劉 靜，陽(yáng) 威，成 丹，任永建，王麗娟

（湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205）

0 引言

煙草是中國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，煙草行業(yè)是中國(guó)財(cái)政收入的重要來(lái)源，國(guó)家最重要的實(shí)體經(jīng)濟(jì)之一[1]。煙葉作為卷煙工業(yè)的原料，品質(zhì)的優(yōu)劣舉足輕重，其中其化學(xué)成分是煙葉質(zhì)量和香型風(fēng)格特征的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[2-3]。研究表明，烤煙的化學(xué)構(gòu)成是生態(tài)環(huán)境、品種基因和栽培技術(shù)共同作用的結(jié)果[4]，三者對(duì)煙葉質(zhì)量的貢獻(xiàn)率分別為56%、32%和10%[5-6]?？梢?，生態(tài)環(huán)境對(duì)烤煙品質(zhì)至關(guān)重要。其中氣候條件中的光照、溫度、水分等因素的變化，對(duì)烤煙內(nèi)在化學(xué)成分含量及其協(xié)調(diào)性影響更顯著[7-8]。

2011年以來(lái)，不少學(xué)者針對(duì)不同煙區(qū)對(duì)氣候要素與烤煙化學(xué)成分之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。河南省盛產(chǎn)焦甜香型烤煙[9]，研究發(fā)現(xiàn)，河南煙區(qū)烤煙化學(xué)品質(zhì)指標(biāo)受氣候條件影響頗大，其中溫?zé)嵋蛩赜绊懗潭茸畲?、水濕因素次之、光照因素最小，且旺長(zhǎng)期太陽(yáng)總輻射是影響烤煙化學(xué)成分協(xié)調(diào)性評(píng)分的主要?dú)夂蛞蛩豙10-11]。但是溫?zé)釛l件對(duì)烤煙不同部位的化學(xué)成分的影響也不盡相同。石油醚提取物是形成煙葉芳香氣味的因素，其上部葉主導(dǎo)氣候因子為大田期最高氣溫，中、下部葉則是旺長(zhǎng)期平均氣溫[12]；煙堿和總氮的含量隨成熟期晝夜溫差增大而減小，而總糖、還原糖含量以及鉀氯比則與成熟期晝夜溫差呈顯著正相關(guān)[13]。

云南省盛產(chǎn)清甜香型烤煙[9]，研究發(fā)現(xiàn)，影響云南煙區(qū)烤煙化學(xué)成分的氣象因子中最重要的是光照和降水量，溫度的影響微乎其微[14]。其中降水量在煙草不同生長(zhǎng)階段的合理分布是確保煙草品質(zhì)的前提，旺長(zhǎng)期煙草對(duì)水分的需求最大，降水增加有利于提高總糖含量[15]。另外，在分析影響貴州烏蒙煙區(qū)烤煙風(fēng)格的氣候要素時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然該地區(qū)氣溫偏低，但充足的日照和豐富的降水促使烤煙在旺長(zhǎng)期生長(zhǎng)迅速，積累較多糖分的同時(shí)也降低煙堿含量，促使烤煙化學(xué)成分協(xié)調(diào)，表現(xiàn)出蜜甜香特點(diǎn)[16]。

綜合之前學(xué)者的研究，對(duì)影響烤煙化學(xué)成分的氣候要素分析大多集中于氣溫、降水、光照等。地表溫度是衡量地面熱狀況的重要參數(shù)[17]，反映了地表與大氣之間的物質(zhì)交換和能量平衡，其變化對(duì)種子的萌發(fā)、植物的生長(zhǎng)和農(nóng)作物的產(chǎn)量影響巨大[18]。目前有關(guān)地表溫度對(duì)烤煙品質(zhì)的研究相對(duì)較少，吳璐[19]研究發(fā)現(xiàn)河南烤煙化學(xué)成分與生育期地表溫度日較差（簡(jiǎn)稱地溫差，即日地表最高溫度與日地表最低溫度的差值）關(guān)系密切，地溫差縮小將導(dǎo)致烤煙上部葉總糖、還原糖、蛋白質(zhì)含量減少，鉀氯比含量增加；中部葉的氮堿比、糖堿比減少，煙堿、鉀含量增加，下部葉兩糖比增加。

湖北在中國(guó)煙草生產(chǎn)中占有重要地位[20]，其烤煙常年產(chǎn)量100000 t左右。據(jù)最新的中國(guó)煙草種植區(qū)劃[21]統(tǒng)計(jì)，湖北作為煙草主產(chǎn)區(qū)被歸類為最適宜區(qū)和適宜區(qū)，其中鄂西南、鄂西北和鄂東北3個(gè)煙區(qū)是湖北最重要的三大烤煙原料產(chǎn)地。由于地表溫度的變化嚴(yán)重影響烤煙品質(zhì)，而目前湖北煙區(qū)烤煙化學(xué)成分受其影響程度并無(wú)研究分析，故本研究收集了湖北省16個(gè)產(chǎn)煙縣（按行政區(qū)劃分為恩施市、宜昌市、十堰市和襄陽(yáng)市4個(gè)地區(qū)）的主要?dú)庀蠛涂緹熁瘜W(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，擬分析湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差變化對(duì)烤煙化學(xué)成分的影響，以期為該煙區(qū)烤煙生產(chǎn)布局和充分利用氣候資源提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 氣象數(shù)據(jù)

本研究所使用的氣象數(shù)據(jù)為湖北煙區(qū)1960—2020年共61年16個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站烤煙生育期的0 cm地表溫度（簡(jiǎn)稱地溫）數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來(lái)源于湖北省信息與技術(shù)保障中心，所用氣象數(shù)據(jù)均經(jīng)過了校驗(yàn)和訂正，具有較高的代表性和可信度。具體煙區(qū)和對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)包括：恩施市（巴東、恩施、鶴峰、建始、來(lái)鳳、利川、咸豐、宣恩）、宜昌市（興山、秭歸）、十堰市（房縣、鄖西、竹山、竹溪）、襄陽(yáng)市（?？?、南漳）（圖1）。

圖1 湖北煙區(qū)國(guó)家氣象觀測(cè)站分布

1.2 烤煙化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)

本研究使用湖北煙區(qū)16個(gè)產(chǎn)煙縣2005—2020年共16年的烤煙化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，其測(cè)定指標(biāo)包括煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀和氯，由湖北省煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站進(jìn) 行分析測(cè)定。其中總糖和還原糖采用鐵氰化鉀比色法[22]；煙堿、總氮、鉀和氯的測(cè)定參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 160[23]、YC/T 161[24]、YC/T 162[25]和 YC/T 173[26]進(jìn)行。鉀氯比、氮堿比、糖堿比和兩糖比反映了烤煙化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性，由上述相關(guān)指標(biāo)推算得出。所采集的有效烤煙樣品共708份，其中上部葉、中部葉、下部葉各236份。

1.3 烤煙生育期確定

湖北南部和北部氣候條件的差異造成了南北煙區(qū)烤煙的生長(zhǎng)發(fā)育起止日期略有不同。本研究根據(jù)恩施市、宜昌市、十堰市和襄陽(yáng)市的烤煙農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站的生育期觀測(cè)資料，并參考各地的移栽時(shí)間和終烤時(shí)間，分別確定南、北煙區(qū)烤煙的各個(gè)生育階段時(shí)間。其中南部煙區(qū)（巴東、恩施、鶴峰、建始、來(lái)鳳、利川、咸豐、宣恩、興山、秭歸）烤煙大田生長(zhǎng)期時(shí)間段為5月1日—9月15日，其中伸根—團(tuán)棵期為5月1日—5月31日，旺長(zhǎng)期為6月11日—7月11日，成熟期為7月21日—9月15日。北部煙區(qū)（房縣、鄖西、竹山、竹溪、?？?、南漳）烤煙大田生長(zhǎng)期時(shí)間段為4月25日—9月9日，其中伸根—團(tuán)棵期為4月25日—5月25日，旺長(zhǎng)期為6月5日—7月5日，成熟期為7月15日—9月9日。

2 湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差氣候變化特征

2.1 地溫差線性趨勢(shì)變化特征

圖2為湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期平均地溫差的逐年變化圖。可知，湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中整個(gè)大田生長(zhǎng)期的地溫差平均每10年下降0.24℃，相關(guān)系數(shù)R為-0.23，通過了0.1顯著性水平檢驗(yàn)。旺長(zhǎng)期和成熟期，地溫差同樣表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)特征，相關(guān)系數(shù)R分別為-0.18和-0.24，均通過了0.1顯著性水平檢驗(yàn)。而伸根—團(tuán)棵期，雖然地溫差的氣候趨勢(shì)傾向率達(dá)到0.21℃/10 a，但相關(guān)系數(shù)R并未通過顯著性水平檢驗(yàn)。

圖2 湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期平均地溫差年變化

2.2 地溫差突變特征分析

本研究將聯(lián)合Mann-Kendall法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法來(lái)確定湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期平均地溫差的突變點(diǎn)，其中圖3為Mann-Kendall法結(jié)果?？芍睙焻^(qū)大田期地溫差突變點(diǎn)發(fā)生于1974年。結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果，1960—1974年湖北烤煙大田期地溫差平均值為24.3℃，方差為1.48，1975—1989年平均值為22.7℃，方差為3.18，推算得到t值為2.73，通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)(tα=2.05)。綜合2種方法結(jié)果，1974年湖北煙區(qū)大田期地溫差發(fā)生突變，且從UF曲線可看出自1973年起，湖北煙區(qū)大田期地溫差呈下降趨勢(shì)，1985—1994年下降趨勢(shì)顯著，超過了0.05顯著性水平。

圖3 湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期平均地溫差突變檢驗(yàn)

同理，對(duì)湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙伸根—團(tuán)棵期、旺長(zhǎng)期和成熟期的平均地溫差進(jìn)行突變檢驗(yàn)，得到湖北煙區(qū)伸根—團(tuán)棵期地溫差突變年份為1978年，t值為-1.85，通過了0.1顯著性水平檢驗(yàn)(tα=1.70)。雖自1981年起，伸根—團(tuán)棵期地溫差呈上升趨勢(shì)，但并未超過0.05顯著性水平。

湖北煙區(qū)旺長(zhǎng)期地溫差突變年份為1973年，t值為2.15，通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)(tα=2.06)。且自1973年起，旺長(zhǎng)期地溫差呈下降趨勢(shì)，1989—1996年下降趨勢(shì)顯著，超過了0.05顯著性水平。

湖北煙區(qū)成熟期地溫差突變年份為1979年，t值為 1.99，通過了 0.1 顯著性水平檢驗(yàn)(tα=1.70)。且自1980年起，成熟期地溫差呈下降趨勢(shì)，1987—1991、2007—2018年下降趨勢(shì)顯著，超過了0.05顯著性水平。

2.3 地溫差線性趨勢(shì)空間分布特征

圖4為湖北煙區(qū)16個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站1960—2020年烤煙各生育期地溫差線性趨勢(shì)空間分布圖?？芍?，除伸根—團(tuán)棵期外，湖北煙區(qū)大部分站點(diǎn)烤煙生育期地溫差呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中大田期、旺長(zhǎng)期和成熟期地溫差變化趨勢(shì)大體相似，南部煙區(qū)的恩施、鶴峰、建始、興山、秭歸和北部煙區(qū)的房縣、竹山、南漳地溫差下降趨勢(shì)顯著（通過了0.1、0.05或0.01的顯著性水平檢驗(yàn)）；而伸根—團(tuán)棵期，大部分站點(diǎn)地溫差雖呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，不過趨勢(shì)變化并不明顯（未通過0.1、0.05或0.01的顯著性水平檢驗(yàn)）。整體而言，湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差呈下降趨勢(shì)，下降最顯著區(qū)域?yàn)槎跷髂系呐d山和秭歸，鄂西北的竹山和南漳。

圖4 湖北煙區(qū)16個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站1960—2020年烤煙各生育期地溫差線性趨勢(shì)空間分布

3 湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差與煙葉化學(xué)成分的關(guān)系

表1為湖北煙區(qū)2005—2020年烤煙不同部位煙葉各化學(xué)成分的統(tǒng)計(jì)值，可知，湖北烤煙上部葉、中部葉和下部葉各化學(xué)成分的含量存在差異且不均等。從離散系數(shù)來(lái)看，煙堿、總糖、還原糖、總氮、鉀、氮堿比和兩糖比三部位均在13%以下，其中煙堿、還原糖、鉀和氮堿比以上部葉最小，總糖以中部葉最小，總氮和兩糖比以下部葉最??；氯、鉀氯比和糖堿比三部位均在16%以上，且均以上部位最小。整體而言，湖北烤煙上部葉各化學(xué)成分的離散程度相對(duì)較小，空間差異不大；下部葉各化學(xué)成分的離散程度相對(duì)較大，空間差異顯著。

表1 湖北煙區(qū)2005—2020年烤煙上部葉、中部葉、下部葉化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)特征

表2為湖北煙區(qū)2005—2020年烤煙各生育期地溫差分別與上部葉、中部葉和下部葉化學(xué)成分的相關(guān)系數(shù)。可知，在大田期，地溫差與三部位的煙堿和還原糖呈正相關(guān)；與三部位的鉀、鉀氯比、氮堿比和兩糖比呈負(fù)相關(guān)。在伸根—團(tuán)棵期，地溫差與三部位的總糖和鉀氯比、上部葉的還原糖和中部葉的煙堿呈正相關(guān)；與三部位的鉀、氯和兩糖比呈負(fù)相關(guān)。在旺長(zhǎng)期，地溫差與三部位的煙堿和總氮、中部葉和下部葉的還原糖呈正相關(guān)；與三部位的總糖、鉀、氯、氮堿比、糖堿比和兩糖比呈負(fù)相關(guān)。在成熟期，地溫差與三部位的總糖、氯、糖堿比和兩糖比、上部葉和中部葉的鉀、中部葉和下部葉的氮堿比、下部葉的還原糖呈正相關(guān)；與三部位的煙堿、總氮和鉀氯比、上部葉的氮堿比、中部葉的還原糖呈負(fù)相關(guān)。整體而言，湖北烤煙不同生育期地溫差與不同部位煙葉化學(xué)成分的相關(guān)性存在一定的差異。根據(jù)前文的分析可知，湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，則將導(dǎo)致三部位的煙堿和還原糖含量減小，三部位的鉀和上部位的總糖含量增加。

表2 湖北煙區(qū)2005—2020年烤煙各生育期地溫差與煙葉化學(xué)成分相關(guān)系數(shù)

4 湖北煙區(qū)烤煙生育期地溫差趨勢(shì)變化對(duì)煙葉化學(xué)成分的影響

根據(jù)湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期平均地溫差的突變特征，以及地溫差與煙葉不同部位化學(xué)成分的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而總結(jié)了湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙各生育期地溫差趨勢(shì)變化對(duì)煙葉不同部位化學(xué)成分的影響（表3）?？芍?，烤煙大田期的突變年份為1974年，突變之前（1960—1973年）的氣候傾向率為0.07℃/10 a，突變之后（1974—2020年）為-0.72℃/10 a（通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)），由于大田期地溫差與煙葉上部葉、中部葉和下部葉三部位的煙堿和還原糖呈正相關(guān)，與三部位的鉀、鉀氯比、氮堿比和兩糖比呈負(fù)相關(guān)，因此大田期地溫差突變之后，將引起煙葉的煙堿和還原糖含量減少，鉀、鉀氯比、氮堿比和兩糖比含量增加。

表3 湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙生育期地溫差趨勢(shì)變化對(duì)煙葉化學(xué)成分的影響

烤煙旺長(zhǎng)期的突變年份為1973年，突變之前（1960—1972年）的氣候傾向率為0.09℃/10 a，突變之后（1973—2020年）為-0.03℃/10 a（通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)），由于旺長(zhǎng)期地溫差與煙葉上部葉、中部葉和下部葉三部位的煙堿和總氮、中部葉和下部葉的還原糖呈正相關(guān)；與三部位的總糖、鉀、氯、氮堿比、糖堿比和兩糖比呈負(fù)相關(guān)，尤其與三部位的煙堿、上部葉和中部葉的總氮、中部葉的還原糖、上部葉的總糖和糖堿比、中部葉的鉀相關(guān)性顯著（通過了0.1、0.05或0.01的顯著性水平檢驗(yàn)），因此旺長(zhǎng)期地溫差突變之后，將加速引起煙葉的煙堿、總氮和還原糖含量減少，總糖、鉀和糖堿比含量增加。

烤煙成熟期的突變年份為1979年，突變之前（1960—1978年）的氣候傾向率為1.05℃/10 a，突變之后（1979—2020年）為-0.22℃/10 a（通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)），由于成熟期地溫差與煙葉上部葉、中部葉和下部葉三部位的總糖、氯、糖堿比和兩糖比、上部葉和中部葉的鉀、中部葉和下部葉的氮堿比、下部葉的還原糖呈正相關(guān)；與三部位的煙堿、總氮和鉀氯比、上部葉的氮堿比、中部葉的還原糖呈負(fù)相關(guān)，尤其與三部位的兩糖比、中部葉和下部葉的總糖和糖堿比、中部葉的氯相關(guān)性顯著（通過了0.1、0.05或0.01的顯著性水平檢驗(yàn)），因此成熟期地溫差突變之后，將加速引起煙葉的總糖、氯、糖堿比和兩糖比的含量增加。

5 結(jié)論與討論

本研究利用湖北煙區(qū)16個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站1960—2020年共61年烤煙生育期的0 cm地表溫度數(shù)據(jù)和16個(gè)產(chǎn)煙縣2005—2020年共16年的烤煙化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，分析了地表溫度日較差變化對(duì)湖北煙區(qū)烤煙化學(xué)成分的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除伸根—團(tuán)棵期外，湖北煙區(qū)烤煙大田期、旺長(zhǎng)期和成熟期的地溫差均呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，其氣候傾向率分別為0.24、0.29、0.40℃/10 a，其中南部煙區(qū)的恩施、鶴峰、建始、興山、秭歸和北部煙區(qū)的房縣、竹山、南漳地溫差下降趨勢(shì)顯著?？緹熒喜咳~、中部葉和下部葉三部位中，下部葉各化學(xué)成分的離散程度最大，空間差異顯著；上部葉離散程度最小，空間差異不大?？緹煹販夭畲筇锲凇⑼L(zhǎng)期和成熟期的突變年份分別為1974、1973、1979年，突變之后，地溫差的下降趨勢(shì)顯著，由于未來(lái)地溫差可能進(jìn)一步縮小，故將引起煙葉的煙堿、還原糖和總氮含量減少，總糖、鉀、氯、鉀氯比、氮堿比、糖堿比和兩糖比含量增加。

湖北省盛產(chǎn)醇甜香型烤煙[9]，之前并無(wú)學(xué)者研究地表溫度對(duì)湖北烤煙化學(xué)品質(zhì)的影響，本研究對(duì)湖北煙區(qū)1960—2020年烤煙大田期平均地表溫度日較差與氣溫日較差（以下簡(jiǎn)稱氣溫差）做相關(guān)分析，得到相關(guān)系數(shù)為0.93，通過了0.01顯著性水平檢驗(yàn)，說(shuō)明地溫差與氣溫差表現(xiàn)出顯著一致性。黎妍妍等[4]分析得到氣溫和降雨量是影響鄂西“金神農(nóng)”煙區(qū)煙葉化學(xué)成分的主要因子，對(duì)煙葉糖堿平衡至關(guān)重要[4]，進(jìn)一步說(shuō)明地溫差的變化對(duì)湖北烤煙化學(xué)成分有一定影響。吳璐等[19]研究發(fā)現(xiàn)河南煙區(qū)烤煙生育期地溫差整體呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，烤煙下部葉化學(xué)成分的空間差異最顯著，這與本研究結(jié)論基本一致；而其認(rèn)為地溫差縮小將導(dǎo)致烤煙上部葉總糖、還原糖、蛋白質(zhì)含量減少，鉀氯比含量增加，中部葉的氮堿比、糖堿比減少，煙堿、鉀含量增加，下部葉兩糖比增加，這與本文的研究成果存在部分差異。研究結(jié)果的差異可能與各區(qū)域氣象因子對(duì)煙葉不同部位化學(xué)成分的影響程度不同有關(guān)，也說(shuō)明了氣象因子在不同區(qū)域煙葉特色品質(zhì)形成中發(fā)揮的作用不均。