施氮量對(duì)黑芝麻冠層結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響

李春明，裴新涌，張海洋，高桐梅，李 豐，王 龍，衛(wèi)雙玲

（1. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 芝麻研究中心，河南 鄭州 450002；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海油料作物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州450002；3. 河南省特色油料作物基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002；4. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，河南 鄭州 450002）

黑芝麻具有獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值，屬于藥食同源的食物，在我國(guó)歷來(lái)被認(rèn)為是養(yǎng)生保健的佳品[1-3]。南北朝時(shí)期，醫(yī)藥學(xué)家陶弘景以“八谷之中，唯此為良”評(píng)價(jià)黑芝麻。目前，黑芝麻生產(chǎn)已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注，以黑芝麻為原料的營(yíng)養(yǎng)保健食品越來(lái)越多[4]。

氮素是限制黑芝麻產(chǎn)量提高和品質(zhì)形成的重要因子之一。氮肥施用是合理優(yōu)化作物群體冠層結(jié)構(gòu)、精準(zhǔn)調(diào)控管理作物群體的重要措施，對(duì)提高作物群體光能利用率和產(chǎn)量具有重要意義[5-6]。合理的冠層結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)極為重要[7-8]。有關(guān)氮肥用量[9-12]及施用方法[13-17]對(duì)芝麻產(chǎn)量與品質(zhì)的影響研究較多，結(jié)果顯示，夏播芝麻最佳施氮量為123.1～140.2 kg/hm2，而江西秋芝麻最佳施氮量則為75.0～120.0 kg/hm2；芝麻氮肥底施與初花期追施的最佳比例為2∶1，銨硝氮肥最佳配比為1∶9。汪瑞清等[11]分析了氮肥用量對(duì)紅壤旱地秋芝麻冠層光能截獲率和葉面積指數(shù)的影響。截至目前，有關(guān)不同施氮量對(duì)夏播黑芝麻冠層結(jié)構(gòu)及籽粒灌漿特性的影響研究尚未見報(bào)道。為此，以黑芝麻冠層結(jié)構(gòu)特性入手，從光能利用方面揭示氮肥用量對(duì)黑芝麻籽粒灌漿和產(chǎn)量的影響，為合理優(yōu)化黑芝麻群體結(jié)構(gòu)進(jìn)而達(dá)到高產(chǎn)、減肥增效和降低農(nóng)業(yè)面源污染提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015—2016 年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻 研 究 中 心 平 輿 試 驗(yàn) 基 地（32° 97′74.38″N，14°70′99.58″E）進(jìn) 行。供 試 土 壤 含 速 效 氮75.42 mg/kg、速效磷25.63 mg/kg、速效鉀128.57 mg/kg。前茬作物為小麥，供試黑芝麻品種為冀9014。

試驗(yàn)設(shè)置0、60、120、180 kg/hm24 個(gè)施氮（純氮）處理，分別以CK、N60、N120、N180 表示，磷、鉀肥均按P2O5100 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2施用，供試肥料為尿素（N 46%）、過(guò)磷酸鈣（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%）。磷肥和鉀肥全部基施，氮肥按1∶1的基追比進(jìn)行施用，于現(xiàn)蕾期結(jié)合灌溉追施氮肥。行長(zhǎng)5 m，行距0.4 m，6 行區(qū)，小區(qū)面積12 m2，3 次重復(fù)。處理間設(shè)0.5 m 的走道，四周設(shè)保護(hù)行，其他管理同一般高產(chǎn)田。種植密度為15 萬(wàn)株/hm2，2015 年播種時(shí)間為6 月8 日，9 月7 日收獲，全生育期92 d；2016 年播種時(shí)間為6 月13 日，9 月13 日收獲，全生育期93 d。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 冠層特性 分別于2015、2016 年芝麻苗期、現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期和終花期晴天上午9：00—11：00采用美國(guó)CID 公司生產(chǎn)的CI-110冠層分析儀測(cè)定冠層葉面積指數(shù)、平均葉傾角、冠層透光率，利用英國(guó)產(chǎn)LCPRO+光合作用測(cè)定儀測(cè)定相同葉位功能葉片的凈光合速率，每片葉分別測(cè)定葉片基部、中部和頂部等3 個(gè)點(diǎn)，取平均值；同時(shí)利用日本產(chǎn)SPAD-502測(cè)定儀測(cè)定該葉片的SPAD 值，測(cè)定位點(diǎn)同凈光合速率。

1.2.2 籽粒灌漿特性 于2015年芝麻盛花期，在生長(zhǎng)健壯、有代表性的植株上選取當(dāng)天開放的花朵進(jìn)行掛牌標(biāo)記，每個(gè)處理標(biāo)記400朵，以掛牌當(dāng)天為灌漿第1 天進(jìn)行計(jì)算，每5 d 分別取不同處理蒴果15蒴，隨機(jī)均分為3組，剝?nèi)∽蚜?，稱量籽粒鮮質(zhì)量后，105 ℃殺青20 min，然后于80 ℃烘至恒質(zhì)量，稱量干質(zhì)量。以上測(cè)量均分別取平均值，計(jì)算單蒴籽粒鮮質(zhì)量和單蒴籽粒干質(zhì)量,并計(jì)算不同灌漿期內(nèi)單蒴平均灌漿速率。

干物質(zhì)率=單蒴籽粒干質(zhì)量/單蒴籽粒鮮質(zhì)量×100%。

1.2.3 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素 2015、2016 年收獲前，每小區(qū)收取1 m雙行植株進(jìn)行考種，折算單位面積蒴數(shù)、蒴粒數(shù)，并測(cè)定千粒質(zhì)量。以小區(qū)為單位實(shí)收，換算單位面積產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.2.4 經(jīng)濟(jì)效益 肥料投入是指單位面積各種肥料的總投入；黑芝麻收益是指單位面積黑芝麻產(chǎn)量帶來(lái)的收入；本研究中計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益時(shí)僅考慮肥料投入成本，其他成本每個(gè)處理均一致，因而，不考慮其他投入成本。2015 年和2016 年黑芝麻市場(chǎng)價(jià)格分別為17 元/kg 和19 元/kg，試驗(yàn)所用肥料純N、P2O5、K2O 價(jià)格分別為2.83、4.25、3.83 元/kg 和3.02、4.65、3.96元/kg。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理運(yùn)用Excel 2013 進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)分析用SPSS 17.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)黑芝麻冠層結(jié)構(gòu)特性的影響

平均葉傾角指葉片與水平方向的銳角，是反映作物群體光輻射特征的主要指標(biāo)之一。表1 表明，冀9014 的平均葉傾角隨生育進(jìn)程呈先升后降的趨勢(shì)，均以初花期最大。與CK 相比，施氮能提高各生育時(shí)期黑芝麻的平均葉傾角，且均以N120 處理最大，其中，在現(xiàn)蕾期和終花期顯著高于其他處理，說(shuō)明N120 處理能提高冀9014 的平均葉傾角，增加中下部葉片受光率，有利于光合作用，預(yù)防早衰。

表1 施氮量對(duì)黑芝麻冠層結(jié)構(gòu)特性的影響（2 a平均）Tab.1 Effects of nitrogen application rate on canopy structure characteristics of black sesame（two-year average）

從表1 可以看出，黑芝麻葉面積指數(shù)隨生育時(shí)期后移呈先升高后下降趨勢(shì)，均以初花期最大，施用氮肥能顯著提高黑芝麻各生育時(shí)期的葉面積指數(shù)。與CK 相比，施氮能顯著提高各生育時(shí)期的葉面積指數(shù)，且隨著施氮量的增加而顯著增大。

表1 顯示，冠層透光率在不同供氮水平下隨生育時(shí)期后移呈先降后升的趨勢(shì)，均以初花期最小。與CK 相比，施用氮肥能極顯著降低芝麻冠層的透光率。氮肥處理間相比，冠層透光率隨施氮量增加呈逐漸降低趨勢(shì)，且均以N180 處理最小，苗期—盛花期差異均達(dá)極顯著水平；終花期，N180與N120處理差異不顯著，但均較N60處理極顯著降低。

2.2 施氮量對(duì)黑芝麻葉片SPAD值的影響

不同供氮水平下，黑芝麻葉片SPAD 值隨生育進(jìn)程呈先升高后降低的趨勢(shì)（表1），其中，N60 和N120 處理均以初花期SPAD 值最大。與CK 相比，施用氮肥能顯著或極顯著提高黑芝麻葉片的SPAD值；苗期—盛花期，SPAD 值隨施氮量的增加呈極顯著增加；終花期，SPAD 值隨施氮量增加呈逐漸增大趨勢(shì)，以N180處理最大，顯著高于其他氮肥處理。

2.3 施氮量對(duì)黑芝麻葉片凈光合速率的影響

從表1 可以看出，凈光合速率隨生育時(shí)期后移均呈單峰曲線變化趨勢(shì)，多以初花期最高，其中，CK凈光合速率在現(xiàn)蕾期先達(dá)到最大值。與CK 相比，施用氮肥能提高黑芝麻的凈光合速率，尤以N120處理最高，且現(xiàn)蕾后差異達(dá)到極顯著水平，N120 處理均極顯著高于其他處理和CK。CK在整個(gè)生育時(shí)期葉片均發(fā)黃，在現(xiàn)蕾以后凈光合速率均極顯著低于施氮處理。在黑芝麻生育后期（盛花期—終花期），以CK 凈光合速率降幅最大（-50.59%），以N120處理降幅最?。?32.56%）。

2.4 施氮量對(duì)黑芝麻灌漿特性的影響

由圖1 可以看出，除CK 外，各施氮處理芝麻單蒴籽粒鮮質(zhì)量隨開花后天數(shù)增加多呈逐漸上升的趨勢(shì)，以開花后35 d 最大，CK 則在花后30 d 達(dá)到最大；與CK 相比，單蒴籽粒鮮質(zhì)量在開花后隨施氮量增加整體呈逐漸增大趨勢(shì)，除開花后10 d 以N120處理最大外，其他時(shí)期均以N180 處理最大。各處理芝麻單蒴籽粒干質(zhì)量均隨開花后天數(shù)增加而增大，均在花后35 d 達(dá)最大值；與CK 相比，施用氮肥能顯著增加灌漿期單蒴籽粒干質(zhì)量（P＜0.05），單蒴籽粒干質(zhì)量隨氮肥用量增加呈先升后降趨勢(shì)，均以N120 處理最大，在花后10 d 和30 d 顯著高于CK 和其他處理（P＜0.05）。

圖2 結(jié)果顯示，黑芝麻干物質(zhì)率均隨開花后天數(shù)增加而增大，均在花后35 d 達(dá)最大值。與CK 相比，施用氮肥對(duì)花后5 d 的干物質(zhì)率影響不大；花后5 d 之后，施用氮肥均能提高黑芝麻干物質(zhì)率，且黑芝麻干物質(zhì)率隨氮肥用量增加呈先升后降趨勢(shì)，均以N120 處理最大，在花后10 d 和30 d 極顯著高于CK 和其他處理（P＜0.01）。除CK 外，各施氮處理單蒴籽粒灌漿速率隨開花后天數(shù)增加整體呈先升后降再升高趨勢(shì)，均于花后35 d 達(dá)到最大，CK 在花后30 d 達(dá)到峰值；與CK 相比，施用氮肥均能提高各時(shí)期灌漿速率，且灌漿速率隨施氮量增加呈先升后降趨勢(shì)，均以N120 處理最高?；ê?0 d，N120 處理的灌漿速率顯著高于CK 和其他處理（P＜0.05）；花后20 d 和30 d，N120 處理均顯著高于CK 和N60 處理（P＜0.05）。

2.5 施氮量對(duì)黑芝麻農(nóng)藝性狀的影響

從表2 可以看出，2 a 試驗(yàn)結(jié)果中，施氮量對(duì)黑芝麻農(nóng)藝性狀的影響基本一致。施用氮肥能明顯增加黑芝麻的株高、始蒴位高和果軸長(zhǎng)，降低黃稍尖長(zhǎng)。與CK 相比，黑芝麻株高、始蒴位高和果軸長(zhǎng)均隨施氮量增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，均以N120處理最大，且N120 處理株高和果軸長(zhǎng)顯著高于CK和N60 處理；黑芝麻黃稍尖長(zhǎng)隨施氮量增加呈先降低后升高趨勢(shì)，均以N120 處理最小，且顯著低于其他施氮處理。

表2 施氮量對(duì)黑芝麻農(nóng)藝性狀的影響Tab.2 Effects of N application rate on agronomic traits of black sesame

2.6 施氮量對(duì)黑芝麻產(chǎn)量性狀的影響

從表3 可以看出，2 a 的試驗(yàn)結(jié)果中，施氮量對(duì)黑芝麻產(chǎn)量性狀的影響基本一致。與CK 相比，施氮能顯著提高黑芝麻單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)、千粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)系數(shù)，其中，施氮極顯著提高單株蒴數(shù)，且均以N120處理最大，顯著高于CK 和N60處理；黑芝麻單蒴粒數(shù)隨施氮量增加而增大，均以N180處理最大，極顯著高于CK 和N60處理；黑芝麻千粒質(zhì)量隨施氮量增加呈先升高后降低趨勢(shì)，均以N120 處理最高；2015 年和2016 年N120 處理黑芝麻籽粒產(chǎn)量分別為1 071.2 kg/hm2和1 101.7 kg/hm2，分別較CK、N60、N180 處理增產(chǎn)129.7%、37.3%、23.7%和110.7%、32.9%、18.7%；生物產(chǎn)量隨施氮量增加而增大，均以N180處理最大，極顯著高于CK 和N60處理?；貧w分析結(jié)果顯示，施氮量與黑芝麻產(chǎn)量均呈三次函數(shù)關(guān)系，產(chǎn)量肥料效應(yīng)方程為y=508.831 7+3.001 5x+10.055 3x2-0.000 3x3（R2=0.964 3），黑芝麻產(chǎn)量最佳氮肥用量為134.05 kg/hm2。

表3 施氮量對(duì)黑芝麻產(chǎn)量性狀的影響Tab.3 Effects of N application rate on yield traits of black sesame

2.7 不同施氮量對(duì)黑芝麻經(jīng)濟(jì)效益的影響

從表4 可以看出，2 a 的試驗(yàn)結(jié)果中，施氮量對(duì)黑芝麻經(jīng)濟(jì)效益的影響基本一致。與CK 相比，施用氮肥能極顯著增加黑芝麻收益和經(jīng)濟(jì)效益，且均隨施氮量增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，均以N120處理最高，且極顯著高于其他氮肥處理?；貧w分析結(jié)果顯示，施氮量與黑芝麻經(jīng)濟(jì)效益均呈三次函數(shù)關(guān)系，經(jīng)濟(jì)效益肥料效應(yīng)方程為y=8 260.751 7+51.171 8x+0.993 6x2-0.005 9x3（R2=0.895 5），黑芝麻經(jīng)濟(jì)效益最佳氮肥用量為133.01 kg/hm2。

表4 施氮量對(duì)黑芝麻經(jīng)濟(jì)效益的影響Tab.4 Effects of N application rate on economic benefit in black sesame

3 結(jié)論與討論

冠層結(jié)構(gòu)特性與作物產(chǎn)量的形成密切相關(guān)，并能顯著影響作物冠層截獲光合有效輻射的能力及其光合作用效率[18]。葉面積指數(shù)、平均葉傾角和透光率常被作為冠層結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)研究。有學(xué)者用葉面積指數(shù)估算歐洲赤松冠層潛在光合生產(chǎn)力與作物干物質(zhì)積累量[19]。施用氮肥能增大作物株高、葉面積和莖葉夾角[20]。在一定范圍內(nèi)，葉面積指數(shù)隨施氮量的增加而增大[11，21]。光合速率與葉面積指數(shù)隨氮肥供應(yīng)水平的增加而增大，且較高施氮處理有利于延緩花后小麥群體葉面積指數(shù)的衰減[22]。

本研究結(jié)果顯示，隨氮肥用量的增加，黑芝麻葉片SPAD 值和葉面積指數(shù)均逐漸增大，冠層透光率逐漸降低；株高、始蒴位高、果軸長(zhǎng)、單株蒴數(shù)、千粒質(zhì)量、籽粒產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)系數(shù)、單蒴籽粒干質(zhì)量、單蒴籽粒灌漿速率、平均葉傾角和凈光合速率均在施氮量為120 kg/hm2時(shí)達(dá)到最大。雖然施氮可增加植物葉片光合色素含量，有利于延緩葉片衰老和光合功能衰退，但施氮過(guò)量時(shí)光合作用會(huì)受到非氣孔限制，降低光合速率[23-24]。

本研究結(jié)果還表明，施氮120 kg/hm2顯著提高黑芝麻葉片平均葉傾角和功能葉的凈光合速率，降低透光率。相關(guān)分析結(jié)果顯示，平均葉傾角與凈光合速率呈極顯著正相關(guān)（r=0.583，n=60），說(shuō)明施氮120 kg/hm2能提高葉片的平均葉傾角，增加功能葉的凈光合速率，延緩中下部葉片的衰老，提高黑芝麻的光合物質(zhì)生產(chǎn)能力。在各生育時(shí)期，施氮180 kg/hm2處理黑芝麻葉面積指數(shù)最大，冠層透光率最低，冠層郁閉，導(dǎo)致黑芝麻中下部葉片早衰，降低籽粒灌漿速率，影響籽粒產(chǎn)量的形成，最終降低經(jīng)濟(jì)系數(shù)。

在本試驗(yàn)土壤肥力條件下，施氮120 kg/hm2顯著增加黑芝麻籽粒產(chǎn)量，表明適量氮素供應(yīng)能顯著增產(chǎn)，其原因一是施氮120 kg/hm2顯著提高黑芝麻功能葉片的凈光合速率，維持葉片適宜的SPAD 值，延緩葉片衰老，對(duì)降低黃稍尖長(zhǎng)、增加單株蒴數(shù)和千粒質(zhì)量十分有利；二是施氮120 kg/hm2顯著提高并保持適宜的葉面積指數(shù)，有利于增大冠層截獲光合有效輻射能力，保持冠層內(nèi)部通風(fēng)透光，顯著提高單株有效蒴數(shù)和單蒴籽粒灌漿速率，有利于提高產(chǎn)量；三是施氮120 kg/hm2顯著提高苗期、現(xiàn)蕾期和終花期的平均葉傾角，延緩黑芝麻生育后期的中下部葉片衰老，增強(qiáng)干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，顯著提高經(jīng)濟(jì)系數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益?；貧w分析結(jié)果顯示，黑芝麻產(chǎn)量最佳施氮量為134.05 kg/hm2，經(jīng)濟(jì)效益最佳施氮量為133.01 kg/hm2。