不同氮肥用量對(duì)夏芝麻冠層結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

李春明， 張海洋， 高桐梅， 李豐， 王龍， 衛(wèi)雙玲

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心，河南 鄭州 450002)

芝麻(SesameindicumL.)是中國(guó)傳統(tǒng)的特色油料作物，營(yíng)養(yǎng)豐富，享有“油料皇后”美譽(yù)[1-2]。中國(guó)芝麻因皮薄籽大、口感好、品質(zhì)優(yōu)而享譽(yù)世界，但由于消費(fèi)量的增加和加工業(yè)的需求，2020年，進(jìn)口量突破100萬(wàn)t，對(duì)外依存度空前增大，因此穩(wěn)定芝麻種植面積，實(shí)現(xiàn)芝麻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)仍是促進(jìn)中國(guó)芝麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展和解決內(nèi)需的關(guān)鍵所在。作物群體的干物質(zhì)生產(chǎn)與所吸收的太陽(yáng)輻射能有直接關(guān)系，并受冠層結(jié)構(gòu)的影響，合理的冠層結(jié)構(gòu)能夠明顯提高作物群體的光能截獲率和光合速率，是作物獲得高產(chǎn)的重要保證[3-4]。氮肥施用是合理優(yōu)化作物群體冠層結(jié)構(gòu)，管理調(diào)控作物群體的重要措施，對(duì)提高作物產(chǎn)量具有重要意義[5-7]。研究表明，一定范圍內(nèi)增加氮肥施用量可使作物獲得高產(chǎn)，過(guò)量施氮不但增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、降低氮肥利用率，而且易導(dǎo)致土壤酸化、面源污染等環(huán)境問(wèn)題[8-10]。有學(xué)者大量研究分析了施氮對(duì)芝麻產(chǎn)量和品質(zhì)的影響[2,11-16]，研究結(jié)果顯示，夏播芝麻施氮量為123.1～140.2 kg·hm-2時(shí)產(chǎn)量最高，品質(zhì)最好，而江西秋芝麻最佳施氮量則為75.0～120.0 kg·hm-2；芝麻氮肥底施與初花期追施最佳比例為2∶1，最佳銨硝比為1∶9。汪瑞清等[12]研究表明，氮肥用量和基追肥比例均能顯著影響紅壤旱地秋芝麻冠層光能截獲率和葉面積指數(shù)。已有研究主要集中在氮肥用量及施用方法對(duì)芝麻產(chǎn)量與品質(zhì)的影響，但以夏芝麻冠層結(jié)構(gòu)特性入手，從光能利用方面揭示氮肥用量對(duì)夏芝麻產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究報(bào)道甚少。因此，本研究對(duì)不同氮肥用量對(duì)夏芝麻冠層結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響進(jìn)行了分析，以期為合理優(yōu)化夏芝麻群體結(jié)構(gòu)，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 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018—2019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。供試土壤為全氮659 mg·kg-1，速效氮77.28 mg·kg-1，速效磷21.18mg·kg-1，速效鉀116.52 mg·kg-1，前茬作物為小麥。供試芝麻品種為鄭芝98N09，該品種是河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心(原棉油所)于2004年通過(guò)國(guó)家鑒定的芝麻新品種。

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)氮肥處理N0(0 kg·hm-2，CK)、N1(60 kg·hm-2)、N2(120 kg·hm-2)、N3(180 kg·hm-2)(純氮)，3次重復(fù)，6行區(qū)，行長(zhǎng)5 m，行距0.4 m，小區(qū)面積12 m2。磷、鉀肥按P2O5100 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2施用。供試肥料為尿素(含N 46%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)。磷肥和鉀肥全部基施，氮肥50%基施，50%于現(xiàn)蕾期結(jié)合灌溉追施。2018年試驗(yàn)于6月10日播種，9月20日收獲，全生育期103 d；2019年試驗(yàn)于6月13日播種，9月18日收獲，全生育期98 d。種植密度為15萬(wàn)株·hm-2，其他管理同一般高產(chǎn)田。

1.2 項(xiàng)目測(cè)定

冠層參數(shù)：于晴天上午9：00—11：00進(jìn)行，利用美國(guó)CID公司生產(chǎn)的CI-110冠層分析儀分別于夏芝麻的苗期、現(xiàn)蕾期、初花期、盛花期和終花期測(cè)定冠層葉面積指數(shù)、平均葉傾角、冠層透光率，在田間選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的樣點(diǎn)，將光探頭水平放置在地面處，冠層分析儀每次觀測(cè)時(shí)，先將探頭放置于冠層拍探測(cè)點(diǎn)，保持探頭水平，按下測(cè)定按鈕，每個(gè)點(diǎn)保存5幅圖片，選擇冠層內(nèi)地面不同位置測(cè)量，重復(fù)3次。

光合特性：在測(cè)定冠層特性的同時(shí)利用英國(guó)產(chǎn)LCPRO+光合作用測(cè)定儀測(cè)定夏芝麻相同葉位完全展開(kāi)葉的凈光合速率，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，分別測(cè)定葉片基部、中部和頂部等3個(gè)點(diǎn)，取平均值，重復(fù)3次。

SPAD值：測(cè)定葉片凈光合速率的同時(shí)，利用日本產(chǎn)SPAD-502測(cè)定儀測(cè)定相同葉片的SPAD值，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。

產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素：成熟前每小區(qū)測(cè)定1 m雙行植株進(jìn)行考種，折算出單位面積蒴數(shù)、蒴粒數(shù)，并測(cè)定千粒質(zhì)量。以小區(qū)為單位實(shí)收，換算出單位面積產(chǎn)量(kg·hm-2)，農(nóng)藝性狀指標(biāo)的測(cè)定參照汪瑞清等[14]的方法進(jìn)行。

子粒蛋白及粗脂肪含量：蛋白質(zhì)含量測(cè)定參照國(guó)標(biāo)GB/T 4489.2―2008；粗脂肪含量測(cè)定參照國(guó)標(biāo)GB/T 5512―2008。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理和繪圖運(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 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻冠層平均葉傾角的影響

從圖1可以看出，不同氮肥處理下，鄭芝98N09的平均葉傾角均隨生育進(jìn)程呈先升高后降低的趨勢(shì)，其中CK與N1處理的平均葉傾角以現(xiàn)蕾期為最大，N2與N3處理以初花期為最大。與CK相比，施氮能顯著提高各生育時(shí)期芝麻的平均葉傾角(P<0.05)，且均以N2處理的平均葉傾角最大，顯著高于CK與N1處理(P<0.05)，說(shuō)明N2處理能增加中下部葉片受光率，利于光合作用，預(yù)防早衰。

圖1 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻平均葉傾角的影響Fig.1 Effects of different nitrogen application rates on mean of leaf angle of summer sesame

2.2 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻冠層葉面積指數(shù)的影響

由圖2可知，施用氮肥能顯著提高夏芝麻各生育時(shí)期的葉面積指數(shù)，隨生育時(shí)期的后移呈先升高后降低趨勢(shì)，不同氮肥處理的葉面積指數(shù)均以初花期最大，其中，在現(xiàn)蕾期，葉面積指數(shù)隨施氮量的增加，增大的幅度最大。與CK相比，3個(gè)施氮水平均能顯著提高各生育時(shí)期的葉面積指數(shù)，且隨施氮量的增加而增大；在盛花期，N3處理的葉面積指數(shù)顯著高于N1和N2處理(P<0.05)， N1和N2處理之間差異不顯著，其他生育時(shí)期，處理間差異均達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

2.3 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻冠層透光率的影響

圖3結(jié)果表明，不同氮肥處理下，冠層透光率隨生育進(jìn)程呈先降低后升高的趨勢(shì)，均以初花期透光率最小。與CK相比，施用氮肥能顯著降低各生育時(shí)期的冠層透光率，冠層透光率隨施氮量的增大而減??；在各生育時(shí)期，N3處理的冠層透光率均極顯著低于CK和其他處理(P<0.01)。

2.4 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻葉片SPAD值的影響

由圖4可知，SPAD值在不同施氮處理下均隨生育進(jìn)程呈先升高后降低的趨勢(shì)，多以現(xiàn)蕾期和初花期SPAD值最大。與CK相比，施用氮肥能極顯著提高芝麻葉片的SPAD值(P<0.01)，SPAD值隨施氮量的增加而增大；在終花期，N3處理的SPAD值極顯著高于N1和N2處理(P<0.01)， N1和N2處理之間差異不顯著，其他生育時(shí)期，處理間差異均達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

圖2 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻葉面積指數(shù)的影響 Fig.2 Effects of different nitrogen application rates on leaf area index of summer sesame

圖3 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻冠層透光率的影響Fig.3 Effects of different nitrogen application rate on light transmission rates of canopy of summer sesame

2.5 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻葉片凈光合速率的影響

從圖5可以看出，凈光合速率在各生育時(shí)期均隨施氮量的增加呈先升高后降低趨勢(shì)，均以N2處理最高，且顯著高于對(duì)照和其他處理(P<0.05)；各處理的凈光合速率隨生育進(jìn)程整體呈先升高后降低的趨勢(shì)，多以現(xiàn)蕾期和初花期最高。

圖4 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻SPAD值的影響 Fig.4 Effects of different nitrogen application rates on SPAD value of summer sesame

2.6 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻農(nóng)藝性狀的影響

表1結(jié)果表明，施氮能增加夏芝麻的株高、始蒴位高和果軸長(zhǎng)，降低黃稍尖長(zhǎng)。2018年，與CK相比，N2處理極顯著增加株高，且極顯著高于其他氮肥處理(P<0.01)；施氮能極顯著增大始蒴位高(P<0.01)，且隨施氮量的增加而增大，其中N3處理的始蒴位高極顯著大于CK和其他氮肥處理(P<0.01)；各施氮處理的黃稍尖長(zhǎng)較CK均極顯著降低(P<0.01)，其中以N2處理最小，極顯著低于N1和N3處理(P<0.01)；施氮極顯著增加果軸長(zhǎng)，且隨施氮量的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)，以N2處理最大，極顯著高于CK和其他氮肥處理(P<0.01)。2019年，與CK相比，N2處理極顯著增加株高，且極顯著高于N1和N3處理(P<0.01)；施氮能極顯著增大始蒴位高，且隨施氮量的增加而增大，其中，N3處理的始蒴位高極顯著大于CK和其他氮肥處理(P<0.01)；各施氮處理的黃稍尖長(zhǎng)較CK均呈極顯著降低的趨勢(shì)(P<0.01)；果軸長(zhǎng)隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，以N2處理最大，極顯著高于CK和其他氮肥處理(P<0.01)。

圖5 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻葉片凈光合速率的影響Fig.5 Effects of different nitrogen application rates on net photosynthetic rate in summer sesame leaves

表1 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻主要農(nóng)藝性狀的影響Table 1 Effects of different nitrogen application rates on the main agronomic characters in summer sesame

2.7 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

從表2可以看出，與CK相比，施氮能明顯提高單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量、子粒蛋白質(zhì)和粗脂肪含量。2018年，單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量均隨氮肥用量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，均以N2處理最大，且均極顯著高于CK和其他氮肥處理(P<0.01)；施用氮肥能極顯著提高子粒粗脂肪含量(P<0.01)，施氮處理之間差異不顯著；子粒產(chǎn)量以N2處理最高，達(dá)1 616.5 kg·hm-2，分別比N1和N3處理增產(chǎn)了67.1%和18.7%。2019年，單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量均隨氮肥用量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，均以N2處理最大，其中，單株蒴數(shù)、產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量均極顯著高于CK和其他氮肥處理(P<0.01)；單蒴粒數(shù)以N2處理最大，顯著高于CK和N1處理(P<0.05)，與N3處理差異不顯著；千粒質(zhì)量以N2處理最大，顯著高于CK和其他氮肥處理(P<0.05)；與CK相比，施用氮肥能極顯著提高子粒粗脂肪含量(P<0.01)，施氮處理之間差異不顯著，這與2018年結(jié)果基本一致；產(chǎn)量以N2處理最高，達(dá)1 405.8 kg·hm-2，極顯著高于CK和其他氮肥處理(P<0.01)，分別比N1和N3處理增產(chǎn)了60.8%和12.1%。

表2 不同氮肥用量對(duì)夏芝麻產(chǎn)量及品質(zhì)的影響Table 2 Effects of different nitrogen application rates on yield and quality in summer sesame

3 結(jié)論與討論

適量施氮是芝麻獲得高產(chǎn)的重要措施。衛(wèi)雙玲等[11]研究認(rèn)為，夏播白芝麻的最佳施氮量為123.09 kg·hm-2。李亞貞等[13]的試驗(yàn)結(jié)果表明，秋播黑芝麻的株高、始蒴位高、單株蒴數(shù)、蒴粒數(shù)以及千粒質(zhì)量均以120 kg·hm-2施氮處理最大，其子粒產(chǎn)量最高，達(dá)1 172.22 kg·hm-2，通過(guò)方程擬合認(rèn)為，合理施氮范圍在80～120 kg·hm-2之間。李中秀等[15]在研究氮、鉀用量對(duì)芝麻產(chǎn)量的影響時(shí)，結(jié)果顯示，施純氮120 kg·hm-2、鉀(K2O)225 kg·hm-2時(shí)單株蒴數(shù)、蒴粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量最高，過(guò)量施氮反而不利于植株生長(zhǎng)和子粒產(chǎn)量增加。魏林根等[17]研究認(rèn)為，在紅壤旱地宜于6月10日左右播種芝麻，并施用純氮114.6 kg·hm-2、磷(P2O5)116.5 kg·hm-2、鉀(K2O)179.1 kg·hm-2時(shí)芝麻產(chǎn)量最高。本試驗(yàn)條件下，120 kg·hm-2施氮處理的株高、果軸長(zhǎng)、單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)、千粒質(zhì)量最大，產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量最高，2年試驗(yàn)子粒產(chǎn)量分別達(dá)1 616.5和1 405.8 kg·hm-2，均顯著高于CK和其他氮肥處理，這與前人研究結(jié)果[11-14]基本一致。

高效合理的冠層結(jié)構(gòu)是作物產(chǎn)量形成的關(guān)鍵[18]。葉面積指數(shù)、平均葉傾角和透光率作為植物冠層結(jié)構(gòu)主要指標(biāo)，均受施氮量的調(diào)控。有研究表明，施用氮肥能增大小麥株高、葉面積指數(shù)和平均葉傾角，增強(qiáng)群體光合作用，降低小麥花后葉面積指數(shù)的下降幅度[19-20]，延緩葉片衰老，但是，氮肥過(guò)量施用會(huì)導(dǎo)致非氣孔限制，進(jìn)而降低小麥旗葉的光合速率[21]。多數(shù)研究結(jié)果表明，葉面積指數(shù)和凈光合速率隨施氮量的增加而增大，但幅度逐漸降低。過(guò)量施用氮肥顯著降低冠層下部的透光率，導(dǎo)致葉面積指數(shù)過(guò)大，最終影響作物子粒產(chǎn)量的形成[14,20-24]。另有研究結(jié)果顯示，平均葉傾角能顯著改變作物冠層固定CO2的能力，進(jìn)而影響其子粒產(chǎn)量[25]。在本研究中，施用氮肥對(duì)夏芝麻株高、平均葉傾角、SPAD值、凈光合速率、葉面積指數(shù)和透光率均有顯著影響；株高、平均葉傾角和凈光合速率均在施氮120 kg·hm-2時(shí)達(dá)到最大；在施氮180 kg·hm-2時(shí)，SPAD值和葉面積指數(shù)最大，冠層透光率最小。說(shuō)明過(guò)量施氮導(dǎo)致夏芝麻冠層透光率顯著降低，冠層郁閉，不利于維持適宜的葉面積指數(shù)，最終影響夏芝麻產(chǎn)量的形成。

綜上所述，120 kg·hm-2氮肥處理增大了平均葉傾角，改善了夏芝麻冠層結(jié)構(gòu)，顯著提高了子粒產(chǎn)量和品質(zhì)。180 kg·hm-2氮肥處理雖然在一定程度上優(yōu)化了夏芝麻冠層結(jié)構(gòu)，顯著提高了單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)、產(chǎn)量和品質(zhì)，但在生育后期，該處理出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，中下部葉片過(guò)早衰亡，影響子粒灌漿，不利于提高千粒質(zhì)量。綜合考慮，本試驗(yàn)條件下，施氮量以120 kg·hm-2處理最佳。