TOPSIS法评价南方大豆品种在黄土高原地区的饲用潜力

安 东， 来兴发， 邓建强， 韩天富， 沈禹颖*

(1. 兰州大学草地农业科技学院/草地农业系统国家重点实验室， 甘肃 兰州730020；2. 中国农业科学院作物研究所， 北京 100081)

大豆(Glycinemax(L.)Merrill)原产于中国，19世纪初被美国引进栽培用作饲草作物，因其具有高营养和牲畜喜食特性被广泛种植[1-2]。后随着人类对食物需求的不断增加，大豆逐渐被改良成粮食作物[3]。大豆是光周期敏感的作物，以籽粒收获为目标的种植往往受到严格的区域限制[4]。将适宜低纬地区种植的品种移至高纬地区，其营养生长期会被大大延长，甚至无法在收获季转入生殖生长阶段[5]。与此同时，其营养生长得到充分加强，营养体生物量积累较当地适宜的品种可提高数倍，饲用专用大豆品种的饲草产量是其籽粒产量的2倍[6-7]。选育饲用大豆品种对于应对传统农区的农业产业结构调整、丰富一年生豆科饲草种类、满足草食家畜的优质植物蛋白供应、实现绿色高质量发展有重要意义。

产量和品质是评价作物饲用价值的两个方面[8]，为评价牧草产量和品质的种间差异，以往的研究大多集中于比较饲草品种的产量、品质指标在年内和年际的差异，而没有将多个重要质量指标合成一个综合指标[9]。近期的研究表明，采用综合多指标决策分析方法(technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS)进行统计分析时，对数据分布及样本量、指标方面对原始数据的利用较充分，信息损失量少，在农业生产中被广泛应用[10]。因此，本研究拟利用大豆光周期敏感的这一特性，将东南、华南和西南地区的33个籽粒型晚熟大豆品种引种到陇东旱塬，利用基于主成分分析(principal component analysis,PCA)和熵权法(entropy weight,EW)的TOPSIS法[11]，对引种品种在当地的生长表现和饲用价值进行评价，以期从中筛选出宜当地环境的兼顾高产和高饲用品质的饲用大豆品种，为当地的粮改饲和草牧业发展提供饲草资源。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在兰州大学草地农业生态系统野外科学观测研究站(35°39′ N，107°51′ E，海拔1 297 m)开展，地处甘肃省庆阳市西峰区什社乡，该区属于典型的大陆性季风气候，年平均降雨量561 mm，60%以上集中在7-9月，年平均气温8.3℃，年日照时数2 300～2 700 h，无霜期161 d，生长季225 d。土壤为黑垆土，表层(0～15 cm)pH值为8.2，全氮含量0.84 g·kg-1，有机碳含量为6.8 g·kg-1。

1.2 试验材料与设计

供试材料为来自南方的籽粒型晚熟大豆品种，其中东南地区15个，华南地区8个，西南地区10个，采用庆阳当地主栽大豆品种作对照(陇黄3号)(见表1)。所有品种于2018年5月14日采用等距离穴播，穴距50 cm，行距40 cm，播深5 cm，采用完全随机区组设计，每个品种重复3次，共114个小区，小区面积6 m2(2 m×3 m)，小区之间间隔1 m。播种前施磷酸二铵(N∶P∶K=18∶46∶0)225 kg·hm-2。作物生长期间无追肥和灌溉处理。

表1 供试33个大豆品种及来源Table 1 33 soybeans varieties (lines) used of this study

注：后续表图中的材料编号与该表一致

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

1.3 生育期观测

出苗后每个小区随机选取5株挂牌标记，进行定株观测。按大豆生育期划分标准[10]，子叶在地面以上为出苗期(vegetative growth-emergence,VE)，主茎的任何节位上有一朵花开放为初花期(reproductive growth-early flowering stage，R1)，每两天观察一次，分株记载VE期、R1期，并计算出苗至初花所需天数(days from emergence to the beginning bloom，DTB)。

1.4 干物质产量性状测定

在大豆R1期时，各小区分别随机选取长势均匀、有代表性的3株，齐地面刈割，鲜样经105℃杀青、75℃烘干至恒重，记录干物质产量，并根据单株占地面积按比例换算成每公顷产干物质产量(dry matter，DM)。根据每公顷干物质产量和出苗至初花天数得出干物质积累速率(dry matter accumulation rate，DMAR)，计算公式：DMAR(kg·d-1·hm-2)=1 000×DM/DTB。

1.5 品质性状测定

R1期样品烘干后粉碎过筛备用，用于营养成分分析。测定大豆植株粗蛋白(crude protein，CP)、中性洗涤纤维(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber，ADF)、粗脂肪(crude fat，CF)、粗灰分(Ash)。用凯氏定氮法测定CP；范氏洗涤纤维分析法测定NDF和ADF含量；索氏浸提法测定CF；高温灼烧化干灰法测定粗灰分[11-12]。

1.6 饲用性能的综合评价

为了更好地阐明和可视化大豆饲用品质指标之间潜在的相互关系，使用R包“FactoMineR”的PCA函数对5个品质指标(即CP，NDF，ADF，CF和Ash)进行了PCA分析。为了量化各品质指标在评价中的相对重要性，利用R包“entropy”的熵函数计算各指标的权重。据PCA和EW分析结果，利用R包“topsis”中的topsis函数得出大豆品种饲用品质的综合得分(score)。根据大豆品种的品质综合得分和干物质产量做出二维散点图用于评价[13]。

2 结果与分析

2.1 33个大豆品种(系)出苗至初花(R1)物候表现

参试33份材料的DTB平均为92 d，均晚于本地对照品种的70 d，不同地区品种到达花期所需时间存在差异，华南地区最长，平均需要99 d，来自东南地区和西南地区的各品种平均开花所需天数均为为89 d。超过100 d的品种有7个，华南区有5个，东南区和西南区各1个，其中桂夏1号和桂夏4号所需天数最长，达到110 d，除此之外还有桂夏6号(106 d)、桂夏5号(103 d)、桂夏7号(103 d)、南农33(103 d)、自贡冬豆(102 d)。开花期短于80 d的品种有7个，以滇豆7号开花用时最短，仅比对照品种晚5 d(表2～表4)。

表2 来自东南地区15个粒型晚熟大豆品种(系)在陇东旱塬的大豆品种(系)物候、R1期干物质产量及干物质积累速率Table2 Phenology,DTB,DM and DMAR at R1 stage in soybean varieties origin from Southeast China

注：同列中不同小写字母间差异显著(P<0.05)，下同

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

表3 来自华南地区8个粒型晚熟大豆品种(系)在陇东旱塬的大豆品种(系)物候、R1期干物质产量及干物质积累速率Table 3 Phenology,DTB,DM and DMAR at R1 stage in soybean varieties origin from South China

表4 来自西南地区10个籽粒型晚熟大豆品种(系)在陇东旱塬生育期、R1期干物质产量及干物质积累速率Table 4 Phenology,DTB,DM and DMAR at R1 stage in soybean varieties origin from Southwest China

2.2 33个大豆品种(系)初花(R1)期干物质产量

参试33个大豆品种(系)R1期干物质产量表现有较大的差异，变幅为1.38～16.31 t·hm-2，平均产量为5.46 t·hm-2，有12个品种高于平均产量，东南地区4个，华南地区7个，西南地区1个。产量达到10 t·hm-2以上的有5个品种，均来自华南地区，依次是桂夏1号(16.31 t·hm-2)、桂夏5号(15.58 t·hm-2)、华夏3号(15.48 t·hm-2)、桂夏7号(14.21 t·hm-2)和桂夏4号(12.07 t·hm-2)，是对照本地品种(2.34 t·hm-2)的6～8倍。东南地区供试品种产量最高的为兰溪大黄豆(7.35 t·hm-2)，西南地区为自贡冬豆(9.07 t·hm-2)。青皮豆和桐梓小灰豆的干物质产量低于对照，不足2 t·hm-2(表2～表4)。

引种大豆干物质积累速率范围为22.01～162.20 kg·d-1·hm-2，生长速度在100 kg·d-1·hm-2以上的6个品种均来自华南地区，其中华夏3号生长最快，其次有桂夏5号(151.52 kg·d-1·hm-2)、桂夏1号(151.28 kg·d-1·hm-2)、桂夏7号(137.53 kg·d-1·hm-2)、桂夏4号(112.06 kg·d-1·hm-2)和华夏10号(104.35 kg·d-1·hm-2)(表2)。东南地区生长速度最快的为兰溪大黄豆(75.24 kg·d-1·hm-2)(表3)，西南地区最快的为自贡冬豆(88.72 kg·d-1·hm-2)(表4)。

2.3 33个大豆品种(系)初花(R1)期主要品质性状

达到花期的大豆品种(系)全株CP含量变异范围为14.25%～19.97%，平均含量为16.70%，高于平均值的品种有17个，其中来自东南地区8个、华南地区4个、西南地区5个。CP含量在19%以上的品种有南豆33(19.97%)和南豆35(19.18%)。NDF含量变异为72.98%～82.49%，平均值77.28 %，低于平均值的品种有17个，其中东南地区11个、华南地区4个、西南地区2个，NDF含量最低的品种为滇豆7号，含量最高的为桂夏1号。ADF含量变异范围为37.72%～51.23%，平均值为45.83%，低于平均值的品种有14个，其中东南地区7个、华南地区3个、西南地区4个，含量最低的为本地对照品种，含量最高的为桂夏1号。供试材料的CF含量多数在2%～3%之间，平均值为2.52%，有14个品种高于平均值，其中东南地区8个、华南地区1个、西南地区5个，含量最高的品种为浙秋豆2号，为4.94%；最低的是浙鲜84，仅为1.52%。Ash含量变异较大，最高的为信都小黄豆(21.91%)，约为平均含量的2倍，含量最低的品种为桂夏7号，为8.68%(图1)。

图1 33个南方籽粒型晚熟大豆品种花期植株主要饲用品质性状Fig.1 Forage trait in 33 late mature soybean varieties (lines) from Southern China注：柱上数值为指标测定值Note:The value on the column is the measured value of the index

2.3 33个大豆品种(系)品质性状的主成分分析

图2是大豆品种(系)品质指标的主成分分析双标图，从图中可看出，前两个主成分的累计贡献率为76.1%，其中第一主成分(first principal component，PC1)的贡献率为55.4%，第二主成分(second principal component，PC2)的贡献率为20.7%，这两个主成分主要决定饲草的品质。图中两向量夹角小于90°时，呈正相关关系；两向量夹角大于90°时，呈负相关关系；两向量夹角接近90°时，相关性不明显。因此CP与Ash呈显著的负相关关系，与CF、NDF、ADF相关性不明显。CF、NDF、ADF、Ash相互之间呈显著的正相关关系。向量在主成分坐标轴上的投影越长，对该主成分的贡献率越大。可知对第一主成分贡献率较大的性状依次是NDF和ADF；对第二主成分贡献率较大的是CP。

图2 33个南方籽粒型晚熟大豆品种花期植株饲用性状间相互关系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个大豆品种(系)饲用潜力的TOPSIS综合评价

以饲用品质得分和产量做二维散点分布图，品质综合得分较高的品种有：南黑豆20、兰溪大黄豆、桂夏6号、桂夏7号、华夏3号等(图3)。I区内为产量与品质均高于平均水平的11个品种，其中华夏3号和桂夏7号的双优势最为明显。II区内为品质高于平均水平而产量偏低的大豆品种，其中南黑豆20、南夏豆30、南农99-10等有明显综合品质优势。III区内为产量与品质综合得分均低于平均水平的品种，共13个，其中信都小黄豆得分最低。IV区为产量高于平均水平而品质综合得分低于平均水平的品种，无品种属于该象限。本次供试的大部分品种花期干物质产量低于平均水平，少数有产量优势品种，而整体的饲用品质性状则分布相对均匀。

3 讨论

3.1 供试大豆品种引种到高纬度地区后的生育期表现

生育期性状是大豆对于光温生态条件的综合反应，我国幅员辽阔，生态条件复杂，大豆品种生育期生态类型极为丰富，同一品种在不同地方生育期性状也表现出差异性[14]。1979年刘汉中提出北半球由南向北引种大豆，由于光温对发育的影响会致使出苗到开花(前期)延迟[5]。前人研究中报道了一部分供试品种在原产地出苗至开花日数：浙秋豆2号(35 d)、浙秋豆3号(40 d)、南农99-10(47 d)、桂夏7号(43 d)、桂夏1号(40 d)、华夏3号(49.3 d)、桂夏6号(44 d)、南豆12(53 d)、南夏豆25(49 d)[15-16]，这些品种在庆阳地区花期分别均比其在原产地推迟了40 d以上，其中桂夏1号推迟了70 d之久。不同大豆品种对光周期反应的敏感性具有差异，顺序一般为：南方秋豆>南方夏豆>黄淮夏豆>南方春豆>黄淮春豆>北方春豆[14]。为产生明显的花期推迟现象，本研究所选用材料大多数是南方夏豆和黄淮夏豆，其具有强烈的光周期敏感性，因此所有品种引种到高纬度的陇东后花期晚于当地对照。属于南方夏豆的华南地区品种桂夏系列和华夏系列的DTB普遍长于东南地区和西南地区品种，这也与光周期敏感顺序相符。来自西南地区的自贡冬豆是超晚熟大豆品种[13]，故DTB可达103 d之久。

图3 33个南方籽粒型晚熟大豆品种饲草产量与饲用品质得分的TOPSIS综合评价Fig.3 The evaluation of forage yield and comprehensive quality based on TOPSIS with EW for 33 soybean varieties (lines)注：水平虚线表示大豆品种饲草产量的平均值；垂直虚线表示大豆品种品质指标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 供试大豆品种花期干物质产量表现

干物质产量是决定引种大豆作为饲草利用的关键因素之一。本研究表明，供试大豆品种干物质产量范围为1.38 ～16.31 t·hm-2，说明一些品种尽管花期延长，但营养生长优势并没有表现出来，尤其是来自西南地区的品种产量优势不明显，这可能与西南地区的海拔比华南和东南地区高有关，说明纬度与海拔共同影响引种后的表现，在后续试验中应充分考虑纬度条件对引种的影响。华南地区大豆品种引种后干物质产量和干物质积累速率优势最为明显，较东南和西南地区品种更具有引种至陇东旱塬做饲草的潜力。美国农业部农业研究局杂交培育的饲用大豆品种“Donegal”、“Derry”和“Tyrone”，干物质产量可达13.45 t·hm-2，比传统籽粒型单产提高75%[17]，本试验结果选择出的优势品种产量达到或超过了“Donegal”、“Derry”和“Tyrone”，与庆阳地区主栽优质牧草紫花苜蓿(10 t·hm-2)和饲用玉米干物质产量(10.84～13.57 t·hm-2)相当[18-19]。干物质积累速率的快慢，是对环境适应性的体现，今后我们会将产量偏低的大豆品种排除，不再考虑。在选择品种时，除考虑产量和适应性之外，还需与庆阳当地实际生产结合，一些品种产量虽然高，但生育天数过长，长时间占用土地，不利于倒茬轮作。

3.3 供试大豆品种的饲用品质性状表现

干物质产量是衡量饲草生产力水平的重要指标，而营养价值的高低是评价饲草是否优良的重要指标。PCA结果表明，供试大豆品种品质表现的主要影响指标为CP,NDF和ADF。Hintz等人研究发现大豆叶片和茎的纤维含量(NDF,ADF)随着成熟度的增加而增加，而CP含量从R1期到R3期(始荚期)呈下降态势[20-21]。因此，我们在植株蛋白含量最高且纤维含量较低的R1期进行刈割收获，以保证大豆的饲用价值。Seiter等测得饲用大豆的粗蛋白含量在13.9～17.9%[22]。本研究结果显示引种的大多数品种的粗蛋白含量在此范围内或略高于记录。中性洗涤纤维影响饲草的采食率，含量高，则适口性差，酸性洗涤纤维含量与消化率呈负相关[23]。Sheaffer等人的研究结果表明，饲用大豆的NDF和ADF含量范围分别为42%～49%和30.2%～37.8%[6]，我们所测得的大部分品种的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量高于研究结果，这可能与生育时期较长，致使植株底部木质化，纤维积累较多有关，因此，今后的观测需要监测引种生长的过程，确定更加适宜的利用时期。不同地区的大豆品种间品质差异较为不明显，三个地区均有品质排名靠前的品种，但所有华夏系列和桂夏系列的品质得分均高于平均值。因此在筛选高品质的品种时，还应全面客观地进行品质测定。

3.4 基于TOPSIS法的综合筛选

TOPSIS法是一种在农业生产中广泛应用的多指标综合评估方法，其对样本量、指标数无严格限制，对原始数据利用较为充分。但TOPSIS法存在着权重赋值主观性、指标间相关性评价信息重复的缺点。因此，我们将TOPSIS法与EW、PCA相结合。在评价过程中，首先利用主成分分析法找出牧草品质指标的正负属性，用熵权法确定各指标权重，得出饲用品质综合分值(Score)[8]，减少了评价过程中的随机误差和系统误差，提高了评价的可信度。通过这种方法客观、明确的反映不同大豆品种的营养体生长和饲用品质综合表现，选择出的华夏3号和桂夏7号两个品种兼顾了干物质产量和饲用品质，而不失偏颇。

4 结论

本研究利用大豆光温敏感性，将来自我国东南、华南、西南地区的33个大豆品种引种至纬度更高的陇东黄土高原区种植，所有品种均产生花期推迟现象，其中华南地区品种与其他两区相比花期推迟现象最明显，花期干物质产量较高，干物质积累速率较快。桂夏1号干物质产量最高，可达16.31 t·hm-2。具有明显产草优势的品种还有桂华夏3号、桂夏5号、桂夏7号和桂夏4号等。TOPSIS综合评价结果表明，饲用品质较优的品种有南黑豆20、桂夏7号、桂夏6号、华夏3号和兰溪大黄豆等。华夏3号和桂夏7号是产量与品质兼优的目标品种，可以作为优质饲草大豆专用品种的候选材料进一步观察研究。