基于模糊Borda法評價(jià)晝夜溫差對番茄秧苗生長的影響

黃 媛， 李瑜玲， 高欣娜， 武 猛， 杜亞茹， 康藝凡， 張 燕， 楊英茹， 李海杰

(1.石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院/石家莊市農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心/河北省都市農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北石家莊 050041；2.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100094)

番茄是喜溫喜光作物，北方地區(qū)設(shè)施番茄種植茬口一般分為早春茬、秋冬茬、冬春茬等，秋冬茬番茄秧苗8月中旬至9月初定植，定植后秧苗抗逆性較差，夏末高溫直接限制設(shè)施番茄的生長發(fā)育和品質(zhì)形成，傳統(tǒng)認(rèn)為，番茄秧苗期適宜的溫度范圍為17～30 ℃，高于35 ℃會擾亂植株細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)、損害植物細(xì)胞膜、產(chǎn)生過量的活性氧(ROS)及代謝紊亂等，出現(xiàn)一系列不正常的生長發(fā)育現(xiàn)象，妨礙產(chǎn)量和品質(zhì)的提升。因此不少學(xué)者開展了空氣濕度、土壤濕度等環(huán)境條件以緩解高溫脅迫方面的研究。楊世瓊等通過擬合高溫高濕脅迫下設(shè)施番茄光響應(yīng)曲線，發(fā)現(xiàn)空氣濕度增加至70%左右，可有效緩解41 ℃的日最高溫度對設(shè)施番茄光合機(jī)制帶來的損害。張潔等研究表明，120%ET的灌溉量可以維持亞高溫下番茄幼苗較高的光合作用，緩解亞高溫脅迫，提高幼苗質(zhì)量。但提高空氣和土壤濕度易增加番茄秧苗染病、造成徒長的風(fēng)險(xiǎn)，因此綜合生產(chǎn)實(shí)際，開展番茄秧苗晝夜溫差生長試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)設(shè)施夜晚溫度緩解高溫脅迫，提高番茄秧苗的生長質(zhì)量。

多種維度的農(nóng)藝指標(biāo)可以反映番茄秧苗生長質(zhì)量，例如簡單指標(biāo)(全株干質(zhì)量、根質(zhì)量、莖粗、葉面積等)、相對指標(biāo)(莖粗/莖高、根質(zhì)量/冠質(zhì)量、冠質(zhì)量/莖高等)、復(fù)合指標(biāo)即壯苗指數(shù)、生理指標(biāo)(生長函數(shù)、代謝活性、體內(nèi)物質(zhì)含量)。單一農(nóng)藝指標(biāo)的評價(jià)已經(jīng)不能滿足研究和種植的需要，基于不同學(xué)科運(yùn)算邏輯的評價(jià)方法涌現(xiàn)。對多個(gè)指標(biāo)的綜合評價(jià)一般分為指標(biāo)的選擇、權(quán)重的確定、評分評價(jià)3個(gè)步驟，其中確定權(quán)重和評價(jià)評分的方法較多，常見的有基于經(jīng)驗(yàn)的專家評價(jià)法，基于運(yùn)籌學(xué)的層次分析法和模糊綜合評價(jià)法，基于多元統(tǒng)計(jì)學(xué)的因子分析法，基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)評價(jià)法，以及綜合多種評價(jià)法的算法，例如基于專家評價(jià)的層次分析法、基于模糊綜合評價(jià)的網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)評價(jià)法等。張婧等利用主成分分析綜合評價(jià)了不同復(fù)合基質(zhì)對番茄幼苗生長、葉片生理及光合特性的影響，篩選出番茄適宜的育苗基質(zhì)配方。申寶營等通過模糊綜合評價(jià)方法研究不同時(shí)長的暗期補(bǔ)光對黃瓜幼苗的影響。胡田田等運(yùn)用Broda法、Copeland法、模糊Borda法和基于整體差異的組合評價(jià)方法，構(gòu)建番茄產(chǎn)量-品質(zhì)組合評價(jià)模型。

不同評價(jià)方法由于運(yùn)算原理不同，評價(jià)結(jié)果存在差異，本研究采用主成分分析法、信息量權(quán)重法、基于熵值法TOPSIS評價(jià)法、獨(dú)立性權(quán)重法、CRITTIC權(quán)重法5種方法對不同晝夜溫差處理下番茄生長、生理指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，再通過模糊Borda法綜合各單一評價(jià)法的序值和排名信息進(jìn)行綜合評價(jià)，以尋找最為適宜番茄定植后苗期的晝夜溫度條件。

1 數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2019—2020年在河北石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院進(jìn)行的16組番茄定植后苗期的晝夜溫差栽培試驗(yàn)。試驗(yàn)采用大果型番茄合作906(撫順市北方農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所育成)為試驗(yàn)苗材，在番茄苗5葉1心，由盤穴移栽至花盆度過緩苗階段后開始試驗(yàn)，以晝均溫(26、29、32、35 ℃)和晝夜溫差(0、3、6、9 ℃)為試驗(yàn)因素，采用兩因素交叉組合，利用人工氣候室模擬不同晝、夜溫度進(jìn)行9 d的栽培試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度見表1。試驗(yàn)方案、數(shù)據(jù)測量方法參考文獻(xiàn)[18]，試驗(yàn)材料的株高生長速率、莖粗生長速率、根冠比、壯苗指數(shù)、光合速率、蒸騰速率、水分利用率、氣孔導(dǎo)度、光能利用率9項(xiàng)指標(biāo)作為數(shù)據(jù)研究對象，具體見表2。

表1 試驗(yàn)晝、夜溫度及溫差設(shè)置

表2 供試材料生長、生理數(shù)據(jù)

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 單一評價(jià)方法 采用主成分分析法、信息量權(quán)重、基于熵值法TOPSIS評價(jià)法、獨(dú)立性權(quán)重法、CRITTIC權(quán)重法5種單一評價(jià)方法分別對番茄生長-生理指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重劃分和綜合評分計(jì)算。

1.2.2 基于模糊Borda組合評價(jià) 模糊Borda法是針對不同評價(jià)方法的結(jié)果進(jìn)行組合評價(jià)的方法，主要步驟包括事前檢驗(yàn)(Kendall相關(guān)系數(shù)法)、組合評價(jià)、事后檢驗(yàn)(Spearman相關(guān)性分析)。模糊Borda法的評價(jià)步驟為首先計(jì)算各單一評價(jià)方法對評價(jià)項(xiàng)目得分的隸屬優(yōu)度，即該評價(jià)方法決定其得到好的評價(jià)結(jié)果的能力。

式中：為第項(xiàng)在第種方法的得分；為第項(xiàng)在第種方法下屬于“優(yōu)”的隸屬度。

計(jì)算第項(xiàng)處于位的模糊頻數(shù)及模糊頻率：

式中：為使用的單一評價(jià)方法數(shù)。

將排名名次轉(zhuǎn)化為得分：

式中：為第項(xiàng)在位的得分；為評價(jià)項(xiàng)目總數(shù)。

計(jì)算第項(xiàng)的模糊Borda數(shù)得分。

=∑。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS 23.0及Excel 2007進(jìn)行分析，其中顯著性水平設(shè)置為=0.05，并通過Excel 2007軟件進(jìn)行表格繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一評價(jià)分析

通過主成分分析法、信息量權(quán)重法、基于熵值法TOPSIS評價(jià)法、獨(dú)立性權(quán)重法、CRITTIC權(quán)重法對16組處理的生長、生理指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值和綜合評分，評價(jià)結(jié)果和排名見表3。由表3可知，5種方法的評價(jià)值排名標(biāo)準(zhǔn)差在0～4.980之間，且無明顯規(guī)律。其中T處理排名相差最大，標(biāo)準(zhǔn)差為4.980；T、T、T、T、T、T、T、T、T、T、T處理排名標(biāo)準(zhǔn)差介于1.000～4.000之間，排名略有不同；T、T、T處理排名標(biāo)準(zhǔn)差介于0.000～1.000之間，排名差距較小；T處理排名標(biāo)準(zhǔn)差為0.000，說明5種評價(jià)方法的排名一致。

表3 供試材料生長、生理參數(shù)基本表現(xiàn)

2.2 番茄單一評價(jià)模型的事前檢驗(yàn)

采用Kendall相關(guān)系數(shù)對5種單一評價(jià)方法的序值進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明主成分分析模型與信息量權(quán)重、基于熵值法TOPSIS評價(jià)、獨(dú)立性權(quán)重、CRITTIC權(quán)重共4項(xiàng)之間相關(guān)系數(shù)分別為0.467、0.200、0.367、0.283，并且值均大于0.05，意味著主成分分析模型與其他4種評價(jià)方法之間均沒有相關(guān)關(guān)系。因此，剔除主成分分析模型的評價(jià)結(jié)果，對其他4種評價(jià)方法再次進(jìn)行Kendall相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，結(jié)果表明信息量權(quán)重與基于熵值法TOPSIS評價(jià)、獨(dú)立性權(quán)重、CRITTIC權(quán)重共3項(xiàng)之間全部均呈現(xiàn)出顯著性，相關(guān)系數(shù)分別為0.667、0.833、0.783，并且相關(guān)系數(shù)均大于0，意味著信息量權(quán)重與基于熵值TOPSIS評價(jià)、獨(dú)立性權(quán)重、CRITTIC權(quán)重共3項(xiàng)之間有著正相關(guān)關(guān)系。

進(jìn)一步采用Kendall-W協(xié)和系數(shù)檢驗(yàn)顯著性，當(dāng)協(xié)調(diào)系數(shù)越接近1時(shí)，說明數(shù)據(jù)之間的一致性較強(qiáng)。計(jì)算得到協(xié)和系數(shù)(表4)，說明4種單一評價(jià)一致性程度很高，滿足事前一致性檢驗(yàn)。

表4 單一評價(jià)模型序值Kendall相關(guān)系數(shù)

2.3 基于模糊Borda法的番茄產(chǎn)量-品質(zhì)組合評價(jià)模型

通過模糊Borda法對信息量權(quán)重、基于熵值法TOPSIS評價(jià)、獨(dú)立性權(quán)重、CRITTIC權(quán)重法4項(xiàng)單一評價(jià)方法的結(jié)果進(jìn)行綜合打分和排名，結(jié)果見表5。其中，T處理得分115.54，排名第1，即晝均溫35 ℃、夜均溫26 ℃的處理綜合排名最好；綜合排名最后一位的是T處理，即晝夜均溫為35 ℃/35 ℃時(shí)，番茄苗生長、生理指標(biāo)的綜合評價(jià)最低。

表5 基于模糊Borda法綜合得分及排名

2.4 番茄產(chǎn)量-品質(zhì)的組合評價(jià)模型的事后檢驗(yàn)

采用Spearman相關(guān)性分析對4種單一評價(jià)法與模糊Borda法的序值進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，由表6可知，模糊Borda法與信息權(quán)重、熵值法、獨(dú)立性權(quán)重、CRITTIC權(quán)重之間相關(guān)系數(shù)分別為0.926、0.950、0.979、0.997，并且相關(guān)系數(shù)值均大于0，意味著模糊Borda法與4種單一評價(jià)方法之間有著正相關(guān)關(guān)系，通過事后檢驗(yàn)。

表6 Spearman等級相關(guān)系數(shù)事后檢驗(yàn)

3 討論與結(jié)論

本研究采用模糊Broda組合評價(jià)模型，將不同晝均溫和晝夜溫差處理下的番茄定植后苗期的9個(gè)生長、生理指標(biāo)進(jìn)行了綜合評價(jià)，充分利用了番茄植株不同生長特征信息，綜合了信息量權(quán)重法、基于熵值法TOPSIS評價(jià)法、獨(dú)立性權(quán)重法、CRITTIC權(quán)重法4種單一評價(jià)方法的評價(jià)值和序值信息，克服了單一評價(jià)方法結(jié)論不一致的問題。結(jié)果表明，晝溫35 ℃、晝夜溫差9 ℃時(shí)， 番茄定植后苗期的生長、生理綜合評價(jià)最優(yōu)。但這一結(jié)論與通過主成分分析所得結(jié)論并不一致，這可能是由于晝溫35 ℃為番茄苗期適宜生長的溫度上限，植物經(jīng)過非致死高溫一段時(shí)間后，其耐熱性得到明顯提高，這種現(xiàn)象稱為熱鍛煉，也叫耐熱性獲得，是提高植物耐熱性的一個(gè)重要途徑，由于植物生存在受到外界脅迫時(shí)，常通過補(bǔ)償生長的方式來保護(hù)自身生存。關(guān)于高溫對番茄生長的影響，袁昌洪等研究了金冠五號番茄品種在高溫、高濕脅迫后的生長指標(biāo)、抗氧化酶活性及葉綠素含量，結(jié)果表明32 ℃以下番茄生長呈超補(bǔ)償。趙勇竣等以不同番茄品種為試材，在人工模擬高溫環(huán)境下研究38 ℃高溫在不同時(shí)長下對各品種番茄幼苗根長、株高、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、保護(hù)酶活性的影響，結(jié)果表明，SOD、POD、CAT活性總體表現(xiàn)為先升后降，高溫處理5 d為各品種番茄幼苗感受高溫脅迫的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由此可見，番茄定植經(jīng)過緩苗階段后，適當(dāng)進(jìn)行白天高溫脅迫，并增大晝夜溫差可促進(jìn)番茄植株生長。