7種豆科作物的光合作用和養(yǎng)分富集特征

崔偉，鄒長明，張曉紅，何濤

(1.安徽科技學院資源與環(huán)境學院，安徽 鳳陽 233100；2.蚌埠市種子管理站，安徽 蚌埠 233000)

7種豆科作物的光合作用和養(yǎng)分富集特征

崔偉1,2，鄒長明1*，張曉紅1，何濤1

(1.安徽科技學院資源與環(huán)境學院，安徽 鳳陽 233100；2.蚌埠市種子管理站，安徽 蚌埠 233000)

以7種豆科綠肥作物(綠豆、小豆、烏豇豆、大豬屎豆、合萌、望江南、決明)為材料，采用大田種植和盆栽種植法，記載7種作物的生長發(fā)育特征，測定其根瘤量、產量和干物質積累效率，測定各作物在盛花期的光合特征參數和氮、磷、鉀、鐵、鋅養(yǎng)分含量，篩選適宜安徽及周邊地區(qū)種植的高產高效良種。結果表明：供試材料均屬半灌木狀草本，莖稈直立，呈圓形、多棱角或縱向小溝紋；根屬直根系，主根不發(fā)達；合萌為偶數羽狀復葉，望江南為偶數長橢圓形葉，大豬屎豆和決明為倒披針狀葉，其他為披針狀葉；大豬屎豆葉互生，其他葉對生；總狀花序，淺黃色蝶形花；除大豬屎豆小花有20～30朵，無限結莢，其他供試作物的小花數有10～15朵，有限結莢；各種豆科作物的根瘤量占地下部總質量的17.5%～32.5%；烏豇豆葉片光合效率和干物質積累效率最高，分別為23.1 μmol/(m2·s)和57.0 kg/(hm2·d)；望江南鮮草、干草和種子的產量最高，分別為22 248、5 028、2 366 kg/hm2；固氮和富集磷、鐵能力最強的是望江南，而富集鉀能力最強的是大豬屎豆，富集鋅能力最強的是合萌。從光合效率、產量、養(yǎng)分富集能力等方面綜合考慮，初步認為烏豇豆、望江南、大豬屎豆和合萌4種豆科作物適宜在安徽種植推廣。

豆科作物；生長特征；光合效率；產量；根瘤量；養(yǎng)分積累

豆科(Leguminosae)是被子植物中的第3大科。該科植物種類極為豐富，在中國約有172屬1 485種[1]。大多豆屬植物分布廣泛，且為用途廣泛的環(huán)境友好型植物，如綠豆(Vigna radiata)和小豆(Vigna angularis)是藥、食、肥、飼兼用型作物，其種子是醫(yī)藥和食品工業(yè)的原料，其鮮秸稈富含粗蛋白、粗脂肪和礦質元素，營養(yǎng)豐富且粗纖維含量較低，飼喂適口性好，若作綠肥翻壓后分解也較快，是很好的飼料和肥料[2–4]。常見的還有食、肥、飼兼用的烏豇豆(Vigna cylindrica Skeels)，藥、麻、肥、觀賞兼用的大豬屎豆(Crotalaria assamica)，以及藥、肥兼用的望江南(Senna occidentalis)和決明(Cassia tora)等。這些作物有發(fā)達的根系和根瘤，耐瘠耐旱，可作為荒地的先鋒植物、覆蓋植物和觀賞植物。

雖然豆科作物的優(yōu)勢早已為人們所熟知，無論是作為油料作物的大豆，還是作為化肥替代品的各種豆科綠肥，近 20年來在中國的種植面積一直在下降[5–6]，藥、食、肥、飼兼用的豆科作物也被當作“小雜糧”而長期不被重視[7]，這是中國化肥農藥用量居高不下和荒漠化加重的重要原因。

種質資源研究是作物推廣應用的基礎，加強豆科作物種質資源的整理和評價對農業(yè)生產和生態(tài)環(huán)境都具有重要意義。為此，筆者于 2011—2015年在安徽省先后開展了100多種豆科作物的引種栽培，以期篩選出適宜安徽及周邊地區(qū)種植的高產高效良種，促進豆科作物的開發(fā)利用。

1 材料與方法

1.1 材料

從國家種質資源庫引進7種豆科綠肥作物：早熟種有綠豆(Vigna radiata)、小豆(Vigna angularis)、烏豇豆(Vigna cylindrica Skeels)，全生育期 61～83 d；中熟種有大豬屎豆(Crotalaria assamica)、合萌(Aeschynomene indica)，全生育期105～108 d；遲熟種有望江南(Senna occidentalis)和決明(Cassia tora)，全生育期123～168 d。

1.2 方法

試驗于2015年4—11月在安徽鳳陽縣府城鎮(zhèn)山后街村綠肥作物種質資源圃進行。隨機區(qū)組設計。小區(qū)面積12 m2。株距40 cm，行距50 cm。重復3次。基肥施過磷酸鈣750 kg/hm2。穴播，每穴播種3～4粒。出苗后定植2株，同時進行盆栽試驗，每盆裝砂土混合物5 kg(砂與土質量比為1∶1)，播種8粒，出苗后留苗3株。重復4次。不施肥，常規(guī)管理。

1.3 測定指標及方法

1) 生物學特性調查。取大田試驗材料，在作物生長期間觀察根、莖、葉的形態(tài)特征。每種作物選取 10株測定株高、莖粗、葉面積及葉面積指數，數分枝數、葉片數、開花數及結莢數，觀察葉片形狀、花序及花朵特征等。

2) 干物質積累效率及種子產量等的測定。取田間試驗材料。在盛花期(50%花蕾開放)各小區(qū)收 6 m2植株(隔行割取地上部)，現(xiàn)場稱鮮質量。取鮮樣3株，烘干，稱干物質積累量，換算成單位面積干物質積累量，用單位面積干物質積累量除以生長天數得干物質積累效率。成熟期，按小區(qū)分批收獲莢果種子，考種后計算種子單產。

3) 光合參數的測定。選取盆栽試驗材料，采用美國產Li–6400XT型便攜式光合儀，在盛花期取上部完全伸展的功能葉進行光合特征參數測定，設定葉室溫度為25 ℃、相對濕度為70%、CO2濃度為380 μmol/mol，固定光量子通量為1 000 μmol/(m2·s)，于09:00—11:00測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。計算瞬時水分利用效率(WUE)，WUE =Pn/Tr。重復3次。結果取平均值。

4) 根瘤調查。光合參數測定完畢后的材料，破盆并洗凈泥土后測量植株地上部和地下部鮮質量、干質量及根瘤鮮質量。重復4次。結果取平均值。

5) 植株養(yǎng)分的測定。取大田試驗材料，于盛花期，每種作物選取 10株，烘干，粉碎，測定植株干樣中的氮、磷、鉀、鐵、鋅含量。參照文獻[8]的方法，采用H2SO4–H2O2消煮，奈氏比色法測全氮含量；用釩鉬黃比色法測全磷含量；用火焰光度法測全鉀含量；用原子吸收法測鐵、鋅含量。再用各養(yǎng)分含量乘以干物質積累量得養(yǎng)分積累量。重復3次。結果取平均值。

1.2.1 術前心理護理護理人員在患者手術前應當積極主動與其溝通交流,將粉碎腎結石的作用原理、操作程序、相關知識和注意事項以及患者自身在手術過程中如何配合、手術結束后可能出現(xiàn)的并發(fā)癥向其詳細講解。同時科室開展輸尿管軟鏡術的情況也可以向患者介紹,使患者了解腎結石手術對人體沒有大的傷害?；蚴钦埻N病友說教并將腎結石手術成功的病例為患者舉例,使其治療腎結石的信心增強,緊張不安的負面心理情緒得以減輕[1]。

1.4 數據分析

采用Excel 2003整理數據，運用SPSS 18.0軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 供試豆科作物的莖、葉及根瘤特征

供試材料均為半灌木狀草本，莖稈直立，呈圓形、多棱角或縱向小溝紋。根屬直根系，主根不發(fā)達。合萌為偶數羽狀復葉，望江南為偶數長橢圓形葉，大豬屎豆和決明為倒披針狀葉，其他為披針狀葉。大豬屎豆葉互生，其他葉對生。烏豇豆的單片葉面積最大，合萌的單片葉面積最小，二者相差134倍(表1)。中遲熟種一般株型高大，莖稈粗壯且側枝較多。供試作物在盛花期的根瘤鮮質量占地下部鮮質量的 17.5%～32.5%，其中望江南、大豬屎豆和綠豆根瘤量較大，說明這些作物具有較大的固氮潛力。

表1 盛花期供試豆科作物的莖、葉及根瘤特征Table 1 Characters of stems, leaves and root nodules of the legumes in full bloom

2.2 供試豆科作物的光合效率與干物質積累效率

在盛花期，葉片凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率以烏豇豆的為最大，水分利用效率以決明的最高(表2)。結合表1的田間群體葉面積指數和干物質積累效率進行的相關分析表明，盛花期個體葉片的凈光合速率、氣孔導度和群體葉面積指數是影響作物干物質積累效率的3個主要因素，它們與干物質積累效率均有顯著或極顯著的正相關關系，相關系數分別為0.759 3，0.764 1和0.938 3。可見，葉片光合參數是豆科作物種質資源篩選與評價的重要指標之一。

表2 盛花期供試豆科作物的光合特征參數和干物質積累效率Table 2 Photosynthetic characteristic parameters and dry matter accumulation efficiency of the legumes in full bloom

2.3 供試豆科作物的花果特征及種子產量

根據盛花期田間小區(qū)收產結果(地上部)計算鮮草產量和干草產量，所得結果(表3)表明，望江南、大豬屎豆鮮草產量最大，達22 248 kg/hm2，是小豆、綠豆的近2倍，而干物質產量最大的是望江南，是小豆的2.65倍。早熟種比遲熟種干草產量低是因為生育期短，干物質積累時間短，但烏豇豆由于光合效率高(表2)，葉片大，長勢旺，因而干物質產量也較高(是其他早熟種的1.5倍左右)，其干物質積累效率也更高。

表3 供試豆科作物的莢果種子特征及產量Table 3 Yield and characters of pods and seeds of the legumes in the field experiment

2.4 供試豆科作物植株的養(yǎng)分及養(yǎng)分積累量

表4顯示，盛花期供試作物植株體內氮含量較高的是望江南、綠豆和決明；磷含量最高的是綠豆；鉀含量最高的是大豬屎豆；鐵、鋅含量最高的是小豆。植物富集養(yǎng)分的能力還與其干物質積累量有關。富集氮、磷、鐵能力最強的是望江南，富集的氮比小豆高2倍，富集的磷比小豆高1.3倍，富集的鐵比綠豆高2.4倍；富集鉀能力最強的是大豬屎豆，比小豆高2.2倍；富集鋅能力最強的是合萌。從養(yǎng)分積累總量看，望江南的最大，是小豆的 2.9倍；中熟種以大豬屎豆的為最高，是小豆的2.2倍；早熟種以烏豇豆的為最高，是小豆的1.4倍。

表4 供試豆科作物盛花期植株的氮、磷、鉀、鐵、鋅含量及養(yǎng)分積累量Table 4 Accumulation of N, P, K, Fe and Zn of the legumes in full bloom in the field experiment

按表4中供試綠肥作物養(yǎng)分積累平均數和糧食作物(水稻、小麥)一般施肥量(N、P2O5、K2O的比例為180∶75∶20 kg/hm2)計算，如果將這些豆科綠肥翻壓入土(假定 80%的養(yǎng)分在當季釋放)，可使化學氮肥減施39%，磷肥減施25%，鉀肥減施48%。

3 討論與結論

葉片凈光合速率是反映植物光合能力的直接指標，而干物質積累效率是植物光合作用、呼吸作用和群體立地條件(包括葉面積指數和其他栽培條件)的綜合反映。在光合參數中，氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度也與植物光合特性有關。Gs較高時，表明葉片氣孔開度較大，通氣能力較強，單位時間內CO2分子進入量較多，H2O分子反向逸出量也較多，其Tr可能也較高，Pn與Gs和Tr呈顯著正相關關系[9–10]。本研究中，供試豆科作物在盛花期的Pn、Gs和Tr都與干物質積累效率呈顯著正相關。供試豆科作物中，光合效率和干物質積累效率最高的是烏豇豆，望江南則因為生育期較長且光合效率也較高而積累了最多的干物質。

豆科綠肥作物含有植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。綠肥作物的養(yǎng)分富集能力代表綠肥翻壓后所能補充土壤養(yǎng)分的數量，因此，養(yǎng)分富集能力是綠肥作物種質資源評價的重要指標。供試綠肥中，富集氮、磷、鐵能力最強的是望江南；富集鉀能力最強的是大豬屎豆；富集鋅能力最強的是合萌。以供試綠肥作物養(yǎng)分積累平均數計，翻壓綠肥可使糧食作物化學氮肥減施39%，磷肥減施25%，鉀肥減施48%。

本研究結果表明，早熟種烏豇豆生長快，光合效率高，適宜于休閑時間較短的輪作；遲熟種望江南產量高，富集氮、磷、鐵的能力較強，適宜于果園間(套)作或荒地培肥；中熟種大豬屎豆富集鉀的能力最強；合萌富集鋅的能力較強。從光合效率、產量、養(yǎng)分富集能力和生育期等多方面綜合考慮，初步認為烏豇豆、望江南、大豬屎豆和合萌4種豆科綠肥作物適宜安徽地區(qū)種植，其中烏豇豆和望江南也被馬衛(wèi)萍等[11]推薦為適宜華北地區(qū)種543植的綠肥作物。

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責任編輯：尹小紅

英文編輯：梁 和

Character of photosynthesis and nutrient enrichment of seven Legume species

CUI Wei1,2, ZOU Changming1*, ZHANG Xiaohong1, HE Tao1
(1.College of Resources and Environment, Anhui Science and Technology University, Fengyang, Anhui 233100, China; 2.Bengbu Seed Management Station, Bengbu, Anhui 233000, China)

Seven legume species(Vigna radiate(VR), Vigna umbellatebn(VU), Vigna cylindrica Skeels(VCS), Crotalaria assamica(CA), Aeschynomene indica(AI), Senna occidentalis(SO), Cassia tora (CT)) were cultivated in fields and in pots and their growing characters, yields, efficiency of dry matter accumulation were recorded.Photosynthetic characteristic parameters of leaves, weight of root nodule, content of nutrients such as N, P, K, Fe and Zn in the plants were measured in the full bloom stage.The results showed that although the germplasms are taproot systems, the lateral roots are developed and have more nodule.The weight of root nodules were 17.5%–32.5% of the underground part.AI has even pinnately compound leaves and SO are even long oval.The leaves of CA and CT are inverted lanceolate, and the other germplasms have lanceolate leaves .The leaves of CA are alternate and those of the other germplasms are opposite.All legume species have racemes and light yellow butterfly flowers.CA has infinite podding and the others have limited podding.VCS had the highest efficiency on photosynthetic (23.1 μmol/(m2·s)) and dry matter accumulation (57.0 kg/(hm2·d)).SO had the highest on seed yield, the weight of fresh and dry plant, capacity of accumulating nutrients such as N, P and Fe.However, CA had the greatest on capacity of K enrichment.AI had the highest on capacity of Znenrichment.In comprehensive consideration of photosynthetic efficiency, yield, capacity of enriching nutrients and growth stage, four germplasms were optimum for Anhui area.They were VCS, SO, CA and AI.

Legume species; growing character; photosynthetic efficiency; yield; root nodule; nutrient accumulation

S551.1

：A

：1007-1032(2017)01-0007-05

2016–02–16

2016–10–15

國家農作物種質資源平臺運行服務項目(2012–019)；作物種質資源保護和利用項目(NB2013–2130135–34)；農業(yè)部生物有機肥創(chuàng)制重點實驗室開放課題

崔偉(1967—)，男，安徽懷遠人，高級農藝師，從事種質資源推廣與應用研究, cuiwei_323@163.com；?通信作者，鄒長明，教授，主要從事土壤與肥料研究，cmzou@163.com