不同氮肥用量对夏芝麻冠层结构、产量及品质的影响

李春明， 张海洋， 高桐梅， 李丰， 王龙， 卫双玲

(河南省农业科学院芝麻研究中心，河南 郑州 450002)

芝麻(SesameindicumL.)是中国传统的特色油料作物，营养丰富，享有“油料皇后”美誉[1-2]。中国芝麻因皮薄籽大、口感好、品质优而享誉世界，但由于消费量的增加和加工业的需求，2020年，进口量突破100万t，对外依存度空前增大，因此稳定芝麻种植面积，实现芝麻高产稳产仍是促进中国芝麻产业发展和解决内需的关键所在。作物群体的干物质生产与所吸收的太阳辐射能有直接关系，并受冠层结构的影响，合理的冠层结构能够明显提高作物群体的光能截获率和光合速率，是作物获得高产的重要保证[3-4]。氮肥施用是合理优化作物群体冠层结构，管理调控作物群体的重要措施，对提高作物产量具有重要意义[5-7]。研究表明，一定范围内增加氮肥施用量可使作物获得高产，过量施氮不但增加农业生产成本、降低氮肥利用率，而且易导致土壤酸化、面源污染等环境问题[8-10]。有学者大量研究分析了施氮对芝麻产量和品质的影响[2,11-16]，研究结果显示，夏播芝麻施氮量为123.1～140.2 kg·hm-2时产量最高，品质最好，而江西秋芝麻最佳施氮量则为75.0～120.0 kg·hm-2；芝麻氮肥底施与初花期追施最佳比例为2∶1，最佳铵硝比为1∶9。汪瑞清等[12]研究表明，氮肥用量和基追肥比例均能显著影响红壤旱地秋芝麻冠层光能截获率和叶面积指数。已有研究主要集中在氮肥用量及施用方法对芝麻产量与品质的影响，但以夏芝麻冠层结构特性入手，从光能利用方面揭示氮肥用量对夏芝麻产量和品质影响的研究报道甚少。因此，本研究对不同氮肥用量对夏芝麻冠层结构、产量及品质的影响进行了分析，以期为合理优化夏芝麻群体结构，达到高产、减肥增效和降低农业面源污染提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018—2019年在河南省农业科学院芝麻研究中心平舆试验基地(32°97′74.38″N，14°70′99.58″E)进行。供试土壤为全氮659 mg·kg-1，速效氮77.28 mg·kg-1，速效磷21.18mg·kg-1，速效钾116.52 mg·kg-1，前茬作物为小麦。供试芝麻品种为郑芝98N09，该品种是河南省农业科学院芝麻研究中心(原棉油所)于2004年通过国家鉴定的芝麻新品种。

试验设置4个氮肥处理N0(0 kg·hm-2，CK)、N1(60 kg·hm-2)、N2(120 kg·hm-2)、N3(180 kg·hm-2)(纯氮)，3次重复，6行区，行长5 m，行距0.4 m，小区面积12 m2。磷、钾肥按P2O5100 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2施用。供试肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)和氯化钾(含K2O 60%)。磷肥和钾肥全部基施，氮肥50%基施，50%于现蕾期结合灌溉追施。2018年试验于6月10日播种，9月20日收获，全生育期103 d；2019年试验于6月13日播种，9月18日收获，全生育期98 d。种植密度为15万株·hm-2，其他管理同一般高产田。

1.2 项目测定

冠层参数：于晴天上午9：00—11：00进行，利用美国CID公司生产的CI-110冠层分析仪分别于夏芝麻的苗期、现蕾期、初花期、盛花期和终花期测定冠层叶面积指数、平均叶倾角、冠层透光率，在田间选择长势均匀的样点，将光探头水平放置在地面处，冠层分析仪每次观测时，先将探头放置于冠层拍探测点，保持探头水平，按下测定按钮，每个点保存5幅图片，选择冠层内地面不同位置测量，重复3次。

光合特性：在测定冠层特性的同时利用英国产LCPRO+光合作用测定仪测定夏芝麻相同叶位完全展开叶的净光合速率，选择长势一致的植株，分别测定叶片基部、中部和顶部等3个点，取平均值，重复3次。

SPAD值：测定叶片净光合速率的同时，利用日本产SPAD-502测定仪测定相同叶片的SPAD值，每片叶分别测定叶片基部、中部和顶部等3个点，取平均值。

产量和产量构成因素：成熟前每小区测定1 m双行植株进行考种，折算出单位面积蒴数、蒴粒数，并测定千粒质量。以小区为单位实收，换算出单位面积产量(kg·hm-2)，农艺性状指标的测定参照汪瑞清等[14]的方法进行。

子粒蛋白及粗脂肪含量：蛋白质含量测定参照国标GB/T 4489.2―2008；粗脂肪含量测定参照国标GB/T 5512―2008。

1.3 数据处理

数据处理和绘图运用Excel 2013进行，统计分析用SPSS 17.0进行。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥用量对夏芝麻冠层平均叶倾角的影响

从图1可以看出，不同氮肥处理下，郑芝98N09的平均叶倾角均随生育进程呈先升高后降低的趋势，其中CK与N1处理的平均叶倾角以现蕾期为最大，N2与N3处理以初花期为最大。与CK相比，施氮能显著提高各生育时期芝麻的平均叶倾角(P<0.05)，且均以N2处理的平均叶倾角最大，显著高于CK与N1处理(P<0.05)，说明N2处理能增加中下部叶片受光率，利于光合作用，预防早衰。

图1 不同氮肥用量对夏芝麻平均叶倾角的影响Fig.1 Effects of different nitrogen application rates on mean of leaf angle of summer sesame

2.2 不同氮肥用量对夏芝麻冠层叶面积指数的影响

由图2可知，施用氮肥能显著提高夏芝麻各生育时期的叶面积指数，随生育时期的后移呈先升高后降低趋势，不同氮肥处理的叶面积指数均以初花期最大，其中，在现蕾期，叶面积指数随施氮量的增加，增大的幅度最大。与CK相比，3个施氮水平均能显著提高各生育时期的叶面积指数，且随施氮量的增加而增大；在盛花期，N3处理的叶面积指数显著高于N1和N2处理(P<0.05)， N1和N2处理之间差异不显著，其他生育时期，处理间差异均达极显著水平(P<0.01)。

2.3 不同氮肥用量对夏芝麻冠层透光率的影响

图3结果表明，不同氮肥处理下，冠层透光率随生育进程呈先降低后升高的趋势，均以初花期透光率最小。与CK相比，施用氮肥能显著降低各生育时期的冠层透光率，冠层透光率随施氮量的增大而减小；在各生育时期，N3处理的冠层透光率均极显著低于CK和其他处理(P<0.01)。

2.4 不同氮肥用量对夏芝麻叶片SPAD值的影响

由图4可知，SPAD值在不同施氮处理下均随生育进程呈先升高后降低的趋势，多以现蕾期和初花期SPAD值最大。与CK相比，施用氮肥能极显著提高芝麻叶片的SPAD值(P<0.01)，SPAD值随施氮量的增加而增大；在终花期，N3处理的SPAD值极显著高于N1和N2处理(P<0.01)， N1和N2处理之间差异不显著，其他生育时期，处理间差异均达极显著水平(P<0.01)。

图2 不同氮肥用量对夏芝麻叶面积指数的影响 Fig.2 Effects of different nitrogen application rates on leaf area index of summer sesame

图3 不同氮肥用量对夏芝麻冠层透光率的影响Fig.3 Effects of different nitrogen application rate on light transmission rates of canopy of summer sesame

2.5 不同氮肥用量对夏芝麻叶片净光合速率的影响

从图5可以看出，净光合速率在各生育时期均随施氮量的增加呈先升高后降低趋势，均以N2处理最高，且显著高于对照和其他处理(P<0.05)；各处理的净光合速率随生育进程整体呈先升高后降低的趋势，多以现蕾期和初花期最高。

图4 不同氮肥用量对夏芝麻SPAD值的影响 Fig.4 Effects of different nitrogen application rates on SPAD value of summer sesame

2.6 不同氮肥用量对夏芝麻农艺性状的影响

表1结果表明，施氮能增加夏芝麻的株高、始蒴位高和果轴长，降低黄稍尖长。2018年，与CK相比，N2处理极显著增加株高，且极显著高于其他氮肥处理(P<0.01)；施氮能极显著增大始蒴位高(P<0.01)，且随施氮量的增加而增大，其中N3处理的始蒴位高极显著大于CK和其他氮肥处理(P<0.01)；各施氮处理的黄稍尖长较CK均极显著降低(P<0.01)，其中以N2处理最小，极显著低于N1和N3处理(P<0.01)；施氮极显著增加果轴长，且随施氮量的增加呈先增加后减少的趋势，以N2处理最大，极显著高于CK和其他氮肥处理(P<0.01)。2019年，与CK相比，N2处理极显著增加株高，且极显著高于N1和N3处理(P<0.01)；施氮能极显著增大始蒴位高，且随施氮量的增加而增大，其中，N3处理的始蒴位高极显著大于CK和其他氮肥处理(P<0.01)；各施氮处理的黄稍尖长较CK均呈极显著降低的趋势(P<0.01)；果轴长随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势，以N2处理最大，极显著高于CK和其他氮肥处理(P<0.01)。

图5 不同氮肥用量对夏芝麻叶片净光合速率的影响Fig.5 Effects of different nitrogen application rates on net photosynthetic rate in summer sesame leaves

表1 不同氮肥用量对夏芝麻主要农艺性状的影响Table 1 Effects of different nitrogen application rates on the main agronomic characters in summer sesame

2.7 不同氮肥用量对夏芝麻产量及品质的影响

从表2可以看出，与CK相比，施氮能明显提高单株蒴数、单蒴粒数、千粒质量、产量、子粒蛋白质和粗脂肪含量。2018年，单株蒴数、单蒴粒数、千粒质量、产量和蛋白质含量均随氮肥用量的增加呈先升高后降低的趋势，均以N2处理最大，且均极显著高于CK和其他氮肥处理(P<0.01)；施用氮肥能极显著提高子粒粗脂肪含量(P<0.01)，施氮处理之间差异不显著；子粒产量以N2处理最高，达1 616.5 kg·hm-2，分别比N1和N3处理增产了67.1%和18.7%。2019年，单株蒴数、单蒴粒数、千粒质量、产量和蛋白质含量均随氮肥用量的增加呈先升高后降低的趋势，均以N2处理最大，其中，单株蒴数、产量和蛋白质含量均极显著高于CK和其他氮肥处理(P<0.01)；单蒴粒数以N2处理最大，显著高于CK和N1处理(P<0.05)，与N3处理差异不显著；千粒质量以N2处理最大，显著高于CK和其他氮肥处理(P<0.05)；与CK相比，施用氮肥能极显著提高子粒粗脂肪含量(P<0.01)，施氮处理之间差异不显著，这与2018年结果基本一致；产量以N2处理最高，达1 405.8 kg·hm-2，极显著高于CK和其他氮肥处理(P<0.01)，分别比N1和N3处理增产了60.8%和12.1%。

表2 不同氮肥用量对夏芝麻产量及品质的影响Table 2 Effects of different nitrogen application rates on yield and quality in summer sesame

3 结论与讨论

适量施氮是芝麻获得高产的重要措施。卫双玲等[11]研究认为，夏播白芝麻的最佳施氮量为123.09 kg·hm-2。李亚贞等[13]的试验结果表明，秋播黑芝麻的株高、始蒴位高、单株蒴数、蒴粒数以及千粒质量均以120 kg·hm-2施氮处理最大，其子粒产量最高，达1 172.22 kg·hm-2，通过方程拟合认为，合理施氮范围在80～120 kg·hm-2之间。李中秀等[15]在研究氮、钾用量对芝麻产量的影响时，结果显示，施纯氮120 kg·hm-2、钾(K2O)225 kg·hm-2时单株蒴数、蒴粒数、千粒质量和产量最高，过量施氮反而不利于植株生长和子粒产量增加。魏林根等[17]研究认为，在红壤旱地宜于6月10日左右播种芝麻，并施用纯氮114.6 kg·hm-2、磷(P2O5)116.5 kg·hm-2、钾(K2O)179.1 kg·hm-2时芝麻产量最高。本试验条件下，120 kg·hm-2施氮处理的株高、果轴长、单株蒴数、单蒴粒数、千粒质量最大，产量和蛋白质含量最高，2年试验子粒产量分别达1 616.5和1 405.8 kg·hm-2，均显著高于CK和其他氮肥处理，这与前人研究结果[11-14]基本一致。

高效合理的冠层结构是作物产量形成的关键[18]。叶面积指数、平均叶倾角和透光率作为植物冠层结构主要指标，均受施氮量的调控。有研究表明，施用氮肥能增大小麦株高、叶面积指数和平均叶倾角，增强群体光合作用，降低小麦花后叶面积指数的下降幅度[19-20]，延缓叶片衰老，但是，氮肥过量施用会导致非气孔限制，进而降低小麦旗叶的光合速率[21]。多数研究结果表明，叶面积指数和净光合速率随施氮量的增加而增大，但幅度逐渐降低。过量施用氮肥显著降低冠层下部的透光率，导致叶面积指数过大，最终影响作物子粒产量的形成[14,20-24]。另有研究结果显示，平均叶倾角能显著改变作物冠层固定CO2的能力，进而影响其子粒产量[25]。在本研究中，施用氮肥对夏芝麻株高、平均叶倾角、SPAD值、净光合速率、叶面积指数和透光率均有显著影响；株高、平均叶倾角和净光合速率均在施氮120 kg·hm-2时达到最大；在施氮180 kg·hm-2时，SPAD值和叶面积指数最大，冠层透光率最小。说明过量施氮导致夏芝麻冠层透光率显著降低，冠层郁闭，不利于维持适宜的叶面积指数，最终影响夏芝麻产量的形成。

综上所述，120 kg·hm-2氮肥处理增大了平均叶倾角，改善了夏芝麻冠层结构，显著提高了子粒产量和品质。180 kg·hm-2氮肥处理虽然在一定程度上优化了夏芝麻冠层结构，显著提高了单株蒴数、单蒴粒数、产量和品质，但在生育后期，该处理出现早衰现象，中下部叶片过早衰亡，影响子粒灌浆，不利于提高千粒质量。综合考虑，本试验条件下，施氮量以120 kg·hm-2处理最佳。