主成分與聚類分析在NC297煙葉品質(zhì)區(qū)域劃分中的應(yīng)用

周 敏， 張忠武， 陳拾華， 楊景華， 王建新，段宗顏，魯 耀， 鄒炳禮， 周紹松*， 董石飛， 李 偉， 張 靜

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所， 云南 昆明 650205； 2.紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650231)

品種單一與退化現(xiàn)象已經(jīng)成為目前國內(nèi)烤煙生產(chǎn)面臨的主要問題[1]，解決這些問題的有效途徑是引進(jìn)優(yōu)良品種，同時也是卷煙企業(yè)對品牌導(dǎo)向型原料需求的重要舉措[2-3]?？緹煼N植區(qū)域的氣候特點是形成不同烤煙特色的主要因子，在烤煙生長發(fā)育的各個時期，光照、溫度、水分和土壤等因子都直接影響烤煙的品質(zhì)[4-6]。一直以來，煙草主要是依靠煙葉的外觀質(zhì)量和感官質(zhì)量對其進(jìn)行品質(zhì)評價，受主觀因素的影響較大。在烤煙品種區(qū)域適應(yīng)性綜合評價時通常采用因子分析法分析烤煙的主要化學(xué)成分，或在此基礎(chǔ)上與烤煙的感官質(zhì)量評價得分進(jìn)行對比驗證[7-9]，但這些評價方法并不能完全客觀地評價烤煙品種的區(qū)域適應(yīng)性，仍然存在一定的主觀性。1998年美國金葉種子公司育成的雜交F1代烤煙品種NC297，2000年成為美國北卡州官方品種試驗的推廣品種。該品種具有抗黑脛病、青枯病、TMV和南方根結(jié)線蟲，以及易烘烤和香氣質(zhì)好等特點。云南中煙工業(yè)公司2006年從美國引進(jìn)NC297品種，其生產(chǎn)的煙葉符合云煙高端卷煙品牌的原料需求。但在引種試驗中發(fā)現(xiàn)其區(qū)域適應(yīng)性不廣，在不同區(qū)域種植時煙葉經(jīng)濟(jì)性狀差異較大，在部分區(qū)域種植經(jīng)濟(jì)性狀偏低。為此，采用主成分分析法，對云南昆明、紅河和文山種植的NC297煙葉主要化學(xué)成分和感官質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，利用系統(tǒng)聚類法對NC297的適宜種植區(qū)域進(jìn)行劃分，以期為NC297在云南煙區(qū)的合理布局提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

煙葉樣品：烤煙品種為NC297，B2F和C3F煙葉樣品各154個，2016年采自云南省昆明、紅河和文山3個(市、州)的12個縣31個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

1.2 方法

1.2.1 指標(biāo)測定 煙葉的化學(xué)成分指標(biāo)有總氮、煙堿、還原糖、鉀、淀粉、糖堿比、氮堿比和鉀氯比；煙葉感官質(zhì)量評價指標(biāo)有香氣量、香氣質(zhì)、口感和雜氣。按文獻(xiàn)[10]的方法進(jìn)行化學(xué)成分測定。按文獻(xiàn)[11]的方法進(jìn)行感官質(zhì)量評價。

1.2.2 原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理 由于化學(xué)成分和感官質(zhì)量各項指標(biāo)的量綱不一致，有較大的數(shù)量級差異。所以，通過對各項指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理消除量綱和數(shù)量級對綜合評價帶來的不良影響。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)化的公式如下：

1.2.3 主成分分析 選擇12個成分均值化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得出解釋的總方差。

1.2.4 聚類分析 將31個種植區(qū)域的B2F和C3F煙葉樣品主成分綜合得分經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化法處理后，以卡方距離為衡量各種植區(qū)域煙葉樣品間綜合品質(zhì)差異大小的指標(biāo)，采用離差平方和法對B2F和C3F煙葉樣品綜合得分進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。

1.2.5 最適種植區(qū)域的確定 因為主成分一般不只1個，采用1個主成分對NC297最適種植區(qū)域進(jìn)行綜合評價不易作出準(zhǔn)確的判定。選取B2F的x個主成分和C3F的y個主成分的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重系數(shù)，利用其主成分分值(Fx和Fy)構(gòu)建NC297最適種植區(qū)域的綜合評價數(shù)學(xué)模型，得到B2F煙葉的x個主成分和C3F的y個主成分與原12項化學(xué)指標(biāo)和感官質(zhì)量指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的線性組合以及綜合得分公式，求得31個種植區(qū)域的B2F和C3F煙葉樣品主成分綜合得分，綜合得分越高，該種植區(qū)域煙葉樣本的綜合品質(zhì)越好。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2007處理數(shù)據(jù)，采用DPS 15.0進(jìn)行主成分分析、相關(guān)分析和系統(tǒng)聚類[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 NC297各個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)系數(shù)

從表1可知，NC297的B2F煙葉煙堿與鉀、糖堿比、氮堿比、鉀氯比、香氣量、香氣質(zhì)、口感和雜氣呈極顯著正相關(guān)，與還原糖呈顯著正相關(guān)；總氮與還原糖、糖堿比、香氣質(zhì)和雜氣呈極顯著正相關(guān)；還原糖與糖堿比、香氣量、香氣質(zhì)、口感和雜氣呈極顯著正相關(guān)；鉀與鉀氯比、香氣量、香氣質(zhì)、口感和雜氣呈極顯著正相關(guān)；糖堿比與香氣量、香氣質(zhì)、口感和雜氣呈極顯著正相關(guān)；氮堿比與香氣量呈顯著正相關(guān)；鉀氯比與香氣量和口感呈極顯著正相關(guān)，與香氣質(zhì)呈顯著正相關(guān)；香氣量與香氣質(zhì)、口感和雜氣呈極顯著正相關(guān)；香氣質(zhì)與口感和雜氣呈極顯著正相關(guān)，口感與雜氣呈極顯著正相關(guān)。

從表2看出，NC297的C3F煙葉煙堿與鉀、糖堿比、氮堿比、香氣質(zhì)、口感和雜氣呈極顯著正相關(guān)，與香氣量呈顯著正相關(guān)；鉀與鉀氯比、香氣量、香氣質(zhì)和口感呈極顯著正相關(guān)，與氮堿比和雜氣呈顯著正相關(guān)；糖堿比與氮堿比呈顯著正相關(guān)；鉀氯比與香氣量、香氣質(zhì)、口感和雜氣呈顯著正相關(guān)；香氣量與香氣質(zhì)、口感和雜氣呈極顯著正相關(guān)；香氣質(zhì)與口感和雜氣呈極顯著正相關(guān)，口感與雜氣呈極顯著正相關(guān)。由于存在相關(guān)性，在進(jìn)行綜合評價時如果直接采用這些指標(biāo)分布狀況，信息重疊將會不可避免，最終致使評價結(jié)果失真。

表1 B2F煙葉化學(xué)成分及感官質(zhì)量評價指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

注：*和**分別表示相關(guān)性顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)，下同。

Note: *and ** indicate significant correlation(P<0.05) and extremely significant correlation(P<0.01). The same below.

表2 C3F煙葉化學(xué)成分及感官質(zhì)量評價指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

2.2 主成分分析

從表3和表4可知，B2F煙葉特征根>1的成分有3個，即成分1、成分2和成分3，其特征根分別為6.190、1.797和1.236，3個成分(因子)可解釋76.860%的累計方差貢獻(xiàn)率。因此，B2F煙葉的主成分為成分1～3，即第1主成分(Y1)、第2主成分(Y2)和第3主成分(Y3)。Y1的貢獻(xiàn)率為51.580%，香氣量、香氣質(zhì)、口感、雜氣、煙堿和糖堿比有較大的正系數(shù)，所以第1主成分反映的是感官質(zhì)量和化學(xué)品質(zhì)的正相關(guān)關(guān)系，可稱為B2F煙葉感官品質(zhì)指數(shù)；Y2的貢獻(xiàn)率為14.977%，氮堿比和鉀氯比有較大的正系數(shù)，可稱為B2F煙葉化學(xué)品質(zhì)指數(shù)；Y3的貢獻(xiàn)率為10.303%，淀粉有較大的正系數(shù)，可稱為B2F煙葉淀粉指數(shù)。B2F煙葉第1主成分的特征向量分別乘以12個原始變量標(biāo)準(zhǔn)化之后的變量即為B2F煙葉第1主成分的函數(shù)表達(dá)式，同理可以得出B2F煙葉第2～3主成分的函數(shù)表達(dá)式：Y1=0.323X煙堿+0.201X總氮+0.265X還原糖+0.262X鉀+0.042X淀粉+0.328X糖堿比+0.134X氮堿比+0.293X鉀氯比+0.093X香氣量+0.208X香氣質(zhì)+0.231X口感+0.046X雜氣；Y2=0.265X煙堿-0.532X總氮-0.321X還原糖+0.217X鉀+0.060X淀粉-0.176X糖堿比+0.537X氮堿比+0.355X鉀氯比+0.128X香氣量-0.071X香氣質(zhì)-0.009X口感-0.162X雜氣；Y3=-0.125X煙堿+0.057X總氮-0.361X還原糖-0.055X鉀+0.705X淀粉-0.288X糖堿比-0.368X氮堿比+0.235X鉀氯比+0.120X香氣量+0.159X香氣質(zhì)+0.143X口感+0.131X雜氣。

C3F煙葉特征根>1的成分有4個，即成分1、成分2、成分3和成分4，其特征根分別為5.125、1.863、1.277和1.172，4個成分(因子)可解釋78.648%的累計方差貢獻(xiàn)率。因此，C3F煙葉的主成分為成分1～4，即第1主成分(Y1)、第2主成分(Y2)、第3主成分(Y3)和第4主成分(Y4)。Y1的貢獻(xiàn)率為42.711%，香氣量、香氣質(zhì)、口感、雜氣、煙堿和鉀有較大的正系數(shù)，所以第1主成分反映的是感官質(zhì)量和化學(xué)品質(zhì)的正相關(guān)關(guān)系，可稱為C3F煙葉的感官品質(zhì)指數(shù)；Y2的貢獻(xiàn)率為15.523%，煙堿、還原糖、糖堿比和氮堿比有較大的正系數(shù)，可稱為C3F煙葉的化學(xué)品質(zhì)指數(shù)；Y3的貢獻(xiàn)率為10.645%，淀粉有較大的正系數(shù)，可稱為C3F煙葉淀粉指數(shù)；Y4的貢獻(xiàn)率為9.768%，總氮有較大的正系數(shù)，可稱為C3F煙葉總氮指數(shù)。C3F煙葉第1主成分的特征向量分別乘以12個原始變量標(biāo)準(zhǔn)化之后的變量即為C3F煙葉第1主成分的函數(shù)表達(dá)式，同理可以得出C3F煙葉第2～4主成分的函數(shù)表達(dá)式：Y1=0.320X煙堿-0.111X總氮-0.061X還原糖+0.310X鉀-0.040X淀粉+0.209X糖堿比+0.248X氮堿比+0.255X鉀氯比+0.369X香氣量+0.406X香氣質(zhì)+0.402X口感+0.389X雜氣；Y2=0.424X煙堿+0.059X總氮+0.356X還原糖+0.030X鉀-0.329X淀粉+0.506X糖堿比+0.384X氮堿比-0.024X鉀氯比-0.243X香氣量-0.189X香氣質(zhì)-0.178X口感-0.224X雜氣；Y3=0.158X煙堿-0.594X總氮+0.362X還原糖+0.038X鉀+0.524X淀粉+0.265X糖堿比-0.352X氮堿比-0.118X鉀氯比+0.022X香氣量-0.084X香氣質(zhì)-0.004X口感+0.224X雜氣；Y4=0.020X煙堿+0.362X總氮+0.158X還原糖-0.446X鉀+0.099X淀粉+0.210X糖堿比+0.010X氮堿比-0.659X鉀氯比+0.226X香氣量+0.199X香氣質(zhì)+0.176X口感+0.187X雜氣。

表3 B2F及C3F煙葉化學(xué)成分及感官質(zhì)量評價指標(biāo)解釋的總方差

表4 B2F及C3F煙葉化學(xué)成分及感官質(zhì)量評價指標(biāo)主成分的特征向量

2.3 NC297最適種植區(qū)域的篩選

試驗結(jié)果表明，NC297最適種植區(qū)域的綜合評價數(shù)學(xué)模型為YB2F=0.671F1+0.195F2+0.134F3，YC3F=0.543F1+0.197F2+0.135F3+0.124F4。在31個種植區(qū)域中，硯山干河、廣南珠琳和廣南蓮城的B2F煙葉綜合品質(zhì)最好(表5)，麻栗坡大坪的C3F煙葉綜合品質(zhì)最好(表6)。

表5NC297不同種植區(qū)域B2F煙葉的主成分分值

Table 5 Principal component score of B2F from different planting areas of NC297

表6NC297不同種植區(qū)域的C3F煙葉主成分分值

Table 6 Principal component score of C3F from different planting areas in NC297

2.4 聚類分析

從圖1和表7看出，當(dāng)距離系數(shù)為2.30時，在31個種植區(qū)域的B2F煙葉綜合品質(zhì)可分為5類。第1類種植區(qū)域包括硯山干河、廣南珠琳、廣南蓮城、西疇西灑、馬關(guān)仁和、硯山阿猛和西疇興街，該類區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)得分≥1.272分，綜合品質(zhì)平均得分為1.941分，該類種植區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)好。第2類種植區(qū)域包括硯山盤龍、硯山者臘、馬關(guān)大栗樹、馬關(guān)馬白、馬關(guān)八寨、廣南楊柳井和麻栗坡大坪，該類區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)≥1.045分，綜合品質(zhì)平均得分為1.538分，該類種植區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)較好。第3類種植區(qū)域包括瀘西午街鋪、硯山平遠(yuǎn)、安寧縣街、嵩明楊橋、瀘西白水、蒙自鳴鷲、硯山江那、嵩明嵩陽、瀘西中樞、宜良馬街和瀘西向陽，該類區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)得分≥-1.768分，綜合品質(zhì)平均得分為-1.104分，該類種植區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)中等。第4類種植區(qū)域包括嵩明楊林、石林鹿阜和瀘西金馬，該類區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)得分≥-1.881分，綜合品質(zhì)平均得分為-1.799分，該類種植區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)稍差。第5類種植區(qū)域包括瀘西永寧、蒙自老寨和蒙自西北勒，該類區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)得分≥-2.554分，綜合品質(zhì)平均得分為-2.272分，該類種植區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)差。

當(dāng)距離系數(shù)為2.25時，在31個種植區(qū)域的C3F煙葉綜合品質(zhì)同樣可分為5類。第1類種植區(qū)域包括硯山盤龍、硯山者臘、硯山干河、硯山阿猛、廣南蓮城、廣南楊柳井、西疇西灑、西疇興街、麻栗坡大坪、馬關(guān)馬白、馬關(guān)大栗樹、馬關(guān)八寨和馬關(guān)仁和，該類區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)得分≥0.634分，綜合品質(zhì)平均得分為1.134分，該類種植區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)好。第2類種植區(qū)域包括石林鹿阜、蒙自老寨和廣南珠琳，該類區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)得分≥-1.171分，綜合品質(zhì)平均得分為0.064分，該類種植區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)較好。第3類種植區(qū)域包括宜良馬街、嵩明嵩陽、瀘西中樞、瀘西午街鋪和硯山平遠(yuǎn)，該類區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)得分≥-0.515分，綜合品質(zhì)平均得分為0.028分，該類種植區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)中等。第4類種植區(qū)域包括嵩明楊橋、瀘西向陽、瀘西金馬、瀘西白水、瀘西永寧和蒙自鳴鷲，該類區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)得分≥-1.873分，綜合品質(zhì)平均得分為-1.251分，其煙葉綜合品質(zhì)為“稍差”。第5類種植區(qū)域包括嵩明楊林、安寧縣街、蒙自西北勒和硯山江那，該類區(qū)域的煙葉綜合品質(zhì)得分≥-2.878分，綜合品質(zhì)平均得分為-1.892分，其煙葉綜合品質(zhì)為“差”。

圖1 NC297不同種植區(qū)域B2F 及 C3F煙葉綜合得分的系統(tǒng)聚類

表7 NC297的B2F 及 C3F煙葉綜合品質(zhì)不同類別的樣本分布

3 結(jié)論與討論

應(yīng)用主成分分析法研究烤煙品質(zhì)區(qū)域劃分，通常先對煙葉化學(xué)成分進(jìn)行相關(guān)性分析及主成分分析，然后再把化學(xué)成分的主成分得分與感官質(zhì)量得分進(jìn)行符合性評價[7,9,13]，或把外觀質(zhì)量評價、感官質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性狀和致香成分進(jìn)行相關(guān)性分析及主成分分析[14]，或僅對煙葉化學(xué)成分[8]、化學(xué)成分與物理性狀[15]、外觀質(zhì)量與化學(xué)成分[16]或致香成分[17-18]、物理性狀[19]進(jìn)行相關(guān)性分析及主成分分析，最終得出烤煙品種品質(zhì)區(qū)域劃分結(jié)論。有采用雷達(dá)圖[20-21]、AMMI(加性主效應(yīng)和乘積交互作用模型)[22]、主成分分析結(jié)合聚類分析應(yīng)用外觀質(zhì)量[23]對烤煙品種品質(zhì)區(qū)域進(jìn)行劃分，采用灰色多層次綜合評判與系統(tǒng)聚類法對烤煙品質(zhì)進(jìn)行區(qū)劃[24]、也有采用光照因子和熱量因子，利用系統(tǒng)聚類方法對烤煙生態(tài)區(qū)域進(jìn)行劃分[25]。

由于卷煙工業(yè)企業(yè)更為關(guān)注烤煙化學(xué)成分和感官質(zhì)量的協(xié)調(diào)性，因此，尋求更加全面、準(zhǔn)確地對烤煙品種進(jìn)行品質(zhì)區(qū)域劃分具有重要意義。將NC297的B2F和C3F煙葉的主要化學(xué)成分指標(biāo)和感官質(zhì)量評價指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析及主成分分析，然后通過系統(tǒng)聚類對其進(jìn)行品質(zhì)區(qū)域劃分表明，NC297在云南省的昆明、紅河和文山3個市(州)31個種植區(qū)域可分為5類。第1類種植區(qū)域包括硯山干河(B2F、C3F)、廣南蓮城(B2F、C3F)、西疇西灑(B2F、C3F)、馬關(guān)仁和(B2F、C3F)、硯山阿猛(B2F、C3F)、西疇興街(B2F、C3F)、硯山盤龍(C3F)、硯山者臘(C3F)、廣南楊柳井(C3F)、麻栗坡大坪(C3F)、馬關(guān)馬白(C3F)、馬關(guān)大栗樹(C3F)和馬關(guān)八寨(C3F)，煙葉綜合品質(zhì)好。第2類種植區(qū)域包括硯山盤龍(B2F)、硯山者臘(B2F)、馬關(guān)大栗樹(B2F)、馬關(guān)馬白(B2F)、馬關(guān)八寨(B2F)、廣南楊柳井(B2F)、麻栗坡大坪(B2F)、石林鹿阜(C3F)、蒙自老寨(C3F)和廣南珠琳(C3F)，煙葉綜合品質(zhì)較好。第3類種植區(qū)域包括宜良馬街(B2F、C3F)、嵩明嵩陽(B2F、C3F)、瀘西中樞(B2F、C3F)、瀘西午街鋪(B2F、C3F)、硯山平遠(yuǎn)(B2F、C3F)、安寧縣街(B2F)、嵩明楊橋(B2F)、瀘西白水(B2F)、蒙自鳴鷲(B2F)、硯山江那(B2F)和瀘西向陽(B2F)，煙葉綜合品質(zhì)中等。第4類種植區(qū)域包括瀘西金馬(B2F、C3F)、嵩明楊林(B2F)、石林鹿阜(B2F)、嵩明楊橋(C3F)、瀘西向陽(C3F)、瀘西白水(C3F)、瀘西永寧(C3F)和蒙自鳴鷲(C3F)，煙葉綜合品質(zhì)稍差。第5類種植區(qū)域包括蒙自西北勒(B2F、C3F)、瀘西永寧(B2F)、蒙自老寨(B2F)、嵩明楊林(C3F)、安寧縣街(C3F)和硯山江那(C3F)，煙葉綜合品質(zhì)差。

云南作為中國最大的煙葉產(chǎn)區(qū)，其生態(tài)區(qū)域特性差異較大，不同的品種在不同的生態(tài)區(qū)域的表現(xiàn)不同[26-30]，該研究結(jié)果也印證了這一點。為了更好地豐富中國煙草品種的種質(zhì)資源，為煙葉生產(chǎn)提供更多適應(yīng)性強(qiáng)、表現(xiàn)好的優(yōu)質(zhì)煙葉品種，引進(jìn)更多的國外品種資源，在不同的生態(tài)區(qū)域進(jìn)行區(qū)試和示范性試驗，是加速中國優(yōu)質(zhì)煙葉品種本土化和品種更新?lián)Q代、促進(jìn)煙葉生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。