施氮量和种植密度对芝麻光合速率、产量和氮肥利用率的影响

李 丰 高桐梅 苏小雨 魏利斌 王东勇田 媛 李同科 杨自豪 卫双玲

（1河南省农业科学院芝麻研究中心/农业农村部黄淮海油料作物重点实验室/河南省特色油料作物基因组学重点实验室，450002，河南郑州；2平舆县农业科学技术试验站，463400，河南平舆）

芝麻是我国重要的油料作物之一，近年来由于国内外市场需求量增大，我国芝麻原料供给严重不足，进口量逐年增加。2020年我国芝麻产量45.7万t，而进口量达到101.5万t，进口量同比增长24.1%[1]。受种植结构调整、机械化程度低和产量波动大等因素影响，2017年我国芝麻种植面积萎缩至22.77万hm2，不足2000年的1/3，2019年我国芝麻种植面积为28.3万hm2[2]。大幅度增加芝麻种植面积难以实现。因此提高芝麻单位面积产量是当前亟待解决的关键问题。

氮肥和种植密度是影响作物产量的主要栽培措施[3-5]，科学的施氮量和施用方式能促进作物光合作用，提高产量和氮肥利用率。合理的种植密度可改善作物群体质量，增强光合效率，发挥高产潜能，获得高产。前人针对氮肥施用量和种植密度对小麦、玉米、水稻、棉花和油菜等产量和氮肥利用率的影响进行了大量的研究[6-11]。徐新朋等[6]研究指出，合理的氮肥用量和移栽密度可以显著增加双季稻单位面积的有效穗数和氮累积量，进而增加水稻产量和氮肥利用率。曹倩等[7]研究认为，随种植密度提高，冬小麦氮肥吸收利用率、氮肥偏生产力以及氮素养分利用效率都呈先增加后降低的趋势，总氮素积累量增加。张平良等[10]研究表明，种植密度和施氮量均显著影响玉米籽粒产量、氮素和水分利用效率，且两者互作效应显著。关于氮肥和种植密度单一因素对芝麻产量和氮肥利用率的影响也有报道[12-16]，而关于氮肥、种植密度及其互作效应对芝麻产量和氮肥利用率的影响少有报道。为此，本试验设置不同施氮量和种植密度，研究施氮量和种植密度对芝麻光合特性、产量及氮肥利用率的影响，为芝麻高产高效生产提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于 2016-2017年在河南省农业科学院现代农业科技试验示范基地进行，基地位于河南省新乡市平原新区（113°57′ E，35°3′ N），土壤质地为沙壤土，前茬作物为小麦。2016年耕层土壤（0～30cm）有机质含量0.82%、全氮0.071%、碱解氮66.99mg/kg、速效磷23.5mg/kg、速效钾187.4mg/kg，2017年耕层（0～30cm）土壤有机质含量0.83%、全氮0.082%、碱解氮 75.92mg/kg、速效磷 24.3mg/kg、速效钾175.7mg/kg。

1.2 试验设计

以白芝麻品种郑太芝1号为材料，采用随机区组设计，设置 4个施氮水平（纯氮 0、60、100、140kg/hm2），分别用N1、N2、N3、N4表示；设置3个种植密度（11.25万、18.75万、26.25万株/hm2），分别用D1、D2、D3表示。氮肥为尿素（含N 46%），各处理施P2O560kg/hm2、K2O 90kg/hm2，磷肥为过磷酸钙（含 P2O512%），钾肥为氯化钾（含 K2O 60%），全部肥料于播种前作基肥均匀撒入小区，并用小型微耕机旋耕整地，使肥料均匀施入 0～20cm土层。每小区行长5m，宽2.4m，D1和D2处理种植6行，行距40cm。D3处理种植8行，行距30cm。每个处理3次重复，试验小区间设置30cm田埂隔离带，四周设保护行，其他管理同大田生产。

1.3 测定指标及方法

芝麻进入盛花期约15d，采用手持式SPAD-502型叶绿素计（美能达公司，日本）测定中上部完全展开的3片叶的叶绿素相对含量（SPAD值），每片叶测定10点，每个小区测定5株。用Lcpro+2000便携式光合作用测定仪（ADC BioScientific，英国）测定中上部完全展开的3片叶的净光合速率（Pn），每小区测定5株。在芝麻盛花中期，每小区随机选取 15株挂牌，并用细棉线绑定每株的叶片，采用不同的颜色标记不同植株，直至封顶期。每隔5d对掉落的叶片及时按株收集，直至芝麻成熟。芝麻成熟后，在标记的15株中选取生长均匀一致的10株，调查单株蒴数、单蒴粒数以及千粒重，将植株按茎、叶、蒴皮、籽粒分类装袋，于105℃烘箱杀青30min后，80℃烘干至恒重，记录生物量。干样粉碎后，采用凯氏定氮法测定植株及籽粒全氮含量。芝麻成熟期取样测定生物量后，选取无缺苗断垄且长势整齐一致的3行实收装袋，待完全风干后脱粒测产。

1.4 相关参数计算

氮肥吸收利用率（Nitrogen recovery efficiency，NRE，%）=（施氮区植株氮积累量–不施氮区植株氮积累量）/施氮量×100。氮肥收获指数（Nitrogen harvest index，NHI，kg/kg）=籽粒氮积累量/植株氮积累量。氮肥农学利用率（Nitrogen agronomic efficiency，NAE，kg/kg）=（施氮区籽粒产量–不施氮区籽粒产量）/施氮量。

1.5 数据处理

采用 Excel 2010进行数据整理和作图，采用SPSS 17.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 施氮量和种植密度对芝麻盛花中期叶片Pn和SPAD的影响

从表1可看出，施氮量和种植密度分别对芝麻盛花中期叶片Pn的影响达显著水平，施氮量和种植密度互作对盛花中期叶片Pn的影响未达到显著水平。N1D3处理的叶片Pn最低，N4D1处理的叶片Pn最高，2 年Pn最高分别为 26.82 和 27.39μmol/(m2·s)，分别较同年N1D3处理提高了31.47%和24.73%，差异达到显著水平。N3D1处理2年的叶片Pn略低于N4D1处理，N3D2处理又仅次于N3D1处理。同一施氮量条件下，随着种植密度的增加，叶片Pn逐渐降低，如2016年N4处理下，D2和D3处理的Pn分别为 25.83和 21.64μmol/(m2·s)，分别较 D1降低了3.69%和19.31%；同一密度条件下，随着施氮量的增加，叶片Pn总体呈逐渐升高的趋势。从施氮量和种植密度对芝麻盛花中期叶片SPAD的影响可以看出，N3D1处理的SPAD最高，除2017年N3D1、N4D2外，与其他处理差异均达显著水平；2016和2017年N1D3处理的SPAD最低，分别较N3D1处理降低 19.33%和 17.71%。同一施氮量条件下，随着种植密度的增加，SPAD降低。D1处理条件下，以N3处理的SPAD最高，D2和D3处理SPAD随着施氮量的增加升高。

表1 2016-2017年施氮量和种植密度对芝麻盛花中期叶片Pn和SPAD的影响Table 1 Effects of nitrogen rate and planting density on Pn and SPAD of sesame at full flowering stage in 2016-2017

2.2 施氮量和种植密度对芝麻产量及其构成因素的影响

从图1可以看出，施氮量和种植密度对芝麻产量具有重要的影响。N3处理的芝麻产量最高，2016年，N3处理的产量达到1879.1kg/hm2，分别较N1和N2处理提高19.70%和9.06%，差异达显著水平。N4处理产量为1821.7kg/hm2，与N3处理相比，减产差异显著，较N1和N2处理显著增产。2017年N3处理产量较N1和N2处理提高，差异达显著水平，较N1处理提高16.91%，与N4处理差异不显著。从种植密度对芝麻产量的影响来看，2年均以D2处理产量最高，D3处理次之，两者差异不显著。2016年D2和D3处理分别较D1处理增产15.30%和13.88%，2017年分别较D1处理增产16.69%和15.01%，两者与D1处理产量差异达到显著水平。

图1 2016-2017年施氮量和种植密度对芝麻产量的影响Fig.1 Effects of nitrogen rate and planting density on grain yield of sesame in 2016-2017

表2表明，施氮量和种植密度对芝麻产量及其构成因素影响显著，施氮量和种植密度互作对单株蒴数、单蒴粒数和产量影响显著。从2年数据可以看出，均为N3D2处理产量最高，与其他处理的差异达到显著水平。N1D1处理产量水平最低，N3D2较N1D1处理2年分别增产43.78%和42.29%，较N1D2处理2年分别增产29.84%和24.45%，增产幅度达显著水平。N4D2处理产量位列第二。N1和N2条件下芝麻产量随着种植密度的增加而提高，N3和N4条件下均以D2处理产量最高，D1处理最低。D1条件下随着施氮量的增加，芝麻产量逐渐提高，2016年N2D1、N3D1和N4D1处理分别较N1D1处理增产8.48%、16.62%和18.62%，2017年分别增产11.85%、14.77%和20.84%。随着施氮量的增加，增产幅度增大。D2和D3条件下，芝麻产量随着施肥量的增加呈先升高后降低的趋势，均以N3处理产量水平最高，N4处理次之。

表2 2016-2017年施氮量和种植密度对芝麻产量及其构成因素的影响Table 2 Effects of nitrogen rate and planting density on grain yield and its components of sesame in 2016-2017

从施氮量和种植密度对芝麻产量构成因素的影响可以看出，同一施氮量条件下，芝麻的单株蒴数和千粒重随着种植密度的增加而降低。同一种植密度条件下，D1处理单株蒴数、单蒴粒数和千粒重随着施氮量的增加分别呈现先升后降、先降后升及一直升高的趋势，D2处理的千粒重随着施氮量的增加而升高，单株蒴数和单蒴粒数则以N3处理的最高。D3处理条件下，芝麻单株蒴数2年均以N3处理最高，2016年单蒴粒数以N2最高，千粒重以N4处理的最高，2017年单蒴粒数与千粒重则以N3处理最高，表明该密度条件下单蒴粒数和千粒重不同年际间有差异。

2.3 施氮量和种植密度对芝麻氮素积累的影响

从图2可以看出，施氮量和种植密度对芝麻秸秆氮、籽粒氮和总氮量有显著影响，2年数据趋势一致。2016年，N4D3处理总氮量为235.5kg/hm2，除N3D3和N4D2处理外，与其他处理的差异达到显著水平。N4D3处理秸秆氮和籽粒氮含量分别为146.9和88.6kg/hm2，除N3D2外，高于其他处理籽粒氮含量。N3D2处理的籽粒氮含量最高，达到99.2kg/hm2，总氮含量为212.1kg/hm2。N1D1处理的秸秆氮、籽粒氮和总氮含量最低，籽粒氮含量较N4D3处理降低了24.38%，总氮含量降低了45.01%。在同一施氮量条件下，随着种植密度的增加秸秆氮和总氮含量提高，N1和N2条件下籽粒氮含量随着密度的增加而增加，N3和N4条件下均为D2处理的籽粒氮含量最高。在同一种植密度条件下，随着施氮量的增加，秸秆氮、籽粒氮以及总氮含量均提高。

图2 2016-2017年施氮量和种植密度对芝麻植株氮素积累的影响Fig.2 Effects of nitrogen rate and planting density on nitrogen accumulation of sesame plant in 2016-2017

2.4 施氮量和种植密度对芝麻氮肥利用率的影响

从表3可以看出，施氮量和种植密度对氮肥收获指数、氮肥吸收利用率以及氮肥农学利用率的影响显著，施氮量和种植密度互作对其影响不显著。随着施氮量的增加，芝麻氮肥收获指数逐渐降低。在D2和D3处理条件下，氮肥吸收利用率以N3处理最高，N4处理次之；氮肥收获指数随着种植密度的增加逐渐降低，氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率则以D2处理最高，D3处理多数为最低，D2处理2年氮肥吸收利用率分别较D3处理提高21.78%和24.33%。N1D1处理的氮肥收获指数最高，2年分别达到0.52和0.53kg/kg。N3D2处理2年的氮肥吸收利用率最高，分别为51.04%和50.04%，N2D3处理2年的氮肥吸收利用率均为最低，仅为30.56%和33.05%。除2017年N2处理外，N3D2处理的氮肥农学利用率显著高于其他处理，2年分别达到4.74和4.27kg/kg。同一施氮量条件下，随着种植密度的增加氮肥收获指数逐渐降低，氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率均以D2处理最高。同一种植密度条件下，随着施氮量的增加，氮肥收获指数逐渐降低，N3处理的氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率较高。

表3 2016-2017年施氮量和种植密度对芝麻氮肥利用率的影响Table 3 Effects of nitrogen rate and plant density on nitrogen utilization efficiency of sesame in 2016-2017

3 讨论

3.1 施氮量和种植密度对芝麻盛花期光合特性的影响

植物体内约95%的干物质积累源于光合作用，植物的光合能力与籽粒产量形成密切相关[17]，而氮肥和种植密度是影响植物光合作用的重要因素。蔡瑞国等[18]对不同基因型小麦品种旗叶光合特性研究表明，随着施氮量一定范围内的增加，叶绿素含量、光合速率均有增加的趋势，但氮肥的过量施用对光合作用有消极影响。这一结论在其他作物中也被证实，如刘笑鸣等[19]研究指出，随氮肥施用量的增加，玉米叶片Pn、最大光化学效率、籽粒内源激素含量、灌浆速率及产量均呈先升高后降低的趋势，在施氮量200kg/hm2时达到最大。密度对植物光合能力的影响变化趋势类似于氮肥。吕丽华等[20]研究表明，在中和低种植密度下，玉米冠层结构及冠层内光分布较合理，生育后期光合面积高值持续时间较长，从而为籽粒充实提供较多的光合产物；而在过高密度条件下，冠层内通风透光不良，削弱了中下部叶片的光照条件，致使光合生产率下降。此外，黄波等[21]研究表明，合理的氮密互作可改善小麦冠层结构，显著影响冠层光合特性，旗叶Pn和SPAD随着种植密度的增加而降低，而随着施氮量的增加而增加，但施氮量超过225kg/hm2时变化均不显著。本研究结果表明，同一施氮量条件下，随着种植密度的增加，叶片Pn和SPAD逐渐降低，同一密度条件下，随着施氮量的增加，叶片Pn逐渐升高。这些结果表明，氮肥量和种植密度显著影响芝麻光合能力，一定范围内的施氮量和种植密度与芝麻光合能力呈正相关。

3.2 施氮量和种植密度对芝麻产量及其构成因素的影响

关于施氮量和种植密度对芝麻产量等性状的影响已有报道，李亚贞等[15]研究指出，红壤旱地黑芝麻赣芝8号在施氮量120kg/hm2时单株蒴数和单蒴粒数最大，产量最高。汪瑞清等[22]研究表明，红壤旱地条件下，在施氮量105.0kg/hm2时2年产量分别较对照增产49.82%和76.53%，并指出2个试验点进贤和东乡县的适宜密度分别为22.5万和37.5万株/hm2。刘文萍等[12]研究指出，短节密蒴品种DW607种植密度为11.25万株/hm2时，单株蒴数、单蒴粒数、千粒重及单株产量最高，随着种植密度的增加，这些指标逐渐减少。本研究结果表明，N3D2处理氮密互作下芝麻的产量达到最高水平，而从施氮量来看，N3处理的产量最高，从种植密度来看，D2处理的产量最高。氮肥密度互作对芝麻单株蒴数和产量也有显著影响，芝麻的单株蒴数和千粒重随着种植密度的增加而降低；D1条件下，单株蒴数、单蒴粒数和千粒重随着施氮量的增加而升高；D2条件下，单株蒴数和单蒴粒数以N3处理的最高，千粒重以N4处理最高；D3条件下，单株蒴数以N3处理最高。表明合理地增加施氮量和种植密度才能达到芝麻高产高效生产。

3.3 施氮量和种植密度对芝麻氮素积累和氮肥利用率的影响

肥料投入过量或不平衡不仅影响产量，而且会导致肥料利用率低和环境污染等问题[23]。养分利用率是衡量施肥合理性和先进性最为直接的指标。适宜的种植密度不仅可以提高玉米产量，还能提高氮肥利用率，然而随着氮肥施用量的增加，氮素利用率却在降低[24]。汪瑞清等[22]研究表明，密度对红壤旱地秋芝麻氮肥利用率和偏生产力的影响不显著，施氮量105kg/hm2处理能改善芝麻氮肥利用率和偏生产力。本研究结果表明，高氮高密组合N4D3处理秸秆氮和总氮含量高于其他处理，N3D2处理的籽粒氮含量最高。施氮量和种植密度对芝麻氮肥收获指数、氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率有显著影响，而氮肥密度互作对其影响不显著。N3D2处理2年的氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率最高。同一施氮量条件下，随着种植密度的增加氮肥收获指数逐渐降低，氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率均以D2处理的最高，同一种植密度条件下，随着施氮量的增加，氮肥收获指数逐渐降低，N3处理的氮肥吸收利用率和氮素农学利用率较高。

4 结论

施氮量和种植密度是影响芝麻产量的关键栽培措施。随着施氮量的增加，芝麻Pn、SPAD和产量呈先升高后降低的趋势，芝麻氮肥收获指数逐渐降低，氮肥利用率以N3处理最高，N4处理次之；随着种植密度的增加，芝麻Pn、SPAD和氮肥收获指数逐渐降低。芝麻产量、氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率随着种植密度的提高呈先升高后降低的趋势，以D2处理的最高，D1处理最低。从不同处理组合来看，N3D2（施氮量100kg/hm2，种植密度18.75万株/hm2）处理产量水平最高，较同一密度不施氮肥处理，N1D2处理2年分别增产29.84%和24.45%，且N3D2处理氮肥吸收利用率和氮肥农学利用率均高于其他大部分处理，是本试验中白芝麻高产高效生产的最优组合。