灰色系統(tǒng)理論綜合評估甘蔗工藝性狀

陳優(yōu)強(qiáng)，陳駿佳，張湘博

【糖料與糖料生產(chǎn)】

灰色系統(tǒng)理論綜合評估甘蔗工藝性狀

陳優(yōu)強(qiáng)，陳駿佳*，張湘博

(廣東省科學(xué)院生物工程研究所，廣東廣州 510316)

糖廠的產(chǎn)糖率主要由甘蔗的工藝性狀決定，甘蔗工藝性狀有多個(gè)重要的指標(biāo)。本研究將灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用于甘蔗工藝性狀綜合評估，通過測定瑞麗地區(qū)旱地秋植、水田地春植蔗區(qū)多個(gè)甘蔗品種的6個(gè)工藝性狀指標(biāo)，得到甘蔗品種工藝性狀的綜合評估值，篩選出適合于不同蔗區(qū)的品種。本研究還進(jìn)一步提出相對蔗糖分的概念，即品種灰色關(guān)聯(lián)度與甘蔗蔗糖分之積。相對蔗糖分與糖廠的產(chǎn)糖率直接相關(guān)，可作為評估糖廠效益的重要指標(biāo)。目前已通過應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，對瑞麗蔗區(qū)品種進(jìn)行優(yōu)化布局，瑞麗糖廠產(chǎn)糖率得到了顯著的提高。

甘蔗；工藝性狀；灰色系統(tǒng)理論；優(yōu)良品種；相對蔗糖分

0 引言

甘蔗是重要的糖料作物，目前世界上消費(fèi)的食糖中有75%是以甘蔗為原材料進(jìn)行加工而成。因此，優(yōu)良甘蔗品種是甘蔗產(chǎn)業(yè)的動(dòng)力之源[1]。長期以來，我國蔗糖產(chǎn)業(yè)主要由2大系統(tǒng)構(gòu)成，即甘蔗產(chǎn)業(yè)和制糖產(chǎn)業(yè)。甘蔗產(chǎn)業(yè)隸屬于農(nóng)業(yè)方面，注重農(nóng)藝性狀，包括萌發(fā)率、分蘗率、有效莖數(shù)、抗逆性、宿根性、適應(yīng)性等。制糖產(chǎn)業(yè)屬于工業(yè)領(lǐng)域，糖廠更注重的是企業(yè)內(nèi)部的工藝流程，企業(yè)關(guān)注的是制糖程序的標(biāo)準(zhǔn)化和流程。工藝性狀是一個(gè)綜合的性狀，既包括甘蔗蔗糖分、重力純度，還包括耐砍曬、還原糖、出汁率、纖維分等指標(biāo)[2]。

作物灰色育種學(xué)是20世紀(jì)80年代末將灰色系統(tǒng)理論[3-4]與作物育種理論相結(jié)合產(chǎn)生的一門新興學(xué)科[5]?；疑到y(tǒng)理論通過數(shù)學(xué)算法，可以有效計(jì)算出被比較品種與參考品種的相似性，即灰色關(guān)聯(lián)度。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)可以高效地篩選優(yōu)良品種。本研究將灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用于甘蔗工藝性狀綜合評估，其對糖廠產(chǎn)糖率具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 秋植旱地品比試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)：瑞麗大等喊(傣族地名)良種基地、勐卯基地、賀弄基地、勐休鄉(xiāng)南多壩高麗寨、畹叮蔗糖局良種基地。

參試品種：ROC10、ROC16、粵糖86-368、粵糖79-177、德蔗86-1、隴川80-27、梁河78-85。其中，參照品種以各蔗區(qū)工藝性狀表現(xiàn)最佳的品種所測定的數(shù)據(jù)組成。

試驗(yàn)時(shí)間：1997年9月13～19日種植，進(jìn)行秋植1新2宿試驗(yàn)。

1.1.2 春植旱地品比試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)：瑞麗弄島鄉(xiāng)弄島村公所弄島寨、姐相鄉(xiāng)賀寨村公所姐相旺寨、姐勒鄉(xiāng)芒合村公所勐嘎寨。

參試品種：ROC10、ROC16、云蔗89-151、選三、桂引5號(hào)、桂糖11號(hào)、CP65-357。

試驗(yàn)時(shí)間：1998年1月底～2月初下種，進(jìn)行1年新植1年宿根試驗(yàn)。

1.1.3 田間種植與管理

試驗(yàn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)為隨機(jī)區(qū)組排列，1次重復(fù)，3個(gè)小區(qū)，行長因地而異，每個(gè)小區(qū)66.67 m2，行距1 m。下種量75000雙芽/hm2，按當(dāng)?shù)馗收嵘a(chǎn)種植標(biāo)準(zhǔn)施用基肥、追肥和配土。

1.1.4 工藝性狀調(diào)查

調(diào)查的工藝性狀包括重力純度、纖維分、榨出汁與蔗比、蔗糖分、還原糖、耐砍曬共6個(gè)指標(biāo)。自1998年11月15日開始，直至榨季結(jié)束，每半月測量1次性狀，定時(shí)采取試驗(yàn)點(diǎn)的樣品送化驗(yàn)室進(jìn)行分析(采樣后第2天進(jìn)行分析)。取樣點(diǎn)選擇光照正常、不具邊行效應(yīng)和其它不良反應(yīng)的地方，挑選生長正常、無病蟲鼠害和其它原因致使生長不正常的蔗莖。取樣時(shí)每個(gè)品種取6條，其中主莖4條，分蘗莖2條。

1.1.5 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法

1982年，我國華中理工大學(xué)鄧聚龍教授首次提出灰色系統(tǒng)理論(Grey Model，簡稱GM)[6]，并于1985年成立了灰色系統(tǒng)研究會(huì)?；疑到y(tǒng)中含有已知樣品和未知樣品。通過比較未知信息與已知信息的關(guān)聯(lián)度，可以比較全面地判斷未知樣品的優(yōu)劣性。經(jīng)過多年的發(fā)展，灰色關(guān)聯(lián)度分析在自然科學(xué)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)領(lǐng)域里對解決生產(chǎn)、科研和生活預(yù)測成果顯著[7]。

設(shè)參考數(shù)列為0，被比較序列為X，=1、2、3……。設(shè)每個(gè)序列有個(gè)觀測值，則0={1，2，3……X}，設(shè)屬于。

其中式⑴，ε()為第個(gè)品種第個(gè)觀測值對應(yīng)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；Δ()=X()-0()，Δ()為第個(gè)被比較序列第個(gè)觀測與參考之差；min|X(k)-0()|為計(jì)算所有被比較序列與參考序列的所有觀測值之差的絕對值，并求出最小值；同理max|X()-0()|)。為分辨系數(shù)，取值范圍在0～1之間，一般取=0.5。

根據(jù)以上公式，可以計(jì)算得到被比較序列與參考序列對應(yīng)每一個(gè)觀測值的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，即ε()。由于被觀測序列有多個(gè)屬性，即觀測值。單一屬性很難綜合判斷被比較序列與參考序列的相似性。因此，需要將被比較序列(X)的各個(gè)屬性的關(guān)聯(lián)系數(shù)相加，并求取平均值，即得到綜合關(guān)聯(lián)系數(shù)，我們定義為r的關(guān)聯(lián)度(Relational grade)。

根據(jù)r值，將所有被比較序列進(jìn)行排序，確定與參考序列最為相似的被比較序列。

2 結(jié)果與分析

2.1 瑞麗地區(qū)早熟和主要甘蔗品種

瑞麗主要分為2大生態(tài)蔗區(qū)，一是旱地秋植生產(chǎn)區(qū)；二是水田春植生產(chǎn)區(qū)。依照《品種改良方案》生產(chǎn)區(qū)種植品種可分為早熟品種和主要生產(chǎn)品種，早熟品種熟期跨度為100天左右，我們選取早熟品種的標(biāo)準(zhǔn)是重力純度≥85%，還原糖≤1.0%。而主要生產(chǎn)品種以產(chǎn)量7 t/hm2以上為標(biāo)準(zhǔn)(以瑞麗生產(chǎn)為參照標(biāo)準(zhǔn)，低于7 t/hm2品種不建議推廣種植)。最終選取的旱地秋植品種包括ROC10、ROC16、粵糖86-368、粵糖79-177、德蔗86-1、隴川80-27、梁河78-85。水田地春植品種包括ROC10、ROC16、云蔗89-151、選三、桂引5號(hào)、桂糖11號(hào)、CP65-357。

2.2 旱地秋植品種工藝性狀綜合值

2.2.1 旱地主要生產(chǎn)品種綜合性狀評估

旱地主要生產(chǎn)品種包括ROC10、ROC16、粵糖86-368、粵糖79-177、德蔗86-1、隴川80-27、梁河78-85(表1)。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析原理，關(guān)聯(lián)度高的品種與參考品種最為接近，即ROC10*，關(guān)聯(lián)度為0.9351，其與參考品種最為接近，綜合工藝性狀最佳。其次是粵糖86-368*關(guān)聯(lián)度為0.9231和德蔗86-1關(guān)聯(lián)度為0.9300，梁河78-85*關(guān)聯(lián)度為0.9102。其它品種與參考品種差異較大(表1)，優(yōu)先選擇上述4個(gè)品種為主要推廣品種。

ROC10糖分優(yōu)良，最大缺點(diǎn)是砍收后蔗糖較易轉(zhuǎn)化，推廣種植必須注意盡可能在3天內(nèi)入廠壓榨，山地蔗區(qū)推廣面積不宜過大?；浱?6-368雖然蔗糖分僅為中上等水平，但其他工藝性狀優(yōu)良，其綜合性狀接近于ROC10，非常適合在云南山地蔗區(qū)推廣種植。德蔗86-1榨出汁與蔗比性狀差，但其蔗糖分、重力純度和還原糖性狀較佳，可適當(dāng)推廣。梁河78-85適合在1月下旬后砍收，其工藝性狀在榨季后期均處于較佳水平，在其他優(yōu)良品種資源不足的情況下，仍可種植一定面積。

2.2.2 旱地早熟品種綜合性狀評估

旱地早熟品種包括ROC16、粵糖79-177、德蔗86-1、隴川80-27(表2)。關(guān)聯(lián)度最大的品種為德蔗86-1、粵糖79-177和ROC16，灰色關(guān)聯(lián)度值分別是0.9562、0.9450和0.9170。但是粵糖79-177耐砍曬性狀較差，推廣種植必須注意盡可能在3天內(nèi)入廠壓榨，山地蔗區(qū)推廣面積不宜過大。ROC16建議12月上旬至1月上旬砍收。

表1　旱地主要生產(chǎn)品種工藝性狀

注：①表中各數(shù)據(jù)均為同類生產(chǎn)蔗區(qū)試點(diǎn)的測定平均值；②ROC10*、粵糖86-368*代表1月上旬至4月上旬共測定7次表型并求平均值；梁河78-85*為1月下旬至4月上旬共測定6次性狀并求平均值；隴川80-27*為12月下旬至4月上旬，每半個(gè)月測定1次性狀，共測定8次取平均值；其它品種為11月15日開始，直至榨季結(jié)束，每半月測量1次性狀取平均值。

表2　旱地早熟品種工藝性狀

注：*號(hào)標(biāo)記的參試品種為12月上旬至1月上旬共3次測定表型并求平均值；其他品種所計(jì)算的性狀為11月下旬至1月上旬每半個(gè)月1次，共4次測定求取平均值。

2.3 水田地春植品種工藝性狀綜合值

2.3.1 水田地主要生產(chǎn)品種綜合性狀評估

水田地主要生產(chǎn)品種包括ROC10、ROC16、云蔗89-151、選三、桂引5號(hào)、桂糖11號(hào)。由表3可知，水田主要生產(chǎn)品種關(guān)聯(lián)度最大的品種為選三、桂引5號(hào)、云蔗89-151和ROC10。因評估值缺少3、4月份工藝性狀測定數(shù)據(jù)，計(jì)算值對早熟品種選三、桂引5號(hào)、云蔗89-151、ROC16和桂糖11號(hào)比較客觀地反映了這些品種理想工藝性狀成熟期的實(shí)際情況，而遲熟品種ROC10缺少理想工藝成熟期數(shù)據(jù)，其關(guān)聯(lián)度會(huì)因此而偏低。

2.3.2 水田地早熟品種綜合性狀評估

表3　水田地主要甘蔗品種工藝性狀

注：桂引5號(hào)為12月下旬至2月上旬共計(jì)4次測定求取平均值；其他品種均為12月下旬至2月下旬共5次測定求取平均值。

水田地早熟品種包括ROC16、云蔗89-151、選三、桂引5號(hào)、桂糖11號(hào)、CP65-357(表4)。關(guān)聯(lián)度最大的品種為CP65-357、桂引5號(hào)、云蔗89-151和選三。以上4個(gè)品種均可作為水田地早熟主推品種。其中，CP65-357的6個(gè)工藝性狀都表現(xiàn)出較好的優(yōu)勢。

表4　水田地早熟品種工藝性狀

注：桂引5號(hào)*、桂糖11號(hào)*代表12月上旬至1月上旬3次測定值求取平均值；其他品種均為12月下旬至2月下旬共5次測定求取平均值。

2.4 灰色關(guān)聯(lián)度篩選品種在瑞麗蔗區(qū)應(yīng)用成效

瑞麗糖廠在1991～1996年，平均產(chǎn)糖率為9.99%，在德宏州排名倒數(shù)第1。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，對瑞麗蔗區(qū)種植品種進(jìn)行篩選，在1998/99～2005/06年榨季8個(gè)榨季產(chǎn)糖率分別達(dá)12.05%、11.90%、12.30%、12.31%、12.74%、12.89%、13.50%和13.48%。實(shí)施前甘蔗總?cè)胝チ颗腔苍?0萬～25萬t，歷史最高為28萬t。實(shí)施后，2001/02年榨季比歷史最高入榨量增加11.50%，2002/03～2005/06年榨季分別達(dá)55.89萬、53.93萬t[8]。因此，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，對瑞麗蔗區(qū)品種進(jìn)行篩選，瑞麗糖廠效益得到提高。

3 總結(jié)與討論

灰色關(guān)聯(lián)分析方法綜合評估被比較品種與參考品種的相似性，本研究將灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用于甘蔗工藝性狀綜合評估。通過計(jì)算品種多個(gè)工藝性狀與參考品種的灰色關(guān)聯(lián)度，綜合評估該品種的優(yōu)劣性。本研究分析了瑞麗地區(qū)旱地秋植以及水田地春植的主要生產(chǎn)品種、早熟品種的6個(gè)工藝性狀，即蔗糖分、榨出汁與蔗比、耐砍曬指標(biāo)、重力純度、還原糖、纖維分。利用灰度關(guān)聯(lián)分析方法，計(jì)算每個(gè)性狀與參考品種的關(guān)聯(lián)度。我們根據(jù)關(guān)聯(lián)度系數(shù)，進(jìn)一步篩選了瑞麗蔗區(qū)不同生態(tài)條件下適宜推廣的甘蔗品種(見表5)。旱地早熟品種主要是ROC16號(hào)、粵糖79-177、德蔗86-1。旱地主要生產(chǎn)品種是ROC10、粵糖86-368、德蔗86-1、梁河78-85。水田地早熟品種主要是CP65-357、桂引5號(hào)。水田地主要生產(chǎn)品種是ROC10、選三、桂引5號(hào)。

表5　瑞麗地區(qū)適宜種植品種

糖廠的效益不僅與甘蔗田間農(nóng)藝性狀有關(guān)，還與工藝性狀有關(guān)。影響糖廠不同生態(tài)條件下的產(chǎn)糖率的工藝性狀比較復(fù)雜，目前尚未有較好的綜合評估方法，甘蔗品種糖分越高，榨出汁與蔗比越高，耐砍曬指標(biāo)越高，重力純度越高，還原糖含量越低，纖維分含量越低，其糖廠產(chǎn)糖率就越高。所以，糖廠的產(chǎn)糖率是由多個(gè)工藝性狀決定的。因此，要提高糖廠的產(chǎn)糖率，我們有必要綜合評估多個(gè)工藝性狀，其綜合值更具有代表性。本研究將灰色系統(tǒng)理論應(yīng)用于甘蔗綜合性狀評估，對篩選優(yōu)良的甘蔗品種具有重要的指導(dǎo)意義。

通過計(jì)算品種多個(gè)工藝性狀的灰色關(guān)聯(lián)度，本研究還進(jìn)一步提出了一個(gè)新的概念，即相對蔗糖分，關(guān)聯(lián)度與蔗糖分之積。相對蔗糖分不僅反映了甘蔗自身蔗糖分的高低，還反應(yīng)了其綜合工藝性狀的優(yōu)劣。因此，相對蔗糖分與糖廠產(chǎn)糖率有著直接的關(guān)系，對糖廠選育優(yōu)良的甘蔗品種具有重要的指導(dǎo)意義。

本研究的不足之處是，未能準(zhǔn)確測定甘蔗理想工藝成熟期時(shí)6個(gè)工藝性狀的準(zhǔn)確值，該時(shí)期的工藝性狀對甘蔗品種選育具有更重要的指導(dǎo)意義，有待后續(xù)進(jìn)一步不斷地完善。

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The Comprehensive Evaluation of Sugarcane Technological Traits by Grey Model

CHEN You-qiang, CHEN Jun-jia, ZHANG Xiang-bo

(Institute of Bioengineering, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510316)

The sugar yield rate of sugar mill was mainly determined by technological traits, which were composed by many important indicators. In this study, we firstly applied grey model to comprehensive evaluation the sugarcane technological traits. By measuring six technological traits of sugarcane in drought and water regions in Ruili, we calculated the comprehensive value of technological traits and selected the main varieties to plant in different regions in Ruili. This study also presented a new concept, the relative sucrose content (RSC), which was calculated by multiplying grey value and sucrose content. RSC directly reflected sugar yield rate of sugar mill, which was used to evaluate sugar mill income. Applying grey model to layout the optimize varieties in Ruili, the sugar mill in Ruili significantly improved their sugar yield.

Sugarcane; Technological traits; Grey model; Superior variety; Relative sucrose content

1005-9695(2021)01-0046-05

2020-12-09；

2021-02-02

廣東省科學(xué)院研究所績效考核引導(dǎo)專項(xiàng)(2020GDASYL-20200302005)；廣東省甘蔗劍麻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(2019KJ104-04)

陳優(yōu)強(qiáng)(1962-)，男，廣東廣州，本科，研究員，研究方向：甘蔗遺傳育種；E-mail：chenyouqiang2009@163.com

陳駿佳(1965-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，所長，全面主持和負(fù)責(zé)研究所科研、管理和行政工作；E-mail：gzcsircjj@163.com

陳優(yōu)強(qiáng)，陳駿佳，張湘博. 灰色系統(tǒng)理論綜合評估甘蔗工藝性狀[J]. 甘蔗糖業(yè)，2021，50(1)：46-50.