TOPSIS法評價南方大豆品種在黃土高原地區的飼用潛力

安 東， 來興發， 鄧建強， 韓天富， 沈禹穎*

(1. 蘭州大學草地農業科技學院/草地農業系統國家重點實驗室， 甘肅 蘭州730020；2. 中國農業科學院作物研究所， 北京 100081)

大豆(Glycinemax(L.)Merrill)原產于中國，19世紀初被美國引進栽培用作飼草作物，因其具有高營養和牲畜喜食特性被廣泛種植[1-2]。后隨著人類對食物需求的不斷增加，大豆逐漸被改良成糧食作物[3]。大豆是光周期敏感的作物，以籽粒收獲為目標的種植往往受到嚴格的區域限制[4]。將適宜低緯地區種植的品種移至高緯地區，其營養生長期會被大大延長，甚至無法在收獲季轉入生殖生長階段[5]。與此同時，其營養生長得到充分加強，營養體生物量積累較當地適宜的品種可提高數倍，飼用專用大豆品種的飼草產量是其籽粒產量的2倍[6-7]。選育飼用大豆品種對于應對傳統農區的農業產業結構調整、豐富一年生豆科飼草種類、滿足草食家畜的優質植物蛋白供應、實現綠色高質量發展有重要意義。

產量和品質是評價作物飼用價值的兩個方面[8]，為評價牧草產量和品質的種間差異，以往的研究大多集中于比較飼草品種的產量、品質指標在年內和年際的差異，而沒有將多個重要質量指標合成一個綜合指標[9]。近期的研究表明，采用綜合多指標決策分析方法(technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS)進行統計分析時，對數據分布及樣本量、指標方面對原始數據的利用較充分，信息損失量少，在農業生產中被廣泛應用[10]。因此，本研究擬利用大豆光周期敏感的這一特性，將東南、華南和西南地區的33個籽粒型晚熟大豆品種引種到隴東旱塬，利用基于主成分分析(principal component analysis,PCA)和熵權法(entropy weight,EW)的TOPSIS法[11]，對引種品種在當地的生長表現和飼用價值進行評價，以期從中篩選出宜當地環境的兼顧高產和高飼用品質的飼用大豆品種，為當地的糧改飼和草牧業發展提供飼草資源。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年在蘭州大學草地農業生態系統野外科學觀測研究站(35°39′ N，107°51′ E，海拔1 297 m)開展，地處甘肅省慶陽市西峰區什社鄉，該區屬于典型的大陸性季風氣候，年平均降雨量561 mm，60%以上集中在7-9月，年平均氣溫8.3℃，年日照時數2 300～2 700 h，無霜期161 d，生長季225 d。土壤為黑壚土，表層(0～15 cm)pH值為8.2，全氮含量0.84 g·kg-1，有機碳含量為6.8 g·kg-1。

1.2 試驗材料與設計

供試材料為來自南方的籽粒型晚熟大豆品種，其中東南地區15個，華南地區8個，西南地區10個，采用慶陽當地主栽大豆品種作對照(隴黃3號)(見表1)。所有品種于2018年5月14日采用等距離穴播，穴距50 cm，行距40 cm，播深5 cm，采用完全隨機區組設計，每個品種重復3次，共114個小區，小區面積6 m2(2 m×3 m)，小區之間間隔1 m。播種前施磷酸二銨(N∶P∶K=18∶46∶0)225 kg·hm-2。作物生長期間無追肥和灌溉處理。

表1 供試33個大豆品種及來源Table 1 33 soybeans varieties (lines) used of this study

注：后續表圖中的材料編號與該表一致

Note：All the code of accessions in the following figures and tables are consistent with this table

1.3 生育期觀測

出苗后每個小區隨機選取5株掛牌標記，進行定株觀測。按大豆生育期劃分標準[10]，子葉在地面以上為出苗期(vegetative growth-emergence,VE)，主莖的任何節位上有一朵花開放為初花期(reproductive growth-early flowering stage，R1)，每兩天觀察一次，分株記載VE期、R1期，并計算出苗至初花所需天數(days from emergence to the beginning bloom，DTB)。

1.4 干物質產量性狀測定

在大豆R1期時，各小區分別隨機選取長勢均勻、有代表性的3株，齊地面刈割，鮮樣經105℃殺青、75℃烘干至恒重，記錄干物質產量，并根據單株占地面積按比例換算成每公頃產干物質產量(dry matter，DM)。根據每公頃干物質產量和出苗至初花天數得出干物質積累速率(dry matter accumulation rate，DMAR)，計算公式：DMAR(kg·d-1·hm-2)=1 000×DM/DTB。

1.5 品質性狀測定

R1期樣品烘干后粉碎過篩備用，用于營養成分分析。測定大豆植株粗蛋白(crude protein，CP)、中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗滌纖維(acid detergent fiber，ADF)、粗脂肪(crude fat，CF)、粗灰分(Ash)。用凱氏定氮法測定CP；范氏洗滌纖維分析法測定NDF和ADF含量；索氏浸提法測定CF；高溫灼燒化干灰法測定粗灰分[11-12]。

1.6 飼用性能的綜合評價

為了更好地闡明和可視化大豆飼用品質指標之間潛在的相互關系，使用R包“FactoMineR”的PCA函數對5個品質指標(即CP，NDF，ADF，CF和Ash)進行了PCA分析。為了量化各品質指標在評價中的相對重要性，利用R包“entropy”的熵函數計算各指標的權重。據PCA和EW分析結果，利用R包“topsis”中的topsis函數得出大豆品種飼用品質的綜合得分(score)。根據大豆品種的品質綜合得分和干物質產量做出二維散點圖用于評價[13]。

2 結果與分析

2.1 33個大豆品種(系)出苗至初花(R1)物候表現

參試33份材料的DTB平均為92 d，均晚于本地對照品種的70 d，不同地區品種到達花期所需時間存在差異，華南地區最長，平均需要99 d，來自東南地區和西南地區的各品種平均開花所需天數均為為89 d。超過100 d的品種有7個，華南區有5個，東南區和西南區各1個，其中桂夏1號和桂夏4號所需天數最長，達到110 d，除此之外還有桂夏6號(106 d)、桂夏5號(103 d)、桂夏7號(103 d)、南農33(103 d)、自貢冬豆(102 d)。開花期短于80 d的品種有7個，以滇豆7號開花用時最短，僅比對照品種晚5 d(表2～表4)。

表2 來自東南地區15個粒型晚熟大豆品種(系)在隴東旱塬的大豆品種(系)物候、R1期干物質產量及干物質積累速率Table2 Phenology,DTB,DM and DMAR at R1 stage in soybean varieties origin from Southeast China

注：同列中不同小寫字母間差異顯著(P<0.05)，下同

Note:Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level,the same as below

表3 來自華南地區8個粒型晚熟大豆品種(系)在隴東旱塬的大豆品種(系)物候、R1期干物質產量及干物質積累速率Table 3 Phenology,DTB,DM and DMAR at R1 stage in soybean varieties origin from South China

表4 來自西南地區10個籽粒型晚熟大豆品種(系)在隴東旱塬生育期、R1期干物質產量及干物質積累速率Table 4 Phenology,DTB,DM and DMAR at R1 stage in soybean varieties origin from Southwest China

2.2 33個大豆品種(系)初花(R1)期干物質產量

參試33個大豆品種(系)R1期干物質產量表現有較大的差異，變幅為1.38～16.31 t·hm-2，平均產量為5.46 t·hm-2，有12個品種高于平均產量，東南地區4個，華南地區7個，西南地區1個。產量達到10 t·hm-2以上的有5個品種，均來自華南地區，依次是桂夏1號(16.31 t·hm-2)、桂夏5號(15.58 t·hm-2)、華夏3號(15.48 t·hm-2)、桂夏7號(14.21 t·hm-2)和桂夏4號(12.07 t·hm-2)，是對照本地品種(2.34 t·hm-2)的6～8倍。東南地區供試品種產量最高的為蘭溪大黃豆(7.35 t·hm-2)，西南地區為自貢冬豆(9.07 t·hm-2)。青皮豆和桐梓小灰豆的干物質產量低于對照，不足2 t·hm-2(表2～表4)。

引種大豆干物質積累速率范圍為22.01～162.20 kg·d-1·hm-2，生長速度在100 kg·d-1·hm-2以上的6個品種均來自華南地區，其中華夏3號生長最快，其次有桂夏5號(151.52 kg·d-1·hm-2)、桂夏1號(151.28 kg·d-1·hm-2)、桂夏7號(137.53 kg·d-1·hm-2)、桂夏4號(112.06 kg·d-1·hm-2)和華夏10號(104.35 kg·d-1·hm-2)(表2)。東南地區生長速度最快的為蘭溪大黃豆(75.24 kg·d-1·hm-2)(表3)，西南地區最快的為自貢冬豆(88.72 kg·d-1·hm-2)(表4)。

2.3 33個大豆品種(系)初花(R1)期主要品質性狀

達到花期的大豆品種(系)全株CP含量變異范圍為14.25%～19.97%，平均含量為16.70%，高于平均值的品種有17個，其中來自東南地區8個、華南地區4個、西南地區5個。CP含量在19%以上的品種有南豆33(19.97%)和南豆35(19.18%)。NDF含量變異為72.98%～82.49%，平均值77.28 %，低于平均值的品種有17個，其中東南地區11個、華南地區4個、西南地區2個，NDF含量最低的品種為滇豆7號，含量最高的為桂夏1號。ADF含量變異范圍為37.72%～51.23%，平均值為45.83%，低于平均值的品種有14個，其中東南地區7個、華南地區3個、西南地區4個，含量最低的為本地對照品種，含量最高的為桂夏1號。供試材料的CF含量多數在2%～3%之間，平均值為2.52%，有14個品種高于平均值，其中東南地區8個、華南地區1個、西南地區5個，含量最高的品種為浙秋豆2號，為4.94%；最低的是浙鮮84，僅為1.52%。Ash含量變異較大，最高的為信都小黃豆(21.91%)，約為平均含量的2倍，含量最低的品種為桂夏7號，為8.68%(圖1)。

圖1 33個南方籽粒型晚熟大豆品種花期植株主要飼用品質性狀Fig.1 Forage trait in 33 late mature soybean varieties (lines) from Southern China注：柱上數值為指標測定值Note:The value on the column is the measured value of the index

2.3 33個大豆品種(系)品質性狀的主成分分析

圖2是大豆品種(系)品質指標的主成分分析雙標圖，從圖中可看出，前兩個主成分的累計貢獻率為76.1%，其中第一主成分(first principal component，PC1)的貢獻率為55.4%，第二主成分(second principal component，PC2)的貢獻率為20.7%，這兩個主成分主要決定飼草的品質。圖中兩向量夾角小于90°時，呈正相關關系；兩向量夾角大于90°時，呈負相關關系；兩向量夾角接近90°時，相關性不明顯。因此CP與Ash呈顯著的負相關關系，與CF、NDF、ADF相關性不明顯。CF、NDF、ADF、Ash相互之間呈顯著的正相關關系。向量在主成分坐標軸上的投影越長，對該主成分的貢獻率越大。可知對第一主成分貢獻率較大的性狀依次是NDF和ADF；對第二主成分貢獻率較大的是CP。

圖2 33個南方籽粒型晚熟大豆品種花期植株飼用性狀間相互關系Fig.2 The interrelationship patterns among forage quality indicators based on the PCA diagrams for 33 soybean varieties (lines) which origin from Southern China

2.4 33個大豆品種(系)飼用潛力的TOPSIS綜合評價

以飼用品質得分和產量做二維散點分布圖，品質綜合得分較高的品種有：南黑豆20、蘭溪大黃豆、桂夏6號、桂夏7號、華夏3號等(圖3)。I區內為產量與品質均高于平均水平的11個品種，其中華夏3號和桂夏7號的雙優勢最為明顯。II區內為品質高于平均水平而產量偏低的大豆品種，其中南黑豆20、南夏豆30、南農99-10等有明顯綜合品質優勢。III區內為產量與品質綜合得分均低于平均水平的品種，共13個，其中信都小黃豆得分最低。IV區為產量高于平均水平而品質綜合得分低于平均水平的品種，無品種屬于該象限。本次供試的大部分品種花期干物質產量低于平均水平，少數有產量優勢品種，而整體的飼用品質性狀則分布相對均勻。

3 討論

3.1 供試大豆品種引種到高緯度地區后的生育期表現

生育期性狀是大豆對于光溫生態條件的綜合反應，我國幅員遼闊，生態條件復雜，大豆品種生育期生態類型極為豐富，同一品種在不同地方生育期性狀也表現出差異性[14]。1979年劉漢中提出北半球由南向北引種大豆，由于光溫對發育的影響會致使出苗到開花(前期)延遲[5]。前人研究中報道了一部分供試品種在原產地出苗至開花日數：浙秋豆2號(35 d)、浙秋豆3號(40 d)、南農99-10(47 d)、桂夏7號(43 d)、桂夏1號(40 d)、華夏3號(49.3 d)、桂夏6號(44 d)、南豆12(53 d)、南夏豆25(49 d)[15-16]，這些品種在慶陽地區花期分別均比其在原產地推遲了40 d以上，其中桂夏1號推遲了70 d之久。不同大豆品種對光周期反應的敏感性具有差異，順序一般為：南方秋豆>南方夏豆>黃淮夏豆>南方春豆>黃淮春豆>北方春豆[14]。為產生明顯的花期推遲現象，本研究所選用材料大多數是南方夏豆和黃淮夏豆，其具有強烈的光周期敏感性，因此所有品種引種到高緯度的隴東后花期晚于當地對照。屬于南方夏豆的華南地區品種桂夏系列和華夏系列的DTB普遍長于東南地區和西南地區品種，這也與光周期敏感順序相符。來自西南地區的自貢冬豆是超晚熟大豆品種[13]，故DTB可達103 d之久。

圖3 33個南方籽粒型晚熟大豆品種飼草產量與飼用品質得分的TOPSIS綜合評價Fig.3 The evaluation of forage yield and comprehensive quality based on TOPSIS with EW for 33 soybean varieties (lines)注：水平虛線表示大豆品種飼草產量的平均值；垂直虛線表示大豆品種品質指標TOPSIS得分的平均值Note:The horizontal dashed line represents the average of DM yield and the vertical dashed line represents the average of relative quality scores

3.2 供試大豆品種花期干物質產量表現

干物質產量是決定引種大豆作為飼草利用的關鍵因素之一。本研究表明，供試大豆品種干物質產量范圍為1.38 ～16.31 t·hm-2，說明一些品種盡管花期延長，但營養生長優勢并沒有表現出來，尤其是來自西南地區的品種產量優勢不明顯，這可能與西南地區的海拔比華南和東南地區高有關，說明緯度與海拔共同影響引種后的表現，在后續試驗中應充分考慮緯度條件對引種的影響。華南地區大豆品種引種后干物質產量和干物質積累速率優勢最為明顯，較東南和西南地區品種更具有引種至隴東旱塬做飼草的潛力。美國農業部農業研究局雜交培育的飼用大豆品種“Donegal”、“Derry”和“Tyrone”，干物質產量可達13.45 t·hm-2，比傳統籽粒型單產提高75%[17]，本試驗結果選擇出的優勢品種產量達到或超過了“Donegal”、“Derry”和“Tyrone”，與慶陽地區主栽優質牧草紫花苜蓿(10 t·hm-2)和飼用玉米干物質產量(10.84～13.57 t·hm-2)相當[18-19]。干物質積累速率的快慢，是對環境適應性的體現，今后我們會將產量偏低的大豆品種排除，不再考慮。在選擇品種時，除考慮產量和適應性之外，還需與慶陽當地實際生產結合，一些品種產量雖然高，但生育天數過長，長時間占用土地，不利于倒茬輪作。

3.3 供試大豆品種的飼用品質性狀表現

干物質產量是衡量飼草生產力水平的重要指標，而營養價值的高低是評價飼草是否優良的重要指標。PCA結果表明，供試大豆品種品質表現的主要影響指標為CP,NDF和ADF。Hintz等人研究發現大豆葉片和莖的纖維含量(NDF,ADF)隨著成熟度的增加而增加，而CP含量從R1期到R3期(始莢期)呈下降態勢[20-21]。因此，我們在植株蛋白含量最高且纖維含量較低的R1期進行刈割收獲，以保證大豆的飼用價值。Seiter等測得飼用大豆的粗蛋白含量在13.9～17.9%[22]。本研究結果顯示引種的大多數品種的粗蛋白含量在此范圍內或略高于記錄。中性洗滌纖維影響飼草的采食率，含量高，則適口性差，酸性洗滌纖維含量與消化率呈負相關[23]。Sheaffer等人的研究結果表明，飼用大豆的NDF和ADF含量范圍分別為42%～49%和30.2%～37.8%[6]，我們所測得的大部分品種的中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量高于研究結果，這可能與生育時期較長，致使植株底部木質化，纖維積累較多有關，因此，今后的觀測需要監測引種生長的過程，確定更加適宜的利用時期。不同地區的大豆品種間品質差異較為不明顯，三個地區均有品質排名靠前的品種，但所有華夏系列和桂夏系列的品質得分均高于平均值。因此在篩選高品質的品種時，還應全面客觀地進行品質測定。

3.4 基于TOPSIS法的綜合篩選

TOPSIS法是一種在農業生產中廣泛應用的多指標綜合評估方法，其對樣本量、指標數無嚴格限制，對原始數據利用較為充分。但TOPSIS法存在著權重賦值主觀性、指標間相關性評價信息重復的缺點。因此，我們將TOPSIS法與EW、PCA相結合。在評價過程中，首先利用主成分分析法找出牧草品質指標的正負屬性，用熵權法確定各指標權重，得出飼用品質綜合分值(Score)[8]，減少了評價過程中的隨機誤差和系統誤差，提高了評價的可信度。通過這種方法客觀、明確的反映不同大豆品種的營養體生長和飼用品質綜合表現，選擇出的華夏3號和桂夏7號兩個品種兼顧了干物質產量和飼用品質，而不失偏頗。

4 結論

本研究利用大豆光溫敏感性，將來自我國東南、華南、西南地區的33個大豆品種引種至緯度更高的隴東黃土高原區種植，所有品種均產生花期推遲現象，其中華南地區品種與其他兩區相比花期推遲現象最明顯，花期干物質產量較高，干物質積累速率較快。桂夏1號干物質產量最高，可達16.31 t·hm-2。具有明顯產草優勢的品種還有桂華夏3號、桂夏5號、桂夏7號和桂夏4號等。TOPSIS綜合評價結果表明，飼用品質較優的品種有南黑豆20、桂夏7號、桂夏6號、華夏3號和蘭溪大黃豆等。華夏3號和桂夏7號是產量與品質兼優的目標品種，可以作為優質飼草大豆專用品種的候選材料進一步觀察研究。