灰色系統理論綜合評估甘蔗工藝性狀

陳優強，陳駿佳，張湘博

【糖料與糖料生產】

灰色系統理論綜合評估甘蔗工藝性狀

陳優強，陳駿佳*，張湘博

(廣東省科學院生物工程研究所，廣東廣州 510316)

糖廠的產糖率主要由甘蔗的工藝性狀決定，甘蔗工藝性狀有多個重要的指標。本研究將灰色系統理論應用于甘蔗工藝性狀綜合評估，通過測定瑞麗地區旱地秋植、水田地春植蔗區多個甘蔗品種的6個工藝性狀指標，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的品種。本研究還進一步提出相對蔗糖分的概念，即品種灰色關聯度與甘蔗蔗糖分之積。相對蔗糖分與糖廠的產糖率直接相關，可作為評估糖廠效益的重要指標。目前已通過應用灰色關聯度分析方法，對瑞麗蔗區品種進行優化布局，瑞麗糖廠產糖率得到了顯著的提高。

甘蔗；工藝性狀；灰色系統理論；優良品種；相對蔗糖分

0 引言

甘蔗是重要的糖料作物，目前世界上消費的食糖中有75%是以甘蔗為原材料進行加工而成。因此，優良甘蔗品種是甘蔗產業的動力之源[1]。長期以來，我國蔗糖產業主要由2大系統構成，即甘蔗產業和制糖產業。甘蔗產業隸屬于農業方面，注重農藝性狀，包括萌發率、分蘗率、有效莖數、抗逆性、宿根性、適應性等。制糖產業屬于工業領域，糖廠更注重的是企業內部的工藝流程，企業關注的是制糖程序的標準化和流程。工藝性狀是一個綜合的性狀，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[2]。

作物灰色育種學是20世紀80年代末將灰色系統理論[3-4]與作物育種理論相結合產生的一門新興學科[5]。灰色系統理論通過數學算法，可以有效計算出被比較品種與參考品種的相似性，即灰色關聯度。應用灰色關聯系統可以高效地篩選優良品種。本研究將灰色系統理論應用于甘蔗工藝性狀綜合評估，其對糖廠產糖率具有重要的指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 秋植旱地品比試驗

試驗地點：瑞麗大等喊(傣族地名)良種基地、勐卯基地、賀弄基地、勐休鄉南多壩高麗寨、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，參照品種以各蔗區工藝性狀表現最佳的品種所測定的數據組成。

試驗時間：1997年9月13～19日種植，進行秋植1新2宿試驗。

1.1.2 春植旱地品比試驗

試驗地點：瑞麗弄島鄉弄島村公所弄島寨、姐相鄉賀寨村公所姐相旺寨、姐勒鄉芒合村公所勐嘎寨。

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

試驗時間：1998年1月底～2月初下種，進行1年新植1年宿根試驗。

1.1.3 田間種植與管理

試驗點的設計為隨機區組排列，1次重復，3個小區，行長因地而異，每個小區66.67 m2，行距1 m。下種量75000雙芽/hm2，按當地甘蔗生產種植標準施用基肥、追肥和配土。

1.1.4 工藝性狀調查

調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個指標。自1998年11月15日開始，直至榨季結束，每半月測量1次性狀，定時采取試驗點的樣品送化驗室進行分析(采樣后第2天進行分析)。取樣點選擇光照正常、不具邊行效應和其它不良反應的地方，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。取樣時每個品種取6條，其中主莖4條，分蘗莖2條。

1.1.5 灰色關聯度計算方法

1982年，我國華中理工大學鄧聚龍教授首次提出灰色系統理論(Grey Model，簡稱GM)[6]，并于1985年成立了灰色系統研究會?；疑到y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聯度，可以比較全面地判斷未知樣品的優劣性。經過多年的發展，灰色關聯度分析在自然科學、經濟社會領域里對解決生產、科研和生活預測成果顯著[7]。

設參考數列為0，被比較序列為X，=1、2、3……。設每個序列有個觀測值，則0={1，2，3……X}，設屬于。

其中式⑴，ε()為第個品種第個觀測值對應的灰色關聯系數；Δ()=X()-0()，Δ()為第個被比較序列第個觀測與參考之差；min|X(k)-0()|為計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，取值范圍在0～1之間，一般取=0.5。

根據以上公式，可以計算得到被比較序列與參考序列對應每一個觀測值的灰色關聯系數，即ε()。由于被觀測序列有多個屬性，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)的各個屬性的關聯系數相加，并求取平均值，即得到綜合關聯系數，我們定義為r的關聯度(Relational grade)。

根據r值，將所有被比較序列進行排序，確定與參考序列最為相似的被比較序列。

2 結果與分析

2.1 瑞麗地區早熟和主要甘蔗品種

瑞麗主要分為2大生態蔗區，一是旱地秋植生產區；二是水田春植生產區。依照《品種改良方案》生產區種植品種可分為早熟品種和主要生產品種，早熟品種熟期跨度為100天左右，我們選取早熟品種的標準是重力純度≥85%，還原糖≤1.0%。而主要生產品種以產量7 t/hm2以上為標準(以瑞麗生產為參照標準，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、桂糖11號、CP65-357。

2.2 旱地秋植品種工藝性狀綜合值

2.2.1 旱地主要生產品種綜合性狀評估

旱地主要生產品種包括ROC10、ROC16、粵糖86-368、粵糖79-177、德蔗86-1、隴川80-27、梁河78-85(表1)。根據灰色關聯分析原理，關聯度高的品種與參考品種最為接近，即ROC10*，關聯度為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*關聯度為0.9231和德蔗86-1關聯度為0.9300，梁河78-85*關聯度為0.9102。其它品種與參考品種差異較大(表1)，優先選擇上述4個品種為主要推廣品種。

ROC10糖分優良，最大缺點是砍收后蔗糖較易轉化，推廣種植必須注意盡可能在3天內入廠壓榨，山地蔗區推廣面積不宜過大?；浱?6-368雖然蔗糖分僅為中上等水平，但其他工藝性狀優良，其綜合性狀接近于ROC10，非常適合在云南山地蔗區推廣種植。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)。關聯度最大的品種為德蔗86-1、粵糖79-177和ROC16，灰色關聯度值分別是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天內入廠壓榨，山地蔗區推廣面積不宜過大。ROC16建議12月上旬至1月上旬砍收。

表1　旱地主要生產品種工藝性狀

注：①表中各數據均為同類生產蔗區試點的測定平均值；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：*號標記的參試品種為12月上旬至1月上旬共3次測定表型并求平均值；其他品種所計算的性狀為11月下旬至1月上旬每半個月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 水田地主要生產品種綜合性狀評估

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

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號為12月下旬至2月上旬共計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、桂糖11號、CP65-357(表4)。關聯度最大的品種為CP65-357、桂引5號、云蔗89-151和選三。以上4個品種均可作為水田地早熟主推品種。其中，CP65-357的6個工藝性狀都表現出較好的優勢。

表4　水田地早熟品種工藝性狀

注：桂引5號*、桂糖11號*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 灰色關聯度篩選品種在瑞麗蔗區應用成效

瑞麗糖廠在1991～1996年，平均產糖率為9.99%，在德宏州排名倒數第1。應用灰色關聯度分析方法，對瑞麗蔗區種植品種進行篩選，在1998/99～2005/06年榨季8個榨季產糖率分別達12.05%、11.90%、12.30%、12.31%、12.74%、12.89%、13.50%和13.48%。實施前甘蔗總入榨量徘徊在10萬～25萬t，歷史最高為28萬t。實施后，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55.89萬、53.93萬t[8]。因此，應用灰色關聯度分析方法，對瑞麗蔗區品種進行篩選，瑞麗糖廠效益得到提高。

3 總結與討論

灰色關聯分析方法綜合評估被比較品種與參考品種的相似性，本研究將灰色系統理論應用于甘蔗工藝性狀綜合評估。通過計算品種多個工藝性狀與參考品種的灰色關聯度，綜合評估該品種的優劣性。本研究分析了瑞麗地區旱地秋植以及水田地春植的主要生產品種、早熟品種的6個工藝性狀，即蔗糖分、榨出汁與蔗比、耐砍曬指標、重力純度、還原糖、纖維分。利用灰度關聯分析方法，計算每個性狀與參考品種的關聯度。我們根據關聯度系數，進一步篩選了瑞麗蔗區不同生態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、粵糖79-177、德蔗86-1。旱地主要生產品種是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。水田地主要生產品種是ROC10、選三、桂引5號。

表5　瑞麗地區適宜種植品種

糖廠的效益不僅與甘蔗田間農藝性狀有關，還與工藝性狀有關。影響糖廠不同生態條件下的產糖率的工藝性狀比較復雜，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，其糖廠產糖率就越高。所以，糖廠的產糖率是由多個工藝性狀決定的。因此，要提高糖廠的產糖率，我們有必要綜合評估多個工藝性狀，其綜合值更具有代表性。本研究將灰色系統理論應用于甘蔗綜合性狀評估，對篩選優良的甘蔗品種具有重要的指導意義。

通過計算品種多個工藝性狀的灰色關聯度，本研究還進一步提出了一個新的概念，即相對蔗糖分，關聯度與蔗糖分之積。相對蔗糖分不僅反映了甘蔗自身蔗糖分的高低，還反應了其綜合工藝性狀的優劣。因此，相對蔗糖分與糖廠產糖率有著直接的關系，對糖廠選育優良的甘蔗品種具有重要的指導意義。

本研究的不足之處是，未能準確測定甘蔗理想工藝成熟期時6個工藝性狀的準確值，該時期的工藝性狀對甘蔗品種選育具有更重要的指導意義，有待后續進一步不斷地完善。

[1] 吳才文，JACKSON P，劉家勇，等. 甘蔗野生種割手密遠緣雜交后代品質性狀的遺傳研究[J]. 植物遺傳資源學報，2011(1)：59-63.

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[3] DENG J L. Control problem of grey systems [J]. North-Holland, 1982, 1(5): 288-294.

[4] 鄧聚龍. 灰色控制系統[M]. 武漢：華中科技大學出版社，1993.

[5] 潘家駒. 作物育種學總論[M]. 北京：中國農業出版社，1994.

[6] LIU S F, DENG J L. GM(1,1) coding for expo-nential series [J]. The Journal of Grey System, 1999(11): 147-152.

[7] 韓媛. 我國油菜直接補貼的歸宿分析[D]. 武漢：華中農業大學，2009.

[8] 陳優強. 瑞麗糖廠顯著降低噸糖成本的技術模式[J]. 甘蔗糖業，2000(4)：8-13.

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

廣東省科學院研究所績效考核引導專項(2020GDASYL-20200302005)；廣東省甘蔗劍麻產業技術體系創新團隊(2019KJ104-04)

陳優強(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，教授級高級工程師，所長，全面主持和負責研究所科研、管理和行政工作；E-mail：gzcsircjj@163.com

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