蚯蚓糞與化肥配施對紅小豆生長與品質(zhì)的影響

劉 祥，周 潔，鄧金華，葉愛萍，鄭 璽，張立新

(西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

紅小豆(Vignaangularis)是豇豆屬一年生草本植物[1]，富含蛋白質(zhì)、淀粉、總膳食纖維和糖類等大量營養(yǎng)物質(zhì)以及維生素B1、B2和18種氨基酸[2]，同時(shí)含有多酚、單寧、鞣質(zhì)、皂苷類和黃酮類等多種生物活性物質(zhì)[3-4]，具有食療效果[5-6]。紅小豆是陜西關(guān)中地區(qū)種植的小雜糧作物之一。關(guān)中屬暖溫帶半干旱、半濕潤氣候區(qū)，是陜西省干旱發(fā)生最嚴(yán)重的區(qū)域，在歷史上干旱發(fā)生的次數(shù)占總年數(shù)的42.25%[7]，且關(guān)中地區(qū)自1980年后氣象干旱有逐漸加重趨勢[8]。紅小豆發(fā)芽期需水較多，苗期需水較少，開花期前后是需水的高峰期，過于干旱會導(dǎo)致紅小豆減產(chǎn)[9]。此外，由于化肥的長期施用，土壤退化、肥力下降成為農(nóng)業(yè)用地的普遍現(xiàn)象。氣候條件、土壤肥力成為制約陜西紅小豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素。

增施有機(jī)肥是保持土壤肥力和減少化肥施用的一種傳統(tǒng)而有效的方法，具有增加養(yǎng)分有效性和提高作物產(chǎn)量的雙重作用[10-11]。蚯蚓糞是由蚯蚓消化有機(jī)物質(zhì)而產(chǎn)生的一種質(zhì)地均一的顆粒狀物質(zhì)，穩(wěn)定性高，具有很好的孔性、通氣性，且含有豐富的有機(jī)質(zhì)。近年來，學(xué)者們針對蚯蚓糞有機(jī)肥的保水增肥效應(yīng)進(jìn)行了大量研究。吳軍虎等[12]研究表明，蚯蚓糞可以有效降低土壤容重、顯著提高土壤團(tuán)聚體抗水蝕穩(wěn)定性、顯著提高土壤入滲能力。李彥霈等[13]研究表明蚯蚓糞覆蓋可一定程度抑制土壤水分蒸發(fā)。葉沙沙等[14]研究表明施用蚯蚓糞后土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量顯著增加。因此，蚯蚓糞作為有機(jī)肥有較好的持水與保肥能力。周東興等[15]研究發(fā)現(xiàn)，化肥減量30%+蚯蚓糞處理在提高土壤堿解氮、速效磷、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和脫氫酶含量上表現(xiàn)最佳。方成等[16]研究發(fā)現(xiàn)，30%餐廚垃圾源蚯蚓糞+70%化肥處理的玉米產(chǎn)量與純化肥處理一致，且提高了維生素C、可溶性糖和淀粉含量。程亞倩等[17]研究表明，70%化肥+30%蚯蚓糞處理較無肥處理提高了烤煙的根系生物量、煙葉生物量、中部葉硝酸還原酶含量及蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性。此外，蚯蚓糞在番茄[18]和草莓[19-20]等栽培中已有廣泛應(yīng)用且效果顯著，但在紅小豆應(yīng)用方面的研究報(bào)道較少。本試驗(yàn)旨在通過設(shè)置不同比例蚯蚓糞肥與化肥配施，探究其對紅小豆生長發(fā)育、籽粒品質(zhì)和營養(yǎng)價(jià)值的影響，為提高干旱條件下紅小豆的產(chǎn)量和品質(zhì)提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試紅小豆品種為保紅947，購自保定市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所。

供試化肥為商品復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=10∶10∶20)；蚯蚓糞有機(jī)肥以牛糞為原料，平鋪為長10 m、寬1.5 m、高0.15～0.2 m的長條狀，露天自然腐熟30 d后接種適量大平2號蚯蚓，并覆蓋秸稈或草簾，再堆肥2～3月制成(含有機(jī)質(zhì)22.70 g·kg-1，全氮12.3 g·kg-1，堿解氮382.56 mg·kg-1，速效磷1 711.90 mg·kg-1，速效鉀1 935.00 mg·kg-1)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年在陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)生物健康農(nóng)業(yè)示范園進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤類型為壤土，肥力中等，肥效均勻，地勢平坦，排水良好，灌溉便利。0～20 cm土層基本理化性狀為：有機(jī)質(zhì)含量18.10 g·kg-1，速效氮23.12 mg·kg-1，速效磷48.21 mg·kg-1，速效鉀232.00 mg·kg-1，pH 9.07。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理：CK：不施肥；T1：純化肥；T2：20%蚯蚓糞+80%化肥；T3：50%蚯蚓糞+50%化肥；T4：80%蚯蚓糞+20%化肥。除CK不施肥外，其他處理均保持施氮量一致(125 kg·hm-2)，見表1。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，各小區(qū)隨機(jī)排列，小區(qū)面積39 m2，行距50 cm，株距20 cm，每小區(qū)4行，人工點(diǎn)播，每穴兩株，肥料一次性全施，不追肥，常規(guī)田間管理。

表1 小區(qū)試驗(yàn)的施氮量和施肥量/(kg·hm-2)

1.3 測定項(xiàng)目與方法

于紅小豆成熟期取樣，每個(gè)小區(qū)選擇5株具有代表性的植株，測定農(nóng)藝指標(biāo)和產(chǎn)量指標(biāo)；對紅小豆籽粒風(fēng)干過篩后用于測定各成分指標(biāo)。

植株農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀參考程須珍等[21]的方法測定；可溶性糖含量參考高向陽[22]硫酸-蒽酮比色法測定；可溶性蛋白含量參考高俊鳳[23]考馬斯亮藍(lán)法測定；總酚和γ-氨基丁酸含量參考任傳英等[24]的方法進(jìn)行提取并測定；總黃酮含量參考《NY/T 1295-2007蕎麥及其制品中總黃酮含量的測定》測定[25]；DPPH清除率參考姚鑫淼等[26]的方法測定；羥自由基清除能力和總抗氧化能力采用北京索萊寶科技有限公司試劑盒進(jìn)行測定?？?cè)坪繀⒖奸Z婕等[27]的方法，運(yùn)用香草醛-冰醋酸-高氯酸比色法測定；氨基酸含量采用氨基酸自動(dòng)分析儀(日本Hitachi公司生產(chǎn)，型號：L-8900型)測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和繪圖，運(yùn)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行顯著性分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對紅小豆農(nóng)藝性狀的影響

從表2可以看出，蚯蚓糞與化肥配施均能不同程度地提高紅小豆的農(nóng)藝性狀，其中紅小豆株高以T2處理最優(yōu)，較CK和T1處理分別提高了42.52%和4.57%，紅小豆葉面積也以T2處理為最優(yōu)，較CK處理和T1處理分別提高了20.54%和11.93%。隨蚯蚓糞施用比例增加，各處理的紅小豆莖粗和分枝數(shù)沒有顯著差異(P>0.05)。綜上可見，對紅小豆施用合適用量的蚯蚓糞可明顯提高紅小豆的株高和葉面積，而對紅小豆的莖粗和分枝數(shù)影響不明顯。

表2 施用蚯蚓糞對紅小豆農(nóng)藝性狀的影響

2.2 對紅小豆產(chǎn)量性狀的影響

由表3可知，蚯蚓糞與化肥配施可以改善紅小豆產(chǎn)量性狀。其中，以T2處理紅小豆單株粒重和百粒重最高，顯著高于CK和T1處理(P<0.05)；紅小豆莢長以T4處理最優(yōu)，顯著高于CK和T1處理(P<0.05)，但與T2處理沒有顯著差異(P>0.05)。此外，紅小豆莢寬、莢粒數(shù)和單株莢數(shù)在各處理之間沒有顯著差異(P>0.05)，說明蚯蚓糞及化肥的施用對紅小豆的莢寬、莢粒數(shù)和單株莢數(shù)的影響不明顯。

表3 施用蚯蚓糞對紅小豆產(chǎn)量性狀的影響

2.3 對紅小豆品質(zhì)性狀的影響

2.3.1 對紅小豆可溶性蛋白及可溶性糖含量的影響 如圖1所示，不同比例蚯蚓糞處理對紅小豆可溶性蛋白(除T3外)和可溶性糖含量均有顯著的提升作用(P<0.05)。其中T2處理的可溶性蛋白含量顯著最高，較CK處理顯著提高了71.87%，較T1處理顯著提高了19.34%(圖1A)；紅小豆可溶性糖含量T4處理最高，較CK、T1和T2處理分別顯著提高了47.93%、37.20%和17.17%。

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。

2.3.2 對紅小豆功效成分含量的影響 從圖2可以看出，蚯蚓糞與化肥配施對紅小豆總?cè)啤⒖偡?、總黃酮和γ-氨基丁酸含量的影響不同。由圖2A可知，配施蚯蚓糞后紅小豆總?cè)坪恳訲2處理(20%蚯蚓糞+80%化肥)最高，達(dá)0.63 mg·g-1，較CK和純化肥處理(T1)分別顯著增加了50.00%和53.66%(P<0.05)。由圖2B可知，隨蚯蚓糞含量增加，紅小豆總酚含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中T2處理總酚含量最高，達(dá)2.92 mg·g-1，較CK和純化肥處理(T1)分別顯著提高了26.41%和7.35%(P<0.05)。

由圖2C可見，T2處理的總黃酮含量最高，相比CK顯著提高了5.96%(P<0.05)，但不同施肥處理間無顯著差異。由圖2D可知，添加一定量的蚯蚓糞可顯著提高紅小豆中γ-氨基丁酸含量，其中T2處理的γ-氨基丁酸含量顯著高于其他處理(P<0.05)，較無肥處理CK顯著提高了96.44%，較純化肥處理(T1)顯著提高了40.43%。

圖2 不同處理下紅小豆功效成分含量變化

2.3.3 對紅小豆抗氧化能力的影響 由圖3A可見，蚯蚓糞與化肥配施對紅小豆DPPH自由基清除能力影響不同。各處理的DPPH自由基清除能力范圍分布在82%～95%之間，其中以T2處理(20%蚯蚓糞+80%化肥)的DPPH清除能力最高，可以達(dá)到95.32%，較CK和純化肥處理(T1)分別顯著增加了11.76%和5.56%(P<0.05)。

不同比例的蚯蚓糞處理下紅小豆的羥自由基清除能力如圖3B所示，各處理均對羥自由基清除能力有提升作用但差異不顯著，且隨著蚯蚓糞施用比例的增加(T2～T4)呈遞減趨勢。其中以20%蚯蚓糞+80%化肥處理(T2)對羥自由基的清除率最大，較CK和純化肥處理(T1)分別增加了78.26%和64.02%。

從圖3C可以看出，配施蚯蚓糞處理對紅小豆總抗氧化能力有顯著的提升作用(P<0.05)。其中20%蚯蚓糞+80%化肥處理(T2)在各處理中最優(yōu)，總抗氧化能力最強(qiáng)，其較CK和T1處理分別提高了151.78%和135.76%。

圖3 不同處理下紅小豆抗氧化能力變化

2.3.4 紅小豆功效成分與抗氧化活性的相關(guān)性分析 通過對紅小豆功效成分與抗氧化活性進(jìn)行相關(guān)性分析，由表4所示，紅小豆中的功效成分總?cè)坪亢挺?氨基丁酸與3種抗氧化模型中的抗氧化活性均呈正相關(guān)。其中DPPH自由基清除率與總?cè)坪俊ⅵ?氨基丁酸含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。總抗氧化能力與總?cè)?、?氨基丁酸含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。由此可知，總?cè)坪挺?氨基丁酸是紅小豆抗氧化活性強(qiáng)弱的關(guān)鍵因子。且總?cè)坪颗c總酚含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，γ-氨基丁酸與總酚、總黃酮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，可見，總酚和總黃酮對紅小豆抗氧化活性存在間接作用。

表4 紅小豆功效成分與抗氧化活性的相關(guān)性分析

2.3.5 紅小豆氨基酸含量分析 通過前期對各蚯蚓糞處理紅小豆功效成分和抗氧化能力的測定與分析，從中篩選出一個(gè)最佳處理(T2)，并對該處理和對照處理(CK和T1)進(jìn)行氨基酸含量的檢測。測定結(jié)果如表5所示，3個(gè)處理的紅小豆中均檢測出7種必需氨基酸和10種非必需氨基酸，其中必需氨基酸以賴氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸含量較高，且T2處理的紅小豆必需氨基酸總量較CK和T1處理均有明顯提升。T2處理的非必需氨基酸以谷氨酸、天冬氨酸、精氨酸、脯氨酸含量最高，且較CK和T1處理也有明顯提升。通過比較各處理紅小豆的氨基酸總量發(fā)現(xiàn)，T2處理總氨基酸含量較CK提高了43.64%，較純化肥處理(T1)提高了7.30%。綜上，添加合適比例的蚯蚓糞可一定程度地提高紅小豆中各類氨基酸的含量。

表5 不同施肥處理下紅小豆的氨基酸種類及含量

3 討 論

蚯蚓糞是一種良好的腐熟有機(jī)肥料，具有孔隙多、通氣性好和排水性好等優(yōu)點(diǎn)。添加蚯蚓糞能夠改善土壤的理化性質(zhì)、增加土壤養(yǎng)分、提高微生物豐度和土壤中多種酶的活性[28]。因此，蚯蚓糞常作為有機(jī)肥用于提高土壤肥效、促進(jìn)作物提質(zhì)增產(chǎn)。有研究表明，施用蚯蚓糞對番茄具有良好的作用效果，改善了番茄農(nóng)藝性狀，促進(jìn)了番茄植株長勢，顯著提高其坐果率[29]和產(chǎn)量[30]。陸萍等[19]研究表明，蚯蚓糞可促進(jìn)草莓植株生長，顯著提高草莓鮮果產(chǎn)量，提高草莓糖度，改善其品質(zhì)。陳歆等[31]發(fā)現(xiàn)蚯蚓糞對辣椒生長也有促進(jìn)作用，施用蚯蚓糞后，辣椒植株莖高增加，植株分叉增多，生長發(fā)育的潛力增強(qiáng)。此外，左亞男[20]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)蚯蚓糞比例低于30%時(shí)，整體上作物長勢隨蚯蚓糞含量的增加而升高。此外，研究表明蚯蚓糞有機(jī)肥可增加菠菜[32]和番茄[18]中可溶性糖、維生素C、可溶性蛋白質(zhì)含量等品質(zhì)指標(biāo)。本研究中蚯蚓糞配施化肥可有效提高紅小豆可溶性糖和可溶性蛋白含量，與前人研究結(jié)果相近。

張寧[33]研究發(fā)現(xiàn)添加蚯蚓糞肥可提高番茄DPPH自由基清除能力、羥基自由基(·OH)清除能力。王東紅等[34]研究發(fā)現(xiàn)添加蚯蚓糞可顯著提高櫻桃蘿卜中抗氧化物質(zhì)類黃酮、總酚等含量，抗氧化能力有所提升。莫雨軒等[35]在鐵皮石斛栽培基質(zhì)中添加蚯蚓糞后其多種酶活性以及黃酮含量提高，抗氧化能力顯著增強(qiáng)。周潔[36]研究發(fā)現(xiàn)普通和納米兩種顆粒粒徑的蚯蚓糞對改善紅小豆的藥用成分效果明顯，兩種顆粒粒徑的蚯蚓糞均能顯著提高紅小豆總?cè)?、總酚、?氨基丁酸含量及氨基酸總量，本研究結(jié)果與前人基本一致。此外，隨著添加的蚯蚓糞比例提高，其作用效果相對減弱，這與王艷芳等[30]的研究結(jié)果一致。紅小豆總抗氧化能力與總?cè)?、?氨基丁酸含量呈顯著正相關(guān)，總酚含量與總黃酮含量顯著正相關(guān)，這與任傳英等[24]的研究結(jié)果一致。

許馨予等[37]對黑龍江主栽紅小豆?fàn)I養(yǎng)成分進(jìn)行了分析，表明紅小豆中8種必需氨基酸含量齊全，非必需氨基酸谷氨酸、天冬氨酸、精氨酸含量較高。彭海等[38]對10種紅小豆氨基酸含量進(jìn)行了檢測，結(jié)果顯示其含量平均在19.153～22.295 g·100g-1之間。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蚯蚓糞對紅小豆籽粒氨基酸的積累具有一定的促進(jìn)作用。

4 結(jié) 論

蚯蚓糞與化肥配施可以提高紅小豆的株高和葉面積，促進(jìn)紅小豆植株的生長發(fā)育，增加紅小豆的單株粒重和百粒重，從而提高紅小豆的產(chǎn)量。施用蚯蚓糞可以提高紅小豆可溶性多糖和可溶性蛋白總量以及總?cè)?、總酚、總黃酮和γ-氨基丁酸等藥用功效成分含量，增強(qiáng)了紅小豆的DPPH自由基和羥自由基清除能力，進(jìn)而提高了紅小豆的功效品質(zhì)。因此，通過施用合適比例(20%蚯蚓糞+80%化肥)的蚯蚓糞可以促進(jìn)紅小豆植株生長和提高紅小豆的產(chǎn)量及品質(zhì)，同時(shí)減少化肥的施用，具有推廣價(jià)值。