基于灰色關聯度及TOPSIS法的甘蔗綜合性狀評價*

歐克緯,農澤梅,盧業飛,呂 平,龐新華,程 琴,周全光,宋奇琦,朱鵬錦

(廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所,廣西南寧 530001)

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

灰色關聯度分析可衡量系統內各因素之間的關聯程度,對研究對象的貢獻度作出評價[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聯度對甘蔗性狀作評價,而TOPSIS法則較少運用在甘蔗綜合性狀的評價中,這可能會導致一些具備優良綜合性狀的甘蔗品種難以得到應用。因此,綜合運用灰色關聯度及TOPSIS法對甘蔗綜合性狀進行客觀評價,對選育和推廣高產、高糖、抗逆性強的甘蔗優良新品種具有重要意義。桃聯安等[7]采用灰色關聯度對云南82-114割手密F1代的9個性狀進行分析后發現,蔗莖產量對產糖量的影響最大,提高甘蔗產量能更有效地提高單位面積產糖量。趙俊等[8]對19個國外引進的甘蔗品種的9個主要性狀進行灰色關聯度分析后也發現,公頃蔗莖產量與公頃含糖量之間的關聯度最大。黃婷等[9]對玉米(Zeamays)自交系各性狀進行灰色關聯度分析,結果發現禿尖長性狀與產量構成性狀關聯度最密切。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進行灰色關聯度分析,得出干旱脅迫下與單株產量關聯度最密切的是產量因子的結論。姜敏等[11]對18份貴州地區花生(Arachishypogaea)種質資源的10個主要農藝性狀與花生產量的相關性進行灰色關聯度分析發現,與產量關聯度最密切的指標為成苗率,其次為單株生產力,最后為結果數,同時指出為提高產量,在花生栽培過程中要注重對成苗率、單株生產力等指標的選擇。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)等生理指標的活性變化并測定其單株產量等指標,經灰色關聯度分析發現,脯氨酸和可溶性蛋白含量與小麥產量降幅關聯度最大。單曉敏等[13]運用TOPSIS法與其他方法進行聯合分析,建立并驗證了甘蔗聯合收割機液壓系統設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)理化性質及總酚物質進行測定并構建TOPSIS模型,篩選出抗氧化能力最強且綜合營養價值最高的櫻桃優良品種。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個可示范推廣的優良品種。雷涌濤等[16]將11個大麥(Hordeumvulgare)新品系的產量、基本苗等10個性狀作為正向指標,以白粉病等3個性狀作為負向指標,進行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個原產于南部地區的大豆(Glycinemax)品種引種到黃土高原地區,對其粗蛋白等多個指標進行TOPSIS分析,發現華夏3號等2個大豆品種產量和品質表現優良,適宜作為優質飼草大豆品種推廣應用。目前,對甘蔗農藝性狀的評價大多采用方差分析方法,運用灰色關聯度和TOPSIS方法對甘蔗農藝性狀進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,進行6次新植4次宿根(6新4宿)種植試驗,對其產糖量等7個主要農藝性狀進行灰色關聯度分析,篩選出與產糖量關聯度最大的性狀因子,同時將黑穗病等3個病蟲害發病率作為負向指標、產糖量等8個農藝性狀作為正向指標,運用TOPSIS法進行綜合分析,以篩選出綜合性狀最優的甘蔗品種,為甘蔗新品種的選育和推廣提供參考依據。

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、母本分別通過傳統雜交育種方式選育,并經過單株篩選、株系選擇、初級品比試驗及在攀西蔗區進行區域性試驗篩選出的甘蔗優良新品種(系),由廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所(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年引入廣西蔗區種植[21]。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

在2012-2017年,共進行6新4宿的小區品比試驗。試驗地分別設在廣西熱作所第二試驗區、金光農場、新興農場、良圻農場和濱海農場。各試驗品種(系)種植小區設3個重復,隨機排列,每小區行長7.0 m,共設5行,行距為1.2 m,小區面積約為42.0 m2,邊際設保護行。田間栽培管理遵循當地蔗田栽培管理模式,同時按時對參試品種(系)進行數據調查和收集。

1.2.2 調查項目及方法

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

病蟲害率(%)=病蟲害植株數/植株總數×100%,

有效莖數(株/hm2)=小區有效莖數/小區面積×104,

蔗莖產量(t/hm2)=單莖重×公頃有效莖數,

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%,

產糖量(t/hm2)=蔗糖分×蔗莖產量,

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

1.2.3 分析方法

根據鄧聚龍[22]的灰色系統理論,將3個甘蔗品種(系)6新4宿的6個主要農藝性狀調查結果作為子序列,以產糖量作為母序列,進行灰色關聯度分析,再對3個病蟲害發病率(負向指標)及產糖量等8個農藝性狀(正項指標)進行TOPSIS分析?；疑P聯度有關指標的計算方法如下。

絕對差值:Δ0i(k)=|x0(k)-xi(k)|,1≤i≤m,

TOPSIS法分析步驟為

①數據同趨勢化處理:將調查得到的黑穗病病害率、枯心苗率和梢腐病率進行逆向化(取倒數)處理。

②數據的平方和歸一化處理:

③找出最優矩陣向量A+和最劣矩陣向量A-:

④分別計算各個評價對象與正、負理想解的距離D+和D-:

⑤結合距離值計算得出評價對象與最優方案的接近程度C值并進行排序:

C=D-/(D++D-)。

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

1.3 統計分析

試驗數據采用Excel 2003進行整理,采用SPSS 18.0進行方差分析和TOPSIS分析,采用DPS V9.01進行灰色關聯度分析。

2 結果與分析

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3個品種(系)新植及宿根蔗的枯心苗、黑穗病和梢腐病發病率均為0.00%,可能與試驗區的土壤環境及當時的溫度氣候等有一定的關系。

表1 3個甘蔗品種(系)的抗病蟲害能力

2.2 各甘蔗品種(系)的主要農藝性狀表現

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的平均有效莖數顯著高于GR1和CK,較CK的增幅達22.00%。2016-2017年,GR2在新興農場和濱海農場的宿根蔗的有效莖數均顯著高于CK;GR1在新興農場的新植蔗的有效莖數顯著高于CK。綜上所述,在多年多點的跟蹤種植試驗中,GR2在有效莖數方面的表現優勢明顯。

表2 3個甘蔗品種(系)的主要農藝性狀

2.3 各甘蔗品種(系)的蔗莖產量和產糖量比較

表3顯示,GR2的平均蔗莖產量最高,較CK增產25.04 t/hm2,增幅達29.14%;GR1的平均蔗莖產量次之,較CK增產8.04 t/hm2,增幅為9.36%。GR2的平均蔗莖產量顯著高于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%。平均產糖量最高的為GR2,較CK增產3.35 t/hm2,增幅達28.03%;GR1的平均產糖量較CK增產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、2013年及2016-2017年新興農場蔗莖產量顯著高于CK,在2013年及2016-2017年新興農場產糖量顯著高于CK;相較于新植蔗,GR2宿根蔗的表現則更突出,其蔗莖產量均顯著高于CK,蔗糖分平均值與CK差異不顯著,而在宿根蔗產糖量方面,除2012-2013年廣西熱作所第二試驗區表現與CK差異不顯著外,其余年份均顯著高于CK,總體上GR2宿根蔗的蔗莖產量和產糖量均表現出顯著優勢。

表3 3個甘蔗品種(系)的蔗莖產量、蔗糖分及產糖量

2.4 產糖量與主要農藝性狀的關聯度分析

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

表4 產糖量與主要農藝性狀間的關聯度

2.5 不同品種(系)甘蔗農藝性狀的綜合評價

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

表5 各評價指標的正、負理想解

表6 不同品種(系)甘蔗綜合性狀的TOPSIS法評價結果

3 討論

選育高產、高糖和抗逆性強的甘蔗品種是提高甘蔗產量和蔗糖分的有效途徑[3]。目前,我國經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現,GR2等品種具有較強的低溫耐受能力;歐克緯等[21]通過對10個甘蔗品種(系)在柳州地區種植后的各性狀進行比較后發現,GR2在產量和產糖量方面均表現出優勢;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。為評估GR2等甘蔗品種(系)在廣西蔗區的適應性及產量潛力,本研究特對其進行跨地點、跨年份的跟蹤種植調查并采用灰色關聯度和TOPSIS法對其綜合性狀進行評價。

灰色關聯度在分析作物多種性狀方面的評價效果較好,其評價結果有利于在開展作物品種選育時把握好方向,已應用于包括甘蔗在內的多種作物產量與相關農藝性狀的關系研究[27-30]。王尊欣[31]對31個甘蔗品種的公頃蔗產量與其他10個性狀進行灰色關聯度分析后發現,公頃含糖量與公頃蔗莖產量之間的關聯度最大。劉曉燕等[32]將10個引進的甘蔗新品種的公頃含糖量與其他7個性狀進行灰色關聯度分析后發現,與公頃含糖量關聯度最大的是公頃實產。TOPSIS法能對作物品種多個評價指標與理想化目標的接近程度作出分析,進而以此作為依據評估作物品種的優劣,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。上述研究結果均可作為選育作物品種的側重點參考,以及評估作物品種綜合性狀和推廣價值的參考依據。

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

4 結論

甘蔗新品種GR2具有蔗莖產量高、有效莖數多、宿根性強等特點,經灰色關聯度和TOPSIS法綜合評價,其綜合性狀優于GR1和ROC22,是優良的晚熟甘蔗品種,適宜在廣西蔗區進一步推廣種植。