基于K-means算法和TOPSIS模型的陇东旱区大豆品种饲用性能评价

耿智广 张金霞 李 峰 李世恩 施海娜 岳耀敬

（1．庆阳市农业科学研究院，甘肃 庆阳 745000；2．中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所，甘肃 兰州 730050）

黄土高原陇东地区饲草来源主要以紫花苜蓿和作物秸秆为主，存在季节性供应不平衡的问题[1]。此外，该地区属雨养农业区，年季间降水差异较大，牧草的产量难以达到稳定水平[2]。因此，开发新的优质饲草资源、增加饲草储备量是实现当地畜牧业高产优质的必经之路[3]。粗蛋白含量越高代表牧草品质越高[4]，大豆富含植物蛋白是种植优质青贮饲料的可选作物[5]，具有良好的饲用潜力[6-7]。大豆植株蛋白质含量随着植株成熟度的增加而逐渐增加，在鼓粒期前粗蛋白含量达22%，明显高于玉米或高粱[8]。大豆中的粗脂肪含量高达12.6%，而苜蓿中的粗脂肪含量仅为2%[9]。饲草中粗脂肪含量高可增加泌乳奶牛的产奶量[10]。

本研究从我国不同生态区引进大豆品种，通过对其饲草生产性能指标的测定与综合评价，探索大豆作饲草利用的可行性，从中筛选出一批适应性强、产草量高的大豆品种，以丰富黄土高原陇东旱区一年生豆科饲草品种，为当地畜草业发展提供支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2021 年引进牧用大豆、籽粒大豆、油用大豆三个类型14 个品种作为供试材料，参试大豆品种名称及来源见表1。

表1 参试大豆品种名称及来源

1.2 试验地点及土壤状况

试验地位于庆阳市农业科学研究院和盛科研基地（35°25'N，107°48'）。该地海拔1 170 m，年平均温度8.9 ℃，年日照时数2 449.2 h，无霜期165 d，年降水量600 mm左右，属西北半湿润偏旱区。土壤为黑垆土，有机质含量11.4g/kg，全氮0.94 mg/kg，碱解氮87 mg/kg，速效磷12 mg/kg，速效钾230 mg/kg。

1.3 试验设计

试验随机区组设计，3 次重复，小区面积30 m2，播种密度6 000株/667 m2。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 生育期

出苗期：全区发芽出土高约3 cm 的穴数达50%的日期。

分枝期：全区50%的植株在叶腋内长出分枝腋芽长达2厘米左右的日期。

初花期：全区50%的植株出现花朵的日期。

结荚期：全区50%的植株出现荚果的日期。

种子成熟期：叶片转黄脱落。

1.4.2 农艺性状

株高：结荚初期每个小区随机取5 穴，测量从地表至主茎顶端的高度，取平均值。

分枝数：结荚初期每个小区随机取5 穴，统计株数及分枝数，取平均值。

单株叶片数：结荚初期每个小区随机取10株，统计每株叶片数，取平均值。

单株荚果数：籽料成熟期每个小区随机取10株，统计每株荚果数，取平均值。

单株籽粒数：籽粒成熟期每个小区随机取10株，统计其每株籽粒数，取平均值。

籽粒产量：籽粒成熟期每个小区随机取3个2 m的样段齐地刈割，脱粒晒干并称重，估算小区籽粒产量。

鲜草产量：结荚初期每个小区随机取3个2 m的样段齐地刈割，称鲜重算小区产量，并折算成公顷产量。

1.4.3 饲用价值综合评价

采用Topsis法进行综合评价，具体步骤如下[11-13]：

（1）设有n个处理，m个性状，建立评价决策矩阵A。

（2） 由矩阵A 构造规范化的决策矩阵Z'，其元素为Z'ij。

式中：Z′ij为决策矩阵Z'的元素；fij为决策矩阵A 的元素。

（3）构造规范化的加权决策矩阵Z，其元素为Zij。

式中：Wj为每一指标的加权系数。

（4）确定正理想解Z+与负理想解Z-。

嘉兴和绍兴各有1处景观得到康、乾二帝的偏爱，烟雨楼在避暑山庄中仿建，兰亭在紫禁城、清漪园、圆明园、西苑和避暑山庄等多处皇家园林中仿建。

（5）计算各处理与理想解的相近度。

与正理想解的相近度S+i按式（6）计算。

与负理想解的相近度S-i按式（7）计算。

与理想解的相对接近度Ci按式（8）计算。

1.5 数据统计与分析

试验数据采用Excel 进行整理，SPSS 19.0 软件进行统计分析，LSD 法进行多重比较。结果以平均值表示，P＜0.05 表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 参试大豆品种生育期（见表2）

表2 参试大豆品种生育期 单位：mm/dd

由表2 可知，D1、D2，D3、D4、D5、D7、D11 从出苗到结荚期的周期较长，初花期均在8月1日以后，结荚期在8 月底9 月初，持绿性好。D3、D4、D5 长势好、持绿期长，但种子不能成熟。其他品种生育期较早，其中D13、D14在8月中旬叶片就开始枯黄脱落。

2.2 参试大豆品种的鲜草产量及产量因子结果（见表3）

表3 参试大豆品种的鲜草产量及产量因子结果

由表3 可知，两个饲用品种D1、D2 的株高达到212.33、218.07 cm，显著高于其他品种（P＜0.05）。其他大豆品种中，D8、D10 株高达到160.93、160.00 cm，其次是D3、D9，分别达到159.00、155.60 cm。D2 产量最高达5 620.6 kg/667 m2，D1 产量4 586.7 kg/667 m2，居第二位，这两个品种其单株叶片数、鲜草产量显著高于其他品种（P＜0.05）。除D1、D2外，产量最优的依次是D4产量为3 710.7 g/667 m2，D5 产量3 464.0 kg/667 m2，D6产量3 350.6 kg/667 m2，D3产量3 223.8 kg/667 m2，D7产量3 214.9 kg/667 m2。除D1、D2 外，分枝数较多的品种是D6、D7，均在5 个以上。叶片数较多的品种是D4、D6、D7。

2.3 参试大豆品种的饲草生产性能综合评价分析（见表4）

表4 参试大豆品种的饲草生产性能综合评价分析

由表4 可知，95%大豆的籽粒归圆，豆荚内籽粒有晃动感。

2.4 K-means聚类分析结果（见表5）

表5 K-means聚类分析结果

采用K-means 算法对14个品种进行聚类分析，类别设定为3 类，迭代次数为20，期望找出综合指标能够满足饲草生产的较优的类。

由表5可知，14个品种共分为3类，第1类D1、D2，第2类D3、D4、D5、D7，其他品种归为第3类。

将14个成员聚成3类，K-means聚类分析方差见表6。8个评价指标中除分枝数外，其余7个指标均表现出显著性，表明选中的聚类最大化的差别主要来自这7 个指标。

表6 K-means 聚类分析方差

2.5 TOPSIS分析结果

TOPSIS分析根据表4的8项指标建立评价决策矩阵A。再由矩阵A算出规范化矩阵Z‘。

权重向量以各项指标的重要性赋值，其WT={0.10 0.05 0.15 0.15 0.15 0.10 0.05 0.25}，得到规范后的加权矩阵Z，由矩阵Z确定最优方案和最劣方案：

计算各品种的S+i、S-i和Ci，结果见表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。与理想解的相对接近度Ci排序结果即是TOPSIS综合评价结果。

2.6 综合评价较高的4 个大豆品种营养及相对饲料价值（见表8）

表8 综合评价较高的4个大豆品种营养及相对饲喂价值

使用TOPSIS 法综合分析排序，D2、D1、D4、D5、D6、D7是依次排在前6的品种，而聚类分析中具有较高饲草生产能力的品种D3 不在其中，D7 也排在了D6 之后，因此选取TOPSIS法评价前4的品种，并对其营养及相对饲喂价值等指标进行测定。

由表8 可知，D2、D1、D4、D5 粗蛋白含量分别为17.3%、17.9%、19.3%、18.3%，中性洗涤纤维含量在41.32%～45.76%，粗脂肪含量在4%以上，D4的相对饲喂价值达到143.50，相对饲喂品质达到151.0。

3 讨论

3.1 参试大豆品种的生育时期分析

已有研究表明，从营养价值的角度选择，最佳的一年生饲草作物是大豆、豌豆和箭筈豌豆[14]。大豆是全株高蛋白的豆科作物，饲用大豆的最适收获期为结荚初期，此时生产性能最佳[15]。大豆生育期与产量呈正相关，也是影响粗饲料营养品质的主要因素[16]。大豆叶片部分所含的粗蛋白较其茎秆部分多，而粗纤维的含量较其茎秆部分少，故粗饲料叶片部分的营养品质较其茎秆部分高[17]。本试验中，D1、D2，D3、D4、D5、D7、D11 在从出苗到结荚期的周期较长，结荚期在8月底9月初，叶片量较高，持绿性好，具有饲草生产潜力，且结荚期与青贮玉收贮期一致，方便与再贮玉米混合收贮，以生产优质饲草。

3.2 参试大豆品种产量及产量因子分析

本试验参试品种中，两个牧用豆D2 和D1 品种对试验区的气候表现出较好的适应性，两个饲用牧草品种株高（主茎长）达到2 m 以上，且分枝多、叶量丰富，产量分别为5 620.6、4 586.7 kg/667 m2，居参试品种前2位，可引进并用于生产饲草。但其缺点为茎是匍匐型，具有攀缘性，生长后期相互缠绕，给收获造成一定的困难。其他品种产量依次是D4、D5、D6，产量分别达到了3 710.7、3 464.0、3 450.6 kg/667 m2。D8、D10 株高达到1.6 m，其次是D3、D9，在1.5 m以上；分枝数较多的品种是D6、D7，均在5 个以上；叶片数较多的品种是D4、D6、D7。但这些单项属性突出的品种并不意味着是最适宜的品种，也不能从这些数据准确推断哪几个品种适宜生产饲草，只有评价出综合性状优异的品种才适合推广应用。

3.3 参试大豆品种饲草生产性能综合评价分析

选定了与饲草生产有关的8 个指标，用K-means 算法进行聚类分析，类别设定为3 类，迭代次数为20，期望找出综合指标能满足饲草生产较优的类，K-means 聚类算法是通过对比数据的关联程度，将其聚集成类，同一类里的元素相似性较大，但不同类别相似性较小[18]。14 个品种聚为3 类，第1 类D1、D2，第2 类D3、D4、D5、D7，其他品种归为第3 类。两个饲用品种被归为一类，第二类均具有一定的饲草生产能力的籽用大豆品种，但不能决定哪个品种最优。K-means 算法简单、收敛速度快，但得到的结果是局部最优，而不是全局最优解，聚类准则单一，不能综合考虑每个类内样本的相似性[19]。为了进一步了解14 个品种的饲草生产性能，用TOPSIS法进行了综合分析。TOPSIS法是一种近于理想解的排序法，根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序的方法[20-21]。经综合分析排序得CD2＞CD1＞CD4＞CD5＞CD6＞CD7为排在前6 的品种，而聚类分析中具有较高饲草生产能力的品种D3不在其中，D7也排在了D6之后。所以针对这3 个品种的饲草生产能力还需进行进一步研究。

3.4 筛选出的饲用大豆的营养及相对饲料价值分析

评价选出的D2、D1、D4、D5 粗蛋白含量分别为17.3%、17.9%、19.3%、18.3%，中性洗涤纤维含量在41.32%～45.76%，粗脂肪含量在4%以上，D4的相对饲喂价值达到143.50，相对饲料品质达到151.0。如按中国畜牧业协会苜蓿干草质量分级标准，这4 个品种均相当于苜蓿二级标准[22]。且钙含量远高于豆粕[23]，其干草可用作为反刍动物粗饲料[24-25]，也可用作为奶牛的青绿饲料和青贮饲料[26]。

4 结论

经综合分析评价，两个牧用豆D1 和D2 对试验区的气候表现出较好的适应性，相对饲喂价值分别为143.5、135.75；籽粒大豆中可用作生产饲草的品种为D4、D5，相对饲料价值分别为151.0、143.5。4 个品种均具有较高的饲用价值。