摘要
为了探讨氮肥后移对芝麻氮代谢、产量及品质的影响，通过大田试验，在施纯氮总量一致的条件下，设置 3 个处理：基施氮肥 120 kg/hm2 （T1），基施氮肥 60 kg/hm2 + 苗期追肥 60 kg/hm2 （T2），基施氮肥 40 kg/hm2 + 苗期追肥 40 kg/hm2 + 现蕾期追肥 40 kg/hm2 （T3），以不施氮肥为对照（CK）研究氮肥后移对芝麻氮代谢、产量及品质的影响。结果表明，氮肥后移可显著增强芝麻叶片氮代谢关键酶活性，提高芝麻叶片游离氨基酸、可溶性蛋白含量、产量，改善芝麻品质。其中 T3 处理效果最好，在初花期、盛花期和终花期，硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）和谷氨酸合酶（GOGAT）活性显著高于其他处理，NR 活性较 T2、T1、CK 处理分别提高 6.40%、35.42%、74.78%，12.04%、30.67%、38.19% 和 9.39%、16.64%、21.31%，GS 活性较 T2、T1、 CK 处理分别提高 9.16%、24.36%、39.98%，6.02%、18.57%、24.65% 和 14.64%、23.07%、28.03%，GOGAT 活性较 T2、T1、CK 处理分别提高 14.38%、24.88%、48.38%，15.22%、27.67%、59.56% 和 31.53%、60.56%、67.09%； 与 CK、T1、T2 处理相比，T3 处理的单株蒴数分别显著提高 72.88%、38.91%、18.80%，单蒴粒数分别提高 24.70%、 14.44%、2.96%，千粒重分别显著提高 19.35%、13.41%、8.03%，产量分别显著提高 142.07%、68.93%、23.82%，蛋白质含量分别显著提高 28.00%、17.59%、9.27%，粗脂肪含量分别提高 7.69%、5.08%、4.07%。相关分析表明，在盛花期、终花期，产量、蛋白质含量、粗脂肪含量与 NR、GS、GOGAT 活性相关关系呈显著或极显著正相关关系。在豫东地区，基施氮肥 40 kg/hm2 + 苗期追肥 40 kg/hm2 + 现蕾期追肥 40 kg/hm2 可作为该区芝麻高产优质栽培的施肥方案。
Abstract
To investigate the effects of postponed nitrogen application on nitrogen metabolism，yield，and quality of sesame， a field experiment was conducted under the condition of consistent total pure nitrogen application：basal nitrogen application of 120 kg/hm2 （T1），basal nitrogen application of 60 kg/hm2 +seedling stage topdressing of 60 kg/hm2 （T2），basal nitrogen application of 40 kg/hm2 + seedling stage topdressing of 40 kg/hm2 + bud stage topdressing of 40 kg/hm2 （T3），with no nitrogen fertilizer applied as the control（CK）to study the effect of nitrogen fertilizer transfer on sesame nitrogen metabolism， yield，and quality．The results showed that postponed nitrogen application significantly enhanced the activity of key enzymes in nitrogen metabolism in sesame leaves，increased the content of free amino acids and soluble proteins in sesame leaves， yield，and improved sesame quality．Among them，T3 treatment had the best effect．During the initial，peak，and final flowering stages，the activities of nitrate reductase（NR），glutamine synthase（GS），and glutamate synthase（GOGAT） were significantly higher than other treatments．NR activity increased by 6.40%，35.42%，74.78%，12.04%，30.67%， 38.19%，and 9.39%，16.64%，21.31%，respectively，compared to T2，T1，CK treatments．GS activity increased by 9.16%，24.36%，39.98%，6.02%，18.57%，24.65%，and 14.64%，23.07%，28.03%，respectively，compared to T2，T1，CK treatments．The activity of GOGAT increased by 14.38%，24.88%，48.38%，15.22%，27.67%， 59.56%，and 31.53%，60.56%，67.09%，respectively，compared to T2，T1，CK treatments．Compared with CK， T1，T2 treatments，T3 treatment significantly increased the number of capsules per plant by 72.88%，38.91%，18.80%， respectively；The number of capsules per plant increased by 24.70%，14.44%，2.96%，respectively；The thousand grain weight increased significantly by 19.35%，13.41%，8.03%，respectively；The yield increased significantly by 142.07%， 68.93%，23.82%，respectively；The protein content increased significantly by 28.00%，7.59%，9.27%，and the crude fat content increased by 7.69%，5.08%，4.07%，respectively．Related analysis showed that during the peak and final flowering stages，there was a significant or extremely significant positive correlation between yield，protein content，crude fat content，and NR，GS，and GOGAT activities．In the eastern Henan region，a fertilization plan of 40 kg/hm2 of basal nitrogen fertilizer，40 kg/hm2 of seedling stage topdressing，and 40 kg/hm2 of bud stage topdressing can be used for high-yield and high-quality cultivation of sesame in this area.
Keywords
芝麻是我国重要的油料作物之一，其营养丰富、风味独特[1-2]。我国是芝麻消费和加工大国，也是进口大国。因此提高芝麻的产量和品质是我国芝麻产业发展面临的重要问题。氮素是芝麻生长的必需元素，直接影响芝麻的产量和品种[3]。研究发现，在一定施氮范围内，作物产量和品质随施氮量的增加而增加[4]。以商丘为代表的豫东地区习惯氮素一次性基施，不仅肥料利用率低，而且造成氮素污染、土壤酸化等环境问题[5-7]。通过改变施肥方式来提高肥料利用效率、减少环境污染，已成为未来施肥方式的方向。氮素后移是指在总施氮量不变的情况下，减少基施氮量，增加作物生长中、后期施氮量的施肥方法[8]。前人研究发现，氮肥后移可以增加作物产量，提高氮肥利用效率[9]。代新俊等[10]研究指出，追氮能显著增加小麦穗数和穗粒数，进而提高产量，并且能够提高氮素吸收效率和氮素生产效率，同时改善籽粒品质。冯延聪等[11]研究得出氮肥后移能够增加水稻产量和氮肥利用效率。许多研究发现氮代谢与硝酸还原酶（NR）、谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）活性密切相关，并与游离氨基酸、可溶性蛋白含量高低相关[12-14]。姚瑞等[12]研究发现氮肥后移能够增加花生氮代谢相关酶活性、产量。王宜伦等[15]研究指出，氮肥后移能够增强玉米穗位叶 NR 活性并实现增产。前人对不同施氮量对芝麻氮代谢关键酶活性的研究已做了许多研究，而关于氮肥后移对氮代谢关键酶活性的研究尚未见报道。因此，本研究在施氮总量一致的情况下，研究氮肥后移对芝麻植株氮代谢酶活性、产量及品质的影响，探讨在不增加氮肥施用量的情况下，通过氮肥后移提高芝麻产量品质，旨在为芝麻高产优质栽培提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
试验于 2023 年 6—9 月在商丘市农林科学院试验示范中心（34°26′41″N，115°40′27″E）进行，海拔 49 m，平均气温 26℃，降水量为 545.6 mm，日照小时数 784.5 h。供试芝麻品种为‘商芝 189’，由商丘农林科学院选育。供试氮肥为尿素。供试土壤为潮土，碱解氮含量 86.7 mg/kg、有效磷含量 11.4 mg/kg、速效钾含量 119.8 mg/kg、有机质含量 11.2 g/kg。
1.2 试验设计
试验采用完全随机区组设计，在施氮总量 （N 120 kg/hm2）一致的条件下设 3 个处理，以不施氮肥为对照（CK），具体施用时期及各时期施用量见表1。小区行长 6 m，8 行区，行距 40 cm，小区面积 19.2 m2，3 次重复。种植方式为裸地种植，播种密度为 15 万株 /hm2，采用开沟方式追施氮肥。各小区基施硫酸钾 120 kg/hm2、过磷酸钙 500 kg/hm2。试验地其他管理措施与一般高产大田相同。
表1施用氮肥时期及施用量
1.3 测定项目与方法
1.3.1 氮代谢关键酶活性
分别在芝麻苗期、现蕾期、初花期、盛花期和终花期于晴天 9：00—10：00 选择长势一致的植株，取第 2 片（自上而下）完全展开的功能叶片，测定 NR、GS、GOGAT 活性。NR 活性参照《植物生理学实验手册》测定[16]。GS 和 GOGAT 活性参照李春明等[17]和王彬等[18]的方法测定。
1.3.2 氮代谢指标
对 1.2.1 取得的叶片样品，采用水合茚三酮比色法测定游离氨基酸含量；采用考马斯亮蓝 G-250 法测定可溶性蛋白含量。
1.3.3 产量和产量构成因素
成熟前每个小区测定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，换算出单位面积产量（kg/hm2）。
1.3.4 籽粒蛋白质、粗脂肪含量
籽粒蛋白质含量测定参照 GB/T5009.5—2016； 粗脂肪含量测定参照 GB/T5009.6—2016。
2 结果与分析
2.1 氮肥后移对芝麻叶片氮代谢关键酶活性的影响
2.1.1 对硝酸还原酶活性的影响
从图1可以看出，芝麻叶片 NR 活性随生育期推移呈先升高后下降的趋势，在现蕾期达到最大值，不同处理芝麻叶片 NR 活性高于 CK，除终花期 T1 处理外均达显著水平。在现蕾期以后，氮肥后移处理（T2、T3）芝麻叶片 NR 活性显著高于氮肥基施（T1）和 CK 处理。在初花期、盛花期、终花期，T3 处理即基肥、苗期和现蕾期各施 N 40 kg/hm2芝麻叶片 NR 活性分别显著较 T2、T1、CK 处理高 6.40%、35.42%、74.78%，12.04%、30.67%、 38.19% 和 9.39%、16.64%、21.31%，不同处理之间表现为 T3>T2>T1>CK。
图1不同处理对芝麻硝酸还原酶活性的影响
注：图柱上小写字母不同表示同一生育时期各处理间差异显著（P<0.05）。下同。
2.1.2 对谷氨酰胺合成酶活性的影响
从图2可以看出，芝麻叶片 GS 活性随生育期推移呈先升高后下降趋势，在初花期达到最大值，不同处理芝麻叶片 GS 活性高于 CK，除终花期 T1 处理外均达显著水平。在现蕾期以后，T2、T3 处理芝麻叶片 GS 活性显著高于 T1 和 CK 处理。在初花期、盛花期、终花期，T3 处理即基肥、苗期和现蕾期各施 N 40 kg/hm2 芝麻叶片 GS 活性分别显著较 T2、T1、CK 处理高 9.16%、24.36%、39.98%， 6.02%、18.57%、24.65% 和 14.64%、23.07%、 28.03%，不同处理之间表现为 T3>T2>T1>CK。
2.1.3 对谷氨酸合酶活性的影响
从图3可以看出，芝麻叶片 GOGAT 活性随生育期推移呈先升高后下降趋势，在盛花期达到最大值，不同处理芝麻叶片 GOGAT 活性高于 CK，除终花期 T1 处理外均达显著水平。在现蕾期以后，T2、 T3 处理芝麻叶片 GOGAT 活性显著高于 T1 和 CK 处理。在初花期、盛花期和终花期，T3 处理即基肥、苗期和现蕾期各施 N 40 kg/hm2 芝麻叶片 GOGAT 活性分别显著较 T2、T1、CK 处理高 14.38%、 24.88%、48.38%，15.22%、27.67%、59.56% 和 31.53%、60.56%、67.09%，不同处理之间表现为 T3>T2>T1>CK。
2.2 氮肥后移对芝麻叶片游离氨基酸、可溶性蛋白含量的影响
从表2可以看出，芝麻叶片游离氨基酸、可溶性蛋白含量随生育期推移呈先升高后下降趋势，在初花期达到最大值，不同处理芝麻叶片游离氨基酸、可溶性蛋白含量高于 CK 处理，除终花期 T1 处理外均达显著水平。在初花期以后，T2、T3 处理芝麻叶片游离氨基酸、可溶性蛋白含量显著高于 T1 和 CK 处理。在初花期、盛花期、终花期，T3 处理即基肥、苗期和现蕾期各施 N 40 kg/hm2 芝麻叶片游离氨基酸含量分别显著较 T2、T1、CK 处理高 5.12%、15.34%、35.49%， 4.81%、15.63%、20.08% 和 16.17%、39.35%、43.49%； 在终花期，T3 处理芝麻叶片可溶性蛋白含量分别显著较 T2、T1、CK 处理高 12.01%、27.07%、30.84%，不同处理之间表现为 T3>T2>T1>CK。
图2不同处理对芝麻谷氨酰胺合成酶活性的影响
图3不同处理对芝麻谷氨酸合酶活性的影响
2.3 氮肥后移对芝麻产量和品质的影响
从表3可以看出，与 CK 相比，不同处理均能提高芝麻单株蒴数、单蒴粒数、千粒重、产量、蛋白质含量和粗脂肪含量，且以 T3 处理最大；除 T1、T2 处理粗脂肪含量外均达显著水平。与 CK、 T1、T2 处理相比，T3 处理的单株蒴数分别显著提高 72.88%、38.91%、18.80%，单蒴粒数分别提高 24.70%、14.44%、2.96%，千粒重分别显著提高 19.35%、13.41%、8.03%，产量分别显著提高 142.07%、68.93%、23.82%，蛋白质含量分别显著提高 28.00%、17.59%、9.27%，粗脂肪含量分别提高 7.69%、5.08%、4.07%。
表2氮肥后移对芝麻叶片游离氨基酸、可溶性蛋白含量的影响
注：数据后小写字母不同表示同一生育时期各处理间差异显著（P<0.05）。
表3氮肥后移对芝麻产量及其构成因素、籽粒蛋白质含量和粗脂肪含量的影响
注：数据后小写字母不同表示各处理间差异显著（P<0.05）。
2.4 氮肥后移下叶片氮代谢指标与产量及品质的相关性分析
从表4可以看出，在苗期，产量、蛋白质含量、粗脂肪含量与 NR、GS、GOGAT 活性相关性不显著，表明苗期主要以营养生长为主，氮代谢对产量和品质的影响较小。随着生育进程的推进，在现蕾期、初花期，相关性逐渐增强，在盛花期、终花期，产量、蛋白质含量、粗脂肪含量与 NR、 GS、GOGAT 活性及游离氨基酸、可溶性蛋白质含量相关关系呈显著或极显著正相关，说明氮代谢在植物产量形成中起关键作用，高效的氮代谢能够促进植物生殖器官的发育，从而提高产量；氮代谢对蛋白质合成也至关重要，游离氨基酸作为蛋白质合成的前体物质，其含量的增加直接促进了蛋白质的积累；氮代谢不仅影响蛋白质合成，还可能通过调节碳氮平衡影响脂肪的积累；总之生殖生长阶段氮代谢对产量和品质的形成起决定性作用。
表4芝麻产量、蛋白质含量、粗脂肪含量与叶片相关氮代谢指标的相关分析
注：NR、GS、GOGAT 分别为硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶。*、** 分别表示相关性达显著（P<0.05）、极显著（P<0.01）水平。
3 讨论
氮代谢关键酶活性直接影响作物氮素的吸收和利用[19]。NR 是氮代谢过程中第一个关键酶和限速酶。GS 是氮代谢的中心，参与和调节多个氮代谢过程[20]。GOGAT 是氮素同化过程中的一个重要酶，通常和 GS 共同起作用，是限速酶[21]。姚瑞等[12] 研究指出，氮肥后移能显著增加花生叶片 NR、GS 活性。李春明等[17]研究表明，不同供氮水平下芝麻叶片 NR、GS、GOGAT 活性显著增加。本研究结果与前人研究基本一致，与 CK 相比，不同氮肥后移处理显著增加 NR、GS、GOGAT 活性。这可能因为随着施氮水平的提高尤其是氮肥后移，土壤硝态氮含量增加，对 NR 活性具有一定的促进作用[22]，并且一定氮浓度水平下，NR 的基因表达受到了正向诱导，促使大量合成 NR[23]，同时 NR 活性能够诱导 GS 和 GOGAT 活性[24]。本研究还表明，随着生育进程的推进，不同处理均呈先升高后下降的趋势，NR 活性在现蕾期达到最大值，GS 活性在初花期达到最大值，GOGAT 活性在盛花期达到最大值，其中以 T3 处理效果最好，在初花期以后显著高于其他处理。这与作物不同生育阶段对氮素的需求特征一致，与高钰等[25]、李春明等[17] 研究不同氮肥后移和供氮水平出现单峰曲线，GS 和 GOGAT 活性出现最大值较 NR 晚的结果基本一致。这主要是因为硝态氮被植物吸收后只有先通过细胞质和质体中的 NR 还原，才能进一步通过 GS 和 GOGAT 同化为氨基酸[26]。
游离氨基酸和蛋白质含量的高低反映作物氮代谢的强弱。本研究表明，与 CK 相比，不同氮肥后移处理显著增加游离氨基酸和可溶性蛋白质含量，随着生育进程的推进，不同处理均呈先升高后下降的趋势，在初花期达到最大值，T3 处理效果最好。氮肥后移延长了生殖生长期的氮素供应窗口，促进 GS 和 NR 活性增强[27]，从而提升氨基酸合成效率。游离氨基酸和可溶性蛋白质含量在初花期达到最大值可能与此时花器官发育对氮素需求激增有关[28]，后移的氮肥恰好满足该阶段蛋白质合成的底物需求。各处理呈现先升后降的动态特征，与作物碳氮代谢重心转移规律一致[29]，初花期后各处理游离氨基酸和可溶性蛋白质含量下降，可能是初花期后籽粒开始灌浆，氨基酸向籽粒蛋白质转化[30]，同时叶片开始衰老，相关的蛋白酶激活导致蛋白质水解[31]。T3 处理可能因为氮肥后移比例与作物需氮曲线的精准匹配，延缓了后期代谢衰退，所以效果最好。
氮肥后移对作物产量和品质有显著影响。裴文东等[32]研究指出，氮肥后移 20% 处理玉米的穗粒数和百粒重较传统施氮分别提高 26.1% 和 9.5%，产量提高 24.2%～27.9%。姚瑞等[12] 研究发现，氮肥后移能够增加花生的单株果重和饱果率，进而产量提高 14.33%～20.79%。马兴华等[33]研究发现，氮肥后移提高了烟叶感官质量。代新俊等[10] 研究指出氮肥后移可提高小麦籽粒醇溶蛋白、谷蛋白、总蛋白质和湿面筋含量，提高面筋指数和淀粉含量，改善谷醇比和直支比，进而改善籽粒品质，增加产量。本研究结果表明，氮肥后移能显著提高芝麻单株蒴数、单蒴粒数、千粒重、产量，尤其是 T3 处理较 CK 增产 142.07%，主要源于产量三要素的协同改善。单株蒴数增加 72.88%，表明氮肥后移显著促进芝麻花芽分化和有效蒴形成，这与玉米[34]、小麦[35]等作物的研究结论一致。单蒴粒数提升 24.70%，说明后期氮素供应有效延长了籽粒有效分化期，与刘秋霞[36]在油菜上的研究发现一致。千粒重提高 19.35% 则反映氮素后移促进籽粒充实，与大豆灌浆期追氮研究结果类似[37]。蛋白质含量增加 28.00% 说明了氮素在氨基酸合成中的核心作用。粗脂肪含量增加 7.69% 显示适度氮肥管理可协调碳氮代谢，与国世佳等[38]在向日葵中的研究类似，表明油料作物普遍存在“品质协同效应”。T3 处理效果最好可能是因为 T3 处理下氮素供应与芝麻需肥特性相匹配，并且延缓了叶片衰老，延长了光合产物积累期，同时优化碳氮分配，促进同化物向籽粒转运。
4 结论
氮肥后移效果显著，芝麻叶片氮代谢关键酶活性及芝麻叶片游离氨基酸、可溶性蛋白含量显著增加。不同氮肥后移处理显著提高芝麻产量 23.82%～142.07%，提高蛋白质含量 9.27%～28.00%，粗脂肪含量增加 4.07%～7.69%。在芝麻生育后期，芝麻产量、蛋白质含量、粗脂肪含量与 NR、GS、GOGAT 活性及游离氨基酸、可溶性蛋白质含量呈显著或极显著正相关。T3 处理即基施氮肥 40 kg/hm2 + 苗期追肥 40 kg/hm2 + 现蕾期追肥 40 kg/hm2 效果最好，可作为本地区芝麻高产优质栽培的施肥方案。