施氮量和種植密度對芝麻光合速率、產(chǎn)量和氮肥利用率的影響

李 豐 高桐梅 蘇小雨 魏利斌 王東勇田 媛 李同科 楊自豪 衛(wèi)雙玲

（1河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海油料作物重點(diǎn)實(shí)驗室/河南省特色油料作物基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室，450002，河南鄭州；2平輿縣農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)試驗站，463400，河南平輿）

芝麻是我國重要的油料作物之一，近年來由于國內(nèi)外市場需求量增大，我國芝麻原料供給嚴(yán)重不足，進(jìn)口量逐年增加。2020年我國芝麻產(chǎn)量45.7萬t，而進(jìn)口量達(dá)到101.5萬t，進(jìn)口量同比增長24.1%[1]。受種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、機(jī)械化程度低和產(chǎn)量波動大等因素影響，2017年我國芝麻種植面積萎縮至22.77萬hm2，不足2000年的1/3，2019年我國芝麻種植面積為28.3萬hm2[2]。大幅度增加芝麻種植面積難以實(shí)現(xiàn)。因此提高芝麻單位面積產(chǎn)量是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵問題。

氮肥和種植密度是影響作物產(chǎn)量的主要栽培措施[3-5]，科學(xué)的施氮量和施用方式能促進(jìn)作物光合作用，提高產(chǎn)量和氮肥利用率。合理的種植密度可改善作物群體質(zhì)量，增強(qiáng)光合效率，發(fā)揮高產(chǎn)潛能，獲得高產(chǎn)。前人針對氮肥施用量和種植密度對小麥、玉米、水稻、棉花和油菜等產(chǎn)量和氮肥利用率的影響進(jìn)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顯著增加雙季稻單位面積的有效穗數(shù)和氮累積量，進(jìn)而增加水稻產(chǎn)量和氮肥利用率。曹倩等[7]研究認(rèn)為，隨種植密度提高，冬小麥氮肥吸收利用率、氮肥偏生產(chǎn)力以及氮素養(yǎng)分利用效率都呈先增加后降低的趨勢，總氮素積累量增加。張平良等[10]研究表明，種植密度和施氮量均顯著影響玉米籽粒產(chǎn)量、氮素和水分利用效率，且兩者互作效應(yīng)顯著。關(guān)于氮肥和種植密度單一因素對芝麻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響也有報道[12-16]，而關(guān)于氮肥、種植密度及其互作效應(yīng)對芝麻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響少有報道。為此，本試驗設(shè)置不同施氮量和種植密度，研究施氮量和種植密度對芝麻光合特性、產(chǎn)量及氮肥利用率的影響，為芝麻高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于 2016-2017年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗示范基地進(jìn)行，基地位于河南省新鄉(xiāng)市平原新區(qū)（113°57′ E，35°3′ N），土壤質(zhì)地為沙壤土，前茬作物為小麥。2016年耕層土壤（0～30cm）有機(jī)質(zhì)含量0.82%、全氮0.071%、堿解氮66.99mg/kg、速效磷23.5mg/kg、速效鉀187.4mg/kg，2017年耕層（0～30cm）土壤有機(jī)質(zhì)含量0.83%、全氮0.082%、堿解氮 75.92mg/kg、速效磷 24.3mg/kg、速效鉀175.7mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

以白芝麻品種鄭太芝1號為材料，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置 4個施氮水平（純氮 0、60、100、140kg/hm2），分別用N1、N2、N3、N4表示；設(shè)置3個種植密度（11.25萬、18.75萬、26.25萬株/hm2），分別用D1、D2、D3表示。氮肥為尿素（含N 46%），各處理施P2O560kg/hm2、K2O 90kg/hm2，磷肥為過磷酸鈣（含 P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含 K2O 60%），全部肥料于播種前作基肥均勻撒入小區(qū)，并用小型微耕機(jī)旋耕整地，使肥料均勻施入 0～20cm土層。每小區(qū)行長5m，寬2.4m，D1和D2處理種植6行，行距40cm。D3處理種植8行，行距30cm。每個處理3次重復(fù)，試驗小區(qū)間設(shè)置30cm田埂隔離帶，四周設(shè)保護(hù)行，其他管理同大田生產(chǎn)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

芝麻進(jìn)入盛花期約15d，采用手持式SPAD-502型葉綠素計（美能達(dá)公司，日本）測定中上部完全展開的3片葉的葉綠素相對含量（SPAD值），每片葉測定10點(diǎn)，每個小區(qū)測定5株。用Lcpro+2000便攜式光合作用測定儀（ADC BioScientific，英國）測定中上部完全展開的3片葉的凈光合速率（Pn），每小區(qū)測定5株。在芝麻盛花中期，每小區(qū)隨機(jī)選取 15株掛牌，并用細(xì)棉線綁定每株的葉片，采用不同的顏色標(biāo)記不同植株，直至封頂期。每隔5d對掉落的葉片及時按株收集，直至芝麻成熟。芝麻成熟后，在標(biāo)記的15株中選取生長均勻一致的10株，調(diào)查單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)以及千粒重，將植株按莖、葉、蒴皮、籽粒分類裝袋，于105℃烘箱殺青30min后，80℃烘干至恒重，記錄生物量。干樣粉碎后，采用凱氏定氮法測定植株及籽粒全氮含量。芝麻成熟期取樣測定生物量后，選取無缺苗斷壟且長勢整齊一致的3行實(shí)收裝袋，待完全風(fēng)干后脫粒測產(chǎn)。

1.4 相關(guān)參數(shù)計算

氮肥吸收利用率（Nitrogen recovery efficiency，NRE，%）=（施氮區(qū)植株氮積累量–不施氮區(qū)植株氮積累量）/施氮量×100。氮肥收獲指數(shù)（Nitrogen harvest index，NHI，kg/kg）=籽粒氮積累量/植株氮積累量。氮肥農(nóng)學(xué)利用率（Nitrogen agronomic efficiency，NAE，kg/kg）=（施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量–不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施氮量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，采用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量和種植密度對芝麻盛花中期葉片Pn和SPAD的影響

從表1可看出，施氮量和種植密度分別對芝麻盛花中期葉片Pn的影響達(dá)顯著水平，施氮量和種植密度互作對盛花中期葉片Pn的影響未達(dá)到顯著水平。N1D3處理的葉片Pn最低，N4D1處理的葉片Pn最高，2 年P(guān)n最高分別為 26.82 和 27.39μmol/(m2·s)，分別較同年N1D3處理提高了31.47%和24.73%，差異達(dá)到顯著水平。N3D1處理2年的葉片Pn略低于N4D1處理，N3D2處理又僅次于N3D1處理。同一施氮量條件下，隨著種植密度的增加，葉片Pn逐漸降低，如2016年N4處理下，D2和D3處理的Pn分別為 25.83和 21.64μmol/(m2·s)，分別較 D1降低了3.69%和19.31%；同一密度條件下，隨著施氮量的增加，葉片Pn總體呈逐漸升高的趨勢。從施氮量和種植密度對芝麻盛花中期葉片SPAD的影響可以看出，N3D1處理的SPAD最高，除2017年N3D1、N4D2外，與其他處理差異均達(dá)顯著水平；2016和2017年N1D3處理的SPAD最低，分別較N3D1處理降低 19.33%和 17.71%。同一施氮量條件下，隨著種植密度的增加，SPAD降低。D1處理條件下，以N3處理的SPAD最高，D2和D3處理SPAD隨著施氮量的增加升高。

表1 2016-2017年施氮量和種植密度對芝麻盛花中期葉片Pn和SPAD的影響Table 1 Effects of nitrogen rate and planting density on Pn and SPAD of sesame at full flowering stage in 2016-2017

2.2 施氮量和種植密度對芝麻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

從圖1可以看出，施氮量和種植密度對芝麻產(chǎn)量具有重要的影響。N3處理的芝麻產(chǎn)量最高，2016年，N3處理的產(chǎn)量達(dá)到1879.1kg/hm2，分別較N1和N2處理提高19.70%和9.06%，差異達(dá)顯著水平。N4處理產(chǎn)量為1821.7kg/hm2，與N3處理相比，減產(chǎn)差異顯著，較N1和N2處理顯著增產(chǎn)。2017年N3處理產(chǎn)量較N1和N2處理提高，差異達(dá)顯著水平，較N1處理提高16.91%，與N4處理差異不顯著。從種植密度對芝麻產(chǎn)量的影響來看，2年均以D2處理產(chǎn)量最高，D3處理次之，兩者差異不顯著。2016年D2和D3處理分別較D1處理增產(chǎn)15.30%和13.88%，2017年分別較D1處理增產(chǎn)16.69%和15.01%，兩者與D1處理產(chǎn)量差異達(dá)到顯著水平。

圖1 2016-2017年施氮量和種植密度對芝麻產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of nitrogen rate and planting density on grain yield of sesame in 2016-2017

表2表明，施氮量和種植密度對芝麻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素影響顯著，施氮量和種植密度互作對單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)和產(chǎn)量影響顯著。從2年數(shù)據(jù)可以看出，均為N3D2處理產(chǎn)量最高，與其他處理的差異達(dá)到顯著水平。N1D1處理產(chǎn)量水平最低，N3D2較N1D1處理2年分別增產(chǎn)43.78%和42.29%，較N1D2處理2年分別增產(chǎn)29.84%和24.45%，增產(chǎn)幅度達(dá)顯著水平。N4D2處理產(chǎn)量位列第二。N1和N2條件下芝麻產(chǎn)量隨著種植密度的增加而提高，N3和N4條件下均以D2處理產(chǎn)量最高，D1處理最低。D1條件下隨著施氮量的增加，芝麻產(chǎn)量逐漸提高，2016年N2D1、N3D1和N4D1處理分別較N1D1處理增產(chǎn)8.48%、16.62%和18.62%，2017年分別增產(chǎn)11.85%、14.77%和20.84%。隨著施氮量的增加，增產(chǎn)幅度增大。D2和D3條件下，芝麻產(chǎn)量隨著施肥量的增加呈先升高后降低的趨勢，均以N3處理產(chǎn)量水平最高，N4處理次之。

表2 2016-2017年施氮量和種植密度對芝麻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of nitrogen rate and planting density on grain yield and its components of sesame in 2016-2017

從施氮量和種植密度對芝麻產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響可以看出，同一施氮量條件下，芝麻的單株蒴數(shù)和千粒重隨著種植密度的增加而降低。同一種植密度條件下，D1處理單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)和千粒重隨著施氮量的增加分別呈現(xiàn)先升后降、先降后升及一直升高的趨勢，D2處理的千粒重隨著施氮量的增加而升高，單株蒴數(shù)和單蒴粒數(shù)則以N3處理的最高。D3處理條件下，芝麻單株蒴數(shù)2年均以N3處理最高，2016年單蒴粒數(shù)以N2最高，千粒重以N4處理的最高，2017年單蒴粒數(shù)與千粒重則以N3處理最高，表明該密度條件下單蒴粒數(shù)和千粒重不同年際間有差異。

2.3 施氮量和種植密度對芝麻氮素積累的影響

從圖2可以看出，施氮量和種植密度對芝麻秸稈氮、籽粒氮和總氮量有顯著影響，2年數(shù)據(jù)趨勢一致。2016年，N4D3處理總氮量為235.5kg/hm2，除N3D3和N4D2處理外，與其他處理的差異達(dá)到顯著水平。N4D3處理秸稈氮和籽粒氮含量分別為146.9和88.6kg/hm2，除N3D2外，高于其他處理籽粒氮含量。N3D2處理的籽粒氮含量最高，達(dá)到99.2kg/hm2，總氮含量為212.1kg/hm2。N1D1處理的秸稈氮、籽粒氮和總氮含量最低，籽粒氮含量較N4D3處理降低了24.38%，總氮含量降低了45.01%。在同一施氮量條件下，隨著種植密度的增加秸稈氮和總氮含量提高，N1和N2條件下籽粒氮含量隨著密度的增加而增加，N3和N4條件下均為D2處理的籽粒氮含量最高。在同一種植密度條件下，隨著施氮量的增加，秸稈氮、籽粒氮以及總氮含量均提高。

圖2 2016-2017年施氮量和種植密度對芝麻植株氮素積累的影響Fig.2 Effects of nitrogen rate and planting density on nitrogen accumulation of sesame plant in 2016-2017

2.4 施氮量和種植密度對芝麻氮肥利用率的影響

從表3可以看出，施氮量和種植密度對氮肥收獲指數(shù)、氮肥吸收利用率以及氮肥農(nóng)學(xué)利用率的影響顯著，施氮量和種植密度互作對其影響不顯著。隨著施氮量的增加，芝麻氮肥收獲指數(shù)逐漸降低。在D2和D3處理條件下，氮肥吸收利用率以N3處理最高，N4處理次之；氮肥收獲指數(shù)隨著種植密度的增加逐漸降低，氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率則以D2處理最高，D3處理多數(shù)為最低，D2處理2年氮肥吸收利用率分別較D3處理提高21.78%和24.33%。N1D1處理的氮肥收獲指數(shù)最高，2年分別達(dá)到0.52和0.53kg/kg。N3D2處理2年的氮肥吸收利用率最高，分別為51.04%和50.04%，N2D3處理2年的氮肥吸收利用率均為最低，僅為30.56%和33.05%。除2017年N2處理外，N3D2處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用率顯著高于其他處理，2年分別達(dá)到4.74和4.27kg/kg。同一施氮量條件下，隨著種植密度的增加氮肥收獲指數(shù)逐漸降低，氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率均以D2處理最高。同一種植密度條件下，隨著施氮量的增加，氮肥收獲指數(shù)逐漸降低，N3處理的氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率較高。

表3 2016-2017年施氮量和種植密度對芝麻氮肥利用率的影響Table 3 Effects of nitrogen rate and plant density on nitrogen utilization efficiency of sesame in 2016-2017

3 討論

3.1 施氮量和種植密度對芝麻盛花期光合特性的影響

植物體內(nèi)約95%的干物質(zhì)積累源于光合作用，植物的光合能力與籽粒產(chǎn)量形成密切相關(guān)[17]，而氮肥和種植密度是影響植物光合作用的重要因素。蔡瑞國等[18]對不同基因型小麥品種旗葉光合特性研究表明，隨著施氮量一定范圍內(nèi)的增加，葉綠素含量、光合速率均有增加的趨勢，但氮肥的過量施用對光合作用有消極影響。這一結(jié)論在其他作物中也被證實(shí)，如劉笑鳴等[19]研究指出，隨氮肥施用量的增加，玉米葉片Pn、最大光化學(xué)效率、籽粒內(nèi)源激素含量、灌漿速率及產(chǎn)量均呈先升高后降低的趨勢，在施氮量200kg/hm2時達(dá)到最大。密度對植物光合能力的影響變化趨勢類似于氮肥。呂麗華等[20]研究表明，在中和低種植密度下，玉米冠層結(jié)構(gòu)及冠層內(nèi)光分布較合理，生育后期光合面積高值持續(xù)時間較長，從而為籽粒充實(shí)提供較多的光合產(chǎn)物；而在過高密度條件下，冠層內(nèi)通風(fēng)透光不良，削弱了中下部葉片的光照條件，致使光合生產(chǎn)率下降。此外，黃波等[21]研究表明，合理的氮密互作可改善小麥冠層結(jié)構(gòu)，顯著影響冠層光合特性，旗葉Pn和SPAD隨著種植密度的增加而降低，而隨著施氮量的增加而增加，但施氮量超過225kg/hm2時變化均不顯著。本研究結(jié)果表明，同一施氮量條件下，隨著種植密度的增加，葉片Pn和SPAD逐漸降低，同一密度條件下，隨著施氮量的增加，葉片Pn逐漸升高。這些結(jié)果表明，氮肥量和種植密度顯著影響芝麻光合能力，一定范圍內(nèi)的施氮量和種植密度與芝麻光合能力呈正相關(guān)。

3.2 施氮量和種植密度對芝麻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

關(guān)于施氮量和種植密度對芝麻產(chǎn)量等性狀的影響已有報道，李亞貞等[15]研究指出，紅壤旱地黑芝麻贛芝8號在施氮量120kg/hm2時單株蒴數(shù)和單蒴粒數(shù)最大，產(chǎn)量最高。汪瑞清等[22]研究表明，紅壤旱地條件下，在施氮量105.0kg/hm2時2年產(chǎn)量分別較對照增產(chǎn)49.82%和76.53%，并指出2個試驗點(diǎn)進(jìn)賢和東鄉(xiāng)縣的適宜密度分別為22.5萬和37.5萬株/hm2。劉文萍等[12]研究指出，短節(jié)密蒴品種DW607種植密度為11.25萬株/hm2時，單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)、千粒重及單株產(chǎn)量最高，隨著種植密度的增加，這些指標(biāo)逐漸減少。本研究結(jié)果表明，N3D2處理氮密互作下芝麻的產(chǎn)量達(dá)到最高水平，而從施氮量來看，N3處理的產(chǎn)量最高，從種植密度來看，D2處理的產(chǎn)量最高。氮肥密度互作對芝麻單株蒴數(shù)和產(chǎn)量也有顯著影響，芝麻的單株蒴數(shù)和千粒重隨著種植密度的增加而降低；D1條件下，單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)和千粒重隨著施氮量的增加而升高；D2條件下，單株蒴數(shù)和單蒴粒數(shù)以N3處理的最高，千粒重以N4處理最高；D3條件下，單株蒴數(shù)以N3處理最高。表明合理地增加施氮量和種植密度才能達(dá)到芝麻高產(chǎn)高效生產(chǎn)。

3.3 施氮量和種植密度對芝麻氮素積累和氮肥利用率的影響

肥料投入過量或不平衡不僅影響產(chǎn)量，而且會導(dǎo)致肥料利用率低和環(huán)境污染等問題[23]。養(yǎng)分利用率是衡量施肥合理性和先進(jìn)性最為直接的指標(biāo)。適宜的種植密度不僅可以提高玉米產(chǎn)量，還能提高氮肥利用率，然而隨著氮肥施用量的增加，氮素利用率卻在降低[24]。汪瑞清等[22]研究表明，密度對紅壤旱地秋芝麻氮肥利用率和偏生產(chǎn)力的影響不顯著，施氮量105kg/hm2處理能改善芝麻氮肥利用率和偏生產(chǎn)力。本研究結(jié)果表明，高氮高密組合N4D3處理秸稈氮和總氮含量高于其他處理，N3D2處理的籽粒氮含量最高。施氮量和種植密度對芝麻氮肥收獲指數(shù)、氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率有顯著影響，而氮肥密度互作對其影響不顯著。N3D2處理2年的氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高。同一施氮量條件下，隨著種植密度的增加氮肥收獲指數(shù)逐漸降低，氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率均以D2處理的最高，同一種植密度條件下，隨著施氮量的增加，氮肥收獲指數(shù)逐漸降低，N3處理的氮肥吸收利用率和氮素農(nóng)學(xué)利用率較高。

4 結(jié)論

施氮量和種植密度是影響芝麻產(chǎn)量的關(guān)鍵栽培措施。隨著施氮量的增加，芝麻Pn、SPAD和產(chǎn)量呈先升高后降低的趨勢，芝麻氮肥收獲指數(shù)逐漸降低，氮肥利用率以N3處理最高，N4處理次之；隨著種植密度的增加，芝麻Pn、SPAD和氮肥收獲指數(shù)逐漸降低。芝麻產(chǎn)量、氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率隨著種植密度的提高呈先升高后降低的趨勢，以D2處理的最高，D1處理最低。從不同處理組合來看，N3D2（施氮量100kg/hm2，種植密度18.75萬株/hm2）處理產(chǎn)量水平最高，較同一密度不施氮肥處理，N1D2處理2年分別增產(chǎn)29.84%和24.45%，且N3D2處理氮肥吸收利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率均高于其他大部分處理，是本試驗中白芝麻高產(chǎn)高效生產(chǎn)的最優(yōu)組合。