用基于熵值賦權的DTOPSIS 法綜合評價水稻品種

劉麗娟，劉延剛，金桂秀

(臨沂市農(nóng)業(yè)科學院，山東 臨沂 276012)

水稻(Oryza sativaL.)是我國的主要糧食作物之一，全國有65%以上的人口以稻米為主食，其在保障我國糧食安全中起著至關重要的作用[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，是我國著名的優(yōu)質粳米產(chǎn)區(qū)[2]。 由于水稻品種有明顯的地域性，針對臨沂市生態(tài)環(huán)境特點，準確、科學、全面地分析評價水稻品種，對于水稻新品種的選育和應用具有重要意義[3]。 水稻品種的多性狀綜合評價是現(xiàn)代育種的一個重要環(huán)節(jié)，品種綜合表現(xiàn)好壞取決于多個性狀的表現(xiàn)，只有綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良的品種才有推廣應用價值[4]。

品種綜合表現(xiàn)的評價是新品種推廣應用的基礎，DTOPSIS 法是姚興濤等[5]提出的一種多目標決策方法，使品種的“綜合性狀”這一模糊指標量化為該品種對理想解的相對接近度Ci，能夠減少人為因素的干擾，研究結果更加準確，為品種的綜合評價和推廣應用提供了較為準確的依據(jù)[6，7]。DTOPSIS 法已經(jīng)應用于玉米、小麥、大豆、棉花、甘蔗、烤煙等作物品種的綜合評價上[8-13]。 熵權法建立在指標觀測值的基礎上，以各參評項目在指標數(shù)列中的區(qū)分度來確定權重，克服了權重主觀賦值法帶來的缺點，提高了評價的客觀性[14]。 本研究以近年來通過山東省審定的28 個水稻品種為試材，選擇11 個評價指標，利用熵權法對各評價指標賦權，采用DTOPSIS 法對其進行綜合評價，以期篩選出適合臨沂市種植的水稻新品種，為當?shù)氐乃酒贩N推廣種植提供參考，也為水稻品種的綜合評價尋求更合適的研究方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為近年來山東省審定的臨稻16 號、陽光600、圣稻20、陽光800、臨稻21 號、潤農(nóng)4 號等28 個水稻品種，其中臨稻16 號為對照品種(表1)。

表1 供試28 個水稻品種

1.2 試驗地概況

試驗于2021年在臨沂市農(nóng)業(yè)科學院進行。該地屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫13.3℃，年均降水量840 mm 左右，無霜期198 天。 試驗地平坦，排灌方便，土質壤土，肥力中等。 秧田四周為麥田，前茬為小麥。

1.3 試驗方法

試驗采用隨機區(qū)組排列，重復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。 四周設保護行。 田間管理同常規(guī)大田。

分別于苗期、分蘗期、成熟期進行田間觀察測量，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 墩有代表性植株進行考種，記錄穗長、穗總粒數(shù)、穗實粒數(shù)，計算結實率、千粒重。全區(qū)收獲計產(chǎn)。 數(shù)據(jù)為3 次重復的平均值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2013 處理數(shù)據(jù)，分析方法選用基于熵權的DTOPSIS 法。

1.4.1 DTOPSIS 法 該法可以將多個品種的多個指標無量綱化，即將不同度量的指標統(tǒng)一化，使其可相互比較。

(1)對m 個水稻品種及n 個性狀指標平均值進行處理，建立綜合評價矩陣A，計算公式如下:

(2)無量綱化處理。 根據(jù)育種目標，將用于DTOPSIS 綜合評價的指標分為正向指標和中性指標兩類，再將比較矩陣A 進行無量綱化處理，使其成為可比較的規(guī)范化矩陣Z。 計算公式如下:

正向指標計算處理公式:

式中，Y 為各指標無量綱化處理后的結果，Yjmax＝max(Yij)；i＝1，2，3，…，28；j＝1，2，3，…，11。

中性指標計算處理公式:

式中，Y0i為性狀目標值；abs 為絕對值函數(shù)。

(3)建立加權決策矩陣。 各指標權重ai乘矩陣Z 中的第j 列得到?jīng)Q策矩陣R。

(4)各指標的理想解和負理想解。 計算各指標的正理想解X＋和負理想解X-。 公式如下:

(5)關聯(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Si＋及與最差性狀間的距離Si-，并計算各個品種與理想材料的接近度Ci。 公式如下:

1.4.2 熵權法 采用熵權法求取各性狀的權重。

(1)計算各個指標的熵值，公式如下:

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

(2)各個指標的權重a，計算公式如下:

式中，a 為各個指標的權重，N 為指標總數(shù)。

2 結果與分析

2.1 構建比較矩陣

根據(jù)28 個參試水稻品種的11 個性狀指標構建成評價矩陣A(表2)。 這11 個評價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、穗粒數(shù)、穗實粒數(shù)、結實率、千粒重和產(chǎn)量。

表2 28 個水稻品種的性狀比較

2.2 無量綱化處理

根據(jù)生產(chǎn)實際，將用于DTOPSIS 綜合評價的11 個指標分為正向指標和中性指標兩類。 其中第1 列全生育期與第5 列株高為中性指標，根據(jù)試驗要求，設生育期的標準值為Y01＝155.0 d，株高的標準值為Y02＝100.0 cm；其余各列均為正向指標。 產(chǎn)量、結實率、千粒重、成穗率、穗長、有效穗數(shù)、穗實粒數(shù)、最高苗數(shù)和穗粒數(shù)作為正向指標，指標值越大越好；中性指標株高和生育期，要求指標值大小適中。 分別采用正向指標公式(2)及中性指標公式(3)，計算得到無量綱化矩陣A(表3)。

2.3 熵權法確定各指標的權重

在水稻品種評價中，評價指標的熵值越大，表示差異性系數(shù)越小；權重越大，則該指標提供的信息量越大，其在品種評價中的貢獻越大。 根據(jù)公式(9)(10)分別計算各指標的熵值和權重，結果(表4)表明，各指標的權重從低到高依次為:全生育期＜株高＜產(chǎn)量＜結實率＜千粒重＜成穗率＜穗長＜有效穗數(shù)＜穗實粒數(shù)＜最高苗數(shù)＜穗粒數(shù)。 其中穗粒數(shù)、最高苗數(shù)、穗實粒數(shù)、有效穗數(shù)的權重加和為0.66247，表明這4 個指標在綜合評價中影響最大。 中性指標株高和生育期的權重分別是0.04204和0.00177，在11 個評價指標中位于第10位和第11 位，說明這兩個指標在水稻品種評價中的貢獻較小。

表4 不同性狀指標的熵權及權重

從目前水稻生產(chǎn)實際情況看，產(chǎn)量是一個非常重要的性狀指標，采用熵權法計算出的權重為0.04588，權重值偏小，可能與選擇的品種、性狀指標、樣品數(shù)量、氣候等因素有關，還需進一步試驗證明。

2.4 建立決策矩陣

將熵權法確定的各個指標權重ai乘以矩陣Z中的第j 列得到?jīng)Q策矩陣R(表5)。

表5 28 個水稻品種的決策矩陣

2.5 參試品種各性狀的理想解和負理想解

根據(jù)公式(4)(5)計算得到11 個性狀的理想解與負理想解數(shù)，如下:

2.6 參試品種理想解的相對接近度分析

根據(jù)公式(6)(7)分別計算得出各參試品種與正負理想解的距離，根據(jù)公式(8)計算得出各參試品種與理想解的相對接近度(表6)。 Ci值越大，表示該品種越接近理想的育種目標。 Ci值排序前5 位的品種依次為:潤農(nóng)303＞圣稻26＞濟稻4 號＞大糧306＞圣稻30。 其中，潤農(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，說明這兩個品種綜合性狀優(yōu)良，但產(chǎn)量不達標，不適宜在當?shù)赝茝V種植；濟稻4 號的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的DTOPSIS 法的Ci值排序結果與僅以產(chǎn)量作為評價指標的排序結果存在一定差異。 臨稻16 號的Ci值排名第27，其產(chǎn)量排名第15，為中等，但有效穗數(shù)等綜合指標評價落后；圣香糯1 號的Ci值排名第28，其產(chǎn)量排名第27，產(chǎn)量和綜合評價指標都落后，這兩個品種不適宜在當?shù)乩^續(xù)種植。

表6 DTOPSIS 法計算結果

綜合 評 價，大 糧306 (0. 5804)、 圣 稻30(0.5765)、陽光800(0.5484)、臨稻24 號(0.5342)這4 個品種綜合性狀穩(wěn)定，優(yōu)于對照品種臨稻16號，且產(chǎn)量中上，可以在臨沂市推廣種植。

3 討論與結論

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展對水稻品種的要求更高，育種家也將水稻育種目標定位在農(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用價值。 水稻品種綜合評價有許多方法，如主成分分析法[15]、隸屬函數(shù)法[16]、灰色關聯(lián)度法[3]、DTOPSIS 法[17]、 同 異 分 析 法[18]。 其 中DTOPSIS 法是一種新型評價方法，能夠減少人為因素干擾，研究結果更加準確。 蔣聰?shù)萚19]利用DTOPSIS 法和灰色關聯(lián)度分析對水稻品種的農(nóng)藝性狀進行綜合評價，篩選出麗粳23 號、云粳46 和麗粳22 號3 個綜合性狀表現(xiàn)較好的優(yōu)良品種。胡其明等[17]采用DTOPSIS 法從多性狀角度對黔西南州9 個生產(chǎn)試驗參試雜交水稻新品種進行綜合分析與評價，篩選出科德優(yōu)33、科德優(yōu)999、奧兩優(yōu)69 等適合當?shù)胤N植的品種。 余本勛等[20]應用DTOPSIS 法對2009年貴州省粳稻品種區(qū)試的參試新品種進行綜合評價，表明用DTOPSIS 法綜合評價水稻區(qū)試品種比單用產(chǎn)量分析更為合理，評價結果更能體現(xiàn)生產(chǎn)實際。

本研究應用基于熵權法賦值的DTOPSIS 法對近年來山東省審定的28 個水稻品種進行綜合評價，削弱人為確定權重的主觀性和片面性，評價結果更為科學合理。 本研究在綜合評價水稻品種時，將株高、生育期用中性指標度量使各性狀量化指標更為合理，符合目前水稻育種目標要求，更能科學全面地評價水稻新品種。 中性指標株高和生育期的權重分別為0.04204 和0.00177，在11 個評價指標中位于第10 位和第11 位，貢獻較小，今后的品種評價中要適量增加正向指標和負向指標，減少中性指標。 產(chǎn)量是非常重要的性狀指標，本研究采用熵權法計算出的產(chǎn)量權重為0.04588，與目前水稻的育種目標不相符，可能與選擇的品種、性狀指標、樣品數(shù)量、氣候等因素有關，需要進一步試驗證明。 本研究得出，大糧306、圣稻30、陽光800、臨稻24 號這4 個品種綜合性狀穩(wěn)定，優(yōu)于對照品種臨稻16 號，產(chǎn)量中上，適宜在臨沂市推廣種植。