施氮量对黑芝麻冠层结构、产量及经济效益的影响

李春明，裴新涌，张海洋，高桐梅，李 丰，王 龙，卫双玲

（1. 河南省农业科学院 芝麻研究中心，河南 郑州 450002；2. 农业农村部黄淮海油料作物重点实验室，河南 郑州450002；3. 河南省特色油料作物基因组学重点实验室，河南 郑州 450002；4. 河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002）

黑芝麻具有独特的营养保健价值，属于药食同源的食物，在我国历来被认为是养生保健的佳品[1-3]。南北朝时期，医药学家陶弘景以“八谷之中，唯此为良”评价黑芝麻。目前，黑芝麻生产已经引起人们的广泛关注，以黑芝麻为原料的营养保健食品越来越多[4]。

氮素是限制黑芝麻产量提高和品质形成的重要因子之一。氮肥施用是合理优化作物群体冠层结构、精准调控管理作物群体的重要措施，对提高作物群体光能利用率和产量具有重要意义[5-6]。合理的冠层结构对于实现作物高产极为重要[7-8]。有关氮肥用量[9-12]及施用方法[13-17]对芝麻产量与品质的影响研究较多，结果显示，夏播芝麻最佳施氮量为123.1～140.2 kg/hm2，而江西秋芝麻最佳施氮量则为75.0～120.0 kg/hm2；芝麻氮肥底施与初花期追施的最佳比例为2∶1，铵硝氮肥最佳配比为1∶9。汪瑞清等[11]分析了氮肥用量对红壤旱地秋芝麻冠层光能截获率和叶面积指数的影响。截至目前，有关不同施氮量对夏播黑芝麻冠层结构及籽粒灌浆特性的影响研究尚未见报道。为此，以黑芝麻冠层结构特性入手，从光能利用方面揭示氮肥用量对黑芝麻籽粒灌浆和产量的影响，为合理优化黑芝麻群体结构进而达到高产、减肥增效和降低农业面源污染提供依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料与试验设计

试验于2015—2016 年在河南省农业科学院芝麻 研 究 中 心 平 舆 试 验 基 地（32° 97′74.38″N，14°70′99.58″E）进 行。供 试 土 壤 含 速 效 氮75.42 mg/kg、速效磷25.63 mg/kg、速效钾128.57 mg/kg。前茬作物为小麦，供试黑芝麻品种为冀9014。

试验设置0、60、120、180 kg/hm24 个施氮（纯氮）处理，分别以CK、N60、N120、N180 表示，磷、钾肥均按P2O5100 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2施用，供试肥料为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%）。磷肥和钾肥全部基施，氮肥按1∶1的基追比进行施用，于现蕾期结合灌溉追施氮肥。行长5 m，行距0.4 m，6 行区，小区面积12 m2，3 次重复。处理间设0.5 m 的走道，四周设保护行，其他管理同一般高产田。种植密度为15 万株/hm2，2015 年播种时间为6 月8 日，9 月7 日收获，全生育期92 d；2016 年播种时间为6 月13 日，9 月13 日收获，全生育期93 d。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 冠层特性 分别于2015、2016 年芝麻苗期、现蕾期、初花期、盛花期和终花期晴天上午9：00—11：00采用美国CID 公司生产的CI-110冠层分析仪测定冠层叶面积指数、平均叶倾角、冠层透光率，利用英国产LCPRO+光合作用测定仪测定相同叶位功能叶片的净光合速率，每片叶分别测定叶片基部、中部和顶部等3 个点，取平均值；同时利用日本产SPAD-502测定仪测定该叶片的SPAD 值，测定位点同净光合速率。

1.2.2 籽粒灌浆特性 于2015年芝麻盛花期，在生长健壮、有代表性的植株上选取当天开放的花朵进行挂牌标记，每个处理标记400朵，以挂牌当天为灌浆第1 天进行计算，每5 d 分别取不同处理蒴果15蒴，随机均分为3组，剥取籽粒，称量籽粒鲜质量后，105 ℃杀青20 min，然后于80 ℃烘至恒质量，称量干质量。以上测量均分别取平均值，计算单蒴籽粒鲜质量和单蒴籽粒干质量,并计算不同灌浆期内单蒴平均灌浆速率。

干物质率=单蒴籽粒干质量/单蒴籽粒鲜质量×100%。

1.2.3 产量和产量构成因素 2015、2016 年收获前，每小区收取1 m双行植株进行考种，折算单位面积蒴数、蒴粒数，并测定千粒质量。以小区为单位实收，换算单位面积产量（kg/hm2）。

1.2.4 经济效益 肥料投入是指单位面积各种肥料的总投入；黑芝麻收益是指单位面积黑芝麻产量带来的收入；本研究中计算经济效益时仅考虑肥料投入成本，其他成本每个处理均一致，因而，不考虑其他投入成本。2015 年和2016 年黑芝麻市场价格分别为17 元/kg 和19 元/kg，试验所用肥料纯N、P2O5、K2O 价格分别为2.83、4.25、3.83 元/kg 和3.02、4.65、3.96元/kg。

1.3 数据处理

数据处理运用Excel 2013 进行，统计分析用SPSS 17.0进行。

2 结果与分析

2.1 施氮量对黑芝麻冠层结构特性的影响

平均叶倾角指叶片与水平方向的锐角，是反映作物群体光辐射特征的主要指标之一。表1 表明，冀9014 的平均叶倾角随生育进程呈先升后降的趋势，均以初花期最大。与CK 相比，施氮能提高各生育时期黑芝麻的平均叶倾角，且均以N120 处理最大，其中，在现蕾期和终花期显著高于其他处理，说明N120 处理能提高冀9014 的平均叶倾角，增加中下部叶片受光率，有利于光合作用，预防早衰。

表1 施氮量对黑芝麻冠层结构特性的影响（2 a平均）Tab.1 Effects of nitrogen application rate on canopy structure characteristics of black sesame（two-year average）

从表1 可以看出，黑芝麻叶面积指数随生育时期后移呈先升高后下降趋势，均以初花期最大，施用氮肥能显著提高黑芝麻各生育时期的叶面积指数。与CK 相比，施氮能显著提高各生育时期的叶面积指数，且随着施氮量的增加而显著增大。

表1 显示，冠层透光率在不同供氮水平下随生育时期后移呈先降后升的趋势，均以初花期最小。与CK 相比，施用氮肥能极显著降低芝麻冠层的透光率。氮肥处理间相比，冠层透光率随施氮量增加呈逐渐降低趋势，且均以N180 处理最小，苗期—盛花期差异均达极显著水平；终花期，N180与N120处理差异不显著，但均较N60处理极显著降低。

2.2 施氮量对黑芝麻叶片SPAD值的影响

不同供氮水平下，黑芝麻叶片SPAD 值随生育进程呈先升高后降低的趋势（表1），其中，N60 和N120 处理均以初花期SPAD 值最大。与CK 相比，施用氮肥能显著或极显著提高黑芝麻叶片的SPAD值；苗期—盛花期，SPAD 值随施氮量的增加呈极显著增加；终花期，SPAD 值随施氮量增加呈逐渐增大趋势，以N180处理最大，显著高于其他氮肥处理。

2.3 施氮量对黑芝麻叶片净光合速率的影响

从表1 可以看出，净光合速率随生育时期后移均呈单峰曲线变化趋势，多以初花期最高，其中，CK净光合速率在现蕾期先达到最大值。与CK 相比，施用氮肥能提高黑芝麻的净光合速率，尤以N120处理最高，且现蕾后差异达到极显著水平，N120 处理均极显著高于其他处理和CK。CK在整个生育时期叶片均发黄，在现蕾以后净光合速率均极显著低于施氮处理。在黑芝麻生育后期（盛花期—终花期），以CK 净光合速率降幅最大（-50.59%），以N120处理降幅最小（-32.56%）。

2.4 施氮量对黑芝麻灌浆特性的影响

由图1 可以看出，除CK 外，各施氮处理芝麻单蒴籽粒鲜质量随开花后天数增加多呈逐渐上升的趋势，以开花后35 d 最大，CK 则在花后30 d 达到最大；与CK 相比，单蒴籽粒鲜质量在开花后随施氮量增加整体呈逐渐增大趋势，除开花后10 d 以N120处理最大外，其他时期均以N180 处理最大。各处理芝麻单蒴籽粒干质量均随开花后天数增加而增大，均在花后35 d 达最大值；与CK 相比，施用氮肥能显著增加灌浆期单蒴籽粒干质量（P＜0.05），单蒴籽粒干质量随氮肥用量增加呈先升后降趋势，均以N120 处理最大，在花后10 d 和30 d 显著高于CK 和其他处理（P＜0.05）。

图2 结果显示，黑芝麻干物质率均随开花后天数增加而增大，均在花后35 d 达最大值。与CK 相比，施用氮肥对花后5 d 的干物质率影响不大；花后5 d 之后，施用氮肥均能提高黑芝麻干物质率，且黑芝麻干物质率随氮肥用量增加呈先升后降趋势，均以N120 处理最大，在花后10 d 和30 d 极显著高于CK 和其他处理（P＜0.01）。除CK 外，各施氮处理单蒴籽粒灌浆速率随开花后天数增加整体呈先升后降再升高趋势，均于花后35 d 达到最大，CK 在花后30 d 达到峰值；与CK 相比，施用氮肥均能提高各时期灌浆速率，且灌浆速率随施氮量增加呈先升后降趋势，均以N120 处理最高。花后10 d，N120 处理的灌浆速率显著高于CK 和其他处理（P＜0.05）；花后20 d 和30 d，N120 处理均显著高于CK 和N60 处理（P＜0.05）。

2.5 施氮量对黑芝麻农艺性状的影响

从表2 可以看出，2 a 试验结果中，施氮量对黑芝麻农艺性状的影响基本一致。施用氮肥能明显增加黑芝麻的株高、始蒴位高和果轴长，降低黄稍尖长。与CK 相比，黑芝麻株高、始蒴位高和果轴长均随施氮量增加呈先升高后降低的趋势，均以N120处理最大，且N120 处理株高和果轴长显著高于CK和N60 处理；黑芝麻黄稍尖长随施氮量增加呈先降低后升高趋势，均以N120 处理最小，且显著低于其他施氮处理。

表2 施氮量对黑芝麻农艺性状的影响Tab.2 Effects of N application rate on agronomic traits of black sesame

2.6 施氮量对黑芝麻产量性状的影响

从表3 可以看出，2 a 的试验结果中，施氮量对黑芝麻产量性状的影响基本一致。与CK 相比，施氮能显著提高黑芝麻单株蒴数、单蒴粒数、千粒质量、籽粒产量和经济系数，其中，施氮极显著提高单株蒴数，且均以N120处理最大，显著高于CK 和N60处理；黑芝麻单蒴粒数随施氮量增加而增大，均以N180处理最大，极显著高于CK 和N60处理；黑芝麻千粒质量随施氮量增加呈先升高后降低趋势，均以N120 处理最高；2015 年和2016 年N120 处理黑芝麻籽粒产量分别为1 071.2 kg/hm2和1 101.7 kg/hm2，分别较CK、N60、N180 处理增产129.7%、37.3%、23.7%和110.7%、32.9%、18.7%；生物产量随施氮量增加而增大，均以N180处理最大，极显著高于CK 和N60处理。回归分析结果显示，施氮量与黑芝麻产量均呈三次函数关系，产量肥料效应方程为y=508.831 7+3.001 5x+10.055 3x2-0.000 3x3（R2=0.964 3），黑芝麻产量最佳氮肥用量为134.05 kg/hm2。

表3 施氮量对黑芝麻产量性状的影响Tab.3 Effects of N application rate on yield traits of black sesame

2.7 不同施氮量对黑芝麻经济效益的影响

从表4 可以看出，2 a 的试验结果中，施氮量对黑芝麻经济效益的影响基本一致。与CK 相比，施用氮肥能极显著增加黑芝麻收益和经济效益，且均随施氮量增加呈先升高后降低的趋势，均以N120处理最高，且极显著高于其他氮肥处理。回归分析结果显示，施氮量与黑芝麻经济效益均呈三次函数关系，经济效益肥料效应方程为y=8 260.751 7+51.171 8x+0.993 6x2-0.005 9x3（R2=0.895 5），黑芝麻经济效益最佳氮肥用量为133.01 kg/hm2。

表4 施氮量对黑芝麻经济效益的影响Tab.4 Effects of N application rate on economic benefit in black sesame

3 结论与讨论

冠层结构特性与作物产量的形成密切相关，并能显著影响作物冠层截获光合有效辐射的能力及其光合作用效率[18]。叶面积指数、平均叶倾角和透光率常被作为冠层结构的主要指标进行相关研究。有学者用叶面积指数估算欧洲赤松冠层潜在光合生产力与作物干物质积累量[19]。施用氮肥能增大作物株高、叶面积和茎叶夹角[20]。在一定范围内，叶面积指数随施氮量的增加而增大[11，21]。光合速率与叶面积指数随氮肥供应水平的增加而增大，且较高施氮处理有利于延缓花后小麦群体叶面积指数的衰减[22]。

本研究结果显示，随氮肥用量的增加，黑芝麻叶片SPAD 值和叶面积指数均逐渐增大，冠层透光率逐渐降低；株高、始蒴位高、果轴长、单株蒴数、千粒质量、籽粒产量、经济系数、单蒴籽粒干质量、单蒴籽粒灌浆速率、平均叶倾角和净光合速率均在施氮量为120 kg/hm2时达到最大。虽然施氮可增加植物叶片光合色素含量，有利于延缓叶片衰老和光合功能衰退，但施氮过量时光合作用会受到非气孔限制，降低光合速率[23-24]。

本研究结果还表明，施氮120 kg/hm2显著提高黑芝麻叶片平均叶倾角和功能叶的净光合速率，降低透光率。相关分析结果显示，平均叶倾角与净光合速率呈极显著正相关（r=0.583，n=60），说明施氮120 kg/hm2能提高叶片的平均叶倾角，增加功能叶的净光合速率，延缓中下部叶片的衰老，提高黑芝麻的光合物质生产能力。在各生育时期，施氮180 kg/hm2处理黑芝麻叶面积指数最大，冠层透光率最低，冠层郁闭，导致黑芝麻中下部叶片早衰，降低籽粒灌浆速率，影响籽粒产量的形成，最终降低经济系数。

在本试验土壤肥力条件下，施氮120 kg/hm2显著增加黑芝麻籽粒产量，表明适量氮素供应能显著增产，其原因一是施氮120 kg/hm2显著提高黑芝麻功能叶片的净光合速率，维持叶片适宜的SPAD 值，延缓叶片衰老，对降低黄稍尖长、增加单株蒴数和千粒质量十分有利；二是施氮120 kg/hm2显著提高并保持适宜的叶面积指数，有利于增大冠层截获光合有效辐射能力，保持冠层内部通风透光，显著提高单株有效蒴数和单蒴籽粒灌浆速率，有利于提高产量；三是施氮120 kg/hm2显著提高苗期、现蕾期和终花期的平均叶倾角，延缓黑芝麻生育后期的中下部叶片衰老，增强干物质向籽粒转运的能力，显著提高经济系数和经济效益。回归分析结果显示，黑芝麻产量最佳施氮量为134.05 kg/hm2，经济效益最佳施氮量为133.01 kg/hm2。