7种豆科作物的光合作用和养分富集特征

崔伟，邹长明，张晓红，何涛

(1.安徽科技学院资源与环境学院，安徽 凤阳 233100；2.蚌埠市种子管理站，安徽 蚌埠 233000)

7种豆科作物的光合作用和养分富集特征

崔伟1,2，邹长明1*，张晓红1，何涛1

(1.安徽科技学院资源与环境学院，安徽 凤阳 233100；2.蚌埠市种子管理站，安徽 蚌埠 233000)

以7种豆科绿肥作物(绿豆、小豆、乌豇豆、大猪屎豆、合萌、望江南、决明)为材料，采用大田种植和盆栽种植法，记载7种作物的生长发育特征，测定其根瘤量、产量和干物质积累效率，测定各作物在盛花期的光合特征参数和氮、磷、钾、铁、锌养分含量，筛选适宜安徽及周边地区种植的高产高效良种。结果表明：供试材料均属半灌木状草本，茎秆直立，呈圆形、多棱角或纵向小沟纹；根属直根系，主根不发达；合萌为偶数羽状复叶，望江南为偶数长椭圆形叶，大猪屎豆和决明为倒披针状叶，其他为披针状叶；大猪屎豆叶互生，其他叶对生；总状花序，浅黄色蝶形花；除大猪屎豆小花有20～30朵，无限结荚，其他供试作物的小花数有10～15朵，有限结荚；各种豆科作物的根瘤量占地下部总质量的17.5%～32.5%；乌豇豆叶片光合效率和干物质积累效率最高，分别为23.1 μmol/(m2·s)和57.0 kg/(hm2·d)；望江南鲜草、干草和种子的产量最高，分别为22 248、5 028、2 366 kg/hm2；固氮和富集磷、铁能力最强的是望江南，而富集钾能力最强的是大猪屎豆，富集锌能力最强的是合萌。从光合效率、产量、养分富集能力等方面综合考虑，初步认为乌豇豆、望江南、大猪屎豆和合萌4种豆科作物适宜在安徽种植推广。

豆科作物；生长特征；光合效率；产量；根瘤量；养分积累

豆科(Leguminosae)是被子植物中的第3大科。该科植物种类极为丰富，在中国约有172属1 485种[1]。大多豆属植物分布广泛，且为用途广泛的环境友好型植物，如绿豆(Vigna radiata)和小豆(Vigna angularis)是药、食、肥、饲兼用型作物，其种子是医药和食品工业的原料，其鲜秸秆富含粗蛋白、粗脂肪和矿质元素，营养丰富且粗纤维含量较低，饲喂适口性好，若作绿肥翻压后分解也较快，是很好的饲料和肥料[2–4]。常见的还有食、肥、饲兼用的乌豇豆(Vigna cylindrica Skeels)，药、麻、肥、观赏兼用的大猪屎豆(Crotalaria assamica)，以及药、肥兼用的望江南(Senna occidentalis)和决明(Cassia tora)等。这些作物有发达的根系和根瘤，耐瘠耐旱，可作为荒地的先锋植物、覆盖植物和观赏植物。

虽然豆科作物的优势早已为人们所熟知，无论是作为油料作物的大豆，还是作为化肥替代品的各种豆科绿肥，近 20年来在中国的种植面积一直在下降[5–6]，药、食、肥、饲兼用的豆科作物也被当作“小杂粮”而长期不被重视[7]，这是中国化肥农药用量居高不下和荒漠化加重的重要原因。

种质资源研究是作物推广应用的基础，加强豆科作物种质资源的整理和评价对农业生产和生态环境都具有重要意义。为此，笔者于 2011—2015年在安徽省先后开展了100多种豆科作物的引种栽培，以期筛选出适宜安徽及周边地区种植的高产高效良种，促进豆科作物的开发利用。

1 材料与方法

1.1 材料

从国家种质资源库引进7种豆科绿肥作物：早熟种有绿豆(Vigna radiata)、小豆(Vigna angularis)、乌豇豆(Vigna cylindrica Skeels)，全生育期 61～83 d；中熟种有大猪屎豆(Crotalaria assamica)、合萌(Aeschynomene indica)，全生育期105～108 d；迟熟种有望江南(Senna occidentalis)和决明(Cassia tora)，全生育期123～168 d。

1.2 方法

试验于2015年4—11月在安徽凤阳县府城镇山后街村绿肥作物种质资源圃进行。随机区组设计。小区面积12 m2。株距40 cm，行距50 cm。重复3次。基肥施过磷酸钙750 kg/hm2。穴播，每穴播种3～4粒。出苗后定植2株，同时进行盆栽试验，每盆装砂土混合物5 kg(砂与土质量比为1∶1)，播种8粒，出苗后留苗3株。重复4次。不施肥，常规管理。

1.3 测定指标及方法

1) 生物学特性调查。取大田试验材料，在作物生长期间观察根、茎、叶的形态特征。每种作物选取 10株测定株高、茎粗、叶面积及叶面积指数，数分枝数、叶片数、开花数及结荚数，观察叶片形状、花序及花朵特征等。

2) 干物质积累效率及种子产量等的测定。取田间试验材料。在盛花期(50%花蕾开放)各小区收 6 m2植株(隔行割取地上部)，现场称鲜质量。取鲜样3株，烘干，称干物质积累量，换算成单位面积干物质积累量，用单位面积干物质积累量除以生长天数得干物质积累效率。成熟期，按小区分批收获荚果种子，考种后计算种子单产。

3) 光合参数的测定。选取盆栽试验材料，采用美国产Li–6400XT型便携式光合仪，在盛花期取上部完全伸展的功能叶进行光合特征参数测定，设定叶室温度为25 ℃、相对湿度为70%、CO2浓度为380 µmol/mol，固定光量子通量为1 000 µmol/(m2·s)，于09:00—11:00测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。计算瞬时水分利用效率(WUE)，WUE =Pn/Tr。重复3次。结果取平均值。

4) 根瘤调查。光合参数测定完毕后的材料，破盆并洗净泥土后测量植株地上部和地下部鲜质量、干质量及根瘤鲜质量。重复4次。结果取平均值。

5) 植株养分的测定。取大田试验材料，于盛花期，每种作物选取 10株，烘干，粉碎，测定植株干样中的氮、磷、钾、铁、锌含量。参照文献[8]的方法，采用H2SO4–H2O2消煮，奈氏比色法测全氮含量；用钒钼黄比色法测全磷含量；用火焰光度法测全钾含量；用原子吸收法测铁、锌含量。再用各养分含量乘以干物质积累量得养分积累量。重复3次。结果取平均值。

1.2.1 术前心理护理护理人员在患者手术前应当积极主动与其沟通交流,将粉碎肾结石的作用原理、操作程序、相关知识和注意事项以及患者自身在手术过程中如何配合、手术结束后可能出现的并发症向其详细讲解。同时科室开展输尿管软镜术的情况也可以向患者介绍,使患者了解肾结石手术对人体没有大的伤害。或是请同种病友说教并将肾结石手术成功的病例为患者举例,使其治疗肾结石的信心增强,紧张不安的负面心理情绪得以减轻[1]。

1.4 数据分析

采用Excel 2003整理数据，运用SPSS 18.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 供试豆科作物的茎、叶及根瘤特征

供试材料均为半灌木状草本，茎秆直立，呈圆形、多棱角或纵向小沟纹。根属直根系，主根不发达。合萌为偶数羽状复叶，望江南为偶数长椭圆形叶，大猪屎豆和决明为倒披针状叶，其他为披针状叶。大猪屎豆叶互生，其他叶对生。乌豇豆的单片叶面积最大，合萌的单片叶面积最小，二者相差134倍(表1)。中迟熟种一般株型高大，茎秆粗壮且侧枝较多。供试作物在盛花期的根瘤鲜质量占地下部鲜质量的 17.5%～32.5%，其中望江南、大猪屎豆和绿豆根瘤量较大，说明这些作物具有较大的固氮潜力。

表1 盛花期供试豆科作物的茎、叶及根瘤特征Table 1 Characters of stems, leaves and root nodules of the legumes in full bloom

2.2 供试豆科作物的光合效率与干物质积累效率

在盛花期，叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率以乌豇豆的为最大，水分利用效率以决明的最高(表2)。结合表1的田间群体叶面积指数和干物质积累效率进行的相关分析表明，盛花期个体叶片的净光合速率、气孔导度和群体叶面积指数是影响作物干物质积累效率的3个主要因素，它们与干物质积累效率均有显著或极显著的正相关关系，相关系数分别为0.759 3，0.764 1和0.938 3。可见，叶片光合参数是豆科作物种质资源筛选与评价的重要指标之一。

表2 盛花期供试豆科作物的光合特征参数和干物质积累效率Table 2 Photosynthetic characteristic parameters and dry matter accumulation efficiency of the legumes in full bloom

2.3 供试豆科作物的花果特征及种子产量

根据盛花期田间小区收产结果(地上部)计算鲜草产量和干草产量，所得结果(表3)表明，望江南、大猪屎豆鲜草产量最大，达22 248 kg/hm2，是小豆、绿豆的近2倍，而干物质产量最大的是望江南，是小豆的2.65倍。早熟种比迟熟种干草产量低是因为生育期短，干物质积累时间短，但乌豇豆由于光合效率高(表2)，叶片大，长势旺，因而干物质产量也较高(是其他早熟种的1.5倍左右)，其干物质积累效率也更高。

表3 供试豆科作物的荚果种子特征及产量Table 3 Yield and characters of pods and seeds of the legumes in the field experiment

2.4 供试豆科作物植株的养分及养分积累量

表4显示，盛花期供试作物植株体内氮含量较高的是望江南、绿豆和决明；磷含量最高的是绿豆；钾含量最高的是大猪屎豆；铁、锌含量最高的是小豆。植物富集养分的能力还与其干物质积累量有关。富集氮、磷、铁能力最强的是望江南，富集的氮比小豆高2倍，富集的磷比小豆高1.3倍，富集的铁比绿豆高2.4倍；富集钾能力最强的是大猪屎豆，比小豆高2.2倍；富集锌能力最强的是合萌。从养分积累总量看，望江南的最大，是小豆的 2.9倍；中熟种以大猪屎豆的为最高，是小豆的2.2倍；早熟种以乌豇豆的为最高，是小豆的1.4倍。

表4 供试豆科作物盛花期植株的氮、磷、钾、铁、锌含量及养分积累量Table 4 Accumulation of N, P, K, Fe and Zn of the legumes in full bloom in the field experiment

按表4中供试绿肥作物养分积累平均数和粮食作物(水稻、小麦)一般施肥量(N、P2O5、K2O的比例为180∶75∶20 kg/hm2)计算，如果将这些豆科绿肥翻压入土(假定 80%的养分在当季释放)，可使化学氮肥减施39%，磷肥减施25%，钾肥减施48%。

3 讨论与结论

叶片净光合速率是反映植物光合能力的直接指标，而干物质积累效率是植物光合作用、呼吸作用和群体立地条件(包括叶面积指数和其他栽培条件)的综合反映。在光合参数中，气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度也与植物光合特性有关。Gs较高时，表明叶片气孔开度较大，通气能力较强，单位时间内CO2分子进入量较多，H2O分子反向逸出量也较多，其Tr可能也较高，Pn与Gs和Tr呈显著正相关关系[9–10]。本研究中，供试豆科作物在盛花期的Pn、Gs和Tr都与干物质积累效率呈显著正相关。供试豆科作物中，光合效率和干物质积累效率最高的是乌豇豆，望江南则因为生育期较长且光合效率也较高而积累了最多的干物质。

豆科绿肥作物含有植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。绿肥作物的养分富集能力代表绿肥翻压后所能补充土壤养分的数量，因此，养分富集能力是绿肥作物种质资源评价的重要指标。供试绿肥中，富集氮、磷、铁能力最强的是望江南；富集钾能力最强的是大猪屎豆；富集锌能力最强的是合萌。以供试绿肥作物养分积累平均数计，翻压绿肥可使粮食作物化学氮肥减施39%，磷肥减施25%，钾肥减施48%。

本研究结果表明，早熟种乌豇豆生长快，光合效率高，适宜于休闲时间较短的轮作；迟熟种望江南产量高，富集氮、磷、铁的能力较强，适宜于果园间(套)作或荒地培肥；中熟种大猪屎豆富集钾的能力最强；合萌富集锌的能力较强。从光合效率、产量、养分富集能力和生育期等多方面综合考虑，初步认为乌豇豆、望江南、大猪屎豆和合萌4种豆科绿肥作物适宜安徽地区种植，其中乌豇豆和望江南也被马卫萍等[11]推荐为适宜华北地区种543植的绿肥作物。

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[11]马卫萍，苏宝新，李志杰，等.黄淮海地区绿肥种质资源的筛选与评价[J].华北农学报，2010，25(增刊)：75–79.

责任编辑：尹小红

英文编辑：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

国家农作物种质资源平台运行服务项目(2012–019)；作物种质资源保护和利用项目(NB2013–2130135–34)；农业部生物有机肥创制重点实验室开放课题

崔伟(1967—)，男，安徽怀远人，高级农艺师，从事种质资源推广与应用研究, cuiwei_323@163.com；∗通信作者，邹长明，教授，主要从事土壤与肥料研究，cmzou@163.com