安 東， 來興發(fā)， 鄧建強， 韓天富， 沈禹穎*

(1. 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院/草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)國家重點實驗室， 甘肅 蘭州730020；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所， 北京 100081)

大豆(Glycinemax(L.)Merrill)原產(chǎn)于中國，19世紀(jì)初被美國引進栽培用作飼草作物，因其具有高營養(yǎng)和牲畜喜食特性被廣泛種植[1-2]。后隨著人類對食物需求的不斷增加，大豆逐漸被改良成糧食作物[3]。大豆是光周期敏感的作物，以籽粒收獲為目標(biāo)的種植往往受到嚴(yán)格的區(qū)域限制[4]。將適宜低緯地區(qū)種植的品種移至高緯地區(qū)，其營養(yǎng)生長期會被大大延長，甚至無法在收獲季轉(zhuǎn)入生殖生長階段[5]。與此同時，其營養(yǎng)生長得到充分加強，營養(yǎng)體生物量積累較當(dāng)?shù)剡m宜的品種可提高數(shù)倍，飼用專用大豆品種的飼草產(chǎn)量是其籽粒產(chǎn)量的2倍[6-7]。選育飼用大豆品種對于應(yīng)對傳統(tǒng)農(nóng)區(qū)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、豐富一年生豆科飼草種類、滿足草食家畜的優(yōu)質(zhì)植物蛋白供應(yīng)、實現(xiàn)綠色高質(zhì)量發(fā)展有重要意義。

產(chǎn)量和品質(zhì)是評價作物飼用價值的兩個方面[8]，為評價牧草產(chǎn)量和品質(zhì)的種間差異，以往的研究大多集中于比較飼草品種的產(chǎn)量、品質(zhì)指標(biāo)在年內(nèi)和年際的差異，而沒有將多個重要質(zhì)量指標(biāo)合成一個綜合指標(biāo)[9]。近期的研究表明，采用綜合多指標(biāo)決策分析方法(technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS)進行統(tǒng)計分析時，對數(shù)據(jù)分布及樣本量、指標(biāo)方面對原始數(shù)據(jù)的利用較充分，信息損失量少，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[10]。因此，本研究擬利用大豆光周期敏感的這一特性，將東南、華南和西南地區(qū)的33個籽粒型晚熟大豆品種引種到隴東旱塬，利用基于主成分分析(principal component analysis,PCA)和熵權(quán)法(entropy weight,EW)的TOPSIS法[11]，對引種品種在當(dāng)?shù)氐纳L表現(xiàn)和飼用價值進行評價，以期從中篩選出宜當(dāng)?shù)丨h(huán)境的兼顧高產(chǎn)和高飼用品質(zhì)的飼用大豆品種，為當(dāng)?shù)氐募Z改飼和草牧業(yè)發(fā)展提供飼草資源。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年在蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)野外科學(xué)觀測研究站(35°39′ N，107°51′ E，海拔1 297 m)開展，地處甘肅省慶陽市西峰區(qū)什社鄉(xiāng)，該區(qū)屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，年平均降雨量561 mm，60%以上集中在7-9月，年平均氣溫8.3℃，年日照時數(shù)2 300～2 700 h，無霜期161 d，生長季225 d。土壤為黑壚土，表層(0～15 cm)pH值為8.2，全氮含量0.84 g·kg-1，有機碳含量為6.8 g·kg-1。

1.2 試驗材料與設(shè)計

供試材料為來自南方的籽粒型晚熟大豆品種，其中東南地區(qū)15個，華南地區(qū)8個，西南地區(qū)10個，采用慶陽當(dāng)?shù)刂髟源蠖蛊贩N作對照(隴黃3號)(見表1)。所有品種于2018年5月14日采用等距離穴播，穴距50 cm，行距40 cm，播深5 cm，采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，每個品種重復(fù)3次，共114個小區(qū)，小區(qū)面積6 m2(2 m×3 m)，小區(qū)之間間隔1 m。播種前施磷酸二銨(N∶P∶K=18∶46∶0)225 kg·hm-2。作物生長期間無追肥和灌溉處理。

表1 供試33個大豆品種及來源Table 1 33 soybeans varieties (lines) used of this study

注：后續(xù)表圖中的材料編號與該表一致

Note：All the code of accessions in the following figures and tables are consistent with this table

1.3 生育期觀測

出苗后每個小區(qū)隨機選取5株掛牌標(biāo)記，進行定株觀測。按大豆生育期劃分標(biāo)準(zhǔn)[10]，子葉在地面以上為出苗期(vegetative growth-emergence,VE)，主莖的任何節(jié)位上有一朵花開放為初花期(reproductive growth-early flowering stage，R1)，每兩天觀察一次，分株記載VE期、R1期，并計算出苗至初花所需天數(shù)(days from emergence to the beginning bloom，DTB)。

1.4 干物質(zhì)產(chǎn)量性狀測定

在大豆R1期時，各小區(qū)分別隨機選取長勢均勻、有代表性的3株，齊地面刈割，鮮樣經(jīng)105℃殺青、75℃烘干至恒重，記錄干物質(zhì)產(chǎn)量，并根據(jù)單株占地面積按比例換算成每公頃產(chǎn)干物質(zhì)產(chǎn)量(dry matter，DM)。根據(jù)每公頃干物質(zhì)產(chǎn)量和出苗至初花天數(shù)得出干物質(zhì)積累速率(dry matter accumulation rate，DMAR)，計算公式：DMAR(kg·d-1·hm-2)=1 000×DM/DTB。

1.5 品質(zhì)性狀測定

R1期樣品烘干后粉碎過篩備用，用于營養(yǎng)成分分析。測定大豆植株粗蛋白(crude protein，CP)、中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF)、酸性洗滌纖維(acid detergent fiber，ADF)、粗脂肪(crude fat，CF)、粗灰分(Ash)。用凱氏定氮法測定CP；范氏洗滌纖維分析法測定NDF和ADF含量；索氏浸提法測定CF；高溫灼燒化干灰法測定粗灰分[11-12]。

1.6 飼用性能的綜合評價

為了更好地闡明和可視化大豆飼用品質(zhì)指標(biāo)之間潛在的相互關(guān)系，使用R包“FactoMineR”的PCA函數(shù)對5個品質(zhì)指標(biāo)(即CP，NDF，ADF，CF和Ash)進行了PCA分析。為了量化各品質(zhì)指標(biāo)在評價中的相對重要性，利用R包“entropy”的熵函數(shù)計算各指標(biāo)的權(quán)重。據(jù)PCA和EW分析結(jié)果，利用R包“topsis”中的topsis函數(shù)得出大豆品種飼用品質(zhì)的綜合得分(score)。根據(jù)大豆品種的品質(zhì)綜合得分和干物質(zhì)產(chǎn)量做出二維散點圖用于評價[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 33個大豆品種(系)出苗至初花(R1)物候表現(xiàn)

參試33份材料的DTB平均為92 d，均晚于本地對照品種的70 d，不同地區(qū)品種到達花期所需時間存在差異，華南地區(qū)最長，平均需要99 d，來自東南地區(qū)和西南地區(qū)的各品種平均開花所需天數(shù)均為為89 d。超過100 d的品種有7個，華南區(qū)有5個，東南區(qū)和西南區(qū)各1個，其中桂夏1號和桂夏4號所需天數(shù)最長，達到110 d，除此之外還有桂夏6號(106 d)、桂夏5號(103 d)、桂夏7號(103 d)、南農(nóng)33(103 d)、自貢冬豆(102 d)。開花期短于80 d的品種有7個，以滇豆7號開花用時最短，僅比對照品種晚5 d(表2～表4)。

表2 來自東南地區(qū)15個粒型晚熟大豆品種(系)在隴東旱塬的大豆品種(系)物候、R1期干物質(zhì)產(chǎn)量及干物質(zhì)積累速率Table2 Phenology,DTB,DM and DMAR at R1 stage in soybean varieties origin from Southeast China

注：同列中不同小寫字母間差異顯著(P<0.05)，下同

Note:Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level,the same as below

表3 來自華南地區(qū)8個粒型晚熟大豆品種(系)在隴東旱塬的大豆品種(系)物候、R1期干物質(zhì)產(chǎn)量及干物質(zhì)積累速率Table 3 Phenology,DTB,DM and DMAR at R1 stage in soybean varieties origin from South China

表4 來自西南地區(qū)10個籽粒型晚熟大豆品種(系)在隴東旱塬生育期、R1期干物質(zhì)產(chǎn)量及干物質(zhì)積累速率Table 4 Phenology,DTB,DM and DMAR at R1 stage in soybean varieties origin from Southwest China

2.2 33個大豆品種(系)初花(R1)期干物質(zhì)產(chǎn)量

參試33個大豆品種(系)R1期干物質(zhì)產(chǎn)量表現(xiàn)有較大的差異，變幅為1.38～16.31 t·hm-2，平均產(chǎn)量為5.46 t·hm-2，有12個品種高于平均產(chǎn)量，東南地區(qū)4個，華南地區(qū)7個，西南地區(qū)1個。產(chǎn)量達到10 t·hm-2以上的有5個品種，均來自華南地區(qū)，依次是桂夏1號(16.31 t·hm-2)、桂夏5號(15.58 t·hm-2)、華夏3號(15.48 t·hm-2)、桂夏7號(14.21 t·hm-2)和桂夏4號(12.07 t·hm-2)，是對照本地品種(2.34 t·hm-2)的6～8倍。東南地區(qū)供試品種產(chǎn)量最高的為蘭溪大黃豆(7.35 t·hm-2)，西南地區(qū)為自貢冬豆(9.07 t·hm-2)。青皮豆和桐梓小灰豆的干物質(zhì)產(chǎn)量低于對照，不足2 t·hm-2(表2～表4)。

引種大豆干物質(zhì)積累速率范圍為22.01～162.20 kg·d-1·hm-2，生長速度在100 kg·d-1·hm-2以上的6個品種均來自華南地區(qū)，其中華夏3號生長最快，其次有桂夏5號(151.52 kg·d-1·hm-2)、桂夏1號(151.28 kg·d-1·hm-2)、桂夏7號(137.53 kg·d-1·hm-2)、桂夏4號(112.06 kg·d-1·hm-2)和華夏10號(104.35 kg·d-1·hm-2)(表2)。東南地區(qū)生長速度最快的為蘭溪大黃豆(75.24 kg·d-1·hm-2)(表3)，西南地區(qū)最快的為自貢冬豆(88.72 kg·d-1·hm-2)(表4)。

2.3 33個大豆品種(系)初花(R1)期主要品質(zhì)性狀

達到花期的大豆品種(系)全株CP含量變異范圍為14.25%～19.97%，平均含量為16.70%，高于平均值的品種有17個，其中來自東南地區(qū)8個、華南地區(qū)4個、西南地區(qū)5個。CP含量在19%以上的品種有南豆33(19.97%)和南豆35(19.18%)。NDF含量變異為72.98%～82.49%，平均值77.28 %，低于平均值的品種有17個，其中東南地區(qū)11個、華南地區(qū)4個、西南地區(qū)2個，NDF含量最低的品種為滇豆7號，含量最高的為桂夏1號。ADF含量變異范圍為37.72%～51.23%，平均值為45.83%，低于平均值的品種有14個，其中東南地區(qū)7個、華南地區(qū)3個、西南地區(qū)4個，含量最低的為本地對照品種，含量最高的為桂夏1號。供試材料的CF含量多數(shù)在2%～3%之間，平均值為2.52%，有14個品種高于平均值，其中東南地區(qū)8個、華南地區(qū)1個、西南地區(qū)5個，含量最高的品種為浙秋豆2號，為4.94%；最低的是浙鮮84，僅為1.52%。Ash含量變異較大，最高的為信都小黃豆(21.91%)，約為平均含量的2倍，含量最低的品種為桂夏7號，為8.68%(圖1)。

圖1 33個南方籽粒型晚熟大豆品種花期植株主要飼用品質(zhì)性狀Fig.1 Forage trait in 33 late mature soybean varieties (lines) from Southern China注：柱上數(shù)值為指標(biāo)測定值Note:The value on the column is the measured value of the index

2.3 33個大豆品種(系)品質(zhì)性狀的主成分分析

圖2是大豆品種(系)品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析雙標(biāo)圖，從圖中可看出，前兩個主成分的累計貢獻率為76.1%，其中第一主成分(first principal component，PC1)的貢獻率為55.4%，第二主成分(second principal component，PC2)的貢獻率為20.7%，這兩個主成分主要決定飼草的品質(zhì)。圖中兩向量夾角小于90°時，呈正相關(guān)關(guān)系；兩向量夾角大于90°時，呈負相關(guān)關(guān)系；兩向量夾角接近90°時，相關(guān)性不明顯。因此CP與Ash呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，與CF、NDF、ADF相關(guān)性不明顯。CF、NDF、ADF、Ash相互之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。向量在主成分坐標(biāo)軸上的投影越長，對該主成分的貢獻率越大?？芍獙Φ谝恢鞒煞重暙I率較大的性狀依次是NDF和ADF；對第二主成分貢獻率較大的是CP。

圖2 33個南方籽粒型晚熟大豆品種花期植株飼用性狀間相互關(guān)系Fig.2 The interrelationship patterns among forage quality indicators based on the PCA diagrams for 33 soybean varieties (lines) which origin from Southern China

2.4 33個大豆品種(系)飼用潛力的TOPSIS綜合評價

以飼用品質(zhì)得分和產(chǎn)量做二維散點分布圖，品質(zhì)綜合得分較高的品種有：南黑豆20、蘭溪大黃豆、桂夏6號、桂夏7號、華夏3號等(圖3)。I區(qū)內(nèi)為產(chǎn)量與品質(zhì)均高于平均水平的11個品種，其中華夏3號和桂夏7號的雙優(yōu)勢最為明顯。II區(qū)內(nèi)為品質(zhì)高于平均水平而產(chǎn)量偏低的大豆品種，其中南黑豆20、南夏豆30、南農(nóng)99-10等有明顯綜合品質(zhì)優(yōu)勢。III區(qū)內(nèi)為產(chǎn)量與品質(zhì)綜合得分均低于平均水平的品種，共13個，其中信都小黃豆得分最低。IV區(qū)為產(chǎn)量高于平均水平而品質(zhì)綜合得分低于平均水平的品種，無品種屬于該象限。本次供試的大部分品種花期干物質(zhì)產(chǎn)量低于平均水平，少數(shù)有產(chǎn)量優(yōu)勢品種，而整體的飼用品質(zhì)性狀則分布相對均勻。

3 討論

3.1 供試大豆品種引種到高緯度地區(qū)后的生育期表現(xiàn)

生育期性狀是大豆對于光溫生態(tài)條件的綜合反應(yīng)，我國幅員遼闊，生態(tài)條件復(fù)雜，大豆品種生育期生態(tài)類型極為豐富，同一品種在不同地方生育期性狀也表現(xiàn)出差異性[14]。1979年劉漢中提出北半球由南向北引種大豆，由于光溫對發(fā)育的影響會致使出苗到開花(前期)延遲[5]。前人研究中報道了一部分供試品種在原產(chǎn)地出苗至開花日數(shù)：浙秋豆2號(35 d)、浙秋豆3號(40 d)、南農(nóng)99-10(47 d)、桂夏7號(43 d)、桂夏1號(40 d)、華夏3號(49.3 d)、桂夏6號(44 d)、南豆12(53 d)、南夏豆25(49 d)[15-16]，這些品種在慶陽地區(qū)花期分別均比其在原產(chǎn)地推遲了40 d以上，其中桂夏1號推遲了70 d之久。不同大豆品種對光周期反應(yīng)的敏感性具有差異，順序一般為：南方秋豆>南方夏豆>黃淮夏豆>南方春豆>黃淮春豆>北方春豆[14]。為產(chǎn)生明顯的花期推遲現(xiàn)象，本研究所選用材料大多數(shù)是南方夏豆和黃淮夏豆，其具有強烈的光周期敏感性，因此所有品種引種到高緯度的隴東后花期晚于當(dāng)?shù)貙φ?。屬于南方夏豆的華南地區(qū)品種桂夏系列和華夏系列的DTB普遍長于東南地區(qū)和西南地區(qū)品種，這也與光周期敏感順序相符。來自西南地區(qū)的自貢冬豆是超晚熟大豆品種[13]，故DTB可達103 d之久。

圖3 33個南方籽粒型晚熟大豆品種飼草產(chǎn)量與飼用品質(zhì)得分的TOPSIS綜合評價Fig.3 The evaluation of forage yield and comprehensive quality based on TOPSIS with EW for 33 soybean varieties (lines)注：水平虛線表示大豆品種飼草產(chǎn)量的平均值；垂直虛線表示大豆品種品質(zhì)指標(biāo)TOPSIS得分的平均值Note:The horizontal dashed line represents the average of DM yield and the vertical dashed line represents the average of relative quality scores

3.2 供試大豆品種花期干物質(zhì)產(chǎn)量表現(xiàn)

干物質(zhì)產(chǎn)量是決定引種大豆作為飼草利用的關(guān)鍵因素之一。本研究表明，供試大豆品種干物質(zhì)產(chǎn)量范圍為1.38 ～16.31 t·hm-2，說明一些品種盡管花期延長，但營養(yǎng)生長優(yōu)勢并沒有表現(xiàn)出來，尤其是來自西南地區(qū)的品種產(chǎn)量優(yōu)勢不明顯，這可能與西南地區(qū)的海拔比華南和東南地區(qū)高有關(guān)，說明緯度與海拔共同影響引種后的表現(xiàn)，在后續(xù)試驗中應(yīng)充分考慮緯度條件對引種的影響。華南地區(qū)大豆品種引種后干物質(zhì)產(chǎn)量和干物質(zhì)積累速率優(yōu)勢最為明顯，較東南和西南地區(qū)品種更具有引種至隴東旱塬做飼草的潛力。美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局雜交培育的飼用大豆品種“Donegal”、“Derry”和“Tyrone”，干物質(zhì)產(chǎn)量可達13.45 t·hm-2，比傳統(tǒng)籽粒型單產(chǎn)提高75%[17]，本試驗結(jié)果選擇出的優(yōu)勢品種產(chǎn)量達到或超過了“Donegal”、“Derry”和“Tyrone”，與慶陽地區(qū)主栽優(yōu)質(zhì)牧草紫花苜蓿(10 t·hm-2)和飼用玉米干物質(zhì)產(chǎn)量(10.84～13.57 t·hm-2)相當(dāng)[18-19]。干物質(zhì)積累速率的快慢，是對環(huán)境適應(yīng)性的體現(xiàn)，今后我們會將產(chǎn)量偏低的大豆品種排除，不再考慮。在選擇品種時，除考慮產(chǎn)量和適應(yīng)性之外，還需與慶陽當(dāng)?shù)貙嶋H生產(chǎn)結(jié)合，一些品種產(chǎn)量雖然高，但生育天數(shù)過長，長時間占用土地，不利于倒茬輪作。

3.3 供試大豆品種的飼用品質(zhì)性狀表現(xiàn)

干物質(zhì)產(chǎn)量是衡量飼草生產(chǎn)力水平的重要指標(biāo)，而營養(yǎng)價值的高低是評價飼草是否優(yōu)良的重要指標(biāo)。PCA結(jié)果表明，供試大豆品種品質(zhì)表現(xiàn)的主要影響指標(biāo)為CP,NDF和ADF。Hintz等人研究發(fā)現(xiàn)大豆葉片和莖的纖維含量(NDF,ADF)隨著成熟度的增加而增加，而CP含量從R1期到R3期(始莢期)呈下降態(tài)勢[20-21]。因此，我們在植株蛋白含量最高且纖維含量較低的R1期進行刈割收獲，以保證大豆的飼用價值。Seiter等測得飼用大豆的粗蛋白含量在13.9～17.9%[22]。本研究結(jié)果顯示引種的大多數(shù)品種的粗蛋白含量在此范圍內(nèi)或略高于記錄。中性洗滌纖維影響飼草的采食率，含量高，則適口性差，酸性洗滌纖維含量與消化率呈負相關(guān)[23]。Sheaffer等人的研究結(jié)果表明，飼用大豆的NDF和ADF含量范圍分別為42%～49%和30.2%～37.8%[6]，我們所測得的大部分品種的中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量高于研究結(jié)果，這可能與生育時期較長，致使植株底部木質(zhì)化，纖維積累較多有關(guān)，因此，今后的觀測需要監(jiān)測引種生長的過程，確定更加適宜的利用時期。不同地區(qū)的大豆品種間品質(zhì)差異較為不明顯，三個地區(qū)均有品質(zhì)排名靠前的品種，但所有華夏系列和桂夏系列的品質(zhì)得分均高于平均值。因此在篩選高品質(zhì)的品種時，還應(yīng)全面客觀地進行品質(zhì)測定。

3.4 基于TOPSIS法的綜合篩選

TOPSIS法是一種在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的多指標(biāo)綜合評估方法，其對樣本量、指標(biāo)數(shù)無嚴(yán)格限制，對原始數(shù)據(jù)利用較為充分。但TOPSIS法存在著權(quán)重賦值主觀性、指標(biāo)間相關(guān)性評價信息重復(fù)的缺點。因此，我們將TOPSIS法與EW、PCA相結(jié)合。在評價過程中，首先利用主成分分析法找出牧草品質(zhì)指標(biāo)的正負屬性，用熵權(quán)法確定各指標(biāo)權(quán)重，得出飼用品質(zhì)綜合分值(Score)[8]，減少了評價過程中的隨機誤差和系統(tǒng)誤差，提高了評價的可信度。通過這種方法客觀、明確的反映不同大豆品種的營養(yǎng)體生長和飼用品質(zhì)綜合表現(xiàn)，選擇出的華夏3號和桂夏7號兩個品種兼顧了干物質(zhì)產(chǎn)量和飼用品質(zhì)，而不失偏頗。

4 結(jié)論

本研究利用大豆光溫敏感性，將來自我國東南、華南、西南地區(qū)的33個大豆品種引種至緯度更高的隴東黃土高原區(qū)種植，所有品種均產(chǎn)生花期推遲現(xiàn)象，其中華南地區(qū)品種與其他兩區(qū)相比花期推遲現(xiàn)象最明顯，花期干物質(zhì)產(chǎn)量較高，干物質(zhì)積累速率較快。桂夏1號干物質(zhì)產(chǎn)量最高，可達16.31 t·hm-2。具有明顯產(chǎn)草優(yōu)勢的品種還有桂華夏3號、桂夏5號、桂夏7號和桂夏4號等。TOPSIS綜合評價結(jié)果表明，飼用品質(zhì)較優(yōu)的品種有南黑豆20、桂夏7號、桂夏6號、華夏3號和蘭溪大黃豆等。華夏3號和桂夏7號是產(chǎn)量與品質(zhì)兼優(yōu)的目標(biāo)品種，可以作為優(yōu)質(zhì)飼草大豆專用品種的候選材料進一步觀察研究。