 高温热害烟叶质量评价 分别对高温热害形态特征划分的5个等级烟叶进行化学成分评价和感官质量评价，二者综合即为烟叶质量评价总得分，其中化学成分指标占比为25%，感官评价指标占比75%，加权计算结果见表9。形态I级烟叶总得分均在25分以上，形态II级与III级得分范围出现重叠部分，分布在22.12～24.84，形态IV级与V级得分也出现重叠情况，得分范围在19.25～22.08。为了便于比较不同热害烟叶质量差异，依据得分情况将热害烟叶质量划分成3个等级。评价得分在25分以上为1级，得分在22～25为2级，19～22为3级。同理，再对历年各试验点热害烟样进行评价打分，根据得分结果划分等级。

表9 不同高温热害形态等级烟叶质量评价Table 9 Quality evaluation of high temperature damage tobacco leaves at each test sites

2.4.5 高温热害烟叶等级评估结果 将各个试验点的观测值代入式（5）计算各等级对应的DHI值。根据DHI值分布情况，各等级有90%以上的值落在0.75～0.97、0.97～1.13和≥1.13等3个区间段，据此可对DHI进行等级划分（表10）。

表10 高温热害评估等级划分Table 10 Grading standard of high temperature damage

2.4.6 高温热害等级评价标准检验 为验证高温热害等级评估模型的准确性，参考吉奇[17]方法，对高温热害烟叶质量的实际评价得分和DHI分值进行回归分析检验。由图1可知，回归系数为-17.41，相关系数达到-0.93，并通过了0.01水平的显著性检验，两者相关性极显著。通过比较实际等级和评估等级（图2）后发现，评估等级与实际等级基本吻合，其中3级评估效果较好，准确率为100%，2级准确为85.7%，1级准确率稍低为75%。

3 讨 论

图1 实际质量评价得分与DHI值线性回归检验Fig. 1 Actual evaluation score and DHI value linear regression test

图2 各试验点历年评估等级与实际等级比较Fig. 2 Comparison of the evaluation level and the actual level of each test sites

本研究在明确热害烟叶田间农艺性状的基础上，对热害烟叶进行初步定性，并分析了气候条件对烟叶品质的影响，较以往仅从烟叶内在品质的研究[18-19]入手更具有科学依据。通过主成分回归分析法，建立的高温热害等级评估模型通过了显著性检验，复相关系数为0.816，较好地反映了各项指标的综合信息。经检验，广昌、宜黄和黎川试验点的评估结果与实际结果完全相符，乐安（2015年）、乐安（2016年）和资溪（2014年）的评估结果与实际结果相差一个等级，整体评估结果准确率达到83.3%。在不符的结果中，评估等级大部分比实际等级低一级，且热害指数DHI普遍较低，资溪（2014年）仅为0.772，低热害情况可能影响评估结果准确性。此外，评估模型所使用的数据均能从气象中心得到，便于在生产实践中推广应用。

关于“高温逼熟”现象以往研究往往只考虑了温度因素[5,20]，但在大田环境下，伴随高温而来的还有强辐射，强辐射会使叶片变厚且粗糙，主脉突出，形成“粗筋暴梗”，致使烟碱含量过高，刺激性增强，吃味辛辣，烟叶品质变差[18]。从评估模型的DHI计算公式可看出，光合有效辐射指标系数为0.538 9，仅次于升温幅度系数0.638 9，说明高温热害烟叶的出现，不仅仅是高温造成的，还与与其同时出现的强辐射有关，这与黄国文等[5]研究结果相一致。有研究指出高湿度并不是造成高温逼熟烟叶的必要因素[21]，湿度条件较光温条件的敏感性不强[22]，因此没有将湿度纳入研究范围。多数研究只是阐述高温强光会对烟叶品质造成不良影响[23-24]，而缺少高温热害影响的定性及定量分析。目前热害评估常以温度为评价因子[25-26]，也有研究引入了土壤条件、降水量和风速等作为评判条件[27-29]。在前人研究基础上，本文仅就热害期间日最高气温、升温幅度、日光合有效辐射和持续时间等指标进行评估，目的是使关于烟叶热害评估更科学，更实用。

4 结 论

研究与验证结果表明，江西抚州烟区烟叶主要热害影响指标是高温热害天气持续期间的日最高气温、升温幅度、日光合有效辐射强度和高温持续天数。通过线性回归检验，DHI值与实际热害烟叶品质得分存在极显著负相关，相关系数为-0.93，热害期间温度越高，升温幅度越大，光合有效辐射越强，高温持续时间越长，DHI就越高，热害等级也随之增加，烟叶品质就越差。高温热害评估等级指数在0.75～0.97时，热害1级，属轻度热害；等级评估指数在0.97～1.13时，热害2级，属中度热害；等级评估指数在1.13以上时，热害3级。建立的模型能够全面准确地对热害烟叶进行评估，并通过了模型验证，具有一定的理论意义和实际指导价值，今后还应将抗热烤烟品种的选育和烟叶热害耐受程度纳入研究，进一步完善评估模型。

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Assessment on Meteorological Indexes of High Temperature Damage to Tobacco Leaves at Maturity Stage

ZHAO Dongjie1, ZHAO Zhe1, MAO Yabo1, ZHAO Mingqin1*, QIN Yanmin2, WAN Yingfa2,ZHOU Guowang2, ZHANG Rui2

（1. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China; 2. Fuzhou City Tobacco Company of Jiangxi Province, Fuzhou, Jiangxi 344000, China)

In order to investigate the main meteorological factors of high temperature damage to tobacco leaves and detemine the degree of occurrence of high temperature damage to tobacco leaves, the relationship between the meteorological indexes and the quality of high temperature damage to tobacco leaves from mid-June to early July in Fuzhou, Jiangxi Province during 2014-2016, were analyzed by using the principal component regression analysis. The assessment grade model of high temperature damage to tobacco leaves was established and verified by the component regression analysis testing. The results showed that the main impact meteorological factors were the maximum temperature, the increasing extent of temperature during heat damage, the solar radiation,and the duration of high temperature. The three grades of evaluation index system for high temperature damage tobacco leaf: 0.75≤DHI＜0.97, grade 1, mild heat damage; 0.97≤DHI＜1.13, grade 2, moderate heat damage; DHI≥1.13, Grades 3, severe heat damage.The model evaluation results had a negative correlation with the score of tobacco leaves quality, and the correlation coefficient was -0.93, which passed the significant test at 1% level. The accuracy achieved up to 83.3%. The results can provide scientific basis for monitoring, warning and risk assessment of high temperature damage to tobacco leaves.

flue-cured tobacco; high temperature damage; meteorological factor; assessment grade; principal component regression

S572.01

1007-5119（2017）05-0062-07 DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2017.05.011

中国烟草总公司江西省公司项目“烤烟‘高温逼熟’形成机制及代谢调控技术研究”（201401006）

赵东杰（1991-），男，硕士研究生，主要从事烟草化学与质量评价。E-mail：18749492822@163.com。*通信作者，E-mail：zhaomingqin@126.com

2017-04-18

2017-07-18