高光合效率小豆篩選與營養(yǎng)價(jià)值評(píng)價(jià)

鄒長(zhǎng)明，王允青，曹衛(wèi)東，張曉紅，劉英，楊杰，唐杉

（1.安徽科技學(xué)院，安徽 鳳陽233100；2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，安徽 合肥230031；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081）

小豆（Vignaangularis）是豆科（Leguminosae）綠肥作物的優(yōu)秀代表，是一種能固定空氣氮素、活化土壤磷素、富集積累鉀素和微量元素的環(huán)境友好型作物。小豆起源于我國，全世界有20多個(gè)國家種植小豆，但主要集中在東亞的溫帶地區(qū)尤其是我國的黃淮、華北和東北地區(qū)。小豆大多生育期短，耐貧瘠，可作為荒地的先鋒綠肥作物和減災(zāi)糧食作物［1－2］，在災(zāi)荒年份適時(shí)補(bǔ)種小豆可減少糧食損失，提高經(jīng)濟(jì)效益。小豆株型不高，耐陰性也較好，覆蓋度較大，生產(chǎn)中可以單獨(dú)種植，也可與禾本科作物及茶樹、果樹間作套種，對(duì)增加行間覆蓋度、調(diào)節(jié)田間溫度、阻控水土流失、提高土壤肥力有良好作用。

小豆全身都是寶。小豆種子是高蛋白、低脂肪、中淀粉的藥食兩用食物，富含多種礦質(zhì)元素、維生素、氨基酸和皂苷類物質(zhì)，其中人體必需的8種氨基酸含量是禾谷類種子的2～3倍［1－3］；小豆（種子）性平味甘酸，具有通便、利尿、減肥、增乳、活血排膿、消腫解毒、保肝明目、降低血壓等功效，對(duì)心臟病和腎病也有保健和治療作用［1－3］，因此小豆被稱為糧食中的“紅珍珠”，既是營養(yǎng)保健佳品，又是食品工業(yè)的重要原料；小豆秸稈也富含氮、磷、鉀及微量元素［4－5］，是營養(yǎng)豐富且無抗生素殘留、無激素殘留、無重金屬殘留的清潔飼料和優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥源。

我國是世界上最大的小豆生產(chǎn)國和出口國，但由于小豆在我國屬于小雜糧作物，長(zhǎng)期不受重視，因而盡管安徽江淮地區(qū)是我國小豆栽培的最佳生態(tài)區(qū)域［6］，種植面積仍然較少，分布零散，規(guī)模小，且品種混雜退化，種質(zhì)資源研究落后，影響了小豆的生產(chǎn)和利用［3，7］。因此，加強(qiáng)小豆種質(zhì)資源的收集整理、篩選評(píng)價(jià)和提純復(fù)壯對(duì)小豆生產(chǎn)與利用具有重要意義。

小豆作為一種藥－食－肥－飼兼用型作物，其肥飼兼用鮮草（干草）的營養(yǎng)價(jià)值是種質(zhì)資源篩選與評(píng)價(jià)的重要參考因素。目前，營養(yǎng)價(jià)值方面的研究主要集中在苜蓿（Medicagosativa）（鮮草）和玉米（Zeamays）（種子）及大豆（Glycinemax）（種子）方面，雖有關(guān)于對(duì)小豆種子的藥用價(jià)值、食用價(jià)值和飼用價(jià)值的研究［2，8－9］，但關(guān)于其鮮草（干草）飼用價(jià)值和肥用價(jià)值的研究尚少。為此，于2011－2013年在安徽省開展了小豆引種栽培，從生長(zhǎng)發(fā)育特性、產(chǎn)量、光合效率、鮮草營養(yǎng)價(jià)值等方面進(jìn)行比較研究，以篩選出適宜安徽及周邊地區(qū)種植的高產(chǎn)高效高營養(yǎng)的小豆良種。

1 材料與方法

1.1 材料

用國家?guī)?個(gè)小豆種，分別為早熟黑小豆（early－mature blackVignaangularis，代號(hào)EBVA），晚熟黑小豆（late－mature blackV.angularis，代號(hào) LBVA），赤小豆（Vignaumbellate，代號(hào) VU），白小豆（whiteV.angularis，代號(hào) WVA），阜南綠小豆（Funan greenV.angularis，代號(hào) FGVA），綠小豆（greenV.angularis，代號(hào)GVA），興安紅豆（XinganAdenantheramicrosperma，代號(hào) XAM）。

1.2 方法

于2011－2013年的4－9月于安徽省鳳陽縣府城鎮(zhèn)山后街村綠肥種質(zhì)資源圃進(jìn)行大田試驗(yàn)，小區(qū)面積12 m2（3m×4m），重復(fù)3次，不施肥，4月18日播種，人工穴播，行距50cm，株距40cm，播前澆透水，每穴播種3～4粒，出苗后定植2株。在小豆生長(zhǎng)期間觀察調(diào)查其生育期及生長(zhǎng)發(fā)育特征并拍照；每小區(qū)在盛花期收6m2植株（隔行收取），在田間現(xiàn)場(chǎng)稱取鮮重并取樣回實(shí)驗(yàn)室用烘干法測(cè)定水分并求出干物質(zhì)產(chǎn)量，用干物質(zhì)產(chǎn)量除以生長(zhǎng)天數(shù)得干物質(zhì)積累效率；測(cè)定鮮草中的水分、游離氨基酸、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維含量和干物質(zhì)中的氮、磷、鉀、鐵、鋅含量，將粗蛋白含量乘以鮮草產(chǎn)量得蛋白質(zhì)產(chǎn)量，養(yǎng)分含量乘以干物質(zhì)產(chǎn)量得養(yǎng)分積累量；在成熟期收獲種子，計(jì)產(chǎn)并考種；同時(shí)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，每種小豆3盆，每盆裝砂－土混合物4kg（砂∶土＝1∶1），不施肥，在盛花期測(cè)定頂端成熟葉片光合參數(shù)如凈光合速率（Pn，net photosynthetic rate）、氣孔導(dǎo)度（Gs，stomatal conductance），同時(shí)用1／100電子天平測(cè)定地上部和地下部鮮重、干重、根瘤鮮重。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

用便攜式葉面積儀測(cè)量葉片面積，用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖粗，用鋼卷尺測(cè)量株高和莢長(zhǎng)，用計(jì)數(shù)法記載每株葉片數(shù)、側(cè)枝數(shù)、開花數(shù)、結(jié)莢數(shù)等，以上測(cè)量均重復(fù)10次。

植株樣品氮、磷、鉀、鐵、鋅含量測(cè)定方法：H2SO4－H2O2消煮，全氮（包括粗蛋白）用奈氏比色法，全磷用釩鉬黃比色法，全鉀用火焰光度法，鐵、鋅用原子吸收法［10］；粗脂肪用索氏提取法，粗纖維用酸性洗滌劑（ADF）法［10］，游離氨基酸用茚三酮比色法測(cè)定［11］；光合參數(shù)用美國產(chǎn)Li－6400XT型便攜式光合儀，在大氣CO2濃度和固定光強(qiáng)（1000μmol／m2·s）下，于上午9：00－11：00測(cè)定；以上測(cè)定全部重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 各種小豆生育期的差異

生育期是作物種質(zhì)資源評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一，生產(chǎn)中需要根據(jù)耕地休閑時(shí)間的長(zhǎng)短選擇不同生育期的小豆種。7種小豆的生育期調(diào)查結(jié)果（表1）表明，早熟種2個(gè)半月左右即可成熟，一般開花早，花期短；中、遲熟種4個(gè)月左右成熟，且都有開花晚，花期長(zhǎng)的特點(diǎn)。而盛花后的成熟時(shí)間，種間差異不大。

表1 各種小豆的生育期Table 1 Growth stage of the V.angularis species

2.2 各種小豆的莖葉根瘤特征及光合效率

供試小豆的根莖葉特征為：直根系，主根不發(fā)達(dá)，根／冠比0.12～0.14（盆栽盛花期）；半灌木狀草本，莖稈直立、圓形、多棱角，中遲熟種以高大、粗壯、側(cè)枝較多為特征；莖葉多短柔毛；奇數(shù)披針狀葉，葉柄葉鞘長(zhǎng)3～5cm，單片葉面積最大的是早熟黑小豆，最小的是興安紅豆，前者是后者的3.2倍，但興安紅豆葉片數(shù)較多，葉片光合效率也較高，這為提高干物質(zhì)積累效率創(chuàng)造了條件；光合效率、根瘤及其他特征見表2及圖1～圖4。

表2顯示，盛花期葉片凈光合速率以興安紅豆為最大，比綠小豆高52%，結(jié)合干物質(zhì)積累效率（表3）進(jìn)行的相關(guān)分析表明，盛花期葉片凈光合速率與此前生長(zhǎng)期間的干物質(zhì)積累效率有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)r＝0.9367＊＊，n＝7，P＜0.01）；氣孔導(dǎo)度也有類似趨勢(shì)，其與干物質(zhì)積累效率也呈極顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)r＝0.9345＊＊，n＝7，P＜0.01）。可見，光合效率是小豆篩選與評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。

表2 各種小豆盛花期的莖葉根瘤特征及光合效率Table 2 Characters of stems，leaves and root nodules and photosynthetic efficiency of the V.angularis species in full bloom

圖2 盛花期晚熟黑小豆側(cè)根上的根瘤Fig.2 Root nodules on a lateral root of LBVA in full bloom

圖3 分枝期興安紅豆的根瘤Fig.3 Root nodules of XAM in branching stage

圖4 成熟期興安紅豆的根瘤Fig.4 Root nodules of XAM in maturing stage

從圖1～4可看出，小豆在不同生育期，根瘤著生位置和數(shù)量有差異。在苗期，根瘤主要著生在近地表的主根上，數(shù)量不多；在分枝期，側(cè)根開始長(zhǎng)根瘤；在花期，側(cè)根上著生大量根瘤，此時(shí)根瘤量達(dá)到高峰，本研究中，供試小豆在盛花期的根瘤重量占地下部鮮重的比例為15.5%～28.8%（表2），其中晚熟黑小豆根瘤量最大；到成熟期，根瘤退化，根瘤量減少。

2.3 各種小豆的花果種子特征及產(chǎn)量

供試小豆的花果種子特征：總狀花序，有小花10～15朵，淺黃色蝶形花，有限結(jié)莢；中遲熟種結(jié)莢數(shù)多，莢果長(zhǎng)，千粒重大，種子產(chǎn)量高，如晚熟黑小豆種子產(chǎn)量為阜南綠小豆的4.8倍，中遲熟種平均為早熟種的3.4倍，但同為早熟種的興安紅豆，因?yàn)榍ЯＶ卮蠖N子產(chǎn)量較其他早熟種高1倍多（表3）。

根據(jù)盛花期田間小區(qū)收產(chǎn)結(jié)果（地上部）計(jì)算鮮草產(chǎn)量和干物量，所得結(jié)果（表3）表明，晚熟黑小豆鮮草產(chǎn)量最大，達(dá)18.2t／hm2，是綠小豆的2.6倍，干物量最大的也是晚熟黑小豆，是綠小豆的2.4倍，中遲熟種平均干物量比早熟種高75%。早熟種比遲熟種干物量低是因?yàn)樯诙?，干物質(zhì)積累時(shí)間短，但興安紅豆因?yàn)楣夂闲矢?，長(zhǎng)勢(shì)旺，植株較高大，鮮草產(chǎn)量和干物量明顯比其他早熟種高。從干物質(zhì)積累效率（盛花期以前平均每天干物質(zhì)積累量）看，最高的是興安紅豆，最低的是綠小豆，前者比后者高49.3%。

表3 各種小豆的莢果種子特征及產(chǎn)量Table 3 Yield and characters of pods and seeds of the V.angularis species

2.4 各種小豆富集積累養(yǎng)分?jǐn)?shù)量

植株富集的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量反映了綠肥的固氮能力與活化吸收養(yǎng)分能力，也關(guān)系到綠肥的營養(yǎng)價(jià)值。表4顯示，盛花期小豆植株體內(nèi)氮鉀含量較高的是綠小豆和阜南綠小豆，磷含量最高的是興安紅豆，鐵含量較高的是興安紅豆和赤小豆，鋅含量最高的是白小豆。但植物富集養(yǎng)分的能力不能僅看植株體內(nèi)的養(yǎng)分含量，還與其干物量有關(guān)。根據(jù)干物量和養(yǎng)分含量得出的養(yǎng)分積累量，可更好地反映綠肥富集養(yǎng)分的能力。供試小豆中，固氮能力和富集鉀、鐵、鋅元素能力最強(qiáng)的是晚熟黑小豆，富集磷能力最強(qiáng)的是早熟黑小豆和興安紅豆。從養(yǎng)分積累總量來看，晚熟黑小豆是綠小豆的1.9倍，中遲熟種平均比早熟種高51%。

表4 各種小豆盛花期植株的氮、磷、鉀、鐵、鋅養(yǎng)分積累量Table 4 Accumulation of N，P，K，F(xiàn)e and Zn of the V.angularis species in full bloom

按表4中各種小豆養(yǎng)分積累平均數(shù)和糧食作物［水稻（Oryzasativa）、小麥（Triticumaestivum）］一般施肥量（N－P2O5－K2O＝150－90－120kg／hm2）計(jì)算，如果將這些綠肥翻壓做肥料（假定所有養(yǎng)分在當(dāng)季全部釋放），可使化學(xué)氮肥減施35%，磷肥減施15%，鉀肥減施25%。

2.5 各種小豆的飼用價(jià)值

表5結(jié)果表明，晚熟黑小豆和早熟黑小豆水分含量相對(duì)較高，鮮嫩多汁，適口性好；這2種小豆的粗纖維含量也低，易被動(dòng)物消化吸收；綠小豆和阜南綠小豆的粗蛋白、粗脂肪和游離氨基酸含量較高，具有較高的營養(yǎng)價(jià)值，但由于其鮮草產(chǎn)量低（表4），因而營養(yǎng)物質(zhì)總產(chǎn)量特別是蛋白質(zhì)單產(chǎn)仍然較低，如表5所示的蛋白質(zhì)單產(chǎn)，晚熟黑小豆是綠小豆的2倍，中、遲熟種平均是早熟種的1.6倍。

表5 各種小豆盛花期的鮮草營養(yǎng)成分Table 5 Content of nutritive components in fresh－grass of the V.angularis species in full bloom

3 討論與結(jié)論

生育期是綠肥種質(zhì)資源篩選的重要考量因子之一［12］。本研究中，興安紅豆、白小豆、綠小豆和赤小豆等早熟種全生育期為75～83d，生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)是開花早，花期短，成熟快，出苗50d左右即可壓青（盛花期），是短期速生的綠肥作物，適宜于休閑時(shí)間較短的輪作；而早熟黑小豆和晚熟黑小豆等中、遲熟種全生育期3個(gè)半月以上，其生長(zhǎng)特征是開花晚，花期長(zhǎng)，在安徽地區(qū)適宜于果茶園間套作或荒地培肥。

綠色植物積累的干物質(zhì)主要來源于光合產(chǎn)物，光合作用決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前途［13］。因此，對(duì)光合特性的研究一直受到廣泛的重視。目前，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)牧草、糧食及其他經(jīng)濟(jì)作物的光合效率進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)光合作用不僅受光照、溫度、水分、養(yǎng)分、空氣、土壤等外界條件所制約［14－16］，也受植物本身的遺傳特性影響，不同作物種（或品種）的光合效率常存在差異［17－18］，因此，光合效率常作為種質(zhì)資源篩選與評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。本研究中，各種小豆在盛花期，葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度都與此前生長(zhǎng)期間的干物質(zhì)積累效率有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，興安紅豆干物質(zhì)積累效率較高的原因，與其光合效率較高有關(guān)。

豆科植物吸收的氮有55%～87%（一般為2／3）來自根瘤菌的生物固氮［19－20］，因此根瘤量是豆科綠肥種質(zhì)特性的重要指標(biāo)之一。小豆一般在開花期根瘤量達(dá)到最大，因?yàn)榇藭r(shí)側(cè)根也著生大量根瘤。本研究中，砂土盆栽各種小豆在盛花期的根瘤重占地下部總重的比例為15.5%～28.8%。供試小豆中，晚熟黑小豆根瘤量最大。

鮮草產(chǎn)量和干物量反映飼料產(chǎn)量或綠肥還田后遺留有機(jī)質(zhì)量的大小，因而是小豆種質(zhì)資源篩選與評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。中、遲熟種由于生育期較長(zhǎng)，干物質(zhì)積累時(shí)間長(zhǎng)，積累量平均比早熟種高75%，但干物質(zhì)積累效率則以早熟的興安紅豆為最高。

本研究中，各種小豆鮮草的粗蛋白和粗脂肪含量與苜蓿相當(dāng)，而粗纖維含量比苜蓿低［21－22］，說明小豆鮮草的適口性較好，營養(yǎng)價(jià)值也較高，只是鮮草產(chǎn)量比苜蓿低一些［21－22］，今后只要加強(qiáng)高產(chǎn)栽培與綜合利用研究，就能使小豆在肥飼兼用方面發(fā)揮更大的作用。供試小豆中，晚熟黑小豆在適口性和營養(yǎng)價(jià)值方面綜合優(yōu)勢(shì)最強(qiáng)，鮮草產(chǎn)量也不低（18.2t／hm2），是安徽地區(qū)值得推廣的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)肥飼兼用型作物。當(dāng)然，牧草的飼用價(jià)值不僅取決于其營養(yǎng)價(jià)值、產(chǎn)量和鮮嫩程度，還與飼養(yǎng)動(dòng)物的種類、消化率、有毒有害物質(zhì)含量等多種因素有關(guān)。因此，小豆鮮草（或秸稈）的飼用價(jià)值尚需進(jìn)一步研究。

鐵和鋅是人體所必需的微量營養(yǎng)元素，缺鐵可致貧血，缺鋅可致發(fā)育遲緩和智力低下。由于全世界有40%以上的土壤缺鐵［5］，我國有50%以上的土壤缺鋅［23］，人類缺鐵、缺鋅就像缺維生素一樣多見，而這些物質(zhì)主要來源于植物和動(dòng)物，因而肥飼兼用型小豆鮮草的鐵、鋅含量和積累量是判斷其營養(yǎng)價(jià)值高低的重要指標(biāo)之一。本研究中，鐵含量較高的是興安紅豆和赤小豆，鋅含量最高的是白小豆。但因?yàn)樯锪康挠绊懀F積累量以晚熟黑小豆為最高，鋅積累量也是晚熟黑小豆和早熟黑小豆較高。

綠肥含有作物所需要的各種營養(yǎng)元素，施入土壤后容易分解，是化肥的良好替代品。小豆的養(yǎng)分富集能力代表其翻壓后所能補(bǔ)充土壤養(yǎng)分的數(shù)量，也代表著減施化肥的數(shù)量，因此，它是小豆種質(zhì)資源篩選與評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。供試小豆中，固氮和富集鉀、鐵、鋅能力最強(qiáng)的是晚熟黑小豆，富集磷能力最強(qiáng)的是早熟黑小豆和興安紅豆。中、遲熟種由于干物量大而有較多的養(yǎng)分富集，平均比早熟種高51%。以供試小豆平均數(shù)計(jì)，翻壓綠肥可使化學(xué)氮肥減施35%，磷肥減15%，鉀肥減25%，當(dāng)然這個(gè)化肥減量是理論數(shù)字，實(shí)踐中則依綠肥種類和環(huán)境條件不同而有差異。據(jù)試驗(yàn)，綠肥氮、磷、鉀養(yǎng)分的當(dāng)季釋放率分別為88.9%，84.8%和96.8%［二月蘭（Orychophragmus violaceus），華北旱地］［24］，翻壓綠肥鮮草10～30t／hm2（帶入 N 50～150kg／hm2），在減施化學(xué)氮肥（N）50～120 kg／hm2的條件下，不僅可以增加土壤養(yǎng)分含量，穩(wěn)定或提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，還可以減少氮素的損失［24－26］。

從光合效率、鮮草產(chǎn)量、干物量、營養(yǎng)價(jià)值、養(yǎng)分富集能力和生育期等多方面綜合考慮，初步認(rèn)為興安紅豆（早熟）、早熟黑小豆（中熟）和晚熟黑小豆（遲熟）可以在安徽地區(qū)進(jìn)一步試驗(yàn)及示范推廣。這些小豆可以在荒地或者果園行間種植作為飼料或綠肥，其種子可食用、藥用或飼用，其中興安紅豆因?yàn)橹晷洼^矮，還可以與玉米、小麥、茶樹等主作物間套種。安徽地區(qū)4－6月均可播種小豆，如果要收種子，最佳播期是4月中下旬。

致謝：周毅博士對(duì)光合效率的測(cè)定給予了幫助，在此表示感謝！

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