灰色系统理论综合评估甘蔗工艺性状

陈优强，陈骏佳，张湘博

【糖料与糖料生产】

灰色系统理论综合评估甘蔗工艺性状

陈优强，陈骏佳*，张湘博

(广东省科学院生物工程研究所，广东广州 510316)

糖厂的产糖率主要由甘蔗的工艺性状决定，甘蔗工艺性状有多个重要的指标。本研究将灰色系统理论应用于甘蔗工艺性状综合评估，通过测定瑞丽地区旱地秋植、水田地春植蔗区多个甘蔗品种的6个工艺性状指标，得到甘蔗品种工艺性状的综合评估值，筛选出适合于不同蔗区的品种。本研究还进一步提出相对蔗糖分的概念，即品种灰色关联度与甘蔗蔗糖分之积。相对蔗糖分与糖厂的产糖率直接相关，可作为评估糖厂效益的重要指标。目前已通过应用灰色关联度分析方法，对瑞丽蔗区品种进行优化布局，瑞丽糖厂产糖率得到了显著的提高。

甘蔗；工艺性状；灰色系统理论；优良品种；相对蔗糖分

0 引言

甘蔗是重要的糖料作物，目前世界上消费的食糖中有75%是以甘蔗为原材料进行加工而成。因此，优良甘蔗品种是甘蔗产业的动力之源[1]。长期以来，我国蔗糖产业主要由2大系统构成，即甘蔗产业和制糖产业。甘蔗产业隶属于农业方面，注重农艺性状，包括萌发率、分蘖率、有效茎数、抗逆性、宿根性、适应性等。制糖产业属于工业领域，糖厂更注重的是企业内部的工艺流程，企业关注的是制糖程序的标准化和流程。工艺性状是一个综合的性状，既包括甘蔗蔗糖分、重力纯度，还包括耐砍晒、还原糖、出汁率、纤维分等指标[2]。

作物灰色育种学是20世纪80年代末将灰色系统理论[3-4]与作物育种理论相结合产生的一门新兴学科[5]。灰色系统理论通过数学算法，可以有效计算出被比较品种与参考品种的相似性，即灰色关联度。应用灰色关联系统可以高效地筛选优良品种。本研究将灰色系统理论应用于甘蔗工艺性状综合评估，其对糖厂产糖率具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 秋植旱地品比试验

试验地点：瑞丽大等喊(傣族地名)良种基地、勐卯基地、贺弄基地、勐休乡南多坝高丽寨、畹叮蔗糖局良种基地。

参试品种：ROC10、ROC16、粤糖86-368、粤糖79-177、德蔗86-1、陇川80-27、梁河78-85。其中，参照品种以各蔗区工艺性状表现最佳的品种所测定的数据组成。

试验时间：1997年9月13～19日种植，进行秋植1新2宿试验。

1.1.2 春植旱地品比试验

试验地点：瑞丽弄岛乡弄岛村公所弄岛寨、姐相乡贺寨村公所姐相旺寨、姐勒乡芒合村公所勐嘎寨。

参试品种：ROC10、ROC16、云蔗89-151、选三、桂引5号、桂糖11号、CP65-357。

试验时间：1998年1月底～2月初下种，进行1年新植1年宿根试验。

1.1.3 田间种植与管理

试验点的设计为随机区组排列，1次重复，3个小区，行长因地而异，每个小区66.67 m2，行距1 m。下种量75000双芽/hm2，按当地甘蔗生产种植标准施用基肥、追肥和配土。

1.1.4 工艺性状调查

调查的工艺性状包括重力纯度、纤维分、榨出汁与蔗比、蔗糖分、还原糖、耐砍晒共6个指标。自1998年11月15日开始，直至榨季结束，每半月测量1次性状，定时采取试验点的样品送化验室进行分析(采样后第2天进行分析)。取样点选择光照正常、不具边行效应和其它不良反应的地方，挑选生长正常、无病虫鼠害和其它原因致使生长不正常的蔗茎。取样时每个品种取6条，其中主茎4条，分蘖茎2条。

1.1.5 灰色关联度计算方法

1982年，我国华中理工大学邓聚龙教授首次提出灰色系统理论(Grey Model，简称GM)[6]，并于1985年成立了灰色系统研究会。灰色系统中含有已知样品和未知样品。通过比较未知信息与已知信息的关联度，可以比较全面地判断未知样品的优劣性。经过多年的发展，灰色关联度分析在自然科学、经济社会领域里对解决生产、科研和生活预测成果显著[7]。

设参考数列为0，被比较序列为X，=1、2、3……。设每个序列有个观测值，则0={1，2，3……X}，设属于。

其中式⑴，ε()为第个品种第个观测值对应的灰色关联系数；Δ()=X()-0()，Δ()为第个被比较序列第个观测与参考之差；min|X(k)-0()|为计算所有被比较序列与参考序列的所有观测值之差的绝对值，并求出最小值；同理max|X()-0()|)。为分辨系数，取值范围在0～1之间，一般取=0.5。

根据以上公式，可以计算得到被比较序列与参考序列对应每一个观测值的灰色关联系数，即ε()。由于被观测序列有多个属性，即观测值。单一属性很难综合判断被比较序列与参考序列的相似性。因此，需要将被比较序列(X)的各个属性的关联系数相加，并求取平均值，即得到综合关联系数，我们定义为r的关联度(Relational grade)。

根据r值，将所有被比较序列进行排序，确定与参考序列最为相似的被比较序列。

2 结果与分析

2.1 瑞丽地区早熟和主要甘蔗品种

瑞丽主要分为2大生态蔗区，一是旱地秋植生产区；二是水田春植生产区。依照《品种改良方案》生产区种植品种可分为早熟品种和主要生产品种，早熟品种熟期跨度为100天左右，我们选取早熟品种的标准是重力纯度≥85%，还原糖≤1.0%。而主要生产品种以产量7 t/hm2以上为标准(以瑞丽生产为参照标准，低于7 t/hm2品种不建议推广种植)。最终选取的旱地秋植品种包括ROC10、ROC16、粤糖86-368、粤糖79-177、德蔗86-1、陇川80-27、梁河78-85。水田地春植品种包括ROC10、ROC16、云蔗89-151、选三、桂引5号、桂糖11号、CP65-357。

2.2 旱地秋植品种工艺性状综合值

2.2.1 旱地主要生产品种综合性状评估

旱地主要生产品种包括ROC10、ROC16、粤糖86-368、粤糖79-177、德蔗86-1、陇川80-27、梁河78-85(表1)。根据灰色关联分析原理，关联度高的品种与参考品种最为接近，即ROC10*，关联度为0.9351，其与参考品种最为接近，综合工艺性状最佳。其次是粤糖86-368*关联度为0.9231和德蔗86-1关联度为0.9300，梁河78-85*关联度为0.9102。其它品种与参考品种差异较大(表1)，优先选择上述4个品种为主要推广品种。

ROC10糖分优良，最大缺点是砍收后蔗糖较易转化，推广种植必须注意尽可能在3天内入厂压榨，山地蔗区推广面积不宜过大。粤糖86-368虽然蔗糖分仅为中上等水平，但其他工艺性状优良，其综合性状接近于ROC10，非常适合在云南山地蔗区推广种植。德蔗86-1榨出汁与蔗比性状差，但其蔗糖分、重力纯度和还原糖性状较佳，可适当推广。梁河78-85适合在1月下旬后砍收，其工艺性状在榨季后期均处于较佳水平，在其他优良品种资源不足的情况下，仍可种植一定面积。

2.2.2 旱地早熟品种综合性状评估

旱地早熟品种包括ROC16、粤糖79-177、德蔗86-1、陇川80-27(表2)。关联度最大的品种为德蔗86-1、粤糖79-177和ROC16，灰色关联度值分别是0.9562、0.9450和0.9170。但是粤糖79-177耐砍晒性状较差，推广种植必须注意尽可能在3天内入厂压榨，山地蔗区推广面积不宜过大。ROC16建议12月上旬至1月上旬砍收。

表1　旱地主要生产品种工艺性状

注：①表中各数据均为同类生产蔗区试点的测定平均值；②ROC10*、粤糖86-368*代表1月上旬至4月上旬共测定7次表型并求平均值；梁河78-85*为1月下旬至4月上旬共测定6次性状并求平均值；陇川80-27*为12月下旬至4月上旬，每半个月测定1次性状，共测定8次取平均值；其它品种为11月15日开始，直至榨季结束，每半月测量1次性状取平均值。

表2　旱地早熟品种工艺性状

注：*号标记的参试品种为12月上旬至1月上旬共3次测定表型并求平均值；其他品种所计算的性状为11月下旬至1月上旬每半个月1次，共4次测定求取平均值。

2.3 水田地春植品种工艺性状综合值

2.3.1 水田地主要生产品种综合性状评估

水田地主要生产品种包括ROC10、ROC16、云蔗89-151、选三、桂引5号、桂糖11号。由表3可知，水田主要生产品种关联度最大的品种为选三、桂引5号、云蔗89-151和ROC10。因评估值缺少3、4月份工艺性状测定数据，计算值对早熟品种选三、桂引5号、云蔗89-151、ROC16和桂糖11号比较客观地反映了这些品种理想工艺性状成熟期的实际情况，而迟熟品种ROC10缺少理想工艺成熟期数据，其关联度会因此而偏低。

2.3.2 水田地早熟品种综合性状评估

表3　水田地主要甘蔗品种工艺性状

注：桂引5号为12月下旬至2月上旬共计4次测定求取平均值；其他品种均为12月下旬至2月下旬共5次测定求取平均值。

水田地早熟品种包括ROC16、云蔗89-151、选三、桂引5号、桂糖11号、CP65-357(表4)。关联度最大的品种为CP65-357、桂引5号、云蔗89-151和选三。以上4个品种均可作为水田地早熟主推品种。其中，CP65-357的6个工艺性状都表现出较好的优势。

表4　水田地早熟品种工艺性状

注：桂引5号*、桂糖11号*代表12月上旬至1月上旬3次测定值求取平均值；其他品种均为12月下旬至2月下旬共5次测定求取平均值。

2.4 灰色关联度筛选品种在瑞丽蔗区应用成效

瑞丽糖厂在1991～1996年，平均产糖率为9.99%，在德宏州排名倒数第1。应用灰色关联度分析方法，对瑞丽蔗区种植品种进行筛选，在1998/99～2005/06年榨季8个榨季产糖率分别达12.05%、11.90%、12.30%、12.31%、12.74%、12.89%、13.50%和13.48%。实施前甘蔗总入榨量徘徊在10万～25万t，历史最高为28万t。实施后，2001/02年榨季比历史最高入榨量增加11.50%，2002/03～2005/06年榨季分别达55.89万、53.93万t[8]。因此，应用灰色关联度分析方法，对瑞丽蔗区品种进行筛选，瑞丽糖厂效益得到提高。

3 总结与讨论

灰色关联分析方法综合评估被比较品种与参考品种的相似性，本研究将灰色系统理论应用于甘蔗工艺性状综合评估。通过计算品种多个工艺性状与参考品种的灰色关联度，综合评估该品种的优劣性。本研究分析了瑞丽地区旱地秋植以及水田地春植的主要生产品种、早熟品种的6个工艺性状，即蔗糖分、榨出汁与蔗比、耐砍晒指标、重力纯度、还原糖、纤维分。利用灰度关联分析方法，计算每个性状与参考品种的关联度。我们根据关联度系数，进一步筛选了瑞丽蔗区不同生态条件下适宜推广的甘蔗品种(见表5)。旱地早熟品种主要是ROC16号、粤糖79-177、德蔗86-1。旱地主要生产品种是ROC10、粤糖86-368、德蔗86-1、梁河78-85。水田地早熟品种主要是CP65-357、桂引5号。水田地主要生产品种是ROC10、选三、桂引5号。

表5　瑞丽地区适宜种植品种

糖厂的效益不仅与甘蔗田间农艺性状有关，还与工艺性状有关。影响糖厂不同生态条件下的产糖率的工艺性状比较复杂，目前尚未有较好的综合评估方法，甘蔗品种糖分越高，榨出汁与蔗比越高，耐砍晒指标越高，重力纯度越高，还原糖含量越低，纤维分含量越低，其糖厂产糖率就越高。所以，糖厂的产糖率是由多个工艺性状决定的。因此，要提高糖厂的产糖率，我们有必要综合评估多个工艺性状，其综合值更具有代表性。本研究将灰色系统理论应用于甘蔗综合性状评估，对筛选优良的甘蔗品种具有重要的指导意义。

通过计算品种多个工艺性状的灰色关联度，本研究还进一步提出了一个新的概念，即相对蔗糖分，关联度与蔗糖分之积。相对蔗糖分不仅反映了甘蔗自身蔗糖分的高低，还反应了其综合工艺性状的优劣。因此，相对蔗糖分与糖厂产糖率有着直接的关系，对糖厂选育优良的甘蔗品种具有重要的指导意义。

本研究的不足之处是，未能准确测定甘蔗理想工艺成熟期时6个工艺性状的准确值，该时期的工艺性状对甘蔗品种选育具有更重要的指导意义，有待后续进一步不断地完善。

[1] 吴才文，JACKSON P，刘家勇，等. 甘蔗野生种割手密远缘杂交后代品质性状的遗传研究[J]. 植物遗传资源学报，2011(1)：59-63.

[2] 卢新泽. 甘蔗优良品种的工艺性状[J]. 甘蔗糖业，2005(1)：1-4.

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

[4] 邓聚龙. 灰色控制系统[M]. 武汉：华中科技大学出版社，1993.

[5] 潘家驹. 作物育种学总论[M]. 北京：中国农业出版社，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] 韩媛. 我国油菜直接补贴的归宿分析[D]. 武汉：华中农业大学，2009.

[8] 陈优强. 瑞丽糖厂显著降低吨糖成本的技术模式[J]. 甘蔗糖业，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

广东省科学院研究所绩效考核引导专项(2020GDASYL-20200302005)；广东省甘蔗剑麻产业技术体系创新团队(2019KJ104-04)

陈优强(1962-)，男，广东广州，本科，研究员，研究方向：甘蔗遗传育种；E-mail：chenyouqiang2009@163.com

陈骏佳(1965-)，男，教授级高级工程师，所长，全面主持和负责研究所科研、管理和行政工作；E-mail：gzcsircjj@163.com

陈优强，陈骏佳，张湘博. 灰色系统理论综合评估甘蔗工艺性状[J]. 甘蔗糖业，2021，50(1)：46-50.