李春明，裴新涌，張海洋，高桐梅，李 豐，王 龍，衛(wèi)雙玲

（1. 河南省農業(yè)科學院 芝麻研究中心，河南 鄭州 450002；2. 農業(yè)農村部黃淮海油料作物重點實驗室，河南 鄭州450002；3. 河南省特色油料作物基因組學重點實驗室，河南 鄭州 450002；4. 河南省農業(yè)科學院 農業(yè)經濟與信息研究所，河南 鄭州 450002）

黑芝麻具有獨特的營養(yǎng)保健價值，屬于藥食同源的食物，在我國歷來被認為是養(yǎng)生保健的佳品[1-3]。南北朝時期，醫(yī)藥學家陶弘景以“八谷之中，唯此為良”評價黑芝麻。目前，黑芝麻生產已經引起人們的廣泛關注，以黑芝麻為原料的營養(yǎng)保健食品越來越多[4]。

氮素是限制黑芝麻產量提高和品質形成的重要因子之一。氮肥施用是合理優(yōu)化作物群體冠層結構、精準調控管理作物群體的重要措施，對提高作物群體光能利用率和產量具有重要意義[5-6]。合理的冠層結構對于實現作物高產極為重要[7-8]。有關氮肥用量[9-12]及施用方法[13-17]對芝麻產量與品質的影響研究較多，結果顯示，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]分析了氮肥用量對紅壤旱地秋芝麻冠層光能截獲率和葉面積指數的影響。截至目前，有關不同施氮量對夏播黑芝麻冠層結構及籽粒灌漿特性的影響研究尚未見報道。為此，以黑芝麻冠層結構特性入手，從光能利用方面揭示氮肥用量對黑芝麻籽粒灌漿和產量的影響，為合理優(yōu)化黑芝麻群體結構進而達到高產、減肥增效和降低農業(yè)面源污染提供依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料與試驗設計

試驗于2015—2016 年在河南省農業(yè)科學院芝麻 研 究 中 心 平 輿 試 驗 基 地（32° 97′74.38″N，14°70′99.58″E）進 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。

試驗設置0、60、120、180 kg/hm24 個施氮（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的基追比進行施用，于現蕾期結合灌溉追施氮肥。行長5 m，行距0.4 m，6 行區(qū)，小區(qū)面積12 m2，3 次重復。處理間設0.5 m 的走道，四周設保護行，其他管理同一般高產田。種植密度為15 萬株/hm2，2015 年播種時間為6 月8 日，9 月7 日收獲，全生育期92 d；2016 年播種時間為6 月13 日，9 月13 日收獲，全生育期93 d。

1.2 測定項目與方法

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

1.2.2 籽粒灌漿特性 于2015年芝麻盛花期，在生長健壯、有代表性的植株上選取當天開放的花朵進行掛牌標記，每個處理標記400朵，以掛牌當天為灌漿第1 天進行計算，每5 d 分別取不同處理蒴果15蒴，隨機均分為3組，剝取籽粒，稱量籽粒鮮質量后，105 ℃殺青20 min，然后于80 ℃烘至恒質量，稱量干質量。以上測量均分別取平均值，計算單蒴籽粒鮮質量和單蒴籽粒干質量,并計算不同灌漿期內單蒴平均灌漿速率。

干物質率=單蒴籽粒干質量/單蒴籽粒鮮質量×100%。

1.2.3 產量和產量構成因素 2015、2016 年收獲前，每小區(qū)收取1 m雙行植株進行考種，折算單位面積蒴數、蒴粒數，并測定千粒質量。以小區(qū)為單位實收，換算單位面積產量（kg/hm2）。

1.2.4 經濟效益 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量帶來的收入；本研究中計算經濟效益時僅考慮肥料投入成本，其他成本每個處理均一致，因而，不考慮其他投入成本。2015 年和2016 年黑芝麻市場價格分別為17 元/kg 和19 元/kg，試驗所用肥料純N、P2O5、K2O 價格分別為2.83、4.25、3.83 元/kg 和3.02、4.65、3.96元/kg。

1.3 數據處理

數據處理運用Excel 2013 進行，統計分析用SPSS 17.0進行。

2 結果與分析

2.1 施氮量對黑芝麻冠層結構特性的影響

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之一。表1 表明，冀9014 的平均葉傾角隨生育進程呈先升后降的趨勢，均以初花期最大。與CK 相比，施氮能提高各生育時期黑芝麻的平均葉傾角，且均以N120 處理最大，其中，在現蕾期和終花期顯著高于其他處理，說明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，預防早衰。

表1 施氮量對黑芝麻冠層結構特性的影響（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，黑芝麻葉面積指數隨生育時期后移呈先升高后下降趨勢，均以初花期最大，施用氮肥能顯著提高黑芝麻各生育時期的葉面積指數。與CK 相比，施氮能顯著提高各生育時期的葉面積指數，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期后移呈先降后升的趨勢，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，且均以N180 處理最小，苗期—盛花期差異均達極顯著水平；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 值隨生育進程呈先升高后降低的趨勢（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，以N180處理最大，顯著高于其他氮肥處理。

2.3 施氮量對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期后移均呈單峰曲線變化趨勢，多以初花期最高，其中，CK凈光合速率在現蕾期先達到最大值。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，且現蕾后差異達到極顯著水平，N120 處理均極顯著高于其他處理和CK。CK在整個生育時期葉片均發(fā)黃，在現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處理降幅最小（-32.56%）。

2.4 施氮量對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量隨開花后天數增加多呈逐漸上升的趨勢，以開花后35 d 最大，CK 則在花后30 d 達到最大；與CK 相比，單蒴籽粒鮮質量在開花后隨施氮量增加整體呈逐漸增大趨勢，除開花后10 d 以N120處理最大外，其他時期均以N180 處理最大。各處理芝麻單蒴籽粒干質量均隨開花后天數增加而增大，均在花后35 d 達最大值；與CK 相比，施用氮肥能顯著增加灌漿期單蒴籽粒干質量（P＜0.05），單蒴籽粒干質量隨氮肥用量增加呈先升后降趨勢，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 結果顯示，黑芝麻干物質率均隨開花后天數增加而增大，均在花后35 d 達最大值。與CK 相比，施用氮肥對花后5 d 的干物質率影響不大；花后5 d 之后，施用氮肥均能提高黑芝麻干物質率，且黑芝麻干物質率隨氮肥用量增加呈先升后降趨勢，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增加整體呈先升后降再升高趨勢，均于花后35 d 達到最大，CK 在花后30 d 達到峰值；與CK 相比，施用氮肥均能提高各時期灌漿速率，且灌漿速率隨施氮量增加呈先升后降趨勢，均以N120 處理最高。花后10 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 施氮量對黑芝麻農藝性狀的影響

從表2 可以看出，2 a 試驗結果中，施氮量對黑芝麻農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，降低黃稍尖長。與CK 相比，黑芝麻株高、始蒴位高和果軸長均隨施氮量增加呈先升高后降低的趨勢，均以N120處理最大，且N120 處理株高和果軸長顯著高于CK和N60 處理；黑芝麻黃稍尖長隨施氮量增加呈先降低后升高趨勢，均以N120 處理最小，且顯著低于其他施氮處理。

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

2.6 施氮量對黑芝麻產量性狀的影響

從表3 可以看出，2 a 的試驗結果中，施氮量對黑芝麻產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、單蒴粒數、千粒質量、籽粒產量和經濟系數，其中，施氮極顯著提高單株蒴數，且均以N120處理最大，顯著高于CK 和N60處理；黑芝麻單蒴粒數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；黑芝麻千粒質量隨施氮量增加呈先升高后降低趨勢，均以N120 處理最高；2015 年和2016 年N120 處理黑芝麻籽粒產量分別為1 071.2 kg/hm2和1 101.7 kg/hm2，分別較CK、N60、N180 處理增產129.7%、37.3%、23.7%和110.7%、32.9%、18.7%；生物產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分析結果顯示，施氮量與黑芝麻產量均呈三次函數關系，產量肥料效應方程為y=508.831 7+3.001 5x+10.055 3x2-0.000 3x3（R2=0.964 3），黑芝麻產量最佳氮肥用量為134.05 kg/hm2。

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

2.7 不同施氮量對黑芝麻經濟效益的影響

從表4 可以看出，2 a 的試驗結果中，施氮量對黑芝麻經濟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濟效益，且均隨施氮量增加呈先升高后降低的趨勢，均以N120處理最高，且極顯著高于其他氮肥處理?；貧w分析結果顯示，施氮量與黑芝麻經濟效益均呈三次函數關系，經濟效益肥料效應方程為y=8 260.751 7+51.171 8x+0.993 6x2-0.005 9x3（R2=0.895 5），黑芝麻經濟效益最佳氮肥用量為133.01 kg/hm2。

表4 施氮量對黑芝麻經濟效益的影響Tab.4 Effects of N application rate on economic benefit in black sesame

3 結論與討論

冠層結構特性與作物產量的形成密切相關，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、平均葉傾角和透光率常被作為冠層結構的主要指標進行相關研究。有學者用葉面積指數估算歐洲赤松冠層潛在光合生產力與作物干物質積累量[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，葉面積指數隨施氮量的增加而增大[11，21]。光合速率與葉面積指數隨氮肥供應水平的增加而增大，且較高施氮處理有利于延緩花后小麥群體葉面積指數的衰減[22]。

本研究結果顯示，隨氮肥用量的增加，黑芝麻葉片SPAD 值和葉面積指數均逐漸增大，冠層透光率逐漸降低；株高、始蒴位高、果軸長、單株蒴數、千粒質量、籽粒產量、經濟系數、單蒴籽粒干質量、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時達到最大。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，但施氮過量時光合作用會受到非氣孔限制，降低光合速率[23-24]。

本研究結果還表明，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。相關分析結果顯示，平均葉傾角與凈光合速率呈極顯著正相關（r=0.583，n=60），說明施氮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生產能力。在各生育時期，施氮180 kg/hm2處理黑芝麻葉面積指數最大，冠層透光率最低，冠層郁閉，導致黑芝麻中下部葉片早衰，降低籽粒灌漿速率，影響籽粒產量的形成，最終降低經濟系數。

在本試驗土壤肥力條件下，施氮120 kg/hm2顯著增加黑芝麻籽粒產量，表明適量氮素供應能顯著增產，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，對降低黃稍尖長、增加單株蒴數和千粒質量十分有利；二是施氮120 kg/hm2顯著提高并保持適宜的葉面積指數，有利于增大冠層截獲光合有效輻射能力，保持冠層內部通風透光，顯著提高單株有效蒴數和單蒴籽粒灌漿速率，有利于提高產量；三是施氮120 kg/hm2顯著提高苗期、現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，增強干物質向籽粒轉運的能力，顯著提高經濟系數和經濟效益。回歸分析結果顯示，黑芝麻產量最佳施氮量為134.05 kg/hm2，經濟效益最佳施氮量為133.01 kg/hm2。