高光合效率小豆筛选与营养价值评价

邹长明，王允青，曹卫东，张晓红，刘英，杨杰，唐杉

（1.安徽科技学院，安徽 凤阳233100；2.安徽省农业科学院土壤肥料研究所，安徽 合肥230031；3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081）

小豆（Vignaangularis）是豆科（Leguminosae）绿肥作物的优秀代表，是一种能固定空气氮素、活化土壤磷素、富集积累钾素和微量元素的环境友好型作物。小豆起源于我国，全世界有20多个国家种植小豆，但主要集中在东亚的温带地区尤其是我国的黄淮、华北和东北地区。小豆大多生育期短，耐贫瘠，可作为荒地的先锋绿肥作物和减灾粮食作物［1－2］，在灾荒年份适时补种小豆可减少粮食损失，提高经济效益。小豆株型不高，耐阴性也较好，覆盖度较大，生产中可以单独种植，也可与禾本科作物及茶树、果树间作套种，对增加行间覆盖度、调节田间温度、阻控水土流失、提高土壤肥力有良好作用。

小豆全身都是宝。小豆种子是高蛋白、低脂肪、中淀粉的药食两用食物，富含多种矿质元素、维生素、氨基酸和皂苷类物质，其中人体必需的8种氨基酸含量是禾谷类种子的2～3倍［1－3］；小豆（种子）性平味甘酸，具有通便、利尿、减肥、增乳、活血排脓、消肿解毒、保肝明目、降低血压等功效，对心脏病和肾病也有保健和治疗作用［1－3］，因此小豆被称为粮食中的“红珍珠”，既是营养保健佳品，又是食品工业的重要原料；小豆秸秆也富含氮、磷、钾及微量元素［4－5］，是营养丰富且无抗生素残留、无激素残留、无重金属残留的清洁饲料和优质有机肥源。

我国是世界上最大的小豆生产国和出口国，但由于小豆在我国属于小杂粮作物，长期不受重视，因而尽管安徽江淮地区是我国小豆栽培的最佳生态区域［6］，种植面积仍然较少，分布零散，规模小，且品种混杂退化，种质资源研究落后，影响了小豆的生产和利用［3，7］。因此，加强小豆种质资源的收集整理、筛选评价和提纯复壮对小豆生产与利用具有重要意义。

小豆作为一种药－食－肥－饲兼用型作物，其肥饲兼用鲜草（干草）的营养价值是种质资源筛选与评价的重要参考因素。目前，营养价值方面的研究主要集中在苜蓿（Medicagosativa）（鲜草）和玉米（Zeamays）（种子）及大豆（Glycinemax）（种子）方面，虽有关于对小豆种子的药用价值、食用价值和饲用价值的研究［2，8－9］，但关于其鲜草（干草）饲用价值和肥用价值的研究尚少。为此，于2011－2013年在安徽省开展了小豆引种栽培，从生长发育特性、产量、光合效率、鲜草营养价值等方面进行比较研究，以筛选出适宜安徽及周边地区种植的高产高效高营养的小豆良种。

1 材料与方法

1.1 材料

用国家库7个小豆种，分别为早熟黑小豆（early－mature blackVignaangularis，代号EBVA），晚熟黑小豆（late－mature blackV.angularis，代号 LBVA），赤小豆（Vignaumbellate，代号 VU），白小豆（whiteV.angularis，代号 WVA），阜南绿小豆（Funan greenV.angularis，代号 FGVA），绿小豆（greenV.angularis，代号GVA），兴安红豆（XinganAdenantheramicrosperma，代号 XAM）。

1.2 方法

于2011－2013年的4－9月于安徽省凤阳县府城镇山后街村绿肥种质资源圃进行大田试验，小区面积12 m2（3m×4m），重复3次，不施肥，4月18日播种，人工穴播，行距50cm，株距40cm，播前浇透水，每穴播种3～4粒，出苗后定植2株。在小豆生长期间观察调查其生育期及生长发育特征并拍照；每小区在盛花期收6m2植株（隔行收取），在田间现场称取鲜重并取样回实验室用烘干法测定水分并求出干物质产量，用干物质产量除以生长天数得干物质积累效率；测定鲜草中的水分、游离氨基酸、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维含量和干物质中的氮、磷、钾、铁、锌含量，将粗蛋白含量乘以鲜草产量得蛋白质产量，养分含量乘以干物质产量得养分积累量；在成熟期收获种子，计产并考种；同时进行盆栽试验，每种小豆3盆，每盆装砂－土混合物4kg（砂∶土＝1∶1），不施肥，在盛花期测定顶端成熟叶片光合参数如净光合速率（Pn，net photosynthetic rate）、气孔导度（Gs，stomatal conductance），同时用1／100电子天平测定地上部和地下部鲜重、干重、根瘤鲜重。

1.3 测定指标及方法

用便携式叶面积仪测量叶片面积，用游标卡尺测量茎粗，用钢卷尺测量株高和荚长，用计数法记载每株叶片数、侧枝数、开花数、结荚数等，以上测量均重复10次。

植株样品氮、磷、钾、铁、锌含量测定方法：H2SO4－H2O2消煮，全氮（包括粗蛋白）用奈氏比色法，全磷用钒钼黄比色法，全钾用火焰光度法，铁、锌用原子吸收法［10］；粗脂肪用索氏提取法，粗纤维用酸性洗涤剂（ADF）法［10］，游离氨基酸用茚三酮比色法测定［11］；光合参数用美国产Li－6400XT型便携式光合仪，在大气CO2浓度和固定光强（1000μmol／m2·s）下，于上午9：00－11：00测定；以上测定全部重复3次。

1.4 数据分析

采用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行数据分析，采用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 各种小豆生育期的差异

生育期是作物种质资源评价的重要指标之一，生产中需要根据耕地休闲时间的长短选择不同生育期的小豆种。7种小豆的生育期调查结果（表1）表明，早熟种2个半月左右即可成熟，一般开花早，花期短；中、迟熟种4个月左右成熟，且都有开花晚，花期长的特点。而盛花后的成熟时间，种间差异不大。

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

2.2 各种小豆的茎叶根瘤特征及光合效率

供试小豆的根茎叶特征为：直根系，主根不发达，根／冠比0.12～0.14（盆栽盛花期）；半灌木状草本，茎秆直立、圆形、多棱角，中迟熟种以高大、粗壮、侧枝较多为特征；茎叶多短柔毛；奇数披针状叶，叶柄叶鞘长3～5cm，单片叶面积最大的是早熟黑小豆，最小的是兴安红豆，前者是后者的3.2倍，但兴安红豆叶片数较多，叶片光合效率也较高，这为提高干物质积累效率创造了条件；光合效率、根瘤及其他特征见表2及图1～图4。

表2显示，盛花期叶片净光合速率以兴安红豆为最大，比绿小豆高52%，结合干物质积累效率（表3）进行的相关分析表明，盛花期叶片净光合速率与此前生长期间的干物质积累效率有极显著的正相关关系（相关系数r＝0.9367＊＊，n＝7，P＜0.01）；气孔导度也有类似趋势，其与干物质积累效率也呈极显著正相关（相关系数r＝0.9345＊＊，n＝7，P＜0.01）。可见，光合效率是小豆筛选与评价的重要指标之一。

表2 各种小豆盛花期的茎叶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

图2 盛花期晚熟黑小豆侧根上的根瘤Fig.2 Root nodules on a lateral root of LBVA in full bloom

图3 分枝期兴安红豆的根瘤Fig.3 Root nodules of XAM in branching stage

图4 成熟期兴安红豆的根瘤Fig.4 Root nodules of XAM in maturing stage

从图1～4可看出，小豆在不同生育期，根瘤着生位置和数量有差异。在苗期，根瘤主要着生在近地表的主根上，数量不多；在分枝期，侧根开始长根瘤；在花期，侧根上着生大量根瘤，此时根瘤量达到高峰，本研究中，供试小豆在盛花期的根瘤重量占地下部鲜重的比例为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，根瘤量减少。

2.3 各种小豆的花果种子特征及产量

供试小豆的花果种子特征：总状花序，有小花10～15朵，浅黄色蝶形花，有限结荚；中迟熟种结荚数多，荚果长，千粒重大，种子产量高，如晚熟黑小豆种子产量为阜南绿小豆的4.8倍，中迟熟种平均为早熟种的3.4倍，但同为早熟种的兴安红豆，因为千粒重大而种子产量较其他早熟种高1倍多（表3）。

根据盛花期田间小区收产结果（地上部）计算鲜草产量和干物量，所得结果（表3）表明，晚熟黑小豆鲜草产量最大，达18.2t／hm2，是绿小豆的2.6倍，干物量最大的也是晚熟黑小豆，是绿小豆的2.4倍，中迟熟种平均干物量比早熟种高75%。早熟种比迟熟种干物量低是因为生育期短，干物质积累时间短，但兴安红豆因为光合效率高，长势旺，植株较高大，鲜草产量和干物量明显比其他早熟种高。从干物质积累效率（盛花期以前平均每天干物质积累量）看，最高的是兴安红豆，最低的是绿小豆，前者比后者高49.3%。

表3 各种小豆的荚果种子特征及产量Table 3 Yield and characters of pods and seeds of the V.angularis species

2.4 各种小豆富集积累养分数量

植株富集的养分数量反映了绿肥的固氮能力与活化吸收养分能力，也关系到绿肥的营养价值。表4显示，盛花期小豆植株体内氮钾含量较高的是绿小豆和阜南绿小豆，磷含量最高的是兴安红豆，铁含量较高的是兴安红豆和赤小豆，锌含量最高的是白小豆。但植物富集养分的能力不能仅看植株体内的养分含量，还与其干物量有关。根据干物量和养分含量得出的养分积累量，可更好地反映绿肥富集养分的能力。供试小豆中，固氮能力和富集钾、铁、锌元素能力最强的是晚熟黑小豆，富集磷能力最强的是早熟黑小豆和兴安红豆。从养分积累总量来看，晚熟黑小豆是绿小豆的1.9倍，中迟熟种平均比早熟种高51%。

表4 各种小豆盛花期植株的氮、磷、钾、铁、锌养分积累量Table 4 Accumulation of N，P，K，Fe and Zn of the V.angularis species in full bloom

按表4中各种小豆养分积累平均数和粮食作物［水稻（Oryzasativa）、小麦（Triticumaestivum）］一般施肥量（N－P2O5－K2O＝150－90－120kg／hm2）计算，如果将这些绿肥翻压做肥料（假定所有养分在当季全部释放），可使化学氮肥减施35%，磷肥减施15%，钾肥减施25%。

2.5 各种小豆的饲用价值

表5结果表明，晚熟黑小豆和早熟黑小豆水分含量相对较高，鲜嫩多汁，适口性好；这2种小豆的粗纤维含量也低，易被动物消化吸收；绿小豆和阜南绿小豆的粗蛋白、粗脂肪和游离氨基酸含量较高，具有较高的营养价值，但由于其鲜草产量低（表4），因而营养物质总产量特别是蛋白质单产仍然较低，如表5所示的蛋白质单产，晚熟黑小豆是绿小豆的2倍，中、迟熟种平均是早熟种的1.6倍。

表5 各种小豆盛花期的鲜草营养成分Table 5 Content of nutritive components in fresh－grass of the V.angularis species in full bloom

3 讨论与结论

生育期是绿肥种质资源筛选的重要考量因子之一［12］。本研究中，兴安红豆、白小豆、绿小豆和赤小豆等早熟种全生育期为75～83d，生长发育特点是开花早，花期短，成熟快，出苗50d左右即可压青（盛花期），是短期速生的绿肥作物，适宜于休闲时间较短的轮作；而早熟黑小豆和晚熟黑小豆等中、迟熟种全生育期3个半月以上，其生长特征是开花晚，花期长，在安徽地区适宜于果茶园间套作或荒地培肥。

绿色植物积累的干物质主要来源于光合产物，光合作用决定了农业生产的前途［13］。因此，对光合特性的研究一直受到广泛的重视。目前，国内外学者已对牧草、粮食及其他经济作物的光合效率进行了大量研究，发现光合作用不仅受光照、温度、水分、养分、空气、土壤等外界条件所制约［14－16］，也受植物本身的遗传特性影响，不同作物种（或品种）的光合效率常存在差异［17－18］，因此，光合效率常作为种质资源筛选与评价的重要依据。本研究中，各种小豆在盛花期，叶片净光合速率和气孔导度都与此前生长期间的干物质积累效率有极显著的正相关关系，兴安红豆干物质积累效率较高的原因，与其光合效率较高有关。

豆科植物吸收的氮有55%～87%（一般为2／3）来自根瘤菌的生物固氮［19－20］，因此根瘤量是豆科绿肥种质特性的重要指标之一。小豆一般在开花期根瘤量达到最大，因为此时侧根也着生大量根瘤。本研究中，砂土盆栽各种小豆在盛花期的根瘤重占地下部总重的比例为15.5%～28.8%。供试小豆中，晚熟黑小豆根瘤量最大。

鲜草产量和干物量反映饲料产量或绿肥还田后遗留有机质量的大小，因而是小豆种质资源筛选与评价的重要指标。中、迟熟种由于生育期较长，干物质积累时间长，积累量平均比早熟种高75%，但干物质积累效率则以早熟的兴安红豆为最高。

本研究中，各种小豆鲜草的粗蛋白和粗脂肪含量与苜蓿相当，而粗纤维含量比苜蓿低［21－22］，说明小豆鲜草的适口性较好，营养价值也较高，只是鲜草产量比苜蓿低一些［21－22］，今后只要加强高产栽培与综合利用研究，就能使小豆在肥饲兼用方面发挥更大的作用。供试小豆中，晚熟黑小豆在适口性和营养价值方面综合优势最强，鲜草产量也不低（18.2t／hm2），是安徽地区值得推广的优质高产肥饲兼用型作物。当然，牧草的饲用价值不仅取决于其营养价值、产量和鲜嫩程度，还与饲养动物的种类、消化率、有毒有害物质含量等多种因素有关。因此，小豆鲜草（或秸秆）的饲用价值尚需进一步研究。

铁和锌是人体所必需的微量营养元素，缺铁可致贫血，缺锌可致发育迟缓和智力低下。由于全世界有40%以上的土壤缺铁［5］，我国有50%以上的土壤缺锌［23］，人类缺铁、缺锌就像缺维生素一样多见，而这些物质主要来源于植物和动物，因而肥饲兼用型小豆鲜草的铁、锌含量和积累量是判断其营养价值高低的重要指标之一。本研究中，铁含量较高的是兴安红豆和赤小豆，锌含量最高的是白小豆。但因为生物量的影响，铁积累量以晚熟黑小豆为最高，锌积累量也是晚熟黑小豆和早熟黑小豆较高。

绿肥含有作物所需要的各种营养元素，施入土壤后容易分解，是化肥的良好替代品。小豆的养分富集能力代表其翻压后所能补充土壤养分的数量，也代表着减施化肥的数量，因此，它是小豆种质资源筛选与评价的重要指标。供试小豆中，固氮和富集钾、铁、锌能力最强的是晚熟黑小豆，富集磷能力最强的是早熟黑小豆和兴安红豆。中、迟熟种由于干物量大而有较多的养分富集，平均比早熟种高51%。以供试小豆平均数计，翻压绿肥可使化学氮肥减施35%，磷肥减15%，钾肥减25%，当然这个化肥减量是理论数字，实践中则依绿肥种类和环境条件不同而有差异。据试验，绿肥氮、磷、钾养分的当季释放率分别为88.9%，84.8%和96.8%［二月兰（Orychophragmus violaceus），华北旱地］［24］，翻压绿肥鲜草10～30t／hm2（带入 N 50～150kg／hm2），在减施化学氮肥（N）50～120 kg／hm2的条件下，不仅可以增加土壤养分含量，稳定或提高农作物产量和品质，还可以减少氮素的损失［24－26］。

从光合效率、鲜草产量、干物量、营养价值、养分富集能力和生育期等多方面综合考虑，初步认为兴安红豆（早熟）、早熟黑小豆（中熟）和晚熟黑小豆（迟熟）可以在安徽地区进一步试验及示范推广。这些小豆可以在荒地或者果园行间种植作为饲料或绿肥，其种子可食用、药用或饲用，其中兴安红豆因为株型较矮，还可以与玉米、小麦、茶树等主作物间套种。安徽地区4－6月均可播种小豆，如果要收种子，最佳播期是4月中下旬。

致谢：周毅博士对光合效率的测定给予了帮助，在此表示感谢！

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