瑞士温带条件下扁豆-裸大麦混作的农艺与营养表现：蛋白质含量、蛋白质产量稳定性、β-葡聚糖含量及分离能力

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Agronomic and nutritional performance of lentil–hull-less barley mixtures under temperate Swiss conditions: protein content, protein yield stability, β-glucan content and separation ability

　　

背景：豆科作物与谷类作物间作可增强食物系统的恢复力、资源效率和营养品质，但很少有研究将产量稳定性与籽粒数量及收获后加工性能相结合。扁豆（Lens culinaris Medik.）和裸大麦（Hordeum vulgare L. var. nudum）代表了温带气候下一种有前景的混作组合。研究人员在此提供了首次多年评估，涵盖2022—2024年3年、两个地点和22个处理，评估了蛋白质含量、蛋白质产量稳定性、β-葡聚糖（β-glucan）浓度和籽粒分离。

结果：与未施肥和施肥的纯作系统相比，混作使大麦蛋白质含量提高了18–26 g kg^?1干物质（DM），而扁豆蛋白质含量在纯作中略高。混合系统缓冲了环境变异性（Finlay–Wilkinson回归系数 b_i ≈ 1.1），其变异性（CV = 38%）显著低于纯大麦（CV = 63%），接近纯扁豆的稳定性（CV = 29%）。扁豆品种Beluga与大麦品种AF Cesar的组合获得了最高的蛋白质产量稳定性，通过AMMI（加性主效应和乘性互作，additive main effects and multiplicative interaction）产量稳定性指数记录的加权绝对得分为94.5。β-葡聚糖含量（17–76 g kg^?1 DM）在施肥的纯作AF Cesar中最高，并受年份和地点影响。籽粒分离显示出部分高杂质水平（>1%），原因是种子大小相似，但种子大小对比鲜明的混作组合（例如Beluga–AF Cesar）改善了分离效果（r = 0.38）。

结论：在瑞士条件下，扁豆与大麦混作提高了大麦蛋白质含量和产量稳定性，首次提供了对β-葡聚糖含量以及由种子大小差异驱动的杂质减少的影响证据。选择种子大小对比鲜明的品种组合并优化播种时间，可以改善豆科–谷类系统的农艺和收获后性能。

气候变化对欧洲农业可持续性构成严重威胁，传统种植制度亟需转向具有恢复力、资源高效且生态可持续的模式。同时，人们对营养多样性的关注日益增加，因此种植系统必须在推进可持续目标的同时确保营养稳定性与市场相关性。作物多样化是实现这些目标的重要途径，而豆科与谷类混作（intercropping/mixed cropping，即在同一田块同时种植两种以上作物）已被证明能够提高产量稳定性、减少化学投入并增强生物多样性。扁豆（Lens culinaris Medik.）和裸大麦（Hordeum vulgare L. var. nudum）均对升温有较强耐受性，扁豆富含蛋白质、矿物质和维生素，并具备生物固氮能力，裸大麦则因富含可溶性膳食纤维β-葡聚糖（β-glucan）而适合健康导向的功能食品市场，且无需脱皮即可全籽粒利用。

然而，以往关于扁豆–大麦混作的研究多集中于农艺表现，较少评估营养品质，更缺乏将蛋白质含量、产量稳定性、β-葡聚糖含量与收获后籽粒分离能力纳入同一田间试验的综合研究。为填补这一空白，研究人员在瑞士两个地点开展了2022—2024年连续三个生长季的田间试验，系统比较了纯作与混作系统下的多种农艺与营养指标，并验证混作是否能提高大麦蛋白质含量及系统产量稳定性、增强β-葡聚糖含量、改善收获后分离效率。

试验采用随机完全区组设计（4个重复），地点分别为Agroscope Reckenholz（苏黎世，海拔444 m）和Agroscope T?nikon（Aadorf，海拔539 m），每年更换田块，共形成6个环境。供试材料包括4个扁豆品种（Anicia、Beluga、Chateau Linsen、Grüne Berry）和3个早熟春季裸大麦品种（AF Cesar、Goljiat、Oak Ruby），共设22个处理，包含纯作、施肥纯作和3:1扁豆:大麦混作。种植密度统一为240株 m^?2，全生育期不使用除草剂、杀菌剂和杀虫剂。蛋白质含量采用近红外透射光谱（NIRS）结合Kjeldahl（N × 6.25）参考法测定；β-葡聚糖含量采用Megazyme混合连接β-葡聚糖试剂盒（AOAC 995.16）测定；产量稳定性通过Finlay–Wilkinson回归和AMMI（加性主效应和乘性互作）模型的加权平均绝对得分（WAAS）评估；统计推断基于线性混合效应模型（lme4/lmerTest）和Type III ANOVA。

研究结果如下。蛋白质含量方面，混作使大麦蛋白质含量显著提高，较纯作未施肥和施肥处理分别增加26和18 g kg^?1 DM，而扁豆蛋白质含量在纯作中略高（差值为7.6 g kg^?1 DM），该差异在分层分析后大多不显著。年份是蛋白质变异的主要来源，2022年含量最低，2023和2024年较高。蛋白质含量与籽粒产量呈负相关（扁豆 r = ?0.34，大麦 r = ?0.43），表明存在产量–蛋白质权衡。

蛋白质产量方面，混作系统总蛋白质产量平均为367 kg ha^?1 DM，显著高于纯作未施肥大麦（282 kg ha^?1 DM）和施肥大麦（316 kg ha^?1 DM），与纯扁豆（359 kg ha^?1 DM）无显著差异。年份效应显著，2022年产量最高，2024年最低。

蛋白质产量稳定性方面，Finlay–Wilkinson回归显示混作系统回归系数 b_i = 1.1，变异系数CV = 38%，均方根误差RMSE = 16，R² = 0.99，兼具高生产力和高稳定性；纯大麦 b_i > 1.4，CV > 60%，环境响应强但稳定性差；纯扁豆 b_i = 0.07，CV = 29%，产量相对较低但缓冲性强。AMMI分析表明，Beluga与AF Cesar混作组合的WAASY得分为94.5，排名第一，为最优产量–稳定性组合。

β-葡聚糖含量方面，全部样品含量范围为17–76 g kg^?1 DM。施肥纯作大麦含量最高（48.5 g kg^?1 DM），显著高于混作（42.5 g kg^?1 DM），混作与未施肥纯作差异不显著。品种效应显著，AF Cesar含量最高（49.2 g kg^?1 DM），其次为Goljiat（43.7 g kg^?1 DM）和Oak Ruby（38.4 g kg^?1 DM）。2022年含量高于2024年，T?nikon高于Reckenholz，与籽粒灌浆期长短和热积累条件有关。混作提高β-葡聚糖含量的假设未获支持。

收获后分离方面，所有混作处理经凹柱滚筒分离后的杂质比例均超过1%和0.5%的质量阈值，范围为4.9%–30.4%，2023年因收获期高湿导致种子破碎增加、杂质比例最高。杂质比例与种子大小比呈显著负相关（r = 0.38），Beluga–Oak Ruby（10.6%）和Beluga–AF Cesar（11.1%）两种组合杂质最低，表明种子大小差异有助于提高分离效率。

讨论中指出，混作提高大麦蛋白质含量可能来自扁豆的生物固氮作用以及混作中种间竞争减弱。氨基酸互补性方面，扁豆富含赖氨酸而缺乏含硫氨基酸，大麦则正好互补，两者同收可获得更均衡的氨基酸谱，但本研究未直接测定蛋白质质量。β-葡聚糖对氮素形态和环境条件响应不同，施肥纯作的β-葡聚糖含量最高，而混作中豆科氮素释放缓慢，未促进β-葡聚糖积累。延长籽粒灌浆期如早播和充足水分供应有利于其积累。分离效率的瓶颈主要来自种子大小和颜色相似，选择种子大小差异大、颜色对比鲜明的品种组合可减少分离工序、降低成本。研究结论认为，在瑞士低投入无农药管理条件下，扁豆–裸大麦混作可稳定提高大麦蛋白质含量并增强系统产量稳定性，首次提供了β-葡聚糖含量和种子大小驱动杂质减少的证据；推荐早播（温带条件下2月底）并选择种子大小对比鲜明的品种组合以同时优化生产力和收获后加工效率。未来研究应评估田间作业中的籽粒损失，并探索光学分选等先进分离技术以进一步提高混作系统的籽粒纯度。