蚯蚓粪与化肥配施对红小豆生长与品质的影响

刘 祥，周 洁，邓金华，叶爱萍，郑 玺，张立新

(西北农林科技大学生命科学学院，陕西 杨凌 712100)

红小豆(Vignaangularis)是豇豆属一年生草本植物[1]，富含蛋白质、淀粉、总膳食纤维和糖类等大量营养物质以及维生素B1、B2和18种氨基酸[2]，同时含有多酚、单宁、鞣质、皂苷类和黄酮类等多种生物活性物质[3-4]，具有食疗效果[5-6]。红小豆是陕西关中地区种植的小杂粮作物之一。关中属暖温带半干旱、半湿润气候区，是陕西省干旱发生最严重的区域，在历史上干旱发生的次数占总年数的42.25%[7]，且关中地区自1980年后气象干旱有逐渐加重趋势[8]。红小豆发芽期需水较多，苗期需水较少，开花期前后是需水的高峰期，过于干旱会导致红小豆减产[9]。此外，由于化肥的长期施用，土壤退化、肥力下降成为农业用地的普遍现象。气候条件、土壤肥力成为制约陕西红小豆产业发展的主要因素。

增施有机肥是保持土壤肥力和减少化肥施用的一种传统而有效的方法，具有增加养分有效性和提高作物产量的双重作用[10-11]。蚯蚓粪是由蚯蚓消化有机物质而产生的一种质地均一的颗粒状物质，稳定性高，具有很好的孔性、通气性，且含有丰富的有机质。近年来，学者们针对蚯蚓粪有机肥的保水增肥效应进行了大量研究。吴军虎等[12]研究表明，蚯蚓粪可以有效降低土壤容重、显著提高土壤团聚体抗水蚀稳定性、显著提高土壤入渗能力。李彦霈等[13]研究表明蚯蚓粪覆盖可一定程度抑制土壤水分蒸发。叶沙沙等[14]研究表明施用蚯蚓粪后土壤有机质和全氮含量显著增加。因此，蚯蚓粪作为有机肥有较好的持水与保肥能力。周东兴等[15]研究发现，化肥减量30%+蚯蚓粪处理在提高土壤碱解氮、速效磷、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和脱氢酶含量上表现最佳。方成等[16]研究发现，30%餐厨垃圾源蚯蚓粪+70%化肥处理的玉米产量与纯化肥处理一致，且提高了维生素C、可溶性糖和淀粉含量。程亚倩等[17]研究表明，70%化肥+30%蚯蚓粪处理较无肥处理提高了烤烟的根系生物量、烟叶生物量、中部叶硝酸还原酶含量及蔗糖转化酶活性。此外，蚯蚓粪在番茄[18]和草莓[19-20]等栽培中已有广泛应用且效果显著，但在红小豆应用方面的研究报道较少。本试验旨在通过设置不同比例蚯蚓粪肥与化肥配施，探究其对红小豆生长发育、籽粒品质和营养价值的影响，为提高干旱条件下红小豆的产量和品质提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试红小豆品种为保红947，购自保定市农业科学研究所。

供试化肥为商品复合肥(N∶P2O5∶K2O=10∶10∶20)；蚯蚓粪有机肥以牛粪为原料，平铺为长10 m、宽1.5 m、高0.15～0.2 m的长条状，露天自然腐熟30 d后接种适量大平2号蚯蚓，并覆盖秸秆或草帘，再堆肥2～3月制成(含有机质22.70 g·kg-1，全氮12.3 g·kg-1，碱解氮382.56 mg·kg-1，速效磷1 711.90 mg·kg-1，速效钾1 935.00 mg·kg-1)。

1.2 试验设计

试验于2019年在陕西省杨凌区西北农林科技大学生物健康农业示范园进行。试验地土壤类型为壤土，肥力中等，肥效均匀，地势平坦，排水良好，灌溉便利。0～20 cm土层基本理化性状为：有机质含量18.10 g·kg-1，速效氮23.12 mg·kg-1，速效磷48.21 mg·kg-1，速效钾232.00 mg·kg-1，pH 9.07。试验设5个处理：CK：不施肥；T1：纯化肥；T2：20%蚯蚓粪+80%化肥；T3：50%蚯蚓粪+50%化肥；T4：80%蚯蚓粪+20%化肥。除CK不施肥外，其他处理均保持施氮量一致(125 kg·hm-2)，见表1。每个处理设3个重复，各小区随机排列，小区面积39 m2，行距50 cm，株距20 cm，每小区4行，人工点播，每穴两株，肥料一次性全施，不追肥，常规田间管理。

表1 小区试验的施氮量和施肥量/(kg·hm-2)

1.3 测定项目与方法

于红小豆成熟期取样，每个小区选择5株具有代表性的植株，测定农艺指标和产量指标；对红小豆籽粒风干过筛后用于测定各成分指标。

植株农艺性状和产量性状参考程须珍等[21]的方法测定；可溶性糖含量参考高向阳[22]硫酸-蒽酮比色法测定；可溶性蛋白含量参考高俊凤[23]考马斯亮蓝法测定；总酚和γ-氨基丁酸含量参考任传英等[24]的方法进行提取并测定；总黄酮含量参考《NY/T 1295-2007荞麦及其制品中总黄酮含量的测定》测定[25]；DPPH清除率参考姚鑫淼等[26]的方法测定；羟自由基清除能力和总抗氧化能力采用北京索莱宝科技有限公司试剂盒进行测定。总三萜含量参考闫婕等[27]的方法，运用香草醛-冰醋酸-高氯酸比色法测定；氨基酸含量采用氨基酸自动分析仪(日本Hitachi公司生产，型号：L-8900型)测定。

1.4 数据处理

使用Excel 2016进行数据统计和绘图，运用SPSS 20.0软件进行显著性分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 对红小豆农艺性状的影响

从表2可以看出，蚯蚓粪与化肥配施均能不同程度地提高红小豆的农艺性状，其中红小豆株高以T2处理最优，较CK和T1处理分别提高了42.52%和4.57%，红小豆叶面积也以T2处理为最优，较CK处理和T1处理分别提高了20.54%和11.93%。随蚯蚓粪施用比例增加，各处理的红小豆茎粗和分枝数没有显著差异(P>0.05)。综上可见，对红小豆施用合适用量的蚯蚓粪可明显提高红小豆的株高和叶面积，而对红小豆的茎粗和分枝数影响不明显。

表2 施用蚯蚓粪对红小豆农艺性状的影响

2.2 对红小豆产量性状的影响

由表3可知，蚯蚓粪与化肥配施可以改善红小豆产量性状。其中，以T2处理红小豆单株粒重和百粒重最高，显著高于CK和T1处理(P<0.05)；红小豆荚长以T4处理最优，显著高于CK和T1处理(P<0.05)，但与T2处理没有显著差异(P>0.05)。此外，红小豆荚宽、荚粒数和单株荚数在各处理之间没有显著差异(P>0.05)，说明蚯蚓粪及化肥的施用对红小豆的荚宽、荚粒数和单株荚数的影响不明显。

表3 施用蚯蚓粪对红小豆产量性状的影响

2.3 对红小豆品质性状的影响

2.3.1 对红小豆可溶性蛋白及可溶性糖含量的影响 如图1所示，不同比例蚯蚓粪处理对红小豆可溶性蛋白(除T3外)和可溶性糖含量均有显著的提升作用(P<0.05)。其中T2处理的可溶性蛋白含量显著最高，较CK处理显著提高了71.87%，较T1处理显著提高了19.34%(图1A)；红小豆可溶性糖含量T4处理最高，较CK、T1和T2处理分别显著提高了47.93%、37.20%和17.17%。

注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同。

2.3.2 对红小豆功效成分含量的影响 从图2可以看出，蚯蚓粪与化肥配施对红小豆总三萜、总酚、总黄酮和γ-氨基丁酸含量的影响不同。由图2A可知，配施蚯蚓粪后红小豆总三萜含量以T2处理(20%蚯蚓粪+80%化肥)最高，达0.63 mg·g-1，较CK和纯化肥处理(T1)分别显著增加了50.00%和53.66%(P<0.05)。由图2B可知，随蚯蚓粪含量增加，红小豆总酚含量呈现先上升后下降的趋势，其中T2处理总酚含量最高，达2.92 mg·g-1，较CK和纯化肥处理(T1)分别显著提高了26.41%和7.35%(P<0.05)。

由图2C可见，T2处理的总黄酮含量最高，相比CK显著提高了5.96%(P<0.05)，但不同施肥处理间无显著差异。由图2D可知，添加一定量的蚯蚓粪可显著提高红小豆中γ-氨基丁酸含量，其中T2处理的γ-氨基丁酸含量显著高于其他处理(P<0.05)，较无肥处理CK显著提高了96.44%，较纯化肥处理(T1)显著提高了40.43%。

图2 不同处理下红小豆功效成分含量变化

2.3.3 对红小豆抗氧化能力的影响 由图3A可见，蚯蚓粪与化肥配施对红小豆DPPH自由基清除能力影响不同。各处理的DPPH自由基清除能力范围分布在82%～95%之间，其中以T2处理(20%蚯蚓粪+80%化肥)的DPPH清除能力最高，可以达到95.32%，较CK和纯化肥处理(T1)分别显著增加了11.76%和5.56%(P<0.05)。

不同比例的蚯蚓粪处理下红小豆的羟自由基清除能力如图3B所示，各处理均对羟自由基清除能力有提升作用但差异不显著，且随着蚯蚓粪施用比例的增加(T2～T4)呈递减趋势。其中以20%蚯蚓粪+80%化肥处理(T2)对羟自由基的清除率最大，较CK和纯化肥处理(T1)分别增加了78.26%和64.02%。

从图3C可以看出，配施蚯蚓粪处理对红小豆总抗氧化能力有显著的提升作用(P<0.05)。其中20%蚯蚓粪+80%化肥处理(T2)在各处理中最优，总抗氧化能力最强，其较CK和T1处理分别提高了151.78%和135.76%。

图3 不同处理下红小豆抗氧化能力变化

2.3.4 红小豆功效成分与抗氧化活性的相关性分析 通过对红小豆功效成分与抗氧化活性进行相关性分析，由表4所示，红小豆中的功效成分总三萜含量和γ-氨基丁酸与3种抗氧化模型中的抗氧化活性均呈正相关。其中DPPH自由基清除率与总三萜含量、γ-氨基丁酸含量呈极显著正相关(P<0.01)。总抗氧化能力与总三萜、γ-氨基丁酸含量呈极显著正相关(P<0.01)。由此可知，总三萜和γ-氨基丁酸是红小豆抗氧化活性强弱的关键因子。且总三萜含量与总酚含量呈显著正相关(P<0.05)，γ-氨基丁酸与总酚、总黄酮呈显著正相关(P<0.05)，可见，总酚和总黄酮对红小豆抗氧化活性存在间接作用。

表4 红小豆功效成分与抗氧化活性的相关性分析

2.3.5 红小豆氨基酸含量分析 通过前期对各蚯蚓粪处理红小豆功效成分和抗氧化能力的测定与分析，从中筛选出一个最佳处理(T2)，并对该处理和对照处理(CK和T1)进行氨基酸含量的检测。测定结果如表5所示，3个处理的红小豆中均检测出7种必需氨基酸和10种非必需氨基酸，其中必需氨基酸以赖氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸含量较高，且T2处理的红小豆必需氨基酸总量较CK和T1处理均有明显提升。T2处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，且较CK和T1处理也有明显提升。通过比较各处理红小豆的氨基酸总量发现，T2处理总氨基酸含量较CK提高了43.64%，较纯化肥处理(T1)提高了7.30%。综上，添加合适比例的蚯蚓粪可一定程度地提高红小豆中各类氨基酸的含量。

表5 不同施肥处理下红小豆的氨基酸种类及含量

3 讨 论

蚯蚓粪是一种良好的腐熟有机肥料，具有孔隙多、通气性好和排水性好等优点。添加蚯蚓粪能够改善土壤的理化性质、增加土壤养分、提高微生物丰度和土壤中多种酶的活性[28]。因此，蚯蚓粪常作为有机肥用于提高土壤肥效、促进作物提质增产。有研究表明，施用蚯蚓粪对番茄具有良好的作用效果，改善了番茄农艺性状，促进了番茄植株长势，显著提高其坐果率[29]和产量[30]。陆萍等[19]研究表明，蚯蚓粪可促进草莓植株生长，显著提高草莓鲜果产量，提高草莓糖度，改善其品质。陈歆等[31]发现蚯蚓粪对辣椒生长也有促进作用，施用蚯蚓粪后，辣椒植株茎高增加，植株分叉增多，生长发育的潜力增强。此外，左亚男[20]研究发现当蚯蚓粪比例低于30%时，整体上作物长势随蚯蚓粪含量的增加而升高。此外，研究表明蚯蚓粪有机肥可增加菠菜[32]和番茄[18]中可溶性糖、维生素C、可溶性蛋白质含量等品质指标。本研究中蚯蚓粪配施化肥可有效提高红小豆可溶性糖和可溶性蛋白含量，与前人研究结果相近。

张宁[33]研究发现添加蚯蚓粪肥可提高番茄DPPH自由基清除能力、羟基自由基(·OH)清除能力。王东红等[34]研究发现添加蚯蚓粪可显著提高樱桃萝卜中抗氧化物质类黄酮、总酚等含量，抗氧化能力有所提升。莫雨轩等[35]在铁皮石斛栽培基质中添加蚯蚓粪后其多种酶活性以及黄酮含量提高，抗氧化能力显著增强。周洁[36]研究发现普通和纳米两种颗粒粒径的蚯蚓粪对改善红小豆的药用成分效果明显，两种颗粒粒径的蚯蚓粪均能显著提高红小豆总三萜、总酚、γ-氨基丁酸含量及氨基酸总量，本研究结果与前人基本一致。此外，随着添加的蚯蚓粪比例提高，其作用效果相对减弱，这与王艳芳等[30]的研究结果一致。红小豆总抗氧化能力与总三萜、γ-氨基丁酸含量呈显著正相关，总酚含量与总黄酮含量显著正相关，这与任传英等[24]的研究结果一致。

许馨予等[37]对黑龙江主栽红小豆营养成分进行了分析，表明红小豆中8种必需氨基酸含量齐全，非必需氨基酸谷氨酸、天冬氨酸、精氨酸含量较高。彭海等[38]对10种红小豆氨基酸含量进行了检测，结果显示其含量平均在19.153～22.295 g·100g-1之间。本试验发现，蚯蚓粪对红小豆籽粒氨基酸的积累具有一定的促进作用。

4 结 论

蚯蚓粪与化肥配施可以提高红小豆的株高和叶面积，促进红小豆植株的生长发育，增加红小豆的单株粒重和百粒重，从而提高红小豆的产量。施用蚯蚓粪可以提高红小豆可溶性多糖和可溶性蛋白总量以及总三萜、总酚、总黄酮和γ-氨基丁酸等药用功效成分含量，增强了红小豆的DPPH自由基和羟自由基清除能力，进而提高了红小豆的功效品质。因此，通过施用合适比例(20%蚯蚓粪+80%化肥)的蚯蚓粪可以促进红小豆植株生长和提高红小豆的产量及品质，同时减少化肥的施用，具有推广价值。