基于熵值賦權(quán)的DTOPSIS法綜合評價新疆喀什地區(qū)復(fù)播谷子品種

高強，張龑，路子峰，嚴(yán)青青，李康康，陳潤峰，楊艷，徐麟，周偉

（1新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，烏魯木齊 830091；2新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830052；3新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052；4新疆豐谷一路農(nóng)業(yè)科技有限公司，烏魯木齊 830000）

0 引言

谷子，又稱粟，是中國的傳統(tǒng)糧食作物，具有豐富的脂肪、維生素、蛋白質(zhì)和有益健康的活性物質(zhì)[1-3]，營養(yǎng)價值極高，是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚木哂斜＝∽饔玫氖称穂4]。隨著人們生活水平的不斷提高，膳食結(jié)構(gòu)的改變，谷子作為小宗雜糧在平衡膳食營養(yǎng)中作用越來越大，消費需求越來越高[5]。

新疆南疆地區(qū)干旱缺水、土壤瘠薄，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民“制種小麥+復(fù)播玉米”的種植模式，效益較低，當(dāng)?shù)厮Y源的稀缺不能滿足復(fù)播玉米對水的需求，復(fù)播玉米的經(jīng)濟效益并不高。谷子具有耐寒、耐瘠、水分利用率高、農(nóng)藥化肥用量少和抗性強等特點，可以較好的適應(yīng)新疆喀什地區(qū)干旱的氣候環(huán)境，并能充分滋養(yǎng)于喀什地區(qū)充足的光熱資源，獲得較高的產(chǎn)量和極高的品質(zhì)。經(jīng)過多年推廣，在喀什疏勒縣庫木西力克鄉(xiāng)庫木西力克村發(fā)展的“制種小麥+復(fù)播谷子”成功入選2019年國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“一村一品”示范村鎮(zhèn)，2021年復(fù)播面積已然增加到4000 hm2以上[6]。為了進一步提高種植復(fù)播谷子的收入，谷草和谷糠的飼料化利用被確定為一個重要的開發(fā)方向。谷草（去穗）、全株谷草、谷粒和谷糠等均可作為飼料[7-8]，如何篩選出在小米產(chǎn)量和谷草產(chǎn)量的最優(yōu)化，提高谷子種植綜合效益成了亟待解決的問題。

傳統(tǒng)品種篩選評價方法通常是對產(chǎn)量進行方差分析[9]，對其他性狀進行直觀的評價，往往導(dǎo)致產(chǎn)量的權(quán)重過大，造成選出的品種并不適宜當(dāng)?shù)氐姆N植。DTOPSIS 法是姚興濤等[10]提出的一種多目標(biāo)決策方法，使品種的“綜合性狀”這一模糊指標(biāo)量化，能夠減少人為因素的干擾，為品種的綜合評價和推廣應(yīng)用提供較為準(zhǔn)確的依據(jù)。通過客觀賦權(quán)法—熵值法，可以進一步減少主觀賦值對品種篩選造成的影響，提高評價的客觀性[11-15]。本研究以河北、河南、甘肅引進的5 個谷子品種為試材，選擇產(chǎn)量、生育期、株高等11個評價指標(biāo)，利用熵權(quán)法對各評價指標(biāo)賦權(quán)，采用DTOPSIS法對其進行綜合評價，以期篩選出適合新疆喀什地區(qū)種植的谷子新品種，為當(dāng)?shù)氐墓茸悠贩N推廣種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試的谷子品種5 個，分別為‘冀雜金苗’、‘隴谷29號’、‘隴谷23號’、‘隴谷32號’和‘豫谷18號’，其中‘豫谷18號’為當(dāng)?shù)刂饕N植品種（表1）。

表1 供試5個谷子品種及來源

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2022年6月21日—7月2日在新疆喀什地區(qū)疏勒縣庫木西力克鄉(xiāng)15 村的試驗地播種。試驗采用膜下滴灌、干播濕出種植，1膜4行寬窄行，行距配置(20+50+20)cm，株距10 cm，地膜為市場采購的聚乙烯白膜，膜厚，0.01 mm，膜寬125 cm，管理方法同一般大田種植。采取隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積16 m2。記載谷子播種期和成熟期，對谷子的倒伏情況和谷瘟病發(fā)生情況進行重點記錄，9 月8 日—10 月5 日，谷子成熟時采收，隨機選取10 株，測定株高、穗長，自然風(fēng)干后，按照谷子種質(zhì)資源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制規(guī)范進行拷種，性狀有單株草重、單穗重、穗粒重、千粒重和出米率等5個指標(biāo)，對小區(qū)進行測產(chǎn)，折算每公頃產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013 處理數(shù)據(jù)，分析方法選用基于熵權(quán)的DTOPSIS法。參考劉麗娟[16]和楊海峰[17]文章中的方法進行。

1.3.1 建立綜合評價矩陣A 對5個谷子品種的11個性狀計算平均值，建立綜合評價矩陣A，計算公式如下：

1.3.2 熵權(quán)法 采用熵權(quán)法來客觀的計算各指標(biāo)的權(quán)重。

（1）計算各個指標(biāo)的熵值，公式如下：

式中，Pij為第i個品種的第j個指標(biāo)的值占全部品種第j個指標(biāo)值之和的比重；ej為第j個指標(biāo)的熵值，其中ej不能大于1；N為品種總數(shù)。

（2）各個指標(biāo)的權(quán)重a，計算公式如下：

式中，a為各個指標(biāo)的權(quán)重，N為指標(biāo)總數(shù)。

1.3.3 無量綱化處理根據(jù)期望品種性狀指標(biāo)，將谷子各指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)兩類，將綜合評價矩陣進行無量綱化處理，得到矩陣Z。

正向指標(biāo)計算處理公式

式中Yjmax為該指標(biāo)最大值。

負(fù)向指標(biāo)計算處理公式

式中Yjmin為該指標(biāo)最小值。

1.3.4 建立加權(quán)決策矩陣R 各指標(biāo)權(quán)重ai乘矩陣Z 中的第j列得到?jīng)Q策矩陣R。

1.3.5 各指標(biāo)的理想解和負(fù)理想解

1.3.6 關(guān)聯(lián)度計算采用歐幾里得范數(shù)公式計算各品種各性狀與最佳性狀的距離及與最差性狀間的距離，并計算各個品種與理想材料的接近度Ci。公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)建綜合評價矩陣

根據(jù)5個谷子品種的11個性狀指標(biāo)數(shù)據(jù)平均值建立綜合評價矩陣A，這11個性狀分別為產(chǎn)量、生育期、株高、穗長、單株草重、單穗重、穗粒重、千粒重、出米率、抗倒伏、谷瘟?。ū?）。

表2 參試谷子品系性狀數(shù)值

2.2 熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重

熵權(quán)法評價中，評價指標(biāo)的熵值越大，表明差異性系數(shù)越??；權(quán)重越大，代表該信息提供的數(shù)據(jù)量越大，其在品種評價中的貢獻越大。根據(jù)表1數(shù)據(jù)計算出的各性狀熵值和權(quán)重結(jié)果見表3，各指標(biāo)權(quán)重大小排序為抗倒伏性>谷瘟病>產(chǎn)量>穗粒重>單穗重>單株草重>穗長>株高>千粒重>生育期>出米率。其中，抗倒伏性和谷瘟病的權(quán)重分別為0.6191 和0.2327，權(quán)重值最大，這可能跟現(xiàn)在谷子品種選擇有關(guān)，追求高產(chǎn)的同時，產(chǎn)量提升了，植株也明顯變高，抗倒伏能力和谷瘟病也越發(fā)嚴(yán)重。生育期、出米率、千粒重3個指標(biāo)的貢獻率較小，這也和新疆喀什地區(qū)的氣候環(huán)境條件相關(guān)（表3）。

表3 各性狀熵值和權(quán)重

2.3 無量綱化處理

根據(jù)各性狀對谷子種植的影響，將11個性狀分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，其中生育期、株高、單株草重、抗倒伏性、谷瘟病為負(fù)向指標(biāo)，其他為正向指標(biāo)。按照無量綱處理公式計算進行處理，得到矩陣Z（表4）。

表4 參試谷子品系性狀無量綱化處理結(jié)果

2.4 建立決策矩陣

將表3 中的各性狀權(quán)重值a 乘以表2 中各品種11個性狀無量綱化處理后的值，得到?jīng)Q策矩陣R（表5）。

表5 決策矩陣R

2.5 參試品種各性狀的理想解和負(fù)理想解

根據(jù)公式(6)(7)計算得到11個性狀的理想解和負(fù)理想解。其中生育期、株高、單株草重、抗倒伏性、谷瘟病為負(fù)向指標(biāo)，為表4各列中的最小值組成，其他為正向指標(biāo)，為表4各列中的最大值組成。

X+=｛0.0256，0.0031，0.0186，0.0215，0.0225，0.0230，0.0255，0.0067，0.0017，0.6191，0.2327｝；

X-=｛0.0180，0.0027，0.0137，0.0149，0.0152，0.0161，0.0180，0.0053，0.0015，0.0688，0.0465｝。

2.6 參試品種理想解的相對接近度分析

根據(jù)公式(8)(9)(10)最終計算出各谷子品種與理想解的相對接近度Ci（表6），5個品種的排序為‘豫谷18’>‘冀雜金苗’>‘隴谷23號’>‘隴谷29號’>‘隴谷32號’?！ス?8號’綜合性狀優(yōu)良，但是產(chǎn)量和單株草重均降低，分別排名第5、第4。‘隴谷29號’、‘隴谷32號’的產(chǎn)量排在第1、第2、單株草重也較高，排在第2、第3，但是由于株高過高，抗倒伏性較差，影響了綜合性狀的穩(wěn)定，排名第4、第5。對比不同谷子品種基于熵值賦權(quán)的DTOPSIS法的Ci值排序結(jié)果與僅以產(chǎn)量、草重排序作為排序指標(biāo)的結(jié)果差異極大。

表6 DTOPSIS法結(jié)果

綜合Ci排序和產(chǎn)量排序、單株草重排序，可以得到如下結(jié)果：‘冀雜金苗’的綜合性狀優(yōu)良，產(chǎn)量較高，可作為喀什地區(qū)以收獲小米為主要目的復(fù)播谷子優(yōu)良品種進行推廣；‘隴谷23號’的綜合性狀排名中等（第3），谷子產(chǎn)量也一般（第4），但單株草重排名第1，是一種較好的糧飼兼用性品種。

3 討論與結(jié)論

隨著國家“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略的持續(xù)深入實施，谷子作為中小作物的代表，除了用作口糧外，在中國牧區(qū)也被廣泛用作牧草，是維持國民經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的經(jīng)濟作物[18]。中國谷子品種目前已經(jīng)進人到個體與群體并重奪高產(chǎn)的第三階段[19]，大穗型品種產(chǎn)量高，易倒伏。密植型品種種植密度大，單株谷子生長受阻，產(chǎn)量反而降低。如何在一定區(qū)域篩選到適合當(dāng)?shù)氐闹魍破贩N，需要根據(jù)種植區(qū)域的具體條件，對品種進行綜合評價，而不能僅僅以產(chǎn)量定勝負(fù)。在谷子品種的評價篩選中，已有少量的研究采用方差分析、相關(guān)分析[6]、主成分分析法、聚類分析法[20]、灰色關(guān)聯(lián)度法[21]、隸屬函數(shù)法[22]對谷子的高產(chǎn)和品質(zhì)等方面進行綜合評價。

本研究采用基于熵值賦權(quán)的DTOPSIS 法對新疆喀什地區(qū)引進種植的谷子品種進行綜合評價，該方法可以盡可能減少人為因素的干擾，以期篩選出綜合性狀優(yōu)良，適合新疆喀什推廣的谷子品種。張曉申等[23]采用DTOPSIS 法對谷子區(qū)域試驗進行綜合評價，合理的權(quán)重系數(shù)設(shè)置，有效規(guī)避了產(chǎn)量對品種引種篩選的重要影響，對谷子的綜合評價具有重要意義。本研究中，抗倒伏性和谷瘟病所占權(quán)重值較大，分別0.6191 和0.2327，其中以抗倒伏性占比最大，其次為產(chǎn)量、穗粒重、單穗重、單株草重等。該分析方法有別于其他研究結(jié)果，抗倒伏性和谷瘟病對谷子的綜合表現(xiàn)影響較大。除去抗倒伏性和谷瘟病兩個性狀外，產(chǎn)量、穗粒重、單穗重、單株草重、穗長在綜合評價谷子品種方面的權(quán)重較大，這個結(jié)果和魏萌涵等[24]的研究基本一致。作為對照品種，‘豫谷18’是當(dāng)?shù)刂饕茝V種植的品種，綜合性狀排名第1，但從產(chǎn)量和單株草重方面都不具有優(yōu)勢。‘隴谷29’和‘隴谷32’的產(chǎn)量最高，分別為5201.55 kg/hm2和5162.70 kg/hm2，但由于單穗過重，在同樣種植密度和管理模式下，容易倒伏，綜合性狀表現(xiàn)較差，綜合表現(xiàn)排名靠后?！]谷29’和‘隴谷32’抗倒伏性極弱，雖然產(chǎn)量較高，但綜合排名排在第4、第5，綜合性狀表現(xiàn)較差，不適合當(dāng)?shù)赝茝V?！]谷23’的綜合性狀排名第3，表現(xiàn)較為中庸，產(chǎn)量僅高于‘豫谷18’，但單株草重較高，排名第1?！诫s金苗’的綜合性狀排名第2，產(chǎn)量排名第3，抗除草劑[25]，產(chǎn)量遠高于對照品種，綜合性狀穩(wěn)定。

在喀什地區(qū)現(xiàn)有的復(fù)播谷子種植模式下，‘豫谷18’作為主要品種，完全適應(yīng)于當(dāng)?shù)氐耐寥罋夂驐l件和種植模式，倒伏率低，谷瘟病也極少發(fā)生。倒伏性和谷瘟病對其他試種谷子品種的影響較大，但如果能在栽培管理上進行調(diào)整，降低高產(chǎn)品種的倒伏率，對谷瘟病進行有效防治，高產(chǎn)的谷子品種將會給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶去更大的經(jīng)濟效益。結(jié)果也表明，復(fù)播谷子的產(chǎn)量仍有較大的空間，‘隴谷29’的產(chǎn)量可達到5201.55 kg/hm2。產(chǎn)量的提升可以從品種和栽培等多方面同步進行，做到良種、良法、適地。

本研究結(jié)果表明：基于熵值賦權(quán)的DTOPSIS 法適合用作喀什地區(qū)復(fù)播谷子品種的綜合評價?！]谷23’綜合性狀中等，單株草重最大，每株平均草重23.81 g，經(jīng)過進一步試種，可以發(fā)展成為糧飼兼用型品種；‘冀雜金苗’綜合性狀穩(wěn)定，產(chǎn)量中上，達到3906.75 kg/hm2，適宜在喀什地區(qū)復(fù)播種植推廣。