干旱与常态灌溉下，芝麻生产中生物肥料替代化肥效果大揭秘：关乎产量、用水效率与农业可持续性

为解决干旱胁迫影响芝麻生长及化学肥料使用的问题，伊朗拉夫桑詹瓦利 - 阿斯尔大学研究人员研究生物和化学肥料对芝麻产量及用水效率的影响。结果表明不同处理影响显著，该研究对推进可持续芝麻种植意义重大，推荐一读。

　　

在农业生产的大舞台上，芝麻（Sesamum indicum L.）可是一位 “明星选手”。它产出的高品质油脂和营养丰富的种子，在食品和工业领域都有着重要地位 。然而，芝麻的种植之路并不平坦，尤其是在干旱地区，缺水带来的干旱胁迫就像一个 “大反派”，严重影响着芝麻的生长和产量。

随着全球气候变化，干旱问题愈发严重。干旱胁迫会让芝麻的光合作用、呼吸作用大打折扣，还会破坏植物体内的生理平衡，导致细胞受损，这不仅威胁到芝麻的产量，更对粮食安全和农业可持续发展构成了挑战。与此同时，传统农业过度依赖化学肥料来提高土壤肥力，这就像是给土地 “喂” 了太多不健康的 “食物”，引发了一系列环境问题，比如土壤退化、水污染等，还会让有害化学物质在生态系统中残留，影响人们的健康。

在这样的困境下，科学家们开始寻找新的解决办法。生物肥料，这种由有益微生物组成的 “秘密武器”，逐渐进入了人们的视野。像植物生长促进根际细菌（PGPR）和丛枝菌根真菌（AMF），它们不仅能帮助植物更好地吸收养分、改善土壤结构，还能增强植物对干旱等非生物胁迫的抵抗力。而且，将生物肥料和化学肥料结合使用，有可能实现作物高产，同时保护土壤健康，减少对环境的破坏。

尽管生物肥料潜力巨大，但在芝麻种植中，关于生物肥料和化学肥料综合应用的研究却很少。为了填补这一知识空白，来自伊朗拉夫桑詹瓦利 - 阿斯尔大学遗传与植物生产系的研究人员 Nasser Nourzadeh、Asghar Rahimi、Amir Dadrasi 等人，在《Heliyon》期刊上发表了题为 “Comparative evaluation of bio - fertilizer replacement with chemical fertilizer in sesame (Sesamum indicum L) production under drought stress and normal irrigation condition” 的论文 。他们通过一系列研究，试图揭开生物肥料和化学肥料在干旱和正常灌溉条件下，对芝麻产量和水分利用效率影响的神秘面纱。

这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：

• 实验设计：在伊朗霍尔木兹甘省的两个农场（Dashthouz 和 Sarkahnan）开展实验，采用随机完全区组设计（RCBD）的析因实验，设置了 8 种肥料处理和 2 种干旱胁迫水平，每个处理重复 3 次。
• 土壤分析：实验前采集 0 - 30cm 深度的土壤样本，分析其物理和化学特性，以此为依据确定不同地区的施肥量。
• 指标测定：在芝麻生长过程中及成熟后，测定多项指标。生长期间用叶绿素仪和叶面积测量仪测定叶片相关指标；成熟后测量植株地上部分干重、分枝数、蒴果数等产量相关指标，还计算了收获指数；通过索氏提取法测定芝麻含油率，进而得出油产量和粕产量；根据土壤相对湿度和灌溉用水量计算水分利用效率（WUE）。
• 数据分析：运用 SAS 9.4 软件进行数据分析，用 R 软件和 Excel 软件绘制结果图，通过 Bartlett 检验确保数据集方差齐性后，进行双因素方差分析评估各因素影响，使用 Duncan 多重范围检验评估处理间差异，并通过元分析计算各响应变量的效应大小和变化百分比。

下面，让我们一起看看研究人员都有哪些重要发现：

3. 结果

• 3.1. 进化效应大小和估计性状变化百分比
  • 3.1.1. LAI：研究发现，不同施肥处理和灌溉条件对芝麻叶面积指数（LAI）影响差异很大。在 Sarkahnan 正常灌溉时，B 处理的 LAI 变化百分比最低（ - 44%），B + NPK 处理最高（12%）；干旱胁迫时，对照处理最低（ - 81%），B + MY 处理最高（ - 53%）。在 Dashthouz，正常灌溉下 B 处理 LAI 变化百分比最低（ - 70%），B + NPK 处理最高（35%）；干旱胁迫下对照处理最低（ - 92%），B + MY + NPK 处理最高（18%）。这表明不同的肥料 “配方” 和灌溉情况，对芝麻叶片的生长影响各不相同1。
  • 3.1.2. 分枝数：不同地点、施肥处理和灌溉条件下，芝麻分枝数的变化也不一样。在 Sarkahnan 正常灌溉时，B + NPK 处理使分枝数减少 27%，B + MY 处理减少更多，达 75%；干旱胁迫时，B + NPK 处理分枝数无显著变化，B + MY 处理却大幅减少 65%。在 Dashthouz，正常灌溉下 B + NPK 处理分枝数增加 9%，B + MY 处理减少 38%；干旱胁迫下 B + NPK 处理减少 13%，B + MY 处理减少 89%2。
  • 3.1.3. 蒴果数：Sarkahnan 正常灌溉时，B + NPK 处理使蒴果数减少 25%，B + MY 处理减少 71%；干旱胁迫时，B + NPK 处理蒴果数增加 7%，B + MY 处理减少 41%。Dashthouz 正常灌溉下，B + NPK 处理蒴果数略有增加（5%），B + MY 处理减少 39%；干旱胁迫下 B + NPK 处理减少 31%，B + MY 处理减少 60%3。
  • 3.1.4. 每蒴种子数：Sarkahnan 正常灌溉时，B + NPK 处理使每蒴种子数增加 14%，B + MY 处理增加 27%；干旱胁迫时，B + NPK 处理减少 - 4%，B + MY 处理大幅增加 41%。Dashthouz 正常灌溉下，B + NPK 处理每蒴种子数略有减少（ - 11%），B + MY 处理变化不大（ - 2%）；干旱胁迫下 B + NPK 处理增加 4%，B + MY 处理增加 7%4。
  • 3.1.5. 千粒重：不同处理对芝麻千粒重的影响相对较小。在 Sarkahnan 正常灌溉时，MY + NPK 处理千粒重变化百分比最低（ - 0.1%），对照处理最高（6%）；干旱胁迫时，B + NPK 处理最低（ - 1%），B 处理最高（1%）。在 Dashthouz，正常灌溉下 B + MY + NPK 处理最低（ - 3%），B + MY 处理最高（3%）；干旱胁迫下 B + MY + NPK 处理最低（ - 11%），B + MY 处理最高（ - 6%）5。
  • 3.1.6. 种子产量：Sarkahnan 正常灌溉时，B + NPK 处理种子产量下降最多（ - 45%），B 处理则有 15% 的小幅增加；干旱胁迫时，MY + NPK 处理下降最多（ - 86%），B 处理下降 73%，B + MY 处理下降相对较小（ - 59%）。Dashthouz 正常灌溉下，B + MY + NPK 处理种子产量增加最多（3%），B + MY 处理下降最多（ - 47%）；干旱胁迫时，MY 处理下降最多（ - 84%），B + MY + NPK 处理下降 71%，B + NPK 处理下降相对较小（ - 9%）6。
  • 3.1.7. 生物产量：Sarkahnan 正常灌溉时，B + MY 处理生物产量下降最多（ - 60%），B 处理下降 58%，B + NPK 处理下降相对较小（ - 14%）；干旱胁迫时，B + MY 处理下降最多（ - 61%），B 处理下降 57%，B + MY + NPK 处理有 11% 的增加。Dashthouz 正常灌溉下，B + NPK 处理生物产量增加最多（29%），B + MY 处理略有下降（ - 1%）；干旱胁迫时，B 处理下降最多（ - 83%），B + MY 处理下降 77%，B + MY + NPK 处理下降 17%7。
  • 3.1.8. 收获指数：Sarkahnan 正常灌溉时，B + MY 处理收获指数增加最多（20%），B + NPK 处理增加 14%，B + MY + NPK 处理下降最多（ - 31%）；干旱胁迫时，B + MY + NPK 处理增加最多（32%），B + MY 处理增加 18%，MY + NPK 处理下降最多（ - 36%）。Dashthouz 正常灌溉下，B + MY + NPK 处理收获指数增加最多（17%），B + MY 处理下降最多（ - 26%）；干旱胁迫时，B + MY + NPK 处理下降最多（ - 46%），MY 处理增加最多（11%）8。
  • 3.1.9. 油产量：Sarkahnan 正常灌溉时，B 肥料处理使油产量增加最多（17%），MY 处理增加 11%，B + MY + NPK 处理下降最多（ - 29%）；干旱胁迫时，B 处理增加最多（17%），MY 处理增加 11%，MY + NPK 处理下降最多（ - 88%）。Dashthouz 正常灌溉下，B + NPK 处理油产量增加最多（4%），B + MY 处理下降最多（ - 33%）；干旱胁迫时，B + NPK 处理增加最多（ - 26%），MY 处理下降最多（ - 83%）9。
  • 3.1.10. 粕产量：Sarkahnan 正常灌溉时，B + NPK 处理粕产量变化百分比最低（ - 7%），B + MY 处理最高（42%）；干旱胁迫时，B + NPK 处理最低（ - 26%），MY + NPK 处理最高（10%）。Dashthouz 正常灌溉下，B + MY 处理最低（ - 5%），B 处理最高（31%）；干旱胁迫时，MY + NPK 处理最低（ - 18%），B + MY 处理最高（22%）10。
  • 3.1.11. 水分利用效率：Sarkahnan 正常灌溉时，B + MY 处理水分利用效率变化百分比最低（ - 60%），B + MY + NPK 处理最高（3%）；干旱胁迫时，B + MY 处理最低（ - 61%），B + MY + NPK 处理最高（11%）。Dashthouz 正常灌溉下，B + MY 处理最低（ - 1%），B + NPK 处理最高（29%）11。
  • 3.1.12. 相关性：研究人员还发现，芝麻种植中的多个参数之间存在着有趣的相关性。叶面积指数（LAI）与绿色产量（GY）、生物产量（BY）呈显著正相关，这意味着叶片长得好，产量往往也会更高。绿色产量与生物产量、油产量也密切相关。然而，每蒴种子数与水分利用效率、绿色产量呈显著负相关，说明在某些情况下，种子数量多并不一定意味着水分利用效率高和产量高。千粒重与绿色产量、生物量产量在 5% 水平上呈显著正相关，收获指数与油产量呈正相关，油产量与粕产量、水分利用效率也紧密相关12。
  
  
• 3.2. 综合分析：总体来看，施肥处理对所有测量的产量指标都有显著影响。正常灌溉时，细菌、菌根真菌和 NPK 同时施用（B + MY + NPK）在两个地点都能获得最高的种子产量、生物产量和水分利用效率。与单独使用 NPK 相比，生物产量增加 29%，水分利用效率提高 17%。干旱胁迫下，含有生物肥料的处理（如 B + MY 和 B + MY + NPK）表现出较强的抗逆性，与单独使用化肥相比，产量损失最多可减少 15%。例如，在 Sarkahnan，B + MY 处理的种子产量比 NPK 处理提高 12%，油产量提高 9%。此外，不同地点对肥料处理的效果也有影响。Dashthouz 土壤有机质含量低、含沙量高，限制了单独使用 MY 处理的效果；而 Sarkahnan 土壤肥力较高，生物肥料的效果更明显13。

4. 讨论

这项研究充分表明，干旱胁迫和施肥处理在芝麻种植中起着关键作用，综合营养管理对于提高干旱条件下芝麻的生长、产量和效率至关重要。干旱胁迫会抑制植物生长，减少叶面积指数、分枝数和生物产量，但生物肥料（如 PGPR 和 AMF）可以减轻这些负面影响。将 NPK 肥料与 PGPR 和 AMF 结合使用，不仅能增强养分吸收，还能提高水分利用效率，有助于芝麻在正常灌溉条件下生长得更好。

生物肥料（如 PGPR）能改善土壤肥力，促进有益微生物生长，减少对合成投入的依赖，是一种可持续的农业选择。研究还发现，土壤特性对不同施肥处理的效果影响很大。在 Sarkohanan，由于土壤中固定磷含量高，添加 AMF 效果不佳；而 Dashthoz 养分贫瘠的土壤对生物和化学肥料的组合处理反应更好。这说明根据土壤特性制定定制化的营养管理策略非常重要。

此外，研究还揭示了干旱胁迫下芝麻生殖生长和营养生长之间的权衡关系。水分利用效率与每蒴种子数之间的负相关表明，在缺水时，芝麻会优先保障自身生存，而不是繁殖。虽然单独使用化肥能获得较高的种子产量，但生物肥料与少量化学肥料结合使用也能取得类似的效果，这表明生物肥料有潜力减少对化肥的依赖，同时提高或保持产量。综合营养管理（B + MY + NPK）还能提高油产量，这可能得益于更好的养分供应和保水性14。

5. 结论

总的来说，这项研究深入探讨了不同肥料和灌溉条件对芝麻种植多个性状的影响。在正常灌溉条件下，B + MY 处理能显著提高叶面积指数和每蒴种子数，B 处理能提高生物产量和收获指数，B + MY 组合能显著提高油产量，B + MY + NPK 组合则具有最高的水分利用效率。但在干旱胁迫下，不同处理的表现有所不同，这就需要我们根据实际情况制定个性化的管理措施，来减轻干旱对芝麻生产的影响15。

研究还强调了生物刺激剂（如 Pseudomonas putida 和 AMF）在干旱条件下提高养分吸收和水分利用效率的重要作用。将生物刺激剂与化学肥料结合使用（B + MY + NPK），能有效减轻干旱对作物生产力的负面影响。这为可持续农业实践提供了新的思路，即通过整合生物刺激剂，减少对化学投入的依赖，增强作物对干旱胁迫的抵抗力。不过，未来还需要进一步研究，优化生物刺激剂的施用率和组合方式，以在不同环境条件下充分发挥它们的潜力16。

这项研究成果为芝麻种植者和农业研究者提供了宝贵的信息，有助于他们选择合适的肥料和灌溉策略，实现芝麻的高产优质生产。同时，也为可持续农业的发展提供了有力的理论支持，有望推动农业在应对水资源短缺和土壤退化等挑战方面取得新的进展。