基于模糊綜合評價法的葉用萵苣壯苗指數模型建立與驗證

張 斌 宮彬彬 邊鑫宇 吳曉蕾 李敬蕊 呂桂云 高洪波

（河北農業大學園藝學院，河北保定 071001）

葉菜類蔬菜是我國蔬菜產業的重要組成部分，占蔬菜生產的30%～40%（張文斌 等，2015）。近年來，葉菜類蔬菜消費量穩定上升，種植面積也逐漸擴大，尤其是葉菜類蔬菜移栽和收獲機械的研發和成功應用，規模化生產對葉菜類蔬菜工廠化育苗的需求激增，對秧苗的質量也提出了更高的要求。葉用萵苣（生菜）作為一類重要的葉菜類蔬菜，主要包括結球、散葉和半結球等類型，在我國栽培面積大、輻射范圍廣（郝敬虹 等，2014）。但在實際生產中，缺乏秧苗的評價指標和方法，種植者大多憑借主觀經驗或使用果菜類蔬菜秧苗的壯苗指數來評判葉用萵苣秧苗的健壯程度（劉爽 等，2014；湯輝和錢春桃，2015）。因此，建立葉用萵苣秧苗科學、可靠的評價指標，對提升其產量和品質、機械化移栽和采收具有重要作用。

蔬菜秧苗質量的重要評價指標為壯苗指數，陸幗一等在1984 年就提出了番茄壯苗指數的計算方法：壯苗指數=（莖粗/株高）×全株干質量（陸幗一 等，1984）。隨著工廠化育苗品種和育苗方式的變化，該計算方法難以滿足對所有蔬菜品種的科學評價。近年來，不同學者針對不同種類蔬菜建立了壯苗指數，如宮彬彬等（2019）采用模糊綜合評價法和主成分分析法篩選出適于番茄幼苗評價的壯苗指數；張菊平和張興志（1999）采用通徑分析和灰色關聯分析法建立了辣椒幼苗的壯苗指數；白巖等（2014）采用模糊綜合評價法進行篩選并構建了煙草壯苗指數模型。這些對壯苗指數的研究主要以果菜類蔬菜幼苗作為研究對象，而葉菜類蔬菜幼苗與果菜類蔬菜幼苗的形態差異較大，不能完全沿用果菜類蔬菜的壯苗指數進行秧苗評價，葉菜類蔬菜秧苗規模化生產迫切需要準確、可靠的秧苗評價方法。

壯苗指數建立的關鍵是選取合適的計算方法（黃淑華 等，2012）。模糊綜合評價法是一種通過多個指標隸屬函數的構建對目標進行量化評價的方法，目前已被廣泛應用于土壤肥力水平測定（楊文娜 等，2019）、綜合產量評價（Xu et al.，2021）、溫室灌溉制度評價（龔雪文 等，2017）等農業生產領域，并取得了較為理想的成果。本試驗以結球萵苣射手101 秧苗為試材，在測定多個性狀指標的基礎上，利用模糊綜合評價法計算葉用萵苣秧苗的綜合評價指數，利用主成分分析法對指標進行篩選、組合，初步構建葉用萵苣壯苗指數模型，再運用相關分析法對綜合評價指數與構建的壯苗指數模型進行相關分析，篩選出相關性大且穩定的壯苗指數模型，并應用不同類型葉用萵苣進行驗證，以期為葉用萵苣秧苗的科學評價和生產篩選提供理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020 年7—9 月在河北省承德市沽源縣三源食品科技有限公司進行。供試葉用萵苣品種為射手101（結球）、綠蝶（半結球）和玻璃脆（散葉），由上海惠和種業有限公司提供；其中，構建壯苗指數模型以射手101 為試材，驗證壯苗指數模型穩定性以射手101、綠蝶、玻璃脆為試材。育苗方式為穴盤漂浮育苗，育苗基質為草炭∶蛭石=3∶7，待秧苗長至四葉一心時取樣，清水洗凈后進行各項指標的測定。

1.2 指標測定

隨機選取300 株不同大小、健壯的射手101 秧苗，分別測定根系指標、地上部和地下部鮮質量及干質量、總葉面積、葉片長、葉片寬、SPAD、莖粗等。采用直尺測定秧苗上大于5 cm 的葉片長度和大于2 cm 的葉片寬度，分別取平均值作為葉片長和葉片寬，寬長比=葉片寬/葉片長；采用游標卡尺〔日本三豐（Mitutoyo）公司，IP67〕測定莖粗（子葉偏上部位）；采用根系掃描儀（GXY-A）對根部進行掃描，測定根系平均直徑、總體積、表面積、總長度；采用萬分之一電子天平（奧豪斯電子儀器有限公司，CP114）測定地上部鮮質量、地下部鮮質量和全株鮮質量，然后置于105 ℃殺青10 min，80 ℃條件下烘干至恒重，測定地上部干質量、地下部干質量和全株干質量；采用平臺掃描儀結合Image J 軟件測定總葉面積；每株秧苗選取3 片葉色濃綠、厚實的真葉，采用葉綠素儀SPAD-502 測定葉片SPAD 值。

1.3 壯苗指數評判體系和模型的建立

1.3.1 單項指標隸屬函數的選擇 隸屬函數的選擇是模糊綜合評價法中的首要關鍵環節。本試驗考慮實際生產需求并參考秧苗指標與質量的相關程度確定了3 種類型的隸屬函數：拋物線型、正S 型和正態分布偏大型。根據現階段葉用萵苣秧苗的壯苗標準，并考慮到與機械移栽的適應性，選定合適的隸屬函數類型來匹配相應指標。其中，葉片長在一定長度范圍內時的秧苗質量最好，過長或過短不僅會降低秧苗質量還會在移栽時造成拖苗或掛苗現象的發生，影響栽植效率（黃少華 等，2006；劉明峰等，2015），符合拋物線型隸屬函數特征；莖粗在低于某一數值時與秧苗質量呈正相關，大于該數值的則屬于壯苗并在后期可以獲得較為穩定的產量（張杰和阮先樂，2013），符合正S 型隸屬函數特征；鮮質量和干質量、總葉面積、根系指標、葉片寬、寬長比、SPAD 等與秧苗質量和后期產量均呈正相關關系并且沒有明確的上下限（張白鴿 等，2011；魚昭君 等，2017），尤其是根系指標與機械移栽中秧苗散坨率有顯著的相關性（唐玉新 等，2017），符合正態分布數據特征，因此選擇正態分布偏大型隸屬函數。

隸屬函數表達式及構建方式參考許明祥（2003）的方法，將指標的測定值代入相應隸屬函數公式，計算隸屬度，組合成葉用萵苣16 個指標的單因素評價矩陣。

式中，代表單個指標隸屬函數值，為樣本數，為指標數。

1.3.2 權重系數和綜合評價指數的計算 權重系數與綜合評價指數的計算參考宮彬彬等（2019）的方法。

1.3.3 壯苗指數模型的建立 參考河北農業大學園藝學院設施蔬菜與無土栽培課題組前期構建番茄、草莓和西瓜壯苗指數的方法（宮彬彬 等，2019），采用主成分分析法篩選關鍵指標，構建葉用萵苣壯苗指數模型。

1.4 壯苗指數模型的驗證

以射手101、綠蝶、玻璃脆為材料，每品種隨機選取60 株，測定指標和方法同1.2；根據相關性的大小驗證壯苗指數模型的穩定性。

1.5 數據處理

應用Excel 2010 軟件對試驗數據進行多元回歸分析和相關性分析，應用SPSS 22.0 軟件對試驗數據進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 單項指標的權重系數

由表1 可知，葉用萵苣秧苗根系指標、地上部和地下部鮮質量及干質量、總葉面積、葉片長、葉片寬和寬長比等指標的權重系數較為接近且偏低，在0.057～0.061 之間，表明這些指標存在明顯共線性，相關性較大；莖粗的權重系數為0.074，與其他指標間的共線性較差；葉片SPAD 的權重系數最大，為0.119，與其他指標間的相關性較小。

表1 葉用萵苣秧苗單項指標的權重系數

2.2 單項指標的隸屬函數

葉用萵苣秧苗單項指標隸屬函數的選擇與各指標的參數取值見表2。其中，葉片長在8～10 cm（包括8、10 cm）范圍內的隸屬函數值最高，超過或低于這一范圍都會造成函數值的降低；莖粗在5 mm 以下與隸屬函數值呈線性關系，大于5 mm（包括5 mm）的均為壯苗且隸屬函數值最大；地上部鮮質量、地下部鮮質量、全株鮮質量、地上部干質量、地下部干質量、全株干質量、總葉面積、根系總體積、根系總長度、根系表面積、根系平均直徑、葉片寬、寬長比和SPAD 等指標與秧苗質量均呈正態相關，并且沒有明確的上下限，隸屬函數選擇正態分布偏大型。

表2 葉用萵苣秧苗單項指標的隸屬函數和臨界值

2.3 綜合評價指數和各指標主成分分析

300 株大小存在明顯差異的葉用萵苣秧苗的綜合評價指數集中在0.215～0.958，涵蓋的范圍較大，表明綜合評價指數能夠作為壯苗指數準確性的評價依據。通過對16 個單項指標進行主成分分析，共提取到4 個主成分，第1 主成分貢獻率為41.273%，第2 主成分貢獻率為22.665%，第3主成分貢獻率為10.838%，第4 主成分貢獻率為7.933%，累積貢獻率82.709%（表3），葉用萵苣秧苗質量評判時需包含4 個主成分中的主要指標。由表4 可知，第1 主成分主要包括地上部鮮質量、全株鮮質量、總葉面積、地上部干質量、全株干質量、葉片寬、葉片長和莖粗，這些指標主要與秧苗地上部有關；第2 主成分主要包括根系表面積、根系總體積、根系平均直徑和根系總長度，這些指標主要代表著根系形態；第3 主成分主要包括地下部干質量和地下部鮮質量，這2 個指標主要與根系質量有關；第4 主成分主要包括寬長比和SPAD，這2 個指標主要與秧苗葉片形態和光合色素有關。說明葉用萵苣秧苗的質量評價應充分考慮秧苗的地上部質量、葉片形態指標、地下部質量及根系形態指標等方面。

表3 主成分分析的特征值及累積貢獻率

表4 葉用萵苣秧苗指標的主成分分析

2.4 壯苗指數模型的建立及相關分析

根據各指標貢獻值的大小以及測定的復雜程度，篩選出貢獻值較大且容易測定的指標共12項，其中PC1 中去掉葉片長和葉片寬指標，PC3中去掉地下部干質量指標，PC4 中去掉SPAD 指標；然后從每類主成分中分別選取1 項指標進行完全隨機排列組合，得到了24 個壯苗指數模型，并選擇傳統的壯苗指數=（莖粗/株高）×全株干質量（陸幗一 等，1984）和壯苗指數=（莖粗/株高+地下部干質量/地上部干質量）×全株干質量（Ma et al.，2018）作為對照（表5）。對壯苗指數模型與綜合評價指數進行相關分析，CK1、CK2 和構建的24 個壯苗指數與綜合評價指數的相關性均達極顯著水平，其中X15（壯苗指數=總葉面積×根系平均直徑×地下部鮮質量×寬長比）與綜合評價指數的相關性最大，為0.749；其他相關性較大的模型為X13、X14、X16、X17、X18、X19、X23。這8 個模型與綜合評價指數的相關性均明顯大于對照，故留待后續驗證。

表5 葉用萵苣壯苗指數模型

2.5 壯苗指數模型驗證

不同類型葉用萵苣的形態特征有所差異，為確保得出的壯苗指數具有較高的穩定性，本試驗同時利用3 種不同類型的葉用萵苣對壯苗指數模型進行驗證。從表6 可知，X15 在3 個品種中的相關性均最大，分別為0.749、0.825 和0.894，表現出較好的一致性，可作為評價葉用萵苣秧苗質量的壯苗指數。此外，其他壯苗指數的相關性也均大于CK1 和CK2，可根據實際生產情況進行選擇使用。

表6 不同類型葉用萵苣壯苗指數與綜合評價指數的相關性分析

3 討論與結論

近些年，越來越多的研究采用數學算法來分析篩選壯苗指標，黃淑華等（2012）采用相關分析和灰色關聯分析方法篩選出適于丹參幼苗的壯苗指數；張菊平和張興志（1999）應用通徑分析和灰色關聯分析法得到辣椒幼苗的壯苗指數；王廣龍等（2014）采用聚類分析和通徑分析篩選出番茄幼苗質量評價指標。但以上方法對指標均采用線性相關的分析方法，對作物的某些指標并不適用。模糊綜合評價法可以根據指標類型選擇合理的隸屬函數（林曉輝，2002），目前已在作物品種抗性評價（金艷 等，2018）、基質配方篩選（王飛 等，2020）、幼苗抗旱性評價（藺豆豆 等，2021）和煙草壯苗評價（白巖 等，2014）等農業領域得到了廣泛應用，將傳統的定性評價轉化為精準的定量評價。本試驗嘗試采用模糊綜合評價法構建了葉用萵苣壯苗指數模型，通過計算指標權重和構建非線性隸屬函數，得到了準確的綜合評價指數，為壯苗指數的篩選提供了可靠的依據。

目前許多專家針對不同作物建立了秧苗壯苗指數，例如宮彬彬等（2019）采用（總葉綠素含量/株高）×全株干質量作為番茄秧苗的壯苗指數；張碩等（2015）以壯苗指數=（莖粗/株高+地下干質量/地上干質量）×單株干質量來評價黃瓜秧苗；高玉紅等（2018）利用（根鮮質量/地上部鮮質量+莖粗/株高）×全株鮮質量作為甜瓜的壯苗指數。但由于葉菜類蔬菜秧苗與果菜類蔬菜秧苗在形態上存在較大差異，使得這些壯苗指數不能在葉菜類蔬菜上進行通用。本試驗篩選出的葉用萵苣壯苗指數模型：總葉面積×根系平均直徑×地下部鮮質量×寬長比，包含葉片形態、根系形態、根系質量等指標，與傳統壯苗評價方法〔壯苗指數=（莖粗/株高）×全株干質量〕相比，著重考慮了地上部及地下部形態發育和秧苗質量的關系（明村豪 等，2011；Kang et al.，2016；Bella et al.，2021），同時充分考慮到葉面積、寬長比和根系指標等對秧苗機械化移栽的影響（劉明峰 等，2015；唐玉新 等，2017；胡喬磊 等，2019），能夠作為葉用萵苣秧苗健壯程度科學、可靠的評價方法。

蔬菜壯苗指標的篩選和評價需要考慮到品種的適應性，因此模型的驗證要采用不同品種進行。王廣龍等（2014）以番茄品種合作906（有限生長型）為試材，以合作908（無限生長型）為驗證材料篩選番茄幼苗質量評價指標；宮彬彬等（2019）在建立番茄壯苗指數時選用金棚1 號、東圣和美顏1319 等品種作為驗證；宮彬彬等（2021）在建立草莓壯苗指數時選用紅顏、香野和甜查理等品種作為驗證。葉用萵苣雖然品種較多，但主要分為結球、半結球和散葉3 種類型（陳青君 等，2011），為確保壯苗指數的適應性，本試驗選用了3 種不同類型葉用萵苣秧苗進行驗證，證明不同類型葉用萵苣秧苗在苗期的壯苗指數差異較小，因此構建的壯苗指數具有較好的適應性，可以用于評價不同類型的葉用萵苣秧苗。

本試驗建立的葉用萵苣秧苗的壯苗指數模型X15（壯苗指數=總葉面積×根系平均直徑×地下部鮮質量×寬長比），提高了壯苗指數的精準度，可以作為葉用萵苣秧苗的科學、可靠的評價方法；但從指標測定難易程度考慮，模型X19（壯苗指數=地上部鮮質量×根系總長度×地下部鮮質量×寬長比）也可作為生產應用的參考方法，為葉菜類蔬菜優質秧苗的科學評價和生產選用提供理論依據。