基于模糊綜合評價(jià)法的葉用萵苣壯苗指數(shù)模型建立與驗(yàn)證

張 斌 宮彬彬 邊鑫宇 吳曉蕾 李敬蕊 呂桂云 高洪波

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，河北保定 071001）

葉菜類蔬菜是我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，占蔬菜生產(chǎn)的30%～40%（張文斌 等，2015）。近年來，葉菜類蔬菜消費(fèi)量穩(wěn)定上升，種植面積也逐漸擴(kuò)大，尤其是葉菜類蔬菜移栽和收獲機(jī)械的研發(fā)和成功應(yīng)用，規(guī)?；a(chǎn)對葉菜類蔬菜工廠化育苗的需求激增，對秧苗的質(zhì)量也提出了更高的要求。葉用萵苣（生菜）作為一類重要的葉菜類蔬菜，主要包括結(jié)球、散葉和半結(jié)球等類型，在我國栽培面積大、輻射范圍廣（郝敬虹 等，2014）。但在實(shí)際生產(chǎn)中，缺乏秧苗的評價(jià)指標(biāo)和方法，種植者大多憑借主觀經(jīng)驗(yàn)或使用果菜類蔬菜秧苗的壯苗指數(shù)來評判葉用萵苣秧苗的健壯程度（劉爽 等，2014；湯輝和錢春桃，2015）。因此，建立葉用萵苣秧苗科學(xué)、可靠的評價(jià)指標(biāo)，對提升其產(chǎn)量和品質(zhì)、機(jī)械化移栽和采收具有重要作用。

蔬菜秧苗質(zhì)量的重要評價(jià)指標(biāo)為壯苗指數(shù)，陸幗一等在1984 年就提出了番茄壯苗指數(shù)的計(jì)算方法：壯苗指數(shù)=（莖粗/株高）×全株干質(zhì)量（陸幗一 等，1984）。隨著工廠化育苗品種和育苗方式的變化，該計(jì)算方法難以滿足對所有蔬菜品種的科學(xué)評價(jià)。近年來，不同學(xué)者針對不同種類蔬菜建立了壯苗指數(shù)，如宮彬彬等（2019）采用模糊綜合評價(jià)法和主成分分析法篩選出適于番茄幼苗評價(jià)的壯苗指數(shù)；張菊平和張興志（1999）采用通徑分析和灰色關(guān)聯(lián)分析法建立了辣椒幼苗的壯苗指數(shù)；白巖等（2014）采用模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行篩選并構(gòu)建了煙草壯苗指數(shù)模型。這些對壯苗指數(shù)的研究主要以果菜類蔬菜幼苗作為研究對象，而葉菜類蔬菜幼苗與果菜類蔬菜幼苗的形態(tài)差異較大，不能完全沿用果菜類蔬菜的壯苗指數(shù)進(jìn)行秧苗評價(jià)，葉菜類蔬菜秧苗規(guī)?；a(chǎn)迫切需要準(zhǔn)確、可靠的秧苗評價(jià)方法。

壯苗指數(shù)建立的關(guān)鍵是選取合適的計(jì)算方法（黃淑華 等，2012）。模糊綜合評價(jià)法是一種通過多個(gè)指標(biāo)隸屬函數(shù)的構(gòu)建對目標(biāo)進(jìn)行量化評價(jià)的方法，目前已被廣泛應(yīng)用于土壤肥力水平測定（楊文娜 等，2019）、綜合產(chǎn)量評價(jià)（Xu et al.，2021）、溫室灌溉制度評價(jià)（龔雪文 等，2017）等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，并取得了較為理想的成果。本試驗(yàn)以結(jié)球萵苣射手101 秧苗為試材，在測定多個(gè)性狀指標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用模糊綜合評價(jià)法計(jì)算葉用萵苣秧苗的綜合評價(jià)指數(shù)，利用主成分分析法對指標(biāo)進(jìn)行篩選、組合，初步構(gòu)建葉用萵苣壯苗指數(shù)模型，再運(yùn)用相關(guān)分析法對綜合評價(jià)指數(shù)與構(gòu)建的壯苗指數(shù)模型進(jìn)行相關(guān)分析，篩選出相關(guān)性大且穩(wěn)定的壯苗指數(shù)模型，并應(yīng)用不同類型葉用萵苣進(jìn)行驗(yàn)證，以期為葉用萵苣秧苗的科學(xué)評價(jià)和生產(chǎn)篩選提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020 年7—9 月在河北省承德市沽源縣三源食品科技有限公司進(jìn)行。供試葉用萵苣品種為射手101（結(jié)球）、綠蝶（半結(jié)球）和玻璃脆（散葉），由上?；莺头N業(yè)有限公司提供；其中，構(gòu)建壯苗指數(shù)模型以射手101 為試材，驗(yàn)證壯苗指數(shù)模型穩(wěn)定性以射手101、綠蝶、玻璃脆為試材。育苗方式為穴盤漂浮育苗，育苗基質(zhì)為草炭∶蛭石=3∶7，待秧苗長至四葉一心時(shí)取樣，清水洗凈后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.2 指標(biāo)測定

隨機(jī)選取300 株不同大小、健壯的射手101 秧苗，分別測定根系指標(biāo)、地上部和地下部鮮質(zhì)量及干質(zhì)量、總?cè)~面積、葉片長、葉片寬、SPAD、莖粗等。采用直尺測定秧苗上大于5 cm 的葉片長度和大于2 cm 的葉片寬度，分別取平均值作為葉片長和葉片寬，寬長比=葉片寬/葉片長；采用游標(biāo)卡尺〔日本三豐（Mitutoyo）公司，IP67〕測定莖粗（子葉偏上部位）；采用根系掃描儀（GXY-A）對根部進(jìn)行掃描，測定根系平均直徑、總體積、表面積、總長度；采用萬分之一電子天平（奧豪斯電子儀器有限公司，CP114）測定地上部鮮質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量和全株鮮質(zhì)量，然后置于105 ℃殺青10 min，80 ℃條件下烘干至恒重，測定地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量和全株干質(zhì)量；采用平臺掃描儀結(jié)合Image J 軟件測定總?cè)~面積；每株秧苗選取3 片葉色濃綠、厚實(shí)的真葉，采用葉綠素儀SPAD-502 測定葉片SPAD 值。

1.3 壯苗指數(shù)評判體系和模型的建立

1.3.1 單項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)的選擇 隸屬函數(shù)的選擇是模糊綜合評價(jià)法中的首要關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本試驗(yàn)考慮實(shí)際生產(chǎn)需求并參考秧苗指標(biāo)與質(zhì)量的相關(guān)程度確定了3 種類型的隸屬函數(shù)：拋物線型、正S 型和正態(tài)分布偏大型。根據(jù)現(xiàn)階段葉用萵苣秧苗的壯苗標(biāo)準(zhǔn)，并考慮到與機(jī)械移栽的適應(yīng)性，選定合適的隸屬函數(shù)類型來匹配相應(yīng)指標(biāo)。其中，葉片長在一定長度范圍內(nèi)時(shí)的秧苗質(zhì)量最好，過長或過短不僅會降低秧苗質(zhì)量還會在移栽時(shí)造成拖苗或掛苗現(xiàn)象的發(fā)生，影響栽植效率（黃少華 等，2006；劉明峰等，2015），符合拋物線型隸屬函數(shù)特征；莖粗在低于某一數(shù)值時(shí)與秧苗質(zhì)量呈正相關(guān)，大于該數(shù)值的則屬于壯苗并在后期可以獲得較為穩(wěn)定的產(chǎn)量（張杰和阮先樂，2013），符合正S 型隸屬函數(shù)特征；鮮質(zhì)量和干質(zhì)量、總?cè)~面積、根系指標(biāo)、葉片寬、寬長比、SPAD 等與秧苗質(zhì)量和后期產(chǎn)量均呈正相關(guān)關(guān)系并且沒有明確的上下限（張白鴿 等，2011；魚昭君 等，2017），尤其是根系指標(biāo)與機(jī)械移栽中秧苗散坨率有顯著的相關(guān)性（唐玉新 等，2017），符合正態(tài)分布數(shù)據(jù)特征，因此選擇正態(tài)分布偏大型隸屬函數(shù)。

隸屬函數(shù)表達(dá)式及構(gòu)建方式參考許明祥（2003）的方法，將指標(biāo)的測定值代入相應(yīng)隸屬函數(shù)公式，計(jì)算隸屬度，組合成葉用萵苣16 個(gè)指標(biāo)的單因素評價(jià)矩陣。

式中，代表單個(gè)指標(biāo)隸屬函數(shù)值，為樣本數(shù)，為指標(biāo)數(shù)。

1.3.2 權(quán)重系數(shù)和綜合評價(jià)指數(shù)的計(jì)算 權(quán)重系數(shù)與綜合評價(jià)指數(shù)的計(jì)算參考宮彬彬等（2019）的方法。

1.3.3 壯苗指數(shù)模型的建立 參考河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院設(shè)施蔬菜與無土栽培課題組前期構(gòu)建番茄、草莓和西瓜壯苗指數(shù)的方法（宮彬彬 等，2019），采用主成分分析法篩選關(guān)鍵指標(biāo)，構(gòu)建葉用萵苣壯苗指數(shù)模型。

1.4 壯苗指數(shù)模型的驗(yàn)證

以射手101、綠蝶、玻璃脆為材料，每品種隨機(jī)選取60 株，測定指標(biāo)和方法同1.2；根據(jù)相關(guān)性的大小驗(yàn)證壯苗指數(shù)模型的穩(wěn)定性。

1.5 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2010 軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析和相關(guān)性分析，應(yīng)用SPSS 22.0 軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

由表1 可知，葉用萵苣秧苗根系指標(biāo)、地上部和地下部鮮質(zhì)量及干質(zhì)量、總?cè)~面積、葉片長、葉片寬和寬長比等指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)較為接近且偏低，在0.057～0.061 之間，表明這些指標(biāo)存在明顯共線性，相關(guān)性較大；莖粗的權(quán)重系數(shù)為0.074，與其他指標(biāo)間的共線性較差；葉片SPAD 的權(quán)重系數(shù)最大，為0.119，與其他指標(biāo)間的相關(guān)性較小。

表1 葉用萵苣秧苗單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

2.2 單項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)

葉用萵苣秧苗單項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)的選擇與各指標(biāo)的參數(shù)取值見表2。其中，葉片長在8～10 cm（包括8、10 cm）范圍內(nèi)的隸屬函數(shù)值最高，超過或低于這一范圍都會造成函數(shù)值的降低；莖粗在5 mm 以下與隸屬函數(shù)值呈線性關(guān)系，大于5 mm（包括5 mm）的均為壯苗且隸屬函數(shù)值最大；地上部鮮質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量、全株鮮質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量、全株干質(zhì)量、總?cè)~面積、根系總體積、根系總長度、根系表面積、根系平均直徑、葉片寬、寬長比和SPAD 等指標(biāo)與秧苗質(zhì)量均呈正態(tài)相關(guān)，并且沒有明確的上下限，隸屬函數(shù)選擇正態(tài)分布偏大型。

表2 葉用萵苣秧苗單項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)和臨界值

2.3 綜合評價(jià)指數(shù)和各指標(biāo)主成分分析

300 株大小存在明顯差異的葉用萵苣秧苗的綜合評價(jià)指數(shù)集中在0.215～0.958，涵蓋的范圍較大，表明綜合評價(jià)指數(shù)能夠作為壯苗指數(shù)準(zhǔn)確性的評價(jià)依據(jù)。通過對16 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，共提取到4 個(gè)主成分，第1 主成分貢獻(xiàn)率為41.273%，第2 主成分貢獻(xiàn)率為22.665%，第3主成分貢獻(xiàn)率為10.838%，第4 主成分貢獻(xiàn)率為7.933%，累積貢獻(xiàn)率82.709%（表3），葉用萵苣秧苗質(zhì)量評判時(shí)需包含4 個(gè)主成分中的主要指標(biāo)。由表4 可知，第1 主成分主要包括地上部鮮質(zhì)量、全株鮮質(zhì)量、總?cè)~面積、地上部干質(zhì)量、全株干質(zhì)量、葉片寬、葉片長和莖粗，這些指標(biāo)主要與秧苗地上部有關(guān)；第2 主成分主要包括根系表面積、根系總體積、根系平均直徑和根系總長度，這些指標(biāo)主要代表著根系形態(tài)；第3 主成分主要包括地下部干質(zhì)量和地下部鮮質(zhì)量，這2 個(gè)指標(biāo)主要與根系質(zhì)量有關(guān)；第4 主成分主要包括寬長比和SPAD，這2 個(gè)指標(biāo)主要與秧苗葉片形態(tài)和光合色素有關(guān)。說明葉用萵苣秧苗的質(zhì)量評價(jià)應(yīng)充分考慮秧苗的地上部質(zhì)量、葉片形態(tài)指標(biāo)、地下部質(zhì)量及根系形態(tài)指標(biāo)等方面。

表3 主成分分析的特征值及累積貢獻(xiàn)率

表4 葉用萵苣秧苗指標(biāo)的主成分分析

2.4 壯苗指數(shù)模型的建立及相關(guān)分析

根據(jù)各指標(biāo)貢獻(xiàn)值的大小以及測定的復(fù)雜程度，篩選出貢獻(xiàn)值較大且容易測定的指標(biāo)共12項(xiàng)，其中PC1 中去掉葉片長和葉片寬指標(biāo)，PC3中去掉地下部干質(zhì)量指標(biāo)，PC4 中去掉SPAD 指標(biāo)；然后從每類主成分中分別選取1 項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行完全隨機(jī)排列組合，得到了24 個(gè)壯苗指數(shù)模型，并選擇傳統(tǒng)的壯苗指數(shù)=（莖粗/株高）×全株干質(zhì)量（陸幗一 等，1984）和壯苗指數(shù)=（莖粗/株高+地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量）×全株干質(zhì)量（Ma et al.，2018）作為對照（表5）。對壯苗指數(shù)模型與綜合評價(jià)指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析，CK1、CK2 和構(gòu)建的24 個(gè)壯苗指數(shù)與綜合評價(jià)指數(shù)的相關(guān)性均達(dá)極顯著水平，其中X15（壯苗指數(shù)=總?cè)~面積×根系平均直徑×地下部鮮質(zhì)量×寬長比）與綜合評價(jià)指數(shù)的相關(guān)性最大，為0.749；其他相關(guān)性較大的模型為X13、X14、X16、X17、X18、X19、X23。這8 個(gè)模型與綜合評價(jià)指數(shù)的相關(guān)性均明顯大于對照，故留待后續(xù)驗(yàn)證。

表5 葉用萵苣壯苗指數(shù)模型

2.5 壯苗指數(shù)模型驗(yàn)證

不同類型葉用萵苣的形態(tài)特征有所差異，為確保得出的壯苗指數(shù)具有較高的穩(wěn)定性，本試驗(yàn)同時(shí)利用3 種不同類型的葉用萵苣對壯苗指數(shù)模型進(jìn)行驗(yàn)證。從表6 可知，X15 在3 個(gè)品種中的相關(guān)性均最大，分別為0.749、0.825 和0.894，表現(xiàn)出較好的一致性，可作為評價(jià)葉用萵苣秧苗質(zhì)量的壯苗指數(shù)。此外，其他壯苗指數(shù)的相關(guān)性也均大于CK1 和CK2，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行選擇使用。

表6 不同類型葉用萵苣壯苗指數(shù)與綜合評價(jià)指數(shù)的相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

近些年，越來越多的研究采用數(shù)學(xué)算法來分析篩選壯苗指標(biāo)，黃淑華等（2012）采用相關(guān)分析和灰色關(guān)聯(lián)分析方法篩選出適于丹參幼苗的壯苗指數(shù)；張菊平和張興志（1999）應(yīng)用通徑分析和灰色關(guān)聯(lián)分析法得到辣椒幼苗的壯苗指數(shù)；王廣龍等（2014）采用聚類分析和通徑分析篩選出番茄幼苗質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)。但以上方法對指標(biāo)均采用線性相關(guān)的分析方法，對作物的某些指標(biāo)并不適用。模糊綜合評價(jià)法可以根據(jù)指標(biāo)類型選擇合理的隸屬函數(shù)（林曉輝，2002），目前已在作物品種抗性評價(jià)（金艷 等，2018）、基質(zhì)配方篩選（王飛 等，2020）、幼苗抗旱性評價(jià)（藺豆豆 等，2021）和煙草壯苗評價(jià)（白巖 等，2014）等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，將傳統(tǒng)的定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)的定量評價(jià)。本試驗(yàn)嘗試采用模糊綜合評價(jià)法構(gòu)建了葉用萵苣壯苗指數(shù)模型，通過計(jì)算指標(biāo)權(quán)重和構(gòu)建非線性隸屬函數(shù)，得到了準(zhǔn)確的綜合評價(jià)指數(shù)，為壯苗指數(shù)的篩選提供了可靠的依據(jù)。

目前許多專家針對不同作物建立了秧苗壯苗指數(shù)，例如宮彬彬等（2019）采用（總?cè)~綠素含量/株高）×全株干質(zhì)量作為番茄秧苗的壯苗指數(shù)；張碩等（2015）以壯苗指數(shù)=（莖粗/株高+地下干質(zhì)量/地上干質(zhì)量）×單株干質(zhì)量來評價(jià)黃瓜秧苗；高玉紅等（2018）利用（根鮮質(zhì)量/地上部鮮質(zhì)量+莖粗/株高）×全株鮮質(zhì)量作為甜瓜的壯苗指數(shù)。但由于葉菜類蔬菜秧苗與果菜類蔬菜秧苗在形態(tài)上存在較大差異，使得這些壯苗指數(shù)不能在葉菜類蔬菜上進(jìn)行通用。本試驗(yàn)篩選出的葉用萵苣壯苗指數(shù)模型：總?cè)~面積×根系平均直徑×地下部鮮質(zhì)量×寬長比，包含葉片形態(tài)、根系形態(tài)、根系質(zhì)量等指標(biāo)，與傳統(tǒng)壯苗評價(jià)方法〔壯苗指數(shù)=（莖粗/株高）×全株干質(zhì)量〕相比，著重考慮了地上部及地下部形態(tài)發(fā)育和秧苗質(zhì)量的關(guān)系（明村豪 等，2011；Kang et al.，2016；Bella et al.，2021），同時(shí)充分考慮到葉面積、寬長比和根系指標(biāo)等對秧苗機(jī)械化移栽的影響（劉明峰 等，2015；唐玉新 等，2017；胡喬磊 等，2019），能夠作為葉用萵苣秧苗健壯程度科學(xué)、可靠的評價(jià)方法。

蔬菜壯苗指標(biāo)的篩選和評價(jià)需要考慮到品種的適應(yīng)性，因此模型的驗(yàn)證要采用不同品種進(jìn)行。王廣龍等（2014）以番茄品種合作906（有限生長型）為試材，以合作908（無限生長型）為驗(yàn)證材料篩選番茄幼苗質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)；宮彬彬等（2019）在建立番茄壯苗指數(shù)時(shí)選用金棚1 號、東圣和美顏1319 等品種作為驗(yàn)證；宮彬彬等（2021）在建立草莓壯苗指數(shù)時(shí)選用紅顏、香野和甜查理等品種作為驗(yàn)證。葉用萵苣雖然品種較多，但主要分為結(jié)球、半結(jié)球和散葉3 種類型（陳青君 等，2011），為確保壯苗指數(shù)的適應(yīng)性，本試驗(yàn)選用了3 種不同類型葉用萵苣秧苗進(jìn)行驗(yàn)證，證明不同類型葉用萵苣秧苗在苗期的壯苗指數(shù)差異較小，因此構(gòu)建的壯苗指數(shù)具有較好的適應(yīng)性，可以用于評價(jià)不同類型的葉用萵苣秧苗。

本試驗(yàn)建立的葉用萵苣秧苗的壯苗指數(shù)模型X15（壯苗指數(shù)=總?cè)~面積×根系平均直徑×地下部鮮質(zhì)量×寬長比），提高了壯苗指數(shù)的精準(zhǔn)度，可以作為葉用萵苣秧苗的科學(xué)、可靠的評價(jià)方法；但從指標(biāo)測定難易程度考慮，模型X19（壯苗指數(shù)=地上部鮮質(zhì)量×根系總長度×地下部鮮質(zhì)量×寬長比）也可作為生產(chǎn)應(yīng)用的參考方法，為葉菜類蔬菜優(yōu)質(zhì)秧苗的科學(xué)評價(jià)和生產(chǎn)選用提供理論依據(jù)。