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    基于熵權(quán)法賦權(quán)的DTOPSIS法和模糊評價(jià)法綜合評價(jià)谷子區(qū)試品種

    2023-12-11 09:20:00宋中強(qiáng)張文川王帥張揚(yáng)李龍楊雨陽劉金榮
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023年16期
    關(guān)鍵詞:熵權(quán)法綜合評價(jià)谷子

    宋中強(qiáng) 張文川 王帥 張揚(yáng) 李龍 楊雨陽 劉金榮

    摘要:應(yīng)用基于熵權(quán)法賦權(quán)的DTOPSIS法和模糊評價(jià)法,對全國谷子品種區(qū)域適應(yīng)性聯(lián)合鑒定華北夏谷區(qū)常規(guī)組安陽試點(diǎn)參試的22個(gè)品種(系)進(jìn)行綜合分析評價(jià),利用參試品種的綜合得分,對參試品種的綜合農(nóng)藝性狀進(jìn)行優(yōu)劣排序,并比較了2種方法的優(yōu)劣,旨在為鑒定和評價(jià)谷子品種(系)提供新方法。利用熵權(quán)法確定考察性狀的權(quán)重值,從而對DTOPSIS法和模糊評價(jià)法的分析結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果表明,考察的9個(gè)性狀中,產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成性狀(單穗粒質(zhì)量、單穗質(zhì)量、千粒質(zhì)量)、其他性狀的權(quán)重分別為0.369 9、0.515 6、0.114 5;DTOPSIS法計(jì)算出的綜合評價(jià)Ci值在品種間存在顯著差異,綜合性狀的差異表現(xiàn)較充分;而模糊評價(jià)法計(jì)算出的綜合評價(jià)D值在品種間差異不大;相關(guān)性分析表明,DTOPSIS法、模糊評價(jià)法計(jì)算的品種優(yōu)劣排序間具有高度一致性,上述2種方法與僅依據(jù)品種產(chǎn)量高低排序的一致性則相對較差。以上結(jié)果說明,熵權(quán)法能夠科學(xué)合理地確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,基于熵權(quán)法賦權(quán)的DTOPSIS法、模糊評價(jià)法都能對谷子品種(系)作出科學(xué)的綜合評價(jià),模糊評價(jià)法計(jì)算簡潔,但評價(jià)精度較DTOPSIS法低。

    關(guān)鍵詞:谷子;熵權(quán)法;DTOPSIS法;模糊評價(jià)法;綜合評價(jià)

    中圖分類號(hào):S515.037文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    文章編號(hào):1002-1302(2023)16-0049-05

    收稿日期:2022-11-22

    基金項(xiàng)目:國家谷子高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(編號(hào):CARS-06-13.5-B25);河南省谷子育種創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(編號(hào):C20150043);河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)專項(xiàng)(編號(hào):Z2020-14-01)。

    作者簡介:宋中強(qiáng)(1983—),男,河南安陽人,副研究員,研究方向?yàn)楣茸舆z傳育種。E-mail:279941169@qq.com。

    通信作者:劉金榮,研究員,研究方向?yàn)楣茸舆z傳育種。E-mail:liujinrong63@sohu.com。

    谷子是我國北方地區(qū)的主栽作物之一,因其營養(yǎng)價(jià)值豐富而深受人們喜愛。作為谷子的發(fā)源國,我國谷子的種質(zhì)資源十分豐富,國家種質(zhì)資源庫保存有各類谷子種質(zhì)達(dá)2.7萬多份[1-2,同時(shí)存在如何根據(jù)育種需求而合理利用這些種質(zhì)的難題。在實(shí)際工作中,多數(shù)育種家根據(jù)產(chǎn)量表現(xiàn)來判斷種質(zhì)的利用價(jià)值,但是當(dāng)前有很多試驗(yàn)產(chǎn)量較高的品種,在大田生產(chǎn)中表現(xiàn)卻不盡人意,推廣困難。這是因?yàn)?,隨著谷子生產(chǎn)的發(fā)展,對谷子新品種的要求日益提高,除了要求高產(chǎn)外,更要求穩(wěn)產(chǎn)、抗病、抗逆。因此,使用適當(dāng)?shù)姆椒▽茸臃N質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià),是發(fā)掘優(yōu)秀種質(zhì)資源的重要手段。

    DTOPSIS法是用于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)態(tài)多目標(biāo)決策的新方法,改進(jìn)自TOPSIS法[3,該方法根據(jù)評價(jià)對象與理想化目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序,并根據(jù)評價(jià)對象的相對優(yōu)劣順序進(jìn)行多目標(biāo)決策,目前在小麥、水稻、玉米、棉花、大豆等農(nóng)作物綜合評價(jià)中應(yīng)用廣泛4-8。近年來,模糊評價(jià)法在作物耐逆性鑒定及主要農(nóng)藝性狀綜合評價(jià)中應(yīng)用廣泛,該方法利用模糊數(shù)學(xué)理論,結(jié)合農(nóng)作物評價(jià)指標(biāo)和理論,可以獲得合理、可靠的評價(jià)結(jié)果9-11。在作物主要農(nóng)藝性狀綜合評價(jià)中,DTOPSIS法、模糊評價(jià)法均需要確定影響作物綜合表現(xiàn)的主要因素,然后確定各因素的權(quán)重并計(jì)算綜合得分,來確定評價(jià)對象的優(yōu)劣,因此權(quán)重對評價(jià)結(jié)果有重要影響。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法,在信息論中用熵度量數(shù)據(jù)提供的有效信息量,用熵權(quán)表示評價(jià)指標(biāo)的相對重要程度;評價(jià)指標(biāo)的差異程度越大,則對評價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn)也越大,對應(yīng)的熵越小,熵權(quán)相應(yīng)越大[12。熵權(quán)法在谷子中的相關(guān)研究報(bào)道較少,但該方法在小麥、玉米、大豆、棉花等農(nóng)作物綜合評價(jià)中有較多應(yīng)用,并取得了較好的結(jié)果13-16。

    本研究擬將基于熵權(quán)法賦權(quán)的DTOPSIS法、模糊評價(jià)法用于谷子綜合農(nóng)藝性狀的評價(jià),并比較DTOPSIS法、模糊評價(jià)法在谷子綜合評價(jià)中的優(yōu)劣,為谷子種質(zhì)綜合評價(jià)篩選提供更加科學(xué)合理的方法。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    供試材料為2021年全國谷子品種區(qū)域適應(yīng)性聯(lián)合鑒定華北夏谷區(qū)常規(guī)組安陽試點(diǎn)參試的22個(gè)品種(系),詳見表1。

    1.2 試驗(yàn)方法

    試驗(yàn)地點(diǎn)位于安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院柏莊試驗(yàn)基地(36.6°N,114.2°E)。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3次,小區(qū)行長8.33 m、行寬2.4 m,每小區(qū)6行,行距0.4 m,計(jì)產(chǎn)面積19.99 m2。2021年6月3日精量播種,種肥同播,復(fù)合肥(N、P2O5、K2O各占15%)用量600 kg/hm2,播后噴灌,一播全苗。各小區(qū)田間管理方式、方法一致,整個(gè)生育期內(nèi)降水量較常年偏多,播后未灌溉,拔節(jié)—孕穗期追施尿素 300 kg/hm2,人工除草、防治病蟲害各2次,成熟后及時(shí)收獲。

    1.3 考察性狀

    考察性狀包括生育期、株高、穗長、穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、出谷率、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量等9個(gè)代表性性狀,涵蓋植物學(xué)性狀、產(chǎn)量性狀等主要指標(biāo)。性狀調(diào)查均按照國家谷子區(qū)試田間記載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

    1.4 分析方法

    1.4.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

    為保證各性狀間具有等效性和同序性,對考察的9個(gè)性狀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。其中生育期、株高為中性指標(biāo),以參試品種該指標(biāo)的中位數(shù)為最優(yōu)值,采用中性指標(biāo)測度方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化;其他性狀的最優(yōu)值為該指標(biāo)的極大值,采用正向指標(biāo)測度。以下公式中Xij(k)為標(biāo)準(zhǔn)化后的值,Xij′(k)為標(biāo)準(zhǔn)化前的值,X0(k)為最優(yōu)值,m為性狀數(shù),m=1~9。使用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(下同),計(jì)算結(jié)果見表2。

    正向指標(biāo):Xij(m)=Xij′(m)/X0(m);

    中性指標(biāo):Xij(m)=X0(m)/[X0(m)+|X0(m)-Xij′(m)|]。

    1.4.2 基于熵權(quán)法賦權(quán)的指標(biāo)權(quán)重確定方法

    (1) 計(jì)算熵值

    n為參試品種數(shù)量;并定義當(dāng)fij=0時(shí),fijlnfij=0。

    (2) 計(jì)算熵權(quán)

    1.4.3 DTOPSIS法 把22個(gè)品種(系)的9個(gè)性狀指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后,根據(jù)以下程序計(jì)算參試品種(系)的綜合得分Ci值:

    (1)決策矩陣R:Rij=Wi×Xij(k),式中Wi為各性狀權(quán)重(表3),Xij(k)為標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

    (2)品種各性狀與最佳性狀的距離S+i及與最差性狀間的距離S-i

    式中:Y+i、Y-i分別為決策矩陣R中各性狀的最大值、最小值。

    (3)各品種對理想解的相對接近度Ci=S-i/(S+i+S-i),式中Ci∈[0,1],i=1~22,計(jì)算結(jié)果見表4。

    1.4.4 模糊評價(jià)法

    根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理,利用原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值和熵權(quán)法確定的權(quán)重,計(jì)算參試品種(系)的綜合得分D,根據(jù)D值大小,確定參試品種(系)綜合性狀優(yōu)劣,該方法模型為:

    式中μ(k)為原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值,Wi為各指標(biāo)權(quán)重,n=1~9。計(jì)算結(jié)果見表4。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 熵權(quán)法評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

    由表3可知,產(chǎn)量在9個(gè)考察性狀中權(quán)重最高(0.369 9),其次為單穗粒質(zhì)量(0.234 4)、單穗質(zhì)量(0.200 4)等2個(gè)產(chǎn)量構(gòu)成性狀,產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成性狀權(quán)重系數(shù)共計(jì)為0.804 6,這與生產(chǎn)上以高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)為首要考察目標(biāo)的要求一致。

    2.2 DTOPSIS法的結(jié)果

    由表4可知,DTOPSIS法綜合評價(jià)的結(jié)果排序與根據(jù)產(chǎn)量進(jìn)行的排名既有一致性又存在差異性。其中濟(jì)谷28、中雜谷34、衡2020-2在2種方法下排序相同;中雜谷36、中雜谷55、冀雜H19ZX1、張雜谷26號(hào)的產(chǎn)量排名分別為第1、3、8、12位,而DTOPSIS法計(jì)算的排名則下降為第4、6、12、21位,豫谷42、19HQ312、豫谷37的則由產(chǎn)量排名的第4、15、19位,上升為DTOPSIS法綜合評價(jià)排名的第1、9、10位,其他品種在2種方法下排名整體差異不大。

    2.3 模糊評價(jià)結(jié)果

    與DTOPSIS法的分析結(jié)果相似,模糊函數(shù)綜合評價(jià)值排序與產(chǎn)量排序也存在一定的差異性和一致性。中雜谷36、中雜谷55、冀雜H19ZX1、張雜谷26號(hào)由產(chǎn)量排名的第1、3、8、12位下降為綜合評價(jià)排名的第6、7、16、21位,豫谷18、19HQ312、豫谷37、滄1057則由產(chǎn)量排名的第6、15、19、22位上升為綜合評價(jià)排名的第3、8、9、11位,其他品種在2種方法下排名基本一致。

    2.4 DTOPSIS分析法和模糊評價(jià)法結(jié)果的比較

    由表4可知,利用DTOPSIS法和模糊評價(jià)法對各參試品種(系)進(jìn)行優(yōu)劣排序僅有細(xì)微的差異,整體表現(xiàn)出了較高的一致性?;贒TOPSIS法、模糊評價(jià)法的品種綜合得分排名的秩相關(guān)系數(shù)為0.946 8,達(dá)極顯著相關(guān)水平(P<0.001)(表5)。對DTOPSIS法、模糊評價(jià)法的綜合得分與產(chǎn)量排名進(jìn)行相關(guān)性分析,秩相關(guān)系數(shù)分別為0.833 9、0.705 8,均達(dá)極顯著相關(guān)水平,這與產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)性狀權(quán)重占比較高有關(guān)。需要指出的是,張雜谷26號(hào)、衡17-593的產(chǎn)量及產(chǎn)量排名相同,但依據(jù)DTOPSIS法和模糊評價(jià)法計(jì)算的綜合得分排名與其產(chǎn)量排名有較大差異,且基于DTOPSIS法和模糊評價(jià)法的品種排名基本一致,說明這2種綜合評價(jià)方法均能有效統(tǒng)籌品種的主要性狀,較僅根據(jù)產(chǎn)量高低評價(jià)品種優(yōu)劣更加合理。

    對DTOPSIS法和模糊評價(jià)法的分析結(jié)果進(jìn)一步比較,發(fā)現(xiàn)模糊評價(jià)法計(jì)算出的品種間綜合評價(jià)D值差異較小,D值的變異系數(shù)為8.59%,其最大值與最小值間的差異為41.71%;而DTOPSIS法品種間的Ci值變異系數(shù)為30.11%,最大值與最小值間的差異為412.52%,表現(xiàn)出了較模糊評價(jià)法具有更強(qiáng)的分辨力。由此可以看出,從評價(jià)精度上來說,DTOPSIS法的綜合評價(jià)效果比模糊評價(jià)法更好。

    3 討論與結(jié)論

    權(quán)重是決定綜合評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵因素。熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法,可以避免專家賦權(quán)帶來的主觀偏差,使評價(jià)結(jié)果更加可靠。該方法根據(jù)熵值大小判斷評價(jià)指標(biāo)的離散程度,熵值越小,說明該指標(biāo)的離散程度越大,提供的有效信息量越大,則該指標(biāo)的權(quán)重也應(yīng)較大,反之則權(quán)重較小。本研究利用熵權(quán)法對參試品種(系)的9個(gè)評價(jià)指標(biāo)確權(quán),可以得到權(quán)重大小順序?yàn)楫a(chǎn)量>單穗粒質(zhì)量>單穗質(zhì)量>千粒質(zhì)量>穗長>出谷率>穗粗>生育期>株高,產(chǎn)量權(quán)重為0.369 9,產(chǎn)量構(gòu)成要素(單穗粒質(zhì)量、單穗質(zhì)量、千粒質(zhì)量)權(quán)重為0.515 6,其他性狀權(quán)重為0.114 5,產(chǎn)量構(gòu)成要素權(quán)重較高,其次為產(chǎn)量,這與生產(chǎn)上重視谷子品種的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)特性的實(shí)際情況一致,說明本研究權(quán)重設(shè)置合理,在此基礎(chǔ)上能夠?qū)⒃嚬茸悠贩N做出科學(xué)合理的綜合評價(jià)。

    對參試品種的綜合評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析,DTOPSIS法、模糊評價(jià)法這2種不同評價(jià)方法的優(yōu)先度排名極顯著相關(guān)(r=0.946 8,P<0.001),這表明2種方法的分析結(jié)果一致性較強(qiáng),分析方法可靠。從表4可以看出,張雜谷26號(hào)、衡17-593的產(chǎn)量和排名相同,但二者依據(jù)DTOPSIS法、模糊評價(jià)法的綜合得分排名與其產(chǎn)量排名存在較大差異,且前2種分析方法的排名基本一致。由此可以看出,僅依據(jù)產(chǎn)量對品種(系)進(jìn)行評價(jià)具有很大的局限性,而DTOPSIS法、模糊評價(jià)法可以較全面地利用考察性狀指標(biāo)對參試谷子品種(系)進(jìn)行合理綜合評價(jià)。對DTOPSIS法、模糊評價(jià)法的結(jié)果進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),模糊評價(jià)法品種間的D值差異較DTOPSIS法品種間的Ci值差異小,表明在相同的權(quán)重設(shè)置條件下,DTOPSIS法對品種綜合性狀優(yōu)劣的區(qū)分能力更強(qiáng),這一結(jié)論在眾多學(xué)者利用DTOPSIS法對作物農(nóng)藝性狀進(jìn)行綜合評價(jià)中也得到了驗(yàn)證[17-19。但相較于 DTOPSIS法繁雜的計(jì)算過程,模糊函數(shù)法的計(jì)算程序簡潔,分析結(jié)果也能滿足實(shí)際需求。

    通過對22個(gè)參試品種(系)的綜合評價(jià)分析,本研究認(rèn)為DTOPSIS法評價(jià)精度相對模糊函數(shù)法更高,但二者都能較好地對參試品種(系)進(jìn)行綜合評價(jià),對谷子育種中大量材料的鑒定有一定參考價(jià)值。本研究對參試品種(系)的評價(jià)指標(biāo)設(shè)定了最優(yōu)值,并針對不同指標(biāo)的特點(diǎn)設(shè)置了正向指標(biāo)、中性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,保證了評價(jià)結(jié)果的合理性。但需要指出的是,本研究所設(shè)定的最優(yōu)值僅限參與此次評價(jià)的22個(gè)品種(系),其代表性較弱。因此各谷子育種單位有必要加強(qiáng)對“谷子理想株型”的研究,將符合各地生產(chǎn)實(shí)際需要的“理想品種”的指標(biāo)設(shè)定為最優(yōu)值,用于對后代材料的評價(jià)和篩選。此外,盡管熵權(quán)法等客觀賦權(quán)法能夠較好地反映評價(jià)指標(biāo)對評價(jià)結(jié)果的貢獻(xiàn),但得到的權(quán)重僅考慮了某個(gè)指標(biāo)的特征,賦權(quán)結(jié)果不一定能與育種目標(biāo)較好地吻合。因此在育種過程中,也不能僅根據(jù)指標(biāo)數(shù)量特征進(jìn)行客觀賦權(quán),而要綜合統(tǒng)籌育種目標(biāo),在客觀賦權(quán)的基礎(chǔ)上,對選取的考察性狀權(quán)重進(jìn)行一定調(diào)整,這樣才能更好地發(fā)揮DTOPSIS法或模糊評價(jià)法在品系篩選中的作用,減少品系篩選的盲目性。

    熵權(quán)法賦權(quán)能較好地反映評價(jià)指標(biāo)的重要程度,基于熵權(quán)法賦權(quán)的DTOPSIS法、模糊評價(jià)法都能對參試品種(系)的綜合性狀作出合理、可靠的評價(jià)。DTOPSIS法的分辨能力相較模糊評價(jià)法更好,但模糊評價(jià)法使用更方便,在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)評價(jià)精度的要求選擇合適的方法。

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