劉麗娟,劉延剛,金桂秀
(臨沂市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,山東 臨沂 276012)
水稻(Oryza sativaL.)是我國(guó)的主要糧食作物之一,全國(guó)有65%以上的人口以稻米為主食,其在保障我國(guó)糧食安全中起著至關(guān)重要的作用[1]。 臨沂市屬華北黃淮海單季稻作帶,稻作歷史悠久,自然生態(tài)條件優(yōu)越,是我國(guó)著名的優(yōu)質(zhì)粳米產(chǎn)區(qū)[2]。 由于水稻品種有明顯的地域性,針對(duì)臨沂市生態(tài)環(huán)境特點(diǎn),準(zhǔn)確、科學(xué)、全面地分析評(píng)價(jià)水稻品種,對(duì)于水稻新品種的選育和應(yīng)用具有重要意義[3]。 水稻品種的多性狀綜合評(píng)價(jià)是現(xiàn)代育種的一個(gè)重要環(huán)節(jié),品種綜合表現(xiàn)好壞取決于多個(gè)性狀的表現(xiàn),只有綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良的品種才有推廣應(yīng)用價(jià)值[4]。
品種綜合表現(xiàn)的評(píng)價(jià)是新品種推廣應(yīng)用的基礎(chǔ),DTOPSIS 法是姚興濤等[5]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)量化為該品種對(duì)理想解的相對(duì)接近度Ci,能夠減少人為因素的干擾,研究結(jié)果更加準(zhǔn)確,為品種的綜合評(píng)價(jià)和推廣應(yīng)用提供了較為準(zhǔn)確的依據(jù)[6,7]。DTOPSIS 法已經(jīng)應(yīng)用于玉米、小麥、大豆、棉花、甘蔗、烤煙等作物品種的綜合評(píng)價(jià)上[8-13]。 熵權(quán)法建立在指標(biāo)觀測(cè)值的基礎(chǔ)上,以各參評(píng)項(xiàng)目在指標(biāo)數(shù)列中的區(qū)分度來(lái)確定權(quán)重,克服了權(quán)重主觀賦值法帶來(lái)的缺點(diǎn),提高了評(píng)價(jià)的客觀性[14]。 本研究以近年來(lái)通過(guò)山東省審定的28 個(gè)水稻品種為試材,選擇11 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),利用熵權(quán)法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán),采用DTOPSIS 法對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期篩選出適合臨沂市種植的水稻新品種,為當(dāng)?shù)氐乃酒贩N推廣種植提供參考,也為水稻品種的綜合評(píng)價(jià)尋求更合適的研究方法。
供試材料為近年來(lái)山東省審定的臨稻16 號(hào)、陽(yáng)光600、圣稻20、陽(yáng)光800、臨稻21 號(hào)、潤(rùn)農(nóng)4 號(hào)等28 個(gè)水稻品種,其中臨稻16 號(hào)為對(duì)照品種(表1)。
表1 供試28 個(gè)水稻品種
試驗(yàn)于2021年在臨沂市農(nóng)業(yè)科學(xué)院進(jìn)行。該地屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫13.3℃,年均降水量840 mm 左右,無(wú)霜期198 天。 試驗(yàn)地平坦,排灌方便,土質(zhì)壤土,肥力中等。 秧田四周為麥田,前茬為小麥。
試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3 次。 所有參試品種于5月20 日播種(旱育秧),6月26 日手工插秧,行株距為25.0 cm×13.3 cm。 小區(qū)面積13.3 m2。 四周設(shè)保護(hù)行。 田間管理同常規(guī)大田。
分別于苗期、分蘗期、成熟期進(jìn)行田間觀察測(cè)量,記錄最高苗數(shù)、有效穗數(shù)、生育期和株高。 成熟期每小區(qū)取10 墩有代表性植株進(jìn)行考種,記錄穗長(zhǎng)、穗總粒數(shù)、穗實(shí)粒數(shù),計(jì)算結(jié)實(shí)率、千粒重。全區(qū)收獲計(jì)產(chǎn)。 數(shù)據(jù)為3 次重復(fù)的平均值。
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。
1.4.1 DTOPSIS 法 該法可以將多個(gè)品種的多個(gè)指標(biāo)無(wú)量綱化,即將不同度量的指標(biāo)統(tǒng)一化,使其可相互比較。
(1)對(duì)m 個(gè)水稻品種及n 個(gè)性狀指標(biāo)平均值進(jìn)行處理,建立綜合評(píng)價(jià)矩陣A,計(jì)算公式如下:
(2)無(wú)量綱化處理。 根據(jù)育種目標(biāo),將用于DTOPSIS 綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)分為正向指標(biāo)和中性指標(biāo)兩類(lèi),再將比較矩陣A 進(jìn)行無(wú)量綱化處理,使其成為可比較的規(guī)范化矩陣Z。 計(jì)算公式如下:
正向指標(biāo)計(jì)算處理公式:
式中,Y 為各指標(biāo)無(wú)量綱化處理后的結(jié)果,Yjmax=max(Yij);i=1,2,3,…,28;j=1,2,3,…,11。
中性指標(biāo)計(jì)算處理公式:
式中,Y0i為性狀目標(biāo)值;abs 為絕對(duì)值函數(shù)。
(3)建立加權(quán)決策矩陣。 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。
(4)各指標(biāo)的理想解和負(fù)理想解。 計(jì)算各指標(biāo)的正理想解X+和負(fù)理想解X-。 公式如下:
(5)關(guān)聯(lián)度計(jì)算。 采用歐幾里得范數(shù)公式計(jì)算各品種各性狀與最佳性狀的距離Si+及與最差性狀間的距離Si-,并計(jì)算各個(gè)品種與理想材料的接近度Ci。 公式如下:
1.4.2 熵權(quán)法 采用熵權(quán)法求取各性狀的權(quán)重。
(1)計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的熵值,公式如下:
式中,Pij為第i 個(gè)品種的第j 個(gè)指標(biāo)的值占全部品種第j 個(gè)指標(biāo)值之和的比重;ej為第j 個(gè)指標(biāo)的熵值,其中ej不能大于1;N 為品種總數(shù)。
(2)各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重a,計(jì)算公式如下:
式中,a 為各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,N 為指標(biāo)總數(shù)。
根據(jù)28 個(gè)參試水稻品種的11 個(gè)性狀指標(biāo)構(gòu)建成評(píng)價(jià)矩陣A(表2)。 這11 個(gè)評(píng)價(jià)性狀分別為全生育期、最高苗數(shù)、有效穗數(shù)、成穗率、株高、穗長(zhǎng)、穗粒數(shù)、穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重和產(chǎn)量。
表2 28 個(gè)水稻品種的性狀比較
根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際,將用于DTOPSIS 綜合評(píng)價(jià)的11 個(gè)指標(biāo)分為正向指標(biāo)和中性指標(biāo)兩類(lèi)。 其中第1 列全生育期與第5 列株高為中性指標(biāo),根據(jù)試驗(yàn)要求,設(shè)生育期的標(biāo)準(zhǔn)值為Y01=155.0 d,株高的標(biāo)準(zhǔn)值為Y02=100.0 cm;其余各列均為正向指標(biāo)。 產(chǎn)量、結(jié)實(shí)率、千粒重、成穗率、穗長(zhǎng)、有效穗數(shù)、穗實(shí)粒數(shù)、最高苗數(shù)和穗粒數(shù)作為正向指標(biāo),指標(biāo)值越大越好;中性指標(biāo)株高和生育期,要求指標(biāo)值大小適中。 分別采用正向指標(biāo)公式(2)及中性指標(biāo)公式(3),計(jì)算得到無(wú)量綱化矩陣A(表3)。
在水稻品種評(píng)價(jià)中,評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值越大,表示差異性系數(shù)越??;權(quán)重越大,則該指標(biāo)提供的信息量越大,其在品種評(píng)價(jià)中的貢獻(xiàn)越大。 根據(jù)公式(9)(10)分別計(jì)算各指標(biāo)的熵值和權(quán)重,結(jié)果(表4)表明,各指標(biāo)的權(quán)重從低到高依次為:全生育期<株高<產(chǎn)量<結(jié)實(shí)率<千粒重<成穗率<穗長(zhǎng)<有效穗數(shù)<穗實(shí)粒數(shù)<最高苗數(shù)<穗粒數(shù)。 其中穗粒數(shù)、最高苗數(shù)、穗實(shí)粒數(shù)、有效穗數(shù)的權(quán)重加和為0.66247,表明這4 個(gè)指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中影響最大。 中性指標(biāo)株高和生育期的權(quán)重分別是0.04204和0.00177,在11 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中位于第10位和第11 位,說(shuō)明這兩個(gè)指標(biāo)在水稻品種評(píng)價(jià)中的貢獻(xiàn)較小。
表4 不同性狀指標(biāo)的熵權(quán)及權(quán)重
從目前水稻生產(chǎn)實(shí)際情況看,產(chǎn)量是一個(gè)非常重要的性狀指標(biāo),采用熵權(quán)法計(jì)算出的權(quán)重為0.04588,權(quán)重值偏小,可能與選擇的品種、性狀指標(biāo)、樣品數(shù)量、氣候等因素有關(guān),還需進(jìn)一步試驗(yàn)證明。
將熵權(quán)法確定的各個(gè)指標(biāo)權(quán)重ai乘以矩陣Z中的第j 列得到?jīng)Q策矩陣R(表5)。
表5 28 個(gè)水稻品種的決策矩陣
根據(jù)公式(4)(5)計(jì)算得到11 個(gè)性狀的理想解與負(fù)理想解數(shù),如下:
根據(jù)公式(6)(7)分別計(jì)算得出各參試品種與正負(fù)理想解的距離,根據(jù)公式(8)計(jì)算得出各參試品種與理想解的相對(duì)接近度(表6)。 Ci值越大,表示該品種越接近理想的育種目標(biāo)。 Ci值排序前5 位的品種依次為:潤(rùn)農(nóng)303>圣稻26>濟(jì)稻4 號(hào)>大糧306>圣稻30。 其中,潤(rùn)農(nóng)303 的Ci值最大,為0.7022,但其產(chǎn)量排名第24,圣稻26 的Ci值排名第2,其產(chǎn)量排名第23,說(shuō)明這兩個(gè)品種綜合性狀優(yōu)良,但產(chǎn)量不達(dá)標(biāo),不適宜在當(dāng)?shù)赝茝V種植;濟(jì)稻4 號(hào)的Ci值排名第3,其產(chǎn)量排名第18;大糧306 的Ci值排名第4,其產(chǎn)量排名第17;圣稻30 的Ci值排名第5,其產(chǎn)量排名第6。 可以看出,不同水稻品種基于熵權(quán)的DTOPSIS 法的Ci值排序結(jié)果與僅以產(chǎn)量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的排序結(jié)果存在一定差異。 臨稻16 號(hào)的Ci值排名第27,其產(chǎn)量排名第15,為中等,但有效穗數(shù)等綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)落后;圣香糯1 號(hào)的Ci值排名第28,其產(chǎn)量排名第27,產(chǎn)量和綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)都落后,這兩個(gè)品種不適宜在當(dāng)?shù)乩^續(xù)種植。
表6 DTOPSIS 法計(jì)算結(jié)果
綜合 評(píng) 價(jià),大 糧306 (0. 5804)、 圣 稻30(0.5765)、陽(yáng)光800(0.5484)、臨稻24 號(hào)(0.5342)這4 個(gè)品種綜合性狀穩(wěn)定,優(yōu)于對(duì)照品種臨稻16號(hào),且產(chǎn)量中上,可以在臨沂市推廣種植。
農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展對(duì)水稻品種的要求更高,育種家也將水稻育種目標(biāo)定位在農(nóng)藝性狀的綜合選擇上,只有綜合性狀優(yōu)良的水稻品種才具有推廣應(yīng)用價(jià)值。 水稻品種綜合評(píng)價(jià)有許多方法,如主成分分析法[15]、隸屬函數(shù)法[16]、灰色關(guān)聯(lián)度法[3]、DTOPSIS 法[17]、 同 異 分 析 法[18]。 其 中DTOPSIS 法是一種新型評(píng)價(jià)方法,能夠減少人為因素干擾,研究結(jié)果更加準(zhǔn)確。 蔣聰?shù)萚19]利用DTOPSIS 法和灰色關(guān)聯(lián)度分析對(duì)水稻品種的農(nóng)藝性狀進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),篩選出麗粳23 號(hào)、云粳46 和麗粳22 號(hào)3 個(gè)綜合性狀表現(xiàn)較好的優(yōu)良品種。胡其明等[17]采用DTOPSIS 法從多性狀角度對(duì)黔西南州9 個(gè)生產(chǎn)試驗(yàn)參試雜交水稻新品種進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià),篩選出科德優(yōu)33、科德優(yōu)999、奧兩優(yōu)69 等適合當(dāng)?shù)胤N植的品種。 余本勛等[20]應(yīng)用DTOPSIS 法對(duì)2009年貴州省粳稻品種區(qū)試的參試新品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),表明用DTOPSIS 法綜合評(píng)價(jià)水稻區(qū)試品種比單用產(chǎn)量分析更為合理,評(píng)價(jià)結(jié)果更能體現(xiàn)生產(chǎn)實(shí)際。
本研究應(yīng)用基于熵權(quán)法賦值的DTOPSIS 法對(duì)近年來(lái)山東省審定的28 個(gè)水稻品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),削弱人為確定權(quán)重的主觀性和片面性,評(píng)價(jià)結(jié)果更為科學(xué)合理。 本研究在綜合評(píng)價(jià)水稻品種時(shí),將株高、生育期用中性指標(biāo)度量使各性狀量化指標(biāo)更為合理,符合目前水稻育種目標(biāo)要求,更能科學(xué)全面地評(píng)價(jià)水稻新品種。 中性指標(biāo)株高和生育期的權(quán)重分別為0.04204 和0.00177,在11 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中位于第10 位和第11 位,貢獻(xiàn)較小,今后的品種評(píng)價(jià)中要適量增加正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo),減少中性指標(biāo)。 產(chǎn)量是非常重要的性狀指標(biāo),本研究采用熵權(quán)法計(jì)算出的產(chǎn)量權(quán)重為0.04588,與目前水稻的育種目標(biāo)不相符,可能與選擇的品種、性狀指標(biāo)、樣品數(shù)量、氣候等因素有關(guān),需要進(jìn)一步試驗(yàn)證明。 本研究得出,大糧306、圣稻30、陽(yáng)光800、臨稻24 號(hào)這4 個(gè)品種綜合性狀穩(wěn)定,優(yōu)于對(duì)照品種臨稻16 號(hào),產(chǎn)量中上,適宜在臨沂市推廣種植。