阮新民, 施伏芝, 從夕漢, 杜弘楊, 占新春,王元壘, 夏加發(fā), 羅志祥

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所， 合肥 230031)

隨著人們生活水平和消費(fèi)水平的提高，稻米品質(zhì)日益成為育種者與市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)。稻米品質(zhì)一般包括加工品質(zhì)、外觀(guān)品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)以及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等，在發(fā)達(dá)國(guó)家還包括米粉粘度和米飯質(zhì)地[1]。稻米品質(zhì)與基因型、生長(zhǎng)環(huán)境等因素密切相關(guān)[2-4]。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)反映了消費(fèi)者對(duì)稻米品質(zhì)的需求[5]，我國(guó)食用稻品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了多次修訂?？茖W(xué)準(zhǔn)確地對(duì)稻米品質(zhì)等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)顯得尤為重要[6]。稻米品質(zhì)等級(jí)綜合評(píng)價(jià)不僅影響稻米的市場(chǎng)價(jià)格，而且為品質(zhì)育種、栽培管理以及氣候變化對(duì)稻米品質(zhì)的影響提供參考依據(jù)[6]。

目前，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部(原農(nóng)業(yè)部)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稻米品質(zhì)評(píng)價(jià)主要采用分級(jí)制，分為一等、二等、三等和普通4個(gè)等級(jí)[7]。評(píng)價(jià)指標(biāo)有糙米率、整精米率、堊白度、透明度、感官評(píng)價(jià)、堿消值、膠稠度和直鏈淀粉含量。判定基于品質(zhì)指標(biāo)全部符合相應(yīng)水稻等級(jí)要求的最低等級(jí)。由于綜合評(píng)價(jià)采用的是最低等級(jí)判定，沒(méi)有綜合考慮其他指標(biāo)值，這為稻米品質(zhì)及其影響因素分析帶來(lái)不便。關(guān)于稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)已經(jīng)做了很多有益探索。鮑根良[8]采用評(píng)分法對(duì)稻米品質(zhì)綜合性狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。楊政水[9]采用灰色米質(zhì)指數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)判。吳文珊等[10]和鄭海英等[11]用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行綜合評(píng)判。傅愛(ài)軍等[12-13]利用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)的等差指數(shù)法和稻米綜合指數(shù)進(jìn)行評(píng)定。以上方法均存在人為設(shè)定指標(biāo)權(quán)重導(dǎo)致客觀(guān)性較差的缺點(diǎn)。近年來(lái)也有研究運(yùn)用投影尋蹤分類(lèi)(projection pursuit clustering，PPC)模型對(duì)稻米品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[14-15]。投影尋蹤分類(lèi)模型是一種處理多因素復(fù)雜問(wèn)題的統(tǒng)計(jì)方法，其基本思路是將高維數(shù)據(jù)向低維空間進(jìn)行投影，通過(guò)低維投影數(shù)據(jù)的散布結(jié)構(gòu)來(lái)研究高維數(shù)據(jù)特征。根據(jù)樣本資料自身的特性，在整個(gè)操作過(guò)程中不受主觀(guān)因素影響，具有直觀(guān)和可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[16-17]。安徽地處南北氣候過(guò)渡帶，以種植秈型雜交水稻為主，過(guò)去一直以提高水稻產(chǎn)量為主要任務(wù)目標(biāo)，但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，高品質(zhì)稻米愈來(lái)愈受市場(chǎng)青睞。因此，本研究參照現(xiàn)行農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食用稻品種品質(zhì)最新標(biāo)準(zhǔn)，利用投影尋蹤法構(gòu)建稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)投影尋蹤函數(shù)模型，并利用該函數(shù)模型分析近10年來(lái)安徽中秈稻綜合品質(zhì)變化趨勢(shì)并確定其主要影響因子，對(duì)水稻品種品質(zhì)評(píng)價(jià)及高品質(zhì)育種策略等具有指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

品質(zhì)性狀數(shù)據(jù)來(lái)源于2009—2019參加安徽省中秈區(qū)域試驗(yàn)水稻新組合。品質(zhì)指標(biāo)包括糙米率、整精米率、 堊白粒率、堊白度、 透明度、堿消值、糊化溫度、直鏈淀粉含量等。由于品質(zhì)除受遺傳因素影響外，還受氣候與栽培因素的影響，為消除年季間環(huán)境條件對(duì)品質(zhì)影響，本文采用參試組合與對(duì)照品種(Ⅱ優(yōu)838)品質(zhì)性狀數(shù)據(jù)的比值進(jìn)行分析。

1.2 基于投影尋蹤分類(lèi)模型的稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法

1.2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)集歸一化處理為了消除品質(zhì)指標(biāo)之間的量綱影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

x(i,j)=[x(i,j)-xmin(j)]/[xmax(j)-xmin(j)]，i=1,...,n;j=1,...,p

(1)

式中，xmax(j)和xmin(j)第j個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的最大值與最小值。n和p分別表示參試水稻組合數(shù)和稻米品質(zhì)指標(biāo)數(shù)，xmax(j)和xmin(j)表示第j個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的最大值與最小值。

1.2.2構(gòu)造投影目標(biāo)函數(shù)Q(a)將p維數(shù)據(jù)[x(i,j)|j=1,……,p]綜合為以長(zhǎng)度向量a=[a(1),a(2),...,a(p)]為投影方向的一維投影值z(mì)(i)。

(2)

投影指標(biāo)函數(shù)如下。

(3)

1.2.4建立投影尋蹤稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)模型參考農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《食用稻品種品質(zhì)NY/T593—2013》[7]將中秈型稻米劃分為5個(gè)等級(jí)(表1)，并增加對(duì)外觀(guān)品質(zhì)有較大影響的堊白粒率指標(biāo)。根據(jù)表1分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在各等級(jí)取值范圍內(nèi)均勻隨機(jī)產(chǎn)生各20樣本x*(i,j)，第i個(gè)樣品投影值z(mì)*與水稻樣品品質(zhì)等級(jí)值的散點(diǎn)圖，通過(guò)一元多項(xiàng)式線(xiàn)性回歸擬合建立的相應(yīng)評(píng)價(jià)函數(shù)模型。

表1 中秈品種品質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)處理在WPS2019中進(jìn)行，方差分析與投影尋蹤模型采用DPS18.1，作圖軟件采用sigmaplot12.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 綜合評(píng)價(jià)函數(shù)分析

根據(jù)表1分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)中秈型水稻品種實(shí)際檢測(cè)值將范圍取值分別設(shè)為糙米率75.0%～87.0%，整精米率40.0%～75.0%，堊白粒率0%～70%，堊白度0%～15.0%，透明度20%～90%，堿消值4.0～7.0，膠稠度40～90 mm，直鏈淀粉含量13.0%～26.0%，隨機(jī)產(chǎn)生樣本x*(i,j)與對(duì)應(yīng)的品質(zhì)等級(jí)一起組成樣本系列，得到最大投影指標(biāo)函數(shù)值Q(a*)=31.432 4，最佳投影方向a*=(0.363 3，0.342 2，0.413 9，0.333 6，0.398 6，0.331 5，0.279 2，0.348 8)。將a*代入式(2)后即得各樣本投影值z(mì)*(i)。利用最佳投影值z(mì)*(i) 與稻米品質(zhì)等級(jí)值散點(diǎn)圖進(jìn)行回歸模型擬合(圖1)，建立投影尋蹤稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)模型y=0.310 6x3-1.392 2x2-0.167 6x+5.162 8,R2=0.989 1**。稻米品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)值y(i)與模型擬合值y*(i)平均絕對(duì)誤差為0.110 1，平均相對(duì)誤差為5.43%，模型模擬精度較高，稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)模型可以用于稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。

注：*表示線(xiàn)性擬合方程在P<0.05水平差異顯著。

2.2 2009—2019年安徽省中秈稻綜合品質(zhì)變化趨勢(shì)

圖2顯示，2009—2019年稻米綜合品質(zhì)投影值z(mì)*(i)呈顯著上升趨勢(shì)，回歸方程為y=1.105 9+0.212 1x,R2=0.825 8*。表明安徽中秈新組合稻米綜合品質(zhì)整體呈上升趨勢(shì)。從參試組合各年實(shí)際檢測(cè)的3級(jí)以上優(yōu)質(zhì)米所占比例來(lái)看(圖3)，與投影尋蹤模型綜合評(píng)價(jià)分析結(jié)果基本一致，稻米品質(zhì)整體呈上升趨勢(shì)，但年季間變幅較大，安徽水稻育種向優(yōu)質(zhì)化方向發(fā)展。

注：箱式圖橫線(xiàn)從下至上依次為最小值、下四分位數(shù)、中位數(shù)、上四分位數(shù)和最大值,除異常值外的；“●”表示異常值。不同小寫(xiě)字母表示不同年份平均值在P<0.05水平差異顯著， *表示線(xiàn)性擬合方程在P<0.05水平差異顯著。

圖3 參試中秈組合3級(jí)以上優(yōu)質(zhì)米占參試組合數(shù)比例

2.3 基于投影尋蹤模型的安徽中秈型品質(zhì)影響因子分析

2.3.1加工品質(zhì)變化趨勢(shì)對(duì)參試組合的加工品質(zhì)的分析(圖4)表明，糙米率與精米率近10年來(lái)比值在1.0左右，說(shuō)明與對(duì)照品種Ⅱ優(yōu)838的糙米率與精米率相比無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。整精米率隨時(shí)間推移呈顯著線(xiàn)性上升趨勢(shì)，回歸方程為y=44.30+0.022 5x,R2=0.426 9*，說(shuō)明通過(guò)品種改良整精米率取得顯著進(jìn)步。

注：箱式圖橫線(xiàn)從下至上依次為最小值、下四分位數(shù)、中位數(shù)、上四分位數(shù)和最大值,除異常值外的；“●”表示異常值。不同小寫(xiě)字母表示不同年份平均值在P<0.05水平差異顯著， *表示線(xiàn)性擬合方程在P<0.05水平差異顯著。

2.3.2外觀(guān)品質(zhì)變趨勢(shì)對(duì)參試組合外觀(guān)品質(zhì)的分析(圖5)表明，堊白粒率與堊白度2009—2019年呈顯著線(xiàn)性減少趨勢(shì)，回歸方程分別為y=102.59-0.050 7x,R2=0.652 3*,y=96.51-0.047 7x,R2=0.703 1,且相對(duì)值均小于1.0，說(shuō)明與對(duì)照品種Ⅱ優(yōu)838的堊白粒率與堊白度相比優(yōu)勢(shì)明顯，近10年來(lái)安徽中秈型品種在堊白粒率與堊白度的改良上取得長(zhǎng)足進(jìn)步。透明度無(wú)顯著變化，可能由于對(duì)照品種Ⅱ優(yōu)838本身透明度較高，在分析的年份中II優(yōu)838品質(zhì)達(dá)到2級(jí)以上透明度的有8年，占88%。

注：箱式圖橫線(xiàn)從下至上依次為最小值、下四分位數(shù)、中位數(shù)、上四分位數(shù)和最大值,除異常值外的；“●”表示異常值。不同小寫(xiě)字母表示不同年份平均值在P<0.05水平差異顯著， *表示線(xiàn)性擬合方程在P<0.05水平差異顯著。

2.3.3蒸煮品質(zhì)變趨勢(shì)對(duì)參試組合蒸煮品質(zhì)的分析(圖6)表明，蒸煮品質(zhì)均無(wú)顯著變化。其中堿消值與對(duì)照品種Ⅱ優(yōu)838值相近，歷年來(lái)Ⅱ優(yōu)838平均堿消值為6.05，達(dá)到了1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而膠稠度明顯高于對(duì)照Ⅱ優(yōu)838，平均是其1.3倍左右，達(dá)到69.3 mm，達(dá)1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。直鏈淀粉含量較對(duì)照Ⅱ優(yōu)838含量明顯低，是其0.8倍左右，平均為16.8%，達(dá)到1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由此可以看出安徽中秈大多數(shù)品種在蒸煮品質(zhì)上具有一定優(yōu)勢(shì)。

注：箱式圖橫線(xiàn)從下至上依次為最小值、下四分位數(shù)、中位數(shù)、上四分位數(shù)和最大值,除異常值外的；“●”表示異常值。不同小寫(xiě)字母表示不同年份平均值在P<0.05水平差異顯著。

2.3.4品質(zhì)影響因子對(duì)稻米綜合評(píng)價(jià)貢獻(xiàn)投影尋蹤模型中, 最佳投影方向各分量反映了各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)稻米品質(zhì)的影響程度，值越大則對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)品質(zhì)的影響程度越大[18]。從圖7中可以看出，影響安徽中秈型水稻品種綜合品質(zhì)指標(biāo)主要是堊白粒率、堊白度和直鏈淀粉含量，2009—2019年平均貢獻(xiàn)率分別為33.8%、31.4%、26.45%。堊白粒率、堊白度兩項(xiàng)指標(biāo)在綜合品質(zhì)中占到65.2%，說(shuō)明安徽中秈型水稻品種外觀(guān)品質(zhì)對(duì)綜合品質(zhì)具有重要影響。

圖7 參試水稻組合品質(zhì)影響指標(biāo)的最優(yōu)投影方向

3 討論

基于投影尋蹤法的稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)模型直接以原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，不依賴(lài)于人為的等級(jí)判別標(biāo)準(zhǔn)，克服了一般評(píng)價(jià)方法中權(quán)值存在較大主觀(guān)性的問(wèn)題[19]。該模型將高維的指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到低維，不需要模型假定，也不需要滿(mǎn)足正態(tài)分布，可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定、定量解決多指標(biāo)非線(xiàn)性問(wèn)題[20]，實(shí)現(xiàn)了多層次、多角度的稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。本研究結(jié)果表明，該模型稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)投影值的變化規(guī)律與實(shí)際檢測(cè)到的3級(jí)以上優(yōu)質(zhì)米所占比例的變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明利用投影值對(duì)稻米進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是可行的，利用投影尋蹤中秈稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)函數(shù)可以更精確進(jìn)行等級(jí)劃分，也可以用于研究氣候變化對(duì)稻米品質(zhì)影響，以及品質(zhì)育種材料綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)。

2009—2019年安徽省中秈稻綜合品質(zhì)整體朝優(yōu)質(zhì)化方向發(fā)展，投影尋蹤模型綜合分析表明稻米品質(zhì)逐漸提高，且年季間差異顯著。參試組合各年實(shí)際檢測(cè)的3級(jí)以上優(yōu)質(zhì)米所占比例變化趨勢(shì)也反映了這一特征。另外，通過(guò)審定品種的米質(zhì)也證實(shí)了這一規(guī)律，2009—2019年安徽審定中秈型水稻品種共計(jì)218個(gè)，其中1級(jí)優(yōu)質(zhì)米品種13個(gè)，2級(jí)優(yōu)質(zhì)米品種53個(gè)，3級(jí)優(yōu)質(zhì)米品種115個(gè)(米質(zhì)以最優(yōu)年份計(jì))。根據(jù)投影尋蹤模型最佳投影方向分析，影響安徽中秈型水稻品種綜合品質(zhì)指標(biāo)主要是堊白粒率、堊白度和直鏈淀粉含量，這一結(jié)果與孔令娟等[21]結(jié)果相一致。本研究結(jié)果還表明，近年來(lái)，安徽中秈型水稻育種在整精米率、堊白粒率、堊白度上的顯著進(jìn)步，促進(jìn)了綜合品質(zhì)的進(jìn)一步提升。王守海等[22]1986年安徽省稻米品質(zhì)調(diào)查中秈類(lèi)型數(shù)據(jù)對(duì)比中能反映出這一特征。2019年安徽中秈參試品種整精米率平均為65.4%，堊白粒率平均為11.81%，直鏈淀粉含量為17.4%，膠稠度平均為76.88 mm，堿消值平均為5.6，與1986年數(shù)據(jù)相比整精米率、膠稠度、堿消值分別提高45.0%、113.6%、40.0%；堊白粒率、直鏈淀粉含量分別降低82.6%、34.1%。究其原因，可能與近年來(lái)親本材料大量應(yīng)用南方優(yōu)質(zhì)耐高溫的優(yōu)良親本有關(guān)。提高整精米率，降低堊白粒率和堊白度將仍然是安徽未來(lái)品質(zhì)育種的主攻方向，另外值得注意是堿消值，盡管參試組合平均值為6.05級(jí)，達(dá)1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且近3年的平均值均低于6.0級(jí)。稻米品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，2009—2019年安徽省中秈稻綜合品質(zhì)整體朝優(yōu)質(zhì)化方向發(fā)展，尤其在整精米率、堊白粒率、堊白度上的顯著進(jìn)步，促進(jìn)了綜合品質(zhì)的提升。影響安徽中秈型水稻品種綜合品質(zhì)指標(biāo)主要是堊白粒率、堊白度和直鏈淀粉含量，貢獻(xiàn)率分別為33.8%、31.4%、26.45%。提高整精米率，降低堊白粒率和堊白度將仍然是安徽未來(lái)品質(zhì)育種的主攻方向，另外，注意堿消值性狀的改良。

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