減施氮肥對芝麻農(nóng)藝性狀、光合特性及產(chǎn)量的影響

高桐梅，李豐，蘇小雨，王東勇，田媛，張鵬鈺，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，鄭州 450002；2.平輿縣農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)試驗站，河南平輿 463400）

芝麻（Sesamum indicumL.）是典型的旱地作物，具有生長周期短、需水需肥量低、耐貧瘠等特性，在我國鄂西北、豫南、皖西北廣泛種植。

氮素是植物組織蛋白質(zhì)、葉綠素、維生素和酶等生活物質(zhì)的基本成分。隨著我國城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，人增地減現(xiàn)象日益加劇，大量農(nóng)民離開土地，昔日的精耕細(xì)作逐步被“一次性耕作”和“肥料一炮轟”等管理模式替代。在糧油生產(chǎn)中，為了追求高收益大量投入無機氮肥。據(jù)統(tǒng)計，2015年，我國化學(xué)氮肥消費量為3.10×107t，占全球化學(xué)氮肥總消費量的28.5%[1]。之后雖略有下降，但仍居世界首位。大量施用氮肥雖然增加了作物產(chǎn)量，但也增加了農(nóng)民的投入，還造成了土壤氮素的殘留與淋溶、土壤酸化、氨揮發(fā)、氧化亞氮排放、大氣污染、水污染和水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[2-3]，影響下季作物生長。芝麻作為小麥的后茬作物，在氮肥需求[4]上顯著低于小麥[5-6]、玉米[7-8]、水稻[9]、油菜[10]等大宗作物。近年來，由于小麥的大水大肥管理，造成小麥?zhǔn)斋@后土壤氮素殘留較高，在此基礎(chǔ)上，常規(guī)施氮肥種植芝麻極易造成田間氮肥過量，芝麻營養(yǎng)生長過旺，影響碳氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化，后期貪青晚熟，最終影響芝麻的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，在小麥高氮肥投入?yún)^(qū)[11-13]，探索芝麻栽培合理的施肥措施，對保障芝麻產(chǎn)量和品質(zhì)、提高氮素吸收利用效率、降低土壤和水體氮污染具有重要意義。而針對減施氮肥對芝麻生長及產(chǎn)量影響的研究尚未見報道。因此，本研究以芝麻品種鄭太芝4號為試驗材料，探討不同氮素水平對芝麻植株農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀、光合特性等方面的影響，揭示氮肥對芝麻生長的調(diào)控機制，為芝麻的節(jié)肥高產(chǎn)高效栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況和試驗材料

試驗在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地（E 113.96°，N 35.05°，海拔84 m）進(jìn)行。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.0℃；7月最高，平均27.3℃；年平均降雨量656.3 m，主要集中在6—9月，占全年降雨量的72.0%；年平均日照時數(shù)1 928.5 h；無霜期220 d。試驗地土壤為沙壤，前茬作物為小麥，施氮量為300 kg·hm-2，土壤理化特性：pH 7.2，有機質(zhì)1.13%，全氮116.4 mg·kg-1，硝態(tài)氮47.6 mg·kg-1，銨態(tài)氮103.2 mg·kg-1，速效磷21.3 mg·kg-1，速效鉀107.8 mg·kg-1。

供試材料為鄭太芝4號，表現(xiàn)為單稈、三花四棱，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心提供。

1.2 試驗設(shè)計

采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，設(shè)4個氮肥梯度，分別為不施氮肥（N0）和施用75（N1）、150（N2）和225 kg·hm-2（N3），每處理4次重復(fù)。小區(qū)為12行區(qū)，行長5 m，行距0.4 m，小區(qū)面積24 m2。2020年6月10日人工開溝超量播種，分別于出苗后1～2對真葉期間苗，3對真葉期定苗，留苗密度為18萬苗·hm-2。供試氮肥為尿素（含N 46.4%）。磷肥（過磷酸鈣，含P2O512%）75 kg·hm-2、鉀肥（氯化鉀，含K2O 60%）15 kg·hm-2混勻后作為底肥一次性施入，整個生育期不再施肥。其他管理同一般大田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀測定 成熟期每個重復(fù)分別取長勢一致的植株5株，挖取芝麻根系時盡量保證根系的完整。單株收獲，統(tǒng)計株高、結(jié)蒴部位高度、黃稍尖長度和單株蒴數(shù)。每株按中下部2蒴、中部2蒴和上部1蒴的標(biāo)準(zhǔn)選取5個中位蒴果，統(tǒng)計單蒴粒數(shù)。用剪刀從芝麻地上部與地下部的分界處剪斷，將葉片、莖稈、蒴果、根系分別裝袋，自然風(fēng)干，單獨脫粒后，用千分之一天平分別稱量。

1.3.2 光合特性測定 在芝麻定苗后，各氮肥處理下分別選取長勢一致的植株3株定株標(biāo)記，在苗期（seedlings stage，SS）、現(xiàn)蕾期（budding stage，BS）、初花期（initial flowering stage，IFS）、盛花期（full-bloom stage，F(xiàn)BS）、終 花期（final flowering stage，F(xiàn)FS）和成熟期（maturation stage，MS）均選擇同一部位葉片，采用LCpro+全自動便攜式光合分析儀(ADC公司，英國)測定凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸騰速率（transpiration rate，Tr）、氣孔導(dǎo)度（stomatal conductance，Gs）和胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）。光源為人工光源，光照強度為1 100μmol·m-2·s-1。水分利用率（water use efficiency,WUE）的計算公式如下。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013和DPS 9.50軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 減施氮肥對芝麻農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

由表1可知，隨著氮肥用量的增加，芝麻株高逐漸增加，到達(dá)一定高度后，株高趨于穩(wěn)定，N2和N3處理株高差異不顯著，但顯著高于N0和N1處理。其中，N2處理最高，為190.8 cm，較N1處理顯著增加6.59%。施肥量顯著影響結(jié)蒴部位高度，隨著氮肥用量的增加，芝麻結(jié)蒴部位高度逐漸增加，其中，N3處理的結(jié)蒴部位最高，顯著高于其他處理，較N0處理結(jié)蒴部位高度增加38.84%；N2處理次之，顯著高于N0和N1處理；而N0和N1處理差異不顯著。施肥量對黃稍尖長度影響較小，僅N3處理較高，顯著高于其他處理；N0、N1和N2處理間差異不顯著。隨著施氮量的增加，芝麻主莖果軸長度先增加后下降，其中，N1和N2處理的主莖果軸長度較大，兩者間差異不顯著，但均顯著大于N0和N3處理。施肥顯著增加芝麻的單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)和千粒重，但不同施肥量處理間差異不顯著。N0處理的株高、主莖果軸長度、單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)和千粒重較N2處理分別顯著降低15.89%、12.70%、25.67%、6.38%和10.00%。

表1 不同氮肥處理下芝麻的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成因子Table 1 Agronomic trait and yield component of sesame under different nitrogen treatments

2.2 減施氮肥對芝麻干物質(zhì)積累的影響

由表2可知，施肥顯著增加芝麻根系、蒴果皮和總干物質(zhì)量，但不同施氮量處理間差異不顯著；N3處理的莖干重和葉干重顯著大于N0和N1處理，而N1和N2處理間差異不顯著。隨著施氮量的增加，芝麻單株產(chǎn)量呈先增加后下降的變化趨勢，N1處理單株產(chǎn)量最高，為13.8 g，顯著高于N0和N3處理，與N2處理差異不顯著。隨著施氮量的增加，芝麻粒蒴比先增加后下降，N1處理的粒蒴比最高，為46.8%，與N2處理差異不顯著；均顯著大于N0和N3處理。N0處理的根干重、莖干重、蒴果皮干重、單株產(chǎn)量、總干物質(zhì)重和粒蒴比較N2處理分別顯著降低19.40%、25.40%、28.40%、40.15%、27.57%和9.83%。

表2 不同氮肥處理下芝麻干物質(zhì)積累Table 2 Dry matter accumulation of sesame under different nitrogen treatments

2.3 減施氮肥對芝麻經(jīng)濟系數(shù)的影響

由圖1可以看出，隨著氮肥用量的增加，芝麻經(jīng)濟系數(shù)呈先增加后下降的變化趨勢。N1處理經(jīng)濟系數(shù)最高，為22.6%，顯著高于N0和N3處理；較N2處理增加6.10%，但兩處理差異不顯著。N3處理經(jīng)濟系數(shù)最低，僅17.4%，顯著低于其他處理。N0處理較N2處理經(jīng)濟系數(shù)顯著降低16.43%。

圖1 不同氮肥處理芝麻的經(jīng)濟系數(shù)Fig.1 Economic coefficient of sesame under different nitrogen treatments

2.4 減施氮肥對芝麻光合特性的影響

2.4.1 光合速率（Pn） 由圖2可以看出，隨著氮肥用量的增加，芝麻葉片Pn呈先增加后下降的變化趨勢。其中，N1處理葉片Pn最高，平均為20.49 μmol CO2·m-2·s-1；N3處理葉片Pn最低，為18.15 μmol CO2·m-2·s-1。從不同生育期來看，各氮肥處理均表現(xiàn)為隨著生育期的推進(jìn)，葉片Pn呈先增加后下降的變化趨勢，在盛花期葉片Pn達(dá)最大值后，迅速下降；到成熟期，葉片Pn降至最低。

圖2 不同氮肥處理芝麻葉片的光合速率Fig.2 Pn of sesame under different nitrogen treatment

2.4.2 蒸騰強度（Tr）由圖3可以看出，隨著氮肥用量的增加，芝麻葉片Tr也呈先增加后下降的變化趨勢。其中，N1處理葉片Tr最高，平均為5.84 μmol H2O·m-2·s-1；N3處理葉片Tr最低，為4.87 μmol H2O·m-2·s-1。隨著生育期的推進(jìn)，各處理葉片Tr均呈先增加后下降的變化趨勢，在盛花期葉片Tr達(dá)最大值后，迅速下降；到成熟期，葉片Tr降至最低。

圖3 不同氮肥處理芝麻葉片的蒸騰強度Fig.3 Tr of sesame under different nitrogen treatment

2.4.3 水分利用效率（WUE）由圖4可以看出，N3處理WUE最高，平均3.68μmol CO2·mmol-2H2O，較N0處理增加14.29%；N1和N2處理次之；N0處理WUE最低。隨著生育期的推進(jìn)，各處理均表現(xiàn)為先增加后下降的變化趨勢，其中，N3處理在盛花期達(dá)最大值后迅速下降；其他處理的變化趨勢較平緩。

圖4 不同氮肥處理芝麻葉片的水分利用率Fig.4 WUE of sesame under different nitrogen treatment

2.4.4 氣孔導(dǎo)度（Gs） 由圖5可以看出，隨著氮肥用量的增加，芝麻葉片Gs呈先增加后降低的變化趨勢，其中，N1處理葉片Gs最高，平均為0.63 mol CO2·m-2·s-1；N3處 理Gs最 低，為0.54 mol CO2·m-2·s-1。隨著生育期的推進(jìn)，各處理葉片Gs均表現(xiàn)為先增加后下降的變化趨勢，其中，N3處理在盛花期達(dá)最大值；其他處理均在初花期達(dá)最大值；然后到成熟期降至最低。

圖5 不同氮肥處理芝麻葉片的氣孔導(dǎo)度Fig.5 Gs of sesame under different nitrogen treatment

2.4.5 胞間CO2濃度（C）i由圖6可以看出，隨著氮肥用量的增加，芝麻葉片Ci呈先下降后增加的變化趨勢，其中，N3處理葉片Ci最高，平均為295.05μmol CO2·m-2·s-1；N1處理最低，為253.55 μmol CO2·m-2·s-1。隨著生育期的推進(jìn)，不同處理葉片Ci的變化趨勢差異較大。N0和N1處理葉片Ci表現(xiàn)為隨著生育期的推進(jìn)先增加后下降再增加；N2和N3處理表現(xiàn)為先下降后增加的變化趨勢。N0、N1和N2處理葉片Ci在初花期最低，分別為228.52、237.66和242.83μmol CO2·m-2·s-1；N3處理在盛花期最低，為259.33μmol CO2·m-2·s-1。

圖6 不同氮肥處理芝麻葉片的胞間CO2濃度Fig.6 Ci of sesame under different nitrogen treatment

2.5 不同氮肥水平下芝麻農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量因子間的相關(guān)性

5 N2水平下芝麻農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量因子間的相關(guān)性Table 5 Correlation coefficients between agronomic trait and yield factors at N2 treatment

由表3～表6可以看出，各氮肥處理下，單株產(chǎn)量與株高、根干重、莖干重、蒴果皮干重、地上部干物質(zhì)重、總干物質(zhì)重均呈顯著或極顯著正相關(guān)。其中，N1和N2處理下，單株產(chǎn)量與單株蒴數(shù)和單蒴粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)；N0處理下，單株產(chǎn)量與主莖果軸長度和單株蒴數(shù)呈顯著或極顯著正相關(guān)；N1處理下，單株產(chǎn)量與千粒重呈極顯著正相關(guān)；N2處理下，單株產(chǎn)量與主莖果軸長度呈極顯著正相關(guān)；N3處理下，單株產(chǎn)量與單蒴粒數(shù)和千粒重呈極顯著正相關(guān)。從物質(zhì)合成與積累來看，地上部干物質(zhì)重和總干物質(zhì)重均與單株蒴數(shù)、單蒴粒數(shù)、根干重、莖干重、蒴果皮干重呈顯著或極顯著正相關(guān)；地上部分干物質(zhì)重與總干物質(zhì)重呈極顯著正相關(guān)。其中，N0、N1和N3處理下，地上部干物質(zhì)重和總干物質(zhì)重均與千粒重呈顯著或極顯著正相關(guān)；N0和N1處理下，地上部干物質(zhì)重和總干物質(zhì)重與主莖果軸長度呈顯著或極顯著正相關(guān)。從蒴果形態(tài)建成來看，N1處理的蒴果長度與蒴寬寬度呈極顯著正相關(guān)。從籽粒品質(zhì)來看，各處理的粗脂肪含量均與粗蛋白含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表3 N0水平下芝麻農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量因子間的相關(guān)性Table 3 Correlation coefficients between agronomic trait and yield factors at N0 treatment

表6 N3水平下芝麻農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量因子間的相關(guān)性Table 6 Correlation coefficients between agronomic trait and yield factors at N3 treatment

表4 N1水平下芝麻農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量因子間的相關(guān)性Table 4 Correlation coefficients between agronomic trait and yield factors at N1 treatment

3 討論

氮素對作物生長和產(chǎn)量形成至關(guān)重要[14]，土壤中氮素含量決定了作物的最終產(chǎn)量[15]，因此，適量施用氮肥對作物生長及產(chǎn)量形成有積極作用，但氮肥過量反而抑制作物生長[16]。過量施用氮肥的冬小麥產(chǎn)量與減施和常規(guī)施肥間差異不顯著，同時還增加了土壤硝態(tài)氮淋失，加劇了環(huán)境污染風(fēng)險[17-18]。過量施用氮肥造成棉花成鈴時間推遲，伏桃比例降低，棉鈴中干物質(zhì)分配系數(shù)降低，籽棉產(chǎn)量降低，衣分和皮棉產(chǎn)量下降[19]。張江林等[20]在水稻上的研究也得出相似結(jié)論。本研究表明，隨著施氮量的增加，芝麻的株高、產(chǎn)量、單株蒴數(shù)及單蒴粒數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成因子均呈先增加后降低的變化趨勢，以氮肥減施和常規(guī)氮施量處理較高，與前人研究結(jié)果一致。適宜的氮肥能促進(jìn)芝麻根系發(fā)育，植株地上部與地下部協(xié)調(diào)發(fā)展，主要表現(xiàn)為株高、主莖果軸長度和單株蒴數(shù)的增加；擴大了“源”的供給能力和“庫”的接收能力，干物質(zhì)能較好地積累和運轉(zhuǎn)，提高了經(jīng)濟系數(shù)，最終體現(xiàn)在單蒴粒數(shù)、千粒重和單株產(chǎn)量的增加[21-22]。當(dāng)?shù)蔬^量時，導(dǎo)致芝麻成蒴時間推遲，營養(yǎng)器官中的碳水化合物不能及時向籽粒轉(zhuǎn)移，營養(yǎng)物質(zhì)在“源”中滯留，導(dǎo)致植株貪青晚熟，成熟時葉片比例增加，導(dǎo)致芝麻產(chǎn)量下降[23]，經(jīng)濟系數(shù)降低。

光合作用是作物干物質(zhì)和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵過程。氮肥供應(yīng)量過低會導(dǎo)致小麥花后光合能力降低，不利于產(chǎn)量形成[24]；減氮條件下，水稻葉面積指數(shù)和光合勢降低，群體生長率下降[25]，表明過量減氮抑制了作物群體的光合能力，而過量施氮也會導(dǎo)致小麥光合能力降低[26]，因此，只有適量施用氮肥才能有效提高作物光合能力[27]。本研究表明，在高氮田塊上種植芝麻可適量減少氮肥施用量，減施后芝麻的光合性能與常規(guī)施氮處理無顯著差異；若繼續(xù)過量施用氮肥會導(dǎo)致芝麻光合產(chǎn)物的輸出率降低，影響芝麻籽粒灌漿和產(chǎn)量形成，與小麥研究結(jié)果一致[28]。本研究條件較常規(guī)氮肥施用量減少50%時芝麻產(chǎn)量無顯著變化，這對實現(xiàn)節(jié)本增效、減輕環(huán)境污染具有重要意義。但持續(xù)減氮施肥對芝麻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素等的影響尚需進(jìn)一步研究。