基于灰色關(guān)聯(lián)度及TOPSIS法的甘蔗綜合性狀評價*

歐克緯,農(nóng)澤梅,盧業(yè)飛,呂 平,龐新華,程 琴,周全光,宋奇琦,朱鵬錦

(廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所,廣西南寧 530001)

甘蔗(Soccharumofficinarum)是重要的制糖原料,原產(chǎn)于熱帶和亞熱帶地區(qū)。廣西是我國重要的產(chǎn)糖基地,甘蔗種植面積和產(chǎn)量均位居全國之首[1]。近年來,由于甘蔗生產(chǎn)成本不斷攀升、機(jī)械化程度低[2]、優(yōu)良品種缺乏等因素的影響,廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到一定程度的沖擊。選育和推廣優(yōu)良甘蔗品種是保障蔗糖產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的有效途徑[3],而科學(xué)合理的甘蔗綜合性狀評價方法和結(jié)果可為甘蔗品種的選育和推廣提供重要參考[4]。

灰色關(guān)聯(lián)度分析可衡量系統(tǒng)內(nèi)各因素之間的關(guān)聯(lián)程度,對研究對象的貢獻(xiàn)度作出評價[5]。TOPSIS法作為一種解決多屬性決策問題的方法,已應(yīng)用于多種作物的綜合評價[6]。目前已有部分研究采用灰色關(guān)聯(lián)度對甘蔗性狀作評價,而TOPSIS法則較少運(yùn)用在甘蔗綜合性狀的評價中,這可能會導(dǎo)致一些具備優(yōu)良綜合性狀的甘蔗品種難以得到應(yīng)用。因此,綜合運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度及TOPSIS法對甘蔗綜合性狀進(jìn)行客觀評價,對選育和推廣高產(chǎn)、高糖、抗逆性強(qiáng)的甘蔗優(yōu)良新品種具有重要意義。桃聯(lián)安等[7]采用灰色關(guān)聯(lián)度對云南82-114割手密F1代的9個性狀進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),蔗莖產(chǎn)量對產(chǎn)糖量的影響最大,提高甘蔗產(chǎn)量能更有效地提高單位面積產(chǎn)糖量。趙俊等[8]對19個國外引進(jìn)的甘蔗品種的9個主要性狀進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析后也發(fā)現(xiàn),公頃蔗莖產(chǎn)量與公頃含糖量之間的關(guān)聯(lián)度最大。黃婷等[9]對玉米(Zeamays)自交系各性狀進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)禿尖長性狀與產(chǎn)量構(gòu)成性狀關(guān)聯(lián)度最密切。李小玉等[10]對12份油菜(Brassicanapus)品種在不同處理條件下的多個指標(biāo)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析,得出干旱脅迫下與單株產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度最密切的是產(chǎn)量因子的結(jié)論。姜敏等[11]對18份貴州地區(qū)花生(Arachishypogaea)種質(zhì)資源的10個主要農(nóng)藝性狀與花生產(chǎn)量的相關(guān)性進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn),與產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度最密切的指標(biāo)為成苗率,其次為單株生產(chǎn)力,最后為結(jié)果數(shù),同時指出為提高產(chǎn)量,在花生栽培過程中要注重對成苗率、單株生產(chǎn)力等指標(biāo)的選擇。曹燕燕等[12]以4個小麥(Triticumaestivum)品種為材料,測定其植株在受到低溫脅迫影響下,葉片中超氧化物歧化酶(SOD)等生理指標(biāo)的活性變化并測定其單株產(chǎn)量等指標(biāo),經(jīng)灰色關(guān)聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn),脯氨酸和可溶性蛋白含量與小麥產(chǎn)量降幅關(guān)聯(lián)度最大。單曉敏等[13]運(yùn)用TOPSIS法與其他方法進(jìn)行聯(lián)合分析,建立并驗證了甘蔗聯(lián)合收割機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計方案的有效性及合理性。梁秋萍等[14]通過對10個不同品種甜櫻桃(Prunusavium)理化性質(zhì)及總酚物質(zhì)進(jìn)行測定并構(gòu)建TOPSIS模型,篩選出抗氧化能力最強(qiáng)且綜合營養(yǎng)價值最高的櫻桃優(yōu)良品種。包淑英等[15]將TOPSIS法用于13個綠豆(Vignaradiata)品種(系)的綜合評價,獲得4個可示范推廣的優(yōu)良品種。雷涌濤等[16]將11個大麥(Hordeumvulgare)新品系的產(chǎn)量、基本苗等10個性狀作為正向指標(biāo),以白粉病等3個性狀作為負(fù)向指標(biāo),進(jìn)行TOPSIS評價,篩選出保大麥10-J5等4個適合在云南推廣種植的大麥新品系。安東等[17]將33個原產(chǎn)于南部地區(qū)的大豆(Glycinemax)品種引種到黃土高原地區(qū),對其粗蛋白等多個指標(biāo)進(jìn)行TOPSIS分析,發(fā)現(xiàn)華夏3號等2個大豆品種產(chǎn)量和品質(zhì)表現(xiàn)優(yōu)良,適宜作為優(yōu)質(zhì)飼草大豆品種推廣應(yīng)用。目前,對甘蔗農(nóng)藝性狀的評價大多采用方差分析方法,運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度和TOPSIS方法對甘蔗農(nóng)藝性狀進(jìn)行評價的研究鮮見報道。本研究以桂熱1號(GR1)和桂熱2號(GR2)甘蔗品種(系)為試驗材料,以新臺糖22號(ROC22)為對照,進(jìn)行6次新植4次宿根(6新4宿)種植試驗,對其產(chǎn)糖量等7個主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析,篩選出與產(chǎn)糖量關(guān)聯(lián)度最大的性狀因子,同時將黑穗病等3個病蟲害發(fā)病率作為負(fù)向指標(biāo)、產(chǎn)糖量等8個農(nóng)藝性狀作為正向指標(biāo),運(yùn)用TOPSIS法進(jìn)行綜合分析,以篩選出綜合性狀最優(yōu)的甘蔗品種,為甘蔗新品種的選育和推廣提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

參試甘蔗品種(系)包括GR1和GR2,以ROC22為對照(CK)。其中,甘蔗品系GR1原編號為LZ03-75,其母本為粵糖91-976[18],父本為ROC10[19];甘蔗品種GR2原編號為LZ02-6,其母本同為粵糖91-976,而父本為ROC20[20]。GR1和GR2是由其父、母本分別通過傳統(tǒng)雜交育種方式選育,并經(jīng)過單株篩選、株系選擇、初級品比試驗及在攀西蔗區(qū)進(jìn)行區(qū)域性試驗篩選出的甘蔗優(yōu)良新品種(系),由廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所(以下簡稱“廣西熱作所”)與四川省涼山州亞熱帶作物研究所合作,于2012年引入廣西蔗區(qū)種植[21]。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

在2012-2017年,共進(jìn)行6新4宿的小區(qū)品比試驗。試驗地分別設(shè)在廣西熱作所第二試驗區(qū)、金光農(nóng)場、新興農(nóng)場、良圻農(nóng)場和濱海農(nóng)場。各試驗品種(系)種植小區(qū)設(shè)3個重復(fù),隨機(jī)排列,每小區(qū)行長7.0 m,共設(shè)5行,行距為1.2 m,小區(qū)面積約為42.0 m2,邊際設(shè)保護(hù)行。田間栽培管理遵循當(dāng)?shù)卣崽镌耘喙芾砟Ｊ?同時按時對參試品種(系)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)查和收集。

1.2.2 調(diào)查項目及方法

下種后30 d開始調(diào)查統(tǒng)計各品種(系)的出苗率,且每隔15 d再調(diào)查1次,共調(diào)查3次;自蔗苗分蘗開始,每隔15 d調(diào)查各小區(qū)各品種(系)分蘗率,共調(diào)查3次;于5月中旬調(diào)查各品種(系)甘蔗的枯心苗數(shù)、黑穗病苗數(shù)和梢腐病苗數(shù);新植蔗收獲后的次年調(diào)查各小區(qū)各品種(系)宿根蔗的分蘗率;第二年開始于每年1月測定各小區(qū)各品種(系)的株高、莖徑、有效莖數(shù)、蔗莖產(chǎn)量、蔗糖分和產(chǎn)糖量[3]。

病蟲害率(%)=病蟲害植株數(shù)/植株總數(shù)×100%,

有效莖數(shù)(株/hm2)=小區(qū)有效莖數(shù)/小區(qū)面積×104,

蔗莖產(chǎn)量(t/hm2)=單莖重×公頃有效莖數(shù),

單莖重(kg)=(莖徑)2×莖長×0.7854×

1/1000(其中1表示莖比重),

蔗糖分(%)=(平均田間錘度×1.0825-7.703)×100%,

產(chǎn)糖量(t/hm2)=蔗糖分×蔗莖產(chǎn)量,

式中,平均田間錘度為隨機(jī)測量各小區(qū)各品種(系)中間行15-20株甘蔗田間錘度的平均值。

1.2.3 分析方法

根據(jù)鄧聚龍[22]的灰色系統(tǒng)理論,將3個甘蔗品種(系)6新4宿的6個主要農(nóng)藝性狀調(diào)查結(jié)果作為子序列,以產(chǎn)糖量作為母序列,進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析,再對3個病蟲害發(fā)病率(負(fù)向指標(biāo))及產(chǎn)糖量等8個農(nóng)藝性狀(正項指標(biāo))進(jìn)行TOPSIS分析?；疑P(guān)聯(lián)度有關(guān)指標(biāo)的計算方法如下。

絕對差值:Δ0i(k)=|x0(k)-xi(k)|,1≤i≤m,

TOPSIS法分析步驟為

①數(shù)據(jù)同趨勢化處理:將調(diào)查得到的黑穗病病害率、枯心苗率和梢腐病率進(jìn)行逆向化(取倒數(shù))處理。

②數(shù)據(jù)的平方和歸一化處理:

③找出最優(yōu)矩陣向量A+和最劣矩陣向量A-:

④分別計算各個評價對象與正、負(fù)理想解的距離D+和D-:

⑤結(jié)合距離值計算得出評價對象與最優(yōu)方案的接近程度C值并進(jìn)行排序:

C=D-/(D++D-)。

以上式子中,假定為i個評價對象、m個評價指標(biāo),Aij表示規(guī)范化決策矩陣中的元素,Xij表示矩陣中的元素,Wj表示權(quán)重值。

1.3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行整理,采用SPSS 18.0進(jìn)行方差分析和TOPSIS分析,采用DPS V9.01進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各甘蔗品種(系)抗病蟲害能力比較

由表1可知,各甘蔗品種(系) 6新4宿的病蟲害發(fā)生率中,CK的平均枯心苗率、平均黑穗病率和平均梢腐病率均最高,而GR2均為最低。值得注意的是,2012-2013年廣西熱作所第二試驗區(qū)3個品種(系)新植及宿根蔗的枯心苗、黑穗病和梢腐病發(fā)病率均為0.00%,可能與試驗區(qū)的土壤環(huán)境及當(dāng)時的溫度氣候等有一定的關(guān)系。

表1 3個甘蔗品種(系)的抗病蟲害能力

2.2 各甘蔗品種(系)的主要農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

由表2可知,3個品種(系)的新植蔗平均出苗率、平均分蘗率、平均株高及平均莖徑之間沒有顯著差異,平均出苗率最高的為GR2,比CK高6.14%;平均分蘗率最高的為GR1,比CK高11.66%,GR2的平均分蘗率比CK高8.23%;平均株高最高的為CK,比GR2高0.41 cm;平均莖徑最大的為GR1,其次為GR2;GR2的平均有效莖數(shù)顯著高于GR1和CK,較CK的增幅達(dá)22.00%。2016-2017年,GR2在新興農(nóng)場和濱海農(nóng)場的宿根蔗的有效莖數(shù)均顯著高于CK;GR1在新興農(nóng)場的新植蔗的有效莖數(shù)顯著高于CK。綜上所述,在多年多點(diǎn)的跟蹤種植試驗中,GR2在有效莖數(shù)方面的表現(xiàn)優(yōu)勢明顯。

表2 3個甘蔗品種(系)的主要農(nóng)藝性狀

2.3 各甘蔗品種(系)的蔗莖產(chǎn)量和產(chǎn)糖量比較

表3顯示,GR2的平均蔗莖產(chǎn)量最高,較CK增產(chǎn)25.04 t/hm2,增幅達(dá)29.14%;GR1的平均蔗莖產(chǎn)量次之,較CK增產(chǎn)8.04 t/hm2,增幅為9.36%。GR2的平均蔗莖產(chǎn)量顯著高于GR1和CK。平均蔗糖分最高的為CK,其次為GR2;GR2和CK的平均蔗糖分均超過13%。平均產(chǎn)糖量最高的為GR2,較CK增產(chǎn)3.35 t/hm2,增幅達(dá)28.03%;GR1的平均產(chǎn)糖量較CK增產(chǎn)0.67 t/hm2,增幅為5.61%。GR2新植蔗在2012-2013年廣西熱作所第二試驗區(qū)、2013年及2016-2017年新興農(nóng)場蔗莖產(chǎn)量顯著高于CK,在2013年及2016-2017年新興農(nóng)場產(chǎn)糖量顯著高于CK;相較于新植蔗,GR2宿根蔗的表現(xiàn)則更突出,其蔗莖產(chǎn)量均顯著高于CK,蔗糖分平均值與CK差異不顯著,而在宿根蔗產(chǎn)糖量方面,除2012-2013年廣西熱作所第二試驗區(qū)表現(xiàn)與CK差異不顯著外,其余年份均顯著高于CK,總體上GR2宿根蔗的蔗莖產(chǎn)量和產(chǎn)糖量均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。

表3 3個甘蔗品種(系)的蔗莖產(chǎn)量、蔗糖分及產(chǎn)糖量

2.4 產(chǎn)糖量與主要農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)度分析

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析法,以產(chǎn)糖量為母序列,蔗莖產(chǎn)量、有效莖數(shù)、株高、分蘗率、蔗糖分和莖徑等主要農(nóng)藝性狀為子序列,計算序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。由表4可知,與產(chǎn)糖量關(guān)系最密切的是蔗莖產(chǎn)量,其次為有效莖數(shù),再次為株高;而莖徑與產(chǎn)糖量的關(guān)聯(lián)系數(shù)最小。這說明蔗莖產(chǎn)量對產(chǎn)糖量的影響最大,其次為有效莖數(shù)、株高和分蘗率,莖徑對產(chǎn)糖量影響最小。

表4 產(chǎn)糖量與主要農(nóng)藝性狀間的關(guān)聯(lián)度

2.5 不同品種(系)甘蔗農(nóng)藝性狀的綜合評價

根據(jù)TOPSIS法首先計算3個品種(系)甘蔗6新4宿11個指標(biāo)的正、負(fù)理想解(A+和A-),結(jié)果如表5所示,正理想解A+表示各評價指標(biāo)的最大值,而負(fù)理想解A-表示各評價指標(biāo)的最小值;然后計算出各評價對象分別與正、負(fù)理想解的距離值D+和D-。與正理想解的幾何距離最近、負(fù)理想解的幾何距離最遠(yuǎn)的為最佳方案(品種),結(jié)果如表6所示。經(jīng)TOPSIS法計算得出,3個品種(系)甘蔗農(nóng)藝性狀的綜合評價得分排序為GR2>GR1>CK。

表5 各評價指標(biāo)的正、負(fù)理想解

表6 不同品種(系)甘蔗綜合性狀的TOPSIS法評價結(jié)果

3 討論

選育高產(chǎn)、高糖和抗逆性強(qiáng)的甘蔗品種是提高甘蔗產(chǎn)量和蔗糖分的有效途徑[3]。目前,我國經(jīng)過長期多單位的大量選育種已獲得較多甘蔗新品種,但對這些新品種大多采用方差分析方法進(jìn)行某一性狀的比較[23,24]。甘蔗品種(系)GR1和GR2由四川省攀西蔗區(qū)引入廣西,目前已有近10年的種植時間,期間朱鵬錦等[25]通過低溫脅迫處理耐寒性不同的甘蔗品種發(fā)現(xiàn),GR2等品種具有較強(qiáng)的低溫耐受能力;歐克緯等[21]通過對10個甘蔗品種(系)在柳州地區(qū)種植后的各性狀進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn),GR2在產(chǎn)量和產(chǎn)糖量方面均表現(xiàn)出優(yōu)勢;單彬等[26]使用5種除草劑對GR2做安全性測試后,得出GR2對敵草隆、莠滅凈等常見除草劑具有較好的耐受性的結(jié)論。上述試驗多采用方差分析對甘蔗的某單一性狀作評價,這可能使得甘蔗品種(系)的綜合性狀難以得到客觀全面的體現(xiàn)。為評估GR2等甘蔗品種(系)在廣西蔗區(qū)的適應(yīng)性及產(chǎn)量潛力,本研究特對其進(jìn)行跨地點(diǎn)、跨年份的跟蹤種植調(diào)查并采用灰色關(guān)聯(lián)度和TOPSIS法對其綜合性狀進(jìn)行評價。

灰色關(guān)聯(lián)度在分析作物多種性狀方面的評價效果較好,其評價結(jié)果有利于在開展作物品種選育時把握好方向,已應(yīng)用于包括甘蔗在內(nèi)的多種作物產(chǎn)量與相關(guān)農(nóng)藝性狀的關(guān)系研究[27-30]。王尊欣[31]對31個甘蔗品種的公頃蔗產(chǎn)量與其他10個性狀進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析后發(fā)現(xiàn),公頃含糖量與公頃蔗莖產(chǎn)量之間的關(guān)聯(lián)度最大。劉曉燕等[32]將10個引進(jìn)的甘蔗新品種的公頃含糖量與其他7個性狀進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析后發(fā)現(xiàn),與公頃含糖量關(guān)聯(lián)度最大的是公頃實產(chǎn)。TOPSIS法能對作物品種多個評價指標(biāo)與理想化目標(biāo)的接近程度作出分析,進(jìn)而以此作為依據(jù)評估作物品種的優(yōu)劣,是一種較全面且客觀的評價方法[33]。寧東賢等[34]利用TOPSIS法對12個花生品種(系)作出綜合評價,獲得冀花13號等4個可推廣種植的品種。上述研究結(jié)果均可作為選育作物品種的側(cè)重點(diǎn)參考,以及評估作物品種綜合性狀和推廣價值的參考依據(jù)。

本研究中,3個甘蔗品種(系) 6新4宿試驗結(jié)果表明,GR2的平均產(chǎn)糖量達(dá)15.30 t/hm2,GR1達(dá)12.62 t/hm2,分別較CK增產(chǎn)3.35 t/hm2和0.67 t/hm2,增幅分別達(dá)28.03%和5.61%。GR2在以各試驗地為代表的桂中地區(qū)、桂北地區(qū)以及桂南地區(qū)的種植中均表現(xiàn)出產(chǎn)量及產(chǎn)糖量優(yōu)勢,這與其他同類研究的結(jié)果一致,如在來賓蔗區(qū)GR2的產(chǎn)量和產(chǎn)糖量均為最高[35],在柳州蔗區(qū)GR2宿根蔗的產(chǎn)量和產(chǎn)糖量方面也表現(xiàn)出較大優(yōu)勢[21];而GR1則在桂南地區(qū)的種植中表現(xiàn)出優(yōu)勢。灰色關(guān)聯(lián)度分析與TOPSIS法評價的結(jié)果較一致。TOPSIS法評價結(jié)果表明,3個品種綜合性狀的評價排序為GR2>GR1>ROC22?；疑P(guān)聯(lián)度分析結(jié)果表明,與產(chǎn)糖量關(guān)聯(lián)度最高的是蔗莖產(chǎn)量,這與桃聯(lián)安等[7]及趙俊等[8]的研究結(jié)果一致。綜合評價排名第一的GR2的蔗莖產(chǎn)量平均值最高,達(dá)110.96 t/hm2,其有效莖數(shù)平均值也顯著高于GR1和CK,達(dá)77 958株/hm2。此外,從11月至次年1月的甘蔗蔗糖分變化趨勢可以看出,GR2屬于晚熟品種[36]。1月之后,GR2在一些地區(qū)的平均蔗糖分在14%以上,如2013年新興農(nóng)場GR2新植蔗1月的蔗糖分在15%以上。廣西蔗區(qū)的榨季為11月中下旬一直持續(xù)到次年3月,十分有利于GR2等晚熟甘蔗品種的推廣。

4 結(jié)論

甘蔗新品種GR2具有蔗莖產(chǎn)量高、有效莖數(shù)多、宿根性強(qiáng)等特點(diǎn),經(jīng)灰色關(guān)聯(lián)度和TOPSIS法綜合評價,其綜合性狀優(yōu)于GR1和ROC22,是優(yōu)良的晚熟甘蔗品種,適宜在廣西蔗區(qū)進(jìn)一步推廣種植。