基于K-means算法和TOPSIS模型的隴東旱區大豆品種飼用性能評價

耿智廣 張金霞 李 峰 李世恩 施海娜 岳耀敬

（1．慶陽市農業科學研究院，甘肅 慶陽 745000；2．中國農業科學院蘭州畜牧與獸藥研究所，甘肅 蘭州 730050）

黃土高原隴東地區飼草來源主要以紫花苜蓿和作物秸稈為主，存在季節性供應不平衡的問題[1]。此外，該地區屬雨養農業區，年季間降水差異較大，牧草的產量難以達到穩定水平[2]。因此，開發新的優質飼草資源、增加飼草儲備量是實現當地畜牧業高產優質的必經之路[3]。粗蛋白含量越高代表牧草品質越高[4]，大豆富含植物蛋白是種植優質青貯飼料的可選作物[5]，具有良好的飼用潛力[6-7]。大豆植株蛋白質含量隨著植株成熟度的增加而逐漸增加，在鼓粒期前粗蛋白含量達22%，明顯高于玉米或高粱[8]。大豆中的粗脂肪含量高達12.6%，而苜蓿中的粗脂肪含量僅為2%[9]。飼草中粗脂肪含量高可增加泌乳奶牛的產奶量[10]。

本研究從我國不同生態區引進大豆品種，通過對其飼草生產性能指標的測定與綜合評價，探索大豆作飼草利用的可行性，從中篩選出一批適應性強、產草量高的大豆品種，以豐富黃土高原隴東旱區一年生豆科飼草品種，為當地畜草業發展提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2021 年引進牧用大豆、籽粒大豆、油用大豆三個類型14 個品種作為供試材料，參試大豆品種名稱及來源見表1。

表1 參試大豆品種名稱及來源

1.2 試驗地點及土壤狀況

試驗地位于慶陽市農業科學研究院和盛科研基地（35°25'N，107°48'）。該地海拔1 170 m，年平均溫度8.9 ℃，年日照時數2 449.2 h，無霜期165 d，年降水量600 mm左右，屬西北半濕潤偏旱區。土壤為黑壚土，有機質含量11.4g/kg，全氮0.94 mg/kg，堿解氮87 mg/kg，速效磷12 mg/kg，速效鉀230 mg/kg。

1.3 試驗設計

試驗隨機區組設計，3 次重復，小區面積30 m2，播種密度6 000株/667 m2。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 生育期

出苗期：全區發芽出土高約3 cm 的穴數達50%的日期。

分枝期：全區50%的植株在葉腋內長出分枝腋芽長達2厘米左右的日期。

初花期：全區50%的植株出現花朵的日期。

結莢期：全區50%的植株出現莢果的日期。

種子成熟期：葉片轉黃脫落。

1.4.2 農藝性狀

株高：結莢初期每個小區隨機取5 穴，測量從地表至主莖頂端的高度，取平均值。

分枝數：結莢初期每個小區隨機取5 穴，統計株數及分枝數，取平均值。

單株葉片數：結莢初期每個小區隨機取10株，統計每株葉片數，取平均值。

單株莢果數：籽料成熟期每個小區隨機取10株，統計每株莢果數，取平均值。

單株籽粒數：籽粒成熟期每個小區隨機取10株，統計其每株籽粒數，取平均值。

籽粒產量：籽粒成熟期每個小區隨機取3個2 m的樣段齊地刈割，脫粒曬干并稱重，估算小區籽粒產量。

鮮草產量：結莢初期每個小區隨機取3個2 m的樣段齊地刈割，稱鮮重算小區產量，并折算成公頃產量。

1.4.3 飼用價值綜合評價

采用Topsis法進行綜合評價，具體步驟如下[11-13]：

（1）設有n個處理，m個性狀，建立評價決策矩陣A。

（2） 由矩陣A 構造規范化的決策矩陣Z'，其元素為Z'ij。

式中：Z′ij為決策矩陣Z'的元素；fij為決策矩陣A 的元素。

（3）構造規范化的加權決策矩陣Z，其元素為Zij。

式中：Wj為每一指標的加權系數。

（4）確定正理想解Z+與負理想解Z-。

嘉興和紹興各有1處景觀得到康、乾二帝的偏愛，煙雨樓在避暑山莊中仿建，蘭亭在紫禁城、清漪園、圓明園、西苑和避暑山莊等多處皇家園林中仿建。

（5）計算各處理與理想解的相近度。

與正理想解的相近度S+i按式（6）計算。

與負理想解的相近度S-i按式（7）計算。

與理想解的相對接近度Ci按式（8）計算。

1.5 數據統計與分析

試驗數據采用Excel 進行整理，SPSS 19.0 軟件進行統計分析，LSD 法進行多重比較。結果以平均值表示，P＜0.05 表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 參試大豆品種生育期（見表2）

表2 參試大豆品種生育期 單位：mm/dd

由表2 可知，D1、D2，D3、D4、D5、D7、D11 從出苗到結莢期的周期較長，初花期均在8月1日以后，結莢期在8 月底9 月初，持綠性好。D3、D4、D5 長勢好、持綠期長，但種子不能成熟。其他品種生育期較早，其中D13、D14在8月中旬葉片就開始枯黃脫落。

2.2 參試大豆品種的鮮草產量及產量因子結果（見表3）

表3 參試大豆品種的鮮草產量及產量因子結果

由表3 可知，兩個飼用品種D1、D2 的株高達到212.33、218.07 cm，顯著高于其他品種（P＜0.05）。其他大豆品種中，D8、D10 株高達到160.93、160.00 cm，其次是D3、D9，分別達到159.00、155.60 cm。D2 產量最高達5 620.6 kg/667 m2，D1 產量4 586.7 kg/667 m2，居第二位，這兩個品種其單株葉片數、鮮草產量顯著高于其他品種（P＜0.05）。除D1、D2外，產量最優的依次是D4產量為3 710.7 g/667 m2，D5 產量3 464.0 kg/667 m2，D6產量3 350.6 kg/667 m2，D3產量3 223.8 kg/667 m2，D7產量3 214.9 kg/667 m2。除D1、D2 外，分枝數較多的品種是D6、D7，均在5 個以上。葉片數較多的品種是D4、D6、D7。

2.3 參試大豆品種的飼草生產性能綜合評價分析（見表4）

表4 參試大豆品種的飼草生產性能綜合評價分析

由表4 可知，95%大豆的籽粒歸圓，豆莢內籽粒有晃動感。

2.4 K-means聚類分析結果（見表5）

表5 K-means聚類分析結果

采用K-means 算法對14個品種進行聚類分析，類別設定為3 類，迭代次數為20，期望找出綜合指標能夠滿足飼草生產的較優的類。

由表5可知，14個品種共分為3類，第1類D1、D2，第2類D3、D4、D5、D7，其他品種歸為第3類。

將14個成員聚成3類，K-means聚類分析方差見表6。8個評價指標中除分枝數外，其余7個指標均表現出顯著性，表明選中的聚類最大化的差別主要來自這7 個指標。

表6 K-means 聚類分析方差

2.5 TOPSIS分析結果

TOPSIS分析根據表4的8項指標建立評價決策矩陣A。再由矩陣A算出規范化矩陣Z‘。

權重向量以各項指標的重要性賦值，其WT={0.10 0.05 0.15 0.15 0.15 0.10 0.05 0.25}，得到規范后的加權矩陣Z，由矩陣Z確定最優方案和最劣方案：

計算各品種的S+i、S-i和Ci，結果見表7。

表7 S+i 值、S-i 值和Ci值及排序

由表7 可知，CD2＞CD1＞CD4＞CD5＞CD6＞CD7＞CD13＞CD3＞CD12＞CD10＞CD8＞CD14＞CD11＞CD9。與理想解的相對接近度Ci排序結果即是TOPSIS綜合評價結果。

2.6 綜合評價較高的4 個大豆品種營養及相對飼料價值（見表8）

表8 綜合評價較高的4個大豆品種營養及相對飼喂價值

使用TOPSIS 法綜合分析排序，D2、D1、D4、D5、D6、D7是依次排在前6的品種，而聚類分析中具有較高飼草生產能力的品種D3 不在其中，D7 也排在了D6 之后，因此選取TOPSIS法評價前4的品種，并對其營養及相對飼喂價值等指標進行測定。

由表8 可知，D2、D1、D4、D5 粗蛋白含量分別為17.3%、17.9%、19.3%、18.3%，中性洗滌纖維含量在41.32%～45.76%，粗脂肪含量在4%以上，D4的相對飼喂價值達到143.50，相對飼喂品質達到151.0。

3 討論

3.1 參試大豆品種的生育時期分析

已有研究表明，從營養價值的角度選擇，最佳的一年生飼草作物是大豆、豌豆和箭筈豌豆[14]。大豆是全株高蛋白的豆科作物，飼用大豆的最適收獲期為結莢初期，此時生產性能最佳[15]。大豆生育期與產量呈正相關，也是影響粗飼料營養品質的主要因素[16]。大豆葉片部分所含的粗蛋白較其莖稈部分多，而粗纖維的含量較其莖稈部分少，故粗飼料葉片部分的營養品質較其莖稈部分高[17]。本試驗中，D1、D2，D3、D4、D5、D7、D11 在從出苗到結莢期的周期較長，結莢期在8月底9月初，葉片量較高，持綠性好，具有飼草生產潛力，且結莢期與青貯玉收貯期一致，方便與再貯玉米混合收貯，以生產優質飼草。

3.2 參試大豆品種產量及產量因子分析

本試驗參試品種中，兩個牧用豆D2 和D1 品種對試驗區的氣候表現出較好的適應性，兩個飼用牧草品種株高（主莖長）達到2 m 以上，且分枝多、葉量豐富，產量分別為5 620.6、4 586.7 kg/667 m2，居參試品種前2位，可引進并用于生產飼草。但其缺點為莖是匍匐型，具有攀緣性，生長后期相互纏繞，給收獲造成一定的困難。其他品種產量依次是D4、D5、D6，產量分別達到了3 710.7、3 464.0、3 450.6 kg/667 m2。D8、D10 株高達到1.6 m，其次是D3、D9，在1.5 m以上；分枝數較多的品種是D6、D7，均在5 個以上；葉片數較多的品種是D4、D6、D7。但這些單項屬性突出的品種并不意味著是最適宜的品種，也不能從這些數據準確推斷哪幾個品種適宜生產飼草，只有評價出綜合性狀優異的品種才適合推廣應用。

3.3 參試大豆品種飼草生產性能綜合評價分析

選定了與飼草生產有關的8 個指標，用K-means 算法進行聚類分析，類別設定為3 類，迭代次數為20，期望找出綜合指標能滿足飼草生產較優的類，K-means 聚類算法是通過對比數據的關聯程度，將其聚集成類，同一類里的元素相似性較大，但不同類別相似性較小[18]。14 個品種聚為3 類，第1 類D1、D2，第2 類D3、D4、D5、D7，其他品種歸為第3 類。兩個飼用品種被歸為一類，第二類均具有一定的飼草生產能力的籽用大豆品種，但不能決定哪個品種最優。K-means 算法簡單、收斂速度快，但得到的結果是局部最優，而不是全局最優解，聚類準則單一，不能綜合考慮每個類內樣本的相似性[19]。為了進一步了解14 個品種的飼草生產性能，用TOPSIS法進行了綜合分析。TOPSIS法是一種近于理想解的排序法，根據有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序的方法[20-21]。經綜合分析排序得CD2＞CD1＞CD4＞CD5＞CD6＞CD7為排在前6 的品種，而聚類分析中具有較高飼草生產能力的品種D3不在其中，D7也排在了D6之后。所以針對這3 個品種的飼草生產能力還需進行進一步研究。

3.4 篩選出的飼用大豆的營養及相對飼料價值分析

評價選出的D2、D1、D4、D5 粗蛋白含量分別為17.3%、17.9%、19.3%、18.3%，中性洗滌纖維含量在41.32%～45.76%，粗脂肪含量在4%以上，D4的相對飼喂價值達到143.50，相對飼料品質達到151.0。如按中國畜牧業協會苜蓿干草質量分級標準，這4 個品種均相當于苜蓿二級標準[22]。且鈣含量遠高于豆粕[23]，其干草可用作為反芻動物粗飼料[24-25]，也可用作為奶牛的青綠飼料和青貯飼料[26]。

4 結論

經綜合分析評價，兩個牧用豆D1 和D2 對試驗區的氣候表現出較好的適應性，相對飼喂價值分別為143.5、135.75；籽粒大豆中可用作生產飼草的品種為D4、D5，相對飼料價值分別為151.0、143.5。4 個品種均具有較高的飼用價值。