基于K-means算法和TOPSIS模型的隴東旱區(qū)大豆品種飼用性能評價

耿智廣 張金霞 李 峰 李世恩 施海娜 岳耀敬

（1．慶陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 慶陽 745000；2．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所，甘肅 蘭州 730050）

黃土高原隴東地區(qū)飼草來源主要以紫花苜蓿和作物秸稈為主，存在季節(jié)性供應(yīng)不平衡的問題[1]。此外，該地區(qū)屬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年季間降水差異較大，牧草的產(chǎn)量難以達到穩(wěn)定水平[2]。因此，開發(fā)新的優(yōu)質(zhì)飼草資源、增加飼草儲備量是實現(xiàn)當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的必經(jīng)之路[3]。粗蛋白含量越高代表牧草品質(zhì)越高[4]，大豆富含植物蛋白是種植優(yōu)質(zhì)青貯飼料的可選作物[5]，具有良好的飼用潛力[6-7]。大豆植株蛋白質(zhì)含量隨著植株成熟度的增加而逐漸增加，在鼓粒期前粗蛋白含量達22%，明顯高于玉米或高粱[8]。大豆中的粗脂肪含量高達12.6%，而苜蓿中的粗脂肪含量僅為2%[9]。飼草中粗脂肪含量高可增加泌乳奶牛的產(chǎn)奶量[10]。

本研究從我國不同生態(tài)區(qū)引進大豆品種，通過對其飼草生產(chǎn)性能指標(biāo)的測定與綜合評價，探索大豆作飼草利用的可行性，從中篩選出一批適應(yīng)性強、產(chǎn)草量高的大豆品種，以豐富黃土高原隴東旱區(qū)一年生豆科飼草品種，為當(dāng)?shù)匦蟛輼I(yè)發(fā)展提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2021 年引進牧用大豆、籽粒大豆、油用大豆三個類型14 個品種作為供試材料，參試大豆品種名稱及來源見表1。

表1 參試大豆品種名稱及來源

1.2 試驗地點及土壤狀況

試驗地位于慶陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院和盛科研基地（35°25'N，107°48'）。該地海拔1 170 m，年平均溫度8.9 ℃，年日照時數(shù)2 449.2 h，無霜期165 d，年降水量600 mm左右，屬西北半濕潤偏旱區(qū)。土壤為黑壚土，有機質(zhì)含量11.4g/kg，全氮0.94 mg/kg，堿解氮87 mg/kg，速效磷12 mg/kg，速效鉀230 mg/kg。

1.3 試驗設(shè)計

試驗隨機區(qū)組設(shè)計，3 次重復(fù)，小區(qū)面積30 m2，播種密度6 000株/667 m2。

1.4 測定指標(biāo)及方法

1.4.1 生育期

出苗期：全區(qū)發(fā)芽出土高約3 cm 的穴數(shù)達50%的日期。

分枝期：全區(qū)50%的植株在葉腋內(nèi)長出分枝腋芽長達2厘米左右的日期。

初花期：全區(qū)50%的植株出現(xiàn)花朵的日期。

結(jié)莢期：全區(qū)50%的植株出現(xiàn)莢果的日期。

種子成熟期：葉片轉(zhuǎn)黃脫落。

1.4.2 農(nóng)藝性狀

株高：結(jié)莢初期每個小區(qū)隨機取5 穴，測量從地表至主莖頂端的高度，取平均值。

分枝數(shù)：結(jié)莢初期每個小區(qū)隨機取5 穴，統(tǒng)計株數(shù)及分枝數(shù)，取平均值。

單株葉片數(shù)：結(jié)莢初期每個小區(qū)隨機取10株，統(tǒng)計每株葉片數(shù)，取平均值。

單株莢果數(shù)：籽料成熟期每個小區(qū)隨機取10株，統(tǒng)計每株莢果數(shù)，取平均值。

單株籽粒數(shù)：籽粒成熟期每個小區(qū)隨機取10株，統(tǒng)計其每株籽粒數(shù)，取平均值。

籽粒產(chǎn)量：籽粒成熟期每個小區(qū)隨機取3個2 m的樣段齊地刈割，脫粒曬干并稱重，估算小區(qū)籽粒產(chǎn)量。

鮮草產(chǎn)量：結(jié)莢初期每個小區(qū)隨機取3個2 m的樣段齊地刈割，稱鮮重算小區(qū)產(chǎn)量，并折算成公頃產(chǎn)量。

1.4.3 飼用價值綜合評價

采用Topsis法進行綜合評價，具體步驟如下[11-13]：

（1）設(shè)有n個處理，m個性狀，建立評價決策矩陣A。

（2） 由矩陣A 構(gòu)造規(guī)范化的決策矩陣Z'，其元素為Z'ij。

式中：Z′ij為決策矩陣Z'的元素；fij為決策矩陣A 的元素。

（3）構(gòu)造規(guī)范化的加權(quán)決策矩陣Z，其元素為Zij。

式中：Wj為每一指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)。

（4）確定正理想解Z+與負(fù)理想解Z-。

嘉興和紹興各有1處景觀得到康、乾二帝的偏愛，煙雨樓在避暑山莊中仿建，蘭亭在紫禁城、清漪園、圓明園、西苑和避暑山莊等多處皇家園林中仿建。

（5）計算各處理與理想解的相近度。

與正理想解的相近度S+i按式（6）計算。

與負(fù)理想解的相近度S-i按式（7）計算。

與理想解的相對接近度Ci按式（8）計算。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 進行整理，SPSS 19.0 軟件進行統(tǒng)計分析，LSD 法進行多重比較。結(jié)果以平均值表示，P＜0.05 表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 參試大豆品種生育期（見表2）

表2 參試大豆品種生育期 單位：mm/dd

由表2 可知，D1、D2，D3、D4、D5、D7、D11 從出苗到結(jié)莢期的周期較長，初花期均在8月1日以后，結(jié)莢期在8 月底9 月初，持綠性好。D3、D4、D5 長勢好、持綠期長，但種子不能成熟。其他品種生育期較早，其中D13、D14在8月中旬葉片就開始枯黃脫落。

2.2 參試大豆品種的鮮草產(chǎn)量及產(chǎn)量因子結(jié)果（見表3）

表3 參試大豆品種的鮮草產(chǎn)量及產(chǎn)量因子結(jié)果

由表3 可知，兩個飼用品種D1、D2 的株高達到212.33、218.07 cm，顯著高于其他品種（P＜0.05）。其他大豆品種中，D8、D10 株高達到160.93、160.00 cm，其次是D3、D9，分別達到159.00、155.60 cm。D2 產(chǎn)量最高達5 620.6 kg/667 m2，D1 產(chǎn)量4 586.7 kg/667 m2，居第二位，這兩個品種其單株葉片數(shù)、鮮草產(chǎn)量顯著高于其他品種（P＜0.05）。除D1、D2外，產(chǎn)量最優(yōu)的依次是D4產(chǎn)量為3 710.7 g/667 m2，D5 產(chǎn)量3 464.0 kg/667 m2，D6產(chǎn)量3 350.6 kg/667 m2，D3產(chǎn)量3 223.8 kg/667 m2，D7產(chǎn)量3 214.9 kg/667 m2。除D1、D2 外，分枝數(shù)較多的品種是D6、D7，均在5 個以上。葉片數(shù)較多的品種是D4、D6、D7。

2.3 參試大豆品種的飼草生產(chǎn)性能綜合評價分析（見表4）

表4 參試大豆品種的飼草生產(chǎn)性能綜合評價分析

由表4 可知，95%大豆的籽粒歸圓，豆莢內(nèi)籽粒有晃動感。

2.4 K-means聚類分析結(jié)果（見表5）

表5 K-means聚類分析結(jié)果

采用K-means 算法對14個品種進行聚類分析，類別設(shè)定為3 類，迭代次數(shù)為20，期望找出綜合指標(biāo)能夠滿足飼草生產(chǎn)的較優(yōu)的類。

由表5可知，14個品種共分為3類，第1類D1、D2，第2類D3、D4、D5、D7，其他品種歸為第3類。

將14個成員聚成3類，K-means聚類分析方差見表6。8個評價指標(biāo)中除分枝數(shù)外，其余7個指標(biāo)均表現(xiàn)出顯著性，表明選中的聚類最大化的差別主要來自這7 個指標(biāo)。

表6 K-means 聚類分析方差

2.5 TOPSIS分析結(jié)果

TOPSIS分析根據(jù)表4的8項指標(biāo)建立評價決策矩陣A。再由矩陣A算出規(guī)范化矩陣Z‘。

權(quán)重向量以各項指標(biāo)的重要性賦值，其WT={0.10 0.05 0.15 0.15 0.15 0.10 0.05 0.25}，得到規(guī)范后的加權(quán)矩陣Z，由矩陣Z確定最優(yōu)方案和最劣方案：

計算各品種的S+i、S-i和Ci，結(jié)果見表7。

表7 S+i 值、S-i 值和Ci值及排序

由表7 可知，CD2＞CD1＞CD4＞CD5＞CD6＞CD7＞CD13＞CD3＞CD12＞CD10＞CD8＞CD14＞CD11＞CD9。與理想解的相對接近度Ci排序結(jié)果即是TOPSIS綜合評價結(jié)果。

2.6 綜合評價較高的4 個大豆品種營養(yǎng)及相對飼料價值（見表8）

表8 綜合評價較高的4個大豆品種營養(yǎng)及相對飼喂價值

使用TOPSIS 法綜合分析排序，D2、D1、D4、D5、D6、D7是依次排在前6的品種，而聚類分析中具有較高飼草生產(chǎn)能力的品種D3 不在其中，D7 也排在了D6 之后，因此選取TOPSIS法評價前4的品種，并對其營養(yǎng)及相對飼喂價值等指標(biāo)進行測定。

由表8 可知，D2、D1、D4、D5 粗蛋白含量分別為17.3%、17.9%、19.3%、18.3%，中性洗滌纖維含量在41.32%～45.76%，粗脂肪含量在4%以上，D4的相對飼喂價值達到143.50，相對飼喂品質(zhì)達到151.0。

3 討論

3.1 參試大豆品種的生育時期分析

已有研究表明，從營養(yǎng)價值的角度選擇，最佳的一年生飼草作物是大豆、豌豆和箭筈豌豆[14]。大豆是全株高蛋白的豆科作物，飼用大豆的最適收獲期為結(jié)莢初期，此時生產(chǎn)性能最佳[15]。大豆生育期與產(chǎn)量呈正相關(guān)，也是影響粗飼料營養(yǎng)品質(zhì)的主要因素[16]。大豆葉片部分所含的粗蛋白較其莖稈部分多，而粗纖維的含量較其莖稈部分少，故粗飼料葉片部分的營養(yǎng)品質(zhì)較其莖稈部分高[17]。本試驗中，D1、D2，D3、D4、D5、D7、D11 在從出苗到結(jié)莢期的周期較長，結(jié)莢期在8月底9月初，葉片量較高，持綠性好，具有飼草生產(chǎn)潛力，且結(jié)莢期與青貯玉收貯期一致，方便與再貯玉米混合收貯，以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼草。

3.2 參試大豆品種產(chǎn)量及產(chǎn)量因子分析

本試驗參試品種中，兩個牧用豆D2 和D1 品種對試驗區(qū)的氣候表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，兩個飼用牧草品種株高（主莖長）達到2 m 以上，且分枝多、葉量豐富，產(chǎn)量分別為5 620.6、4 586.7 kg/667 m2，居參試品種前2位，可引進并用于生產(chǎn)飼草。但其缺點為莖是匍匐型，具有攀緣性，生長后期相互纏繞，給收獲造成一定的困難。其他品種產(chǎn)量依次是D4、D5、D6，產(chǎn)量分別達到了3 710.7、3 464.0、3 450.6 kg/667 m2。D8、D10 株高達到1.6 m，其次是D3、D9，在1.5 m以上；分枝數(shù)較多的品種是D6、D7，均在5 個以上；葉片數(shù)較多的品種是D4、D6、D7。但這些單項屬性突出的品種并不意味著是最適宜的品種，也不能從這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)確推斷哪幾個品種適宜生產(chǎn)飼草，只有評價出綜合性狀優(yōu)異的品種才適合推廣應(yīng)用。

3.3 參試大豆品種飼草生產(chǎn)性能綜合評價分析

選定了與飼草生產(chǎn)有關(guān)的8 個指標(biāo)，用K-means 算法進行聚類分析，類別設(shè)定為3 類，迭代次數(shù)為20，期望找出綜合指標(biāo)能滿足飼草生產(chǎn)較優(yōu)的類，K-means 聚類算法是通過對比數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)程度，將其聚集成類，同一類里的元素相似性較大，但不同類別相似性較小[18]。14 個品種聚為3 類，第1 類D1、D2，第2 類D3、D4、D5、D7，其他品種歸為第3 類。兩個飼用品種被歸為一類，第二類均具有一定的飼草生產(chǎn)能力的籽用大豆品種，但不能決定哪個品種最優(yōu)。K-means 算法簡單、收斂速度快，但得到的結(jié)果是局部最優(yōu)，而不是全局最優(yōu)解，聚類準(zhǔn)則單一，不能綜合考慮每個類內(nèi)樣本的相似性[19]。為了進一步了解14 個品種的飼草生產(chǎn)性能，用TOPSIS法進行了綜合分析。TOPSIS法是一種近于理想解的排序法，根據(jù)有限個評價對象與理想化目標(biāo)的接近程度進行排序的方法[20-21]。經(jīng)綜合分析排序得CD2＞CD1＞CD4＞CD5＞CD6＞CD7為排在前6 的品種，而聚類分析中具有較高飼草生產(chǎn)能力的品種D3不在其中，D7也排在了D6之后。所以針對這3 個品種的飼草生產(chǎn)能力還需進行進一步研究。

3.4 篩選出的飼用大豆的營養(yǎng)及相對飼料價值分析

評價選出的D2、D1、D4、D5 粗蛋白含量分別為17.3%、17.9%、19.3%、18.3%，中性洗滌纖維含量在41.32%～45.76%，粗脂肪含量在4%以上，D4的相對飼喂價值達到143.50，相對飼料品質(zhì)達到151.0。如按中國畜牧業(yè)協(xié)會苜蓿干草質(zhì)量分級標(biāo)準(zhǔn)，這4 個品種均相當(dāng)于苜蓿二級標(biāo)準(zhǔn)[22]。且鈣含量遠高于豆粕[23]，其干草可用作為反芻動物粗飼料[24-25]，也可用作為奶牛的青綠飼料和青貯飼料[26]。

4 結(jié)論

經(jīng)綜合分析評價，兩個牧用豆D1 和D2 對試驗區(qū)的氣候表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性，相對飼喂價值分別為143.5、135.75；籽粒大豆中可用作生產(chǎn)飼草的品種為D4、D5，相對飼料價值分別為151.0、143.5。4 個品種均具有較高的飼用價值。