高光合效率小豆篩選與營養價值評價

鄒長明，王允青，曹衛東，張曉紅，劉英，楊杰，唐杉

（1.安徽科技學院，安徽 鳳陽233100；2.安徽省農業科學院土壤肥料研究所，安徽 合肥230031；3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京100081）

小豆（Vignaangularis）是豆科（Leguminosae）綠肥作物的優秀代表，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境友好型作物。小豆起源于我國，全世界有20多個國家種植小豆，但主要集中在東亞的溫帶地區尤其是我國的黃淮、華北和東北地區。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糧食作物［1－2］，在災荒年份適時補種小豆可減少糧食損失，提高經濟效益。小豆株型不高，耐陰性也較好，覆蓋度較大，生產中可以單獨種植，也可與禾本科作物及茶樹、果樹間作套種，對增加行間覆蓋度、調節田間溫度、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，富含多種礦質元素、維生素、氨基酸和皂苷類物質，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”，既是營養保健佳品，又是食品工業的重要原料；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質有機肥源。

我國是世界上最大的小豆生產國和出口國，但由于小豆在我國屬于小雜糧作物，長期不受重視，因而盡管安徽江淮地區是我國小豆栽培的最佳生態區域［6］，種植面積仍然較少，分布零散，規模小，且品種混雜退化，種質資源研究落后，影響了小豆的生產和利用［3，7］。因此，加強小豆種質資源的收集整理、篩選評價和提純復壯對小豆生產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）的營養價值是種質資源篩選與評價的重要參考因素。目前，營養價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，雖有關于對小豆種子的藥用價值、食用價值和飼用價值的研究［2，8－9］，但關于其鮮草（干草）飼用價值和肥用價值的研究尚少。為此，于2011－2013年在安徽省開展了小豆引種栽培，從生長發育特性、產量、光合效率、鮮草營養價值等方面進行比較研究，以篩選出適宜安徽及周邊地區種植的高產高效高營養的小豆良種。

1 材料與方法

1.1 材料

用國家庫7個小豆種，分別為早熟黑小豆（early－mature blackVignaangularis，代號EBVA），晚熟黑小豆（late－mature blackV.angularis，代號 LBVA），赤小豆（Vignaumbellate，代號 VU），白小豆（whiteV.angularis，代號 WVA），阜南綠小豆（Funan greenV.angularis，代號 FGVA），綠小豆（greenV.angularis，代號GVA），興安紅豆（XinganAdenantheramicrosperma，代號 XAM）。

1.2 方法

于2011－2013年的4－9月于安徽省鳳陽縣府城鎮山后街村綠肥種質資源圃進行大田試驗，小區面積12 m2（3m×4m），重復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。在小豆生長期間觀察調查其生育期及生長發育特征并拍照；每小區在盛花期收6m2植株（隔行收取），在田間現場稱取鮮重并取樣回實驗室用烘干法測定水分并求出干物質產量，用干物質產量除以生長天數得干物質積累效率；測定鮮草中的水分、游離氨基酸、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維含量和干物質中的氮、磷、鉀、鐵、鋅含量，將粗蛋白含量乘以鮮草產量得蛋白質產量，養分含量乘以干物質產量得養分積累量；在成熟期收獲種子，計產并考種；同時進行盆栽試驗，每種小豆3盆，每盆裝砂－土混合物4kg（砂∶土＝1∶1），不施肥，在盛花期測定頂端成熟葉片光合參數如凈光合速率（Pn，net photosynthetic rate）、氣孔導度（Gs，stomatal conductance），同時用1／100電子天平測定地上部和地下部鮮重、干重、根瘤鮮重。

1.3 測定指標及方法

用便攜式葉面積儀測量葉片面積，用游標卡尺測量莖粗，用鋼卷尺測量株高和莢長，用計數法記載每株葉片數、側枝數、開花數、結莢數等，以上測量均重復10次。

植株樣品氮、磷、鉀、鐵、鋅含量測定方法：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定［11］；光合參數用美國產Li－6400XT型便攜式光合儀，在大氣CO2濃度和固定光強（1000μmol／m2·s）下，于上午9：00－11：00測定；以上測定全部重復3次。

1.4 數據分析

采用Excel 2003和SPSS 18.0軟件進行數據分析，采用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 各種小豆生育期的差異

生育期是作物種質資源評價的重要指標之一，生產中需要根據耕地休閑時間的長短選擇不同生育期的小豆種。7種小豆的生育期調查結果（表1）表明，早熟種2個半月左右即可成熟，一般開花早，花期短；中、遲熟種4個月左右成熟，且都有開花晚，花期長的特點。而盛花后的成熟時間，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，主根不發達，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、側枝較多為特征；莖葉多短柔毛；奇數披針狀葉，葉柄葉鞘長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，但興安紅豆葉片數較多，葉片光合效率也較高，這為提高干物質積累效率創造了條件；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%，結合干物質積累效率（表3）進行的相關分析表明，盛花期葉片凈光合速率與此前生長期間的干物質積累效率有極顯著的正相關關系（相關系數r＝0.9367＊＊，n＝7，P＜0.01）；氣孔導度也有類似趨勢，其與干物質積累效率也呈極顯著正相關（相關系數r＝0.9345＊＊，n＝7，P＜0.01）。可見，光合效率是小豆篩選與評價的重要指標之一。

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，根瘤著生位置和數量有差異。在苗期，根瘤主要著生在近地表的主根上，數量不多；在分枝期，側根開始長根瘤；在花期，側根上著生大量根瘤，此時根瘤量達到高峰，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，有限結莢；中遲熟種結莢數多，莢果長，千粒重大，種子產量高，如晚熟黑小豆種子產量為阜南綠小豆的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，因為千粒重大而種子產量較其他早熟種高1倍多（表3）。

根據盛花期田間小區收產結果（地上部）計算鮮草產量和干物量，所得結果（表3）表明，晚熟黑小豆鮮草產量最大，達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為生育期短，干物質積累時間短，但興安紅豆因為光合效率高，長勢旺，植株較高大，鮮草產量和干物量明顯比其他早熟種高。從干物質積累效率（盛花期以前平均每天干物質積累量）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分數量

植株富集的養分數量反映了綠肥的固氮能力與活化吸收養分能力，也關系到綠肥的營養價值。表4顯示，盛花期小豆植株體內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。但植物富集養分的能力不能僅看植株體內的養分含量，還與其干物量有關。根據干物量和養分含量得出的養分積累量，可更好地反映綠肥富集養分的能力。供試小豆中，固氮能力和富集鉀、鐵、鋅元素能力最強的是晚熟黑小豆，富集磷能力最強的是早熟黑小豆和興安紅豆。從養分積累總量來看，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、鋅養分積累量Table 4 Accumulation of N，P，K，Fe and Zn of the V.angularis species in full bloom

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

2.5 各種小豆的飼用價值

表5結果表明，晚熟黑小豆和早熟黑小豆水分含量相對較高，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，具有較高的營養價值，但由于其鮮草產量低（表4），因而營養物質總產量特別是蛋白質單產仍然較低，如表5所示的蛋白質單產，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成分Table 5 Content of nutritive components in fresh－grass of the V.angularis species in full bloom

3 討論與結論

生育期是綠肥種質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，生長發育特點是開花早，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個半月以上，其生長特征是開花晚，花期長，在安徽地區適宜于果茶園間套作或荒地培肥。

綠色植物積累的干物質主要來源于光合產物，光合作用決定了農業生產的前途［13］。因此，對光合特性的研究一直受到廣泛的重視。目前，國內外學者已對牧草、糧食及其他經濟作物的光合效率進行了大量研究，發現光合作用不僅受光照、溫度、水分、養分、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資源篩選與評價的重要依據。本研究中，各種小豆在盛花期，葉片凈光合速率和氣孔導度都與此前生長期間的干物質積累效率有極顯著的正相關關系，興安紅豆干物質積累效率較高的原因，與其光合效率較高有關。

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特性的重要指標之一。小豆一般在開花期根瘤量達到最大，因為此時側根也著生大量根瘤。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。

鮮草產量和干物量反映飼料產量或綠肥還田后遺留有機質量的大小，因而是小豆種質資源篩選與評價的重要指標。中、遲熟種由于生育期較長，干物質積累時間長，積累量平均比早熟種高75%，但干物質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，而粗纖維含量比苜蓿低［21－22］，說明小豆鮮草的適口性較好，營養價值也較高，只是鮮草產量比苜蓿低一些［21－22］，今后只要加強高產栽培與綜合利用研究，就能使小豆在肥飼兼用方面發揮更大的作用。供試小豆中，晚熟黑小豆在適口性和營養價值方面綜合優勢最強，鮮草產量也不低（18.2t／hm2），是安徽地區值得推廣的優質高產肥飼兼用型作物。當然，牧草的飼用價值不僅取決于其營養價值、產量和鮮嫩程度，還與飼養動物的種類、消化率、有毒有害物質含量等多種因素有關。因此，小豆鮮草（或秸稈）的飼用價值尚需進一步研究。

鐵和鋅是人體所必需的微量營養元素，缺鐵可致貧血，缺鋅可致發育遲緩和智力低下。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，而這些物質主要來源于植物和動物，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價值高低的重要指標之一。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。但因為生物量的影響，鐵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元素，施入土壤后容易分解，是化肥的良好替代品。小豆的養分富集能力代表其翻壓后所能補充土壤養分的數量，也代表著減施化肥的數量，因此，它是小豆種質資源篩選與評價的重要指標。供試小豆中，固氮和富集鉀、鐵、鋅能力最強的是晚熟黑小豆，富集磷能力最強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分富集，平均比早熟種高51%。以供試小豆平均數計，翻壓綠肥可使化學氮肥減施35%，磷肥減15%，鉀肥減25%，當然這個化肥減量是理論數字，實踐中則依綠肥種類和環境條件不同而有差異。據試驗，綠肥氮、磷、鉀養分的當季釋放率分別為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），在減施化學氮肥（N）50～120 kg／hm2的條件下，不僅可以增加土壤養分含量，穩定或提高農作物產量和品質，還可以減少氮素的損失［24－26］。

從光合效率、鮮草產量、干物量、營養價值、養分富集能力和生育期等多方面綜合考慮，初步認為興安紅豆（早熟）、早熟黑小豆（中熟）和晚熟黑小豆（遲熟）可以在安徽地區進一步試驗及示范推廣。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，其中興安紅豆因為株型較矮，還可以與玉米、小麥、茶樹等主作物間套種。安徽地區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：周毅博士對光合效率的測定給予了幫助，在此表示感謝！

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