干旱胁迫和沸石施用量对伊朗干旱地区芝麻品种产量、油含量及抗氧化酶的影响

《Agrosystems, Geosciences & Environment》：Effects of drought stress and zeolite application rates on yield, oil content, and antioxidant enzymes of sesame cultivars in arid regions of Iran

芝麻在伊朗干旱地区的产量与品质研究：采用分裂式因子设计，分析灌溉水平（区域灌溉、50%开花期停灌、50%结蒴期停灌）与沸石应用量（0、3、6、9吨/公顷）对Halil、Dashtestan、Darab三个品种的植物高度、蒴果数、种子数、千粒重、种子产量、生物产量及抗氧化酶活性的影响。结果显示，非胁迫条件下9吨/公顷沸石结合Darab品种在Zabol地区千粒重达3.63g，油含量达53.62%；而Halil品种在Iranshahr的非胁迫处理下种子产量达1.53吨/公顷。干旱胁迫导致产量下降但抗氧化酶活性升高，其中严重胁迫（50%开花期停灌）下Halil品种的过氧化氢酶活性最高（0.0801mg/g f.w.）。研究证实，沸石应用与抗旱品种结合可显著提升干旱地区芝麻产量和品质，其机制涉及土壤水分保持、养分有效性及抗氧化系统调节。

　　### 中文解读：干旱胁迫对芝麻产量和品质的影响及改性土壤材料的应用潜力

芝麻（*Sesamum indicum* L.）作为一种古老的油料作物，因其丰富的营养价值和优质的油品而受到广泛关注。然而，干旱作为一种常见的非生物胁迫，对芝麻的产量和品质产生了显著影响。本研究旨在探讨不同干旱胁迫条件、改性土壤材料（沸石）的施用量以及芝麻品种对作物生长和产量的综合影响，为干旱地区芝麻的种植提供科学依据和优化策略。

#### 一、干旱对芝麻生长和产量的负面影响

芝麻是一种浅根系作物，主要生长在热带和亚热带地区，其生长周期中常常受到间歇性干旱的影响。虽然芝麻相比其他油料作物具有一定抗旱能力，但长期或逐渐加剧的水分不足会对植物的生长、发育、产量相关性状（如每株蒴果数、每蒴种子数、千粒重等）以及品质（如含油量）造成显著影响。干旱条件下，植物的气孔关闭、光合作用受阻，导致碳水化合物的供应减少，进而影响花器官的发育和种子的形成。此外，水分胁迫还会导致植物叶片面积减少、提前衰老，影响光合产物的转运，缩短生殖生长周期，从而对产量产生双重限制作用。

研究结果表明，在干旱胁迫下，芝麻的株高、每株蒴果数、每蒴种子数、千粒重、籽粒产量和生物产量均出现不同程度的下降。例如，在Zabol和Iranshahr两个实验地点中，干旱胁迫（尤其是灌溉停止在开花期50%时）显著降低了芝麻的生长表现。这种现象与干旱条件下植物的生理和代谢变化密切相关，如光合速率下降、呼吸作用受限、营养元素的吸收和运输受阻等。

#### 二、改性土壤材料——沸石的应用效果

沸石是一种天然的铝硅酸盐矿物，具有良好的阳离子交换能力（CEC）和水分保持能力。在本研究中，通过将沸石以不同用量（0、3、6、9吨/公顷）混入土壤中，观察其对芝麻生长和产量的改善效果。研究发现，沸石的施用显著提高了芝麻的株高、每株蒴果数、每蒴种子数、千粒重、籽粒产量和生物产量。特别是在9吨/公顷的施用量下，植物在非胁迫条件下表现出最佳的生长表现，说明沸石对土壤水分的保持和营养元素的释放具有重要作用。

沸石的水分保持能力不仅有助于缓解干旱胁迫，还通过提高土壤的通气性和结构稳定性，促进植物根系的发育。根系的增强意味着植物能够更有效地吸收水分和养分，从而提高整体的生长表现和产量。此外，沸石的阳离子交换能力有助于调节土壤中的营养元素，如氮、磷、钾等，使其更易于被植物吸收利用。这些特性使得沸石成为干旱地区农业种植中的一种有效改良材料。

#### 三、芝麻品种对干旱胁迫的响应差异

在本研究中，选择了三种芝麻品种：Halil、Dashtestan和Darab。这些品种在干旱条件下的表现存在显著差异。Halil品种在胁迫条件下表现出较强的抗逆能力，其抗氧化酶活性（如过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶等）在严重干旱条件下显著提高，表明该品种在应对水分胁迫时具有更强的生理调节能力。而Dashtestan和Darab品种在非胁迫条件下表现出更高的产量和品质指标，如较高的生物产量和含油量。

Halil品种不仅具有较强的抗旱性，还表现出对改性土壤材料的良好适应性。在非胁迫条件下，其株高和每株蒴果数均显著提高，尤其是在施用9吨/公顷沸石的情况下，其表现优于其他品种。这表明Halil品种在干旱和非干旱条件下均具有较强的适应性，适合在干旱地区推广种植。而Darab品种在Zabol地区的非胁迫条件下表现出较高的生物产量，可能与其较强的根系发育和营养吸收能力有关。

#### 四、抗氧化酶活性的变化及其意义

干旱胁迫不仅影响植物的生长和产量，还对植物的抗氧化系统产生重要影响。植物在干旱条件下会诱导多种抗氧化酶的活性，如过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、愈创木酚过氧化物酶（GPX）和多酚氧化酶（PPO）。这些酶在清除自由基、维持细胞氧化还原平衡方面发挥关键作用。

研究发现，在严重干旱条件下（灌溉停止在开花期50%），Halil品种的CAT、APX和GPX活性显著升高，表明该品种在干旱胁迫下具有更强的抗氧化能力。然而，在非胁迫条件下，施用9吨/公顷沸石的Halil品种表现出更高的抗氧化酶活性，这可能与其在土壤中获得的水分和养分有关。沸石的施用不仅改善了土壤环境，还通过减少水分胁迫，降低了植物体内自由基的积累，从而减少了细胞损伤，提高了抗氧化酶的活性。

此外，PPO酶在干旱条件下也表现出较高的活性，这可能与植物对环境胁迫的短期适应机制有关。PPO在细胞壁、细胞质和液泡中存在，能够氧化多种酚类化合物为醌类物质，从而在植物应对干旱胁迫时发挥一定的保护作用。然而，沸石的施用在一定程度上降低了PPO的活性，这可能是由于其提高了土壤水分含量，减轻了植物的水分胁迫，从而减少了PPO的诱导。

#### 五、改性土壤材料对芝麻产量和品质的提升作用

沸石的施用显著提高了芝麻的产量和品质。在非胁迫条件下，施用9吨/公顷沸石的芝麻品种表现出最高的籽粒产量和含油量。例如，在Iranshahr实验地点，Halil品种在施用9吨/公顷沸石的情况下，籽粒产量达到1.53吨/公顷，含油量高达50.13%。而在Zabol实验地点，Darab品种在施用9吨/公顷沸石的情况下，生物产量达到3.92吨/公顷，表现出较强的生长潜力。

这些结果表明，沸石的施用可以有效缓解干旱胁迫，提高芝麻的产量和品质。其作用机制可能包括以下几个方面：

1. **提高土壤水分保持能力**：沸石的多孔结构和阳离子交换能力使其能够吸收并保持土壤中的水分，为植物提供更稳定的水分供应。
2. **改善土壤营养状况**：沸石能够吸附并释放土壤中的营养元素，如氮、磷、钾等，提高其可利用性，从而促进植物的生长。
3. **增强植物的抗氧化能力**：沸石的施用减少了干旱胁迫下植物体内自由基的积累，提高了抗氧化酶的活性，有助于保护细胞免受氧化损伤。
4. **促进根系发育**：沸石能够改善土壤结构，提高土壤的通气性和渗透性，促进根系的扩展和发育，从而提高水分和养分的吸收效率。

#### 六、不同环境条件下的综合影响

本研究在两个干旱地区——Zabol和Iranshahr进行，分别分析了不同水分条件和沸石施用量对芝麻生长和产量的影响。Zabol地区具有较高的气温和较低的年降雨量，而Iranshahr地区则相对温和，年降雨量较高。这种环境差异对芝麻的生长表现和产量产生了一定的影响。

在Zabol地区，Halil品种在非胁迫条件下表现出最高的株高和每株蒴果数，而Darab品种在非胁迫条件下表现出最高的生物产量。这可能与不同品种的生理特性有关，如根系结构、水分利用效率等。而在Iranshahr地区，Halil品种在非胁迫条件下表现出最高的籽粒产量和含油量，这可能与其较强的抗旱性和对水分胁迫的适应能力有关。

#### 七、研究的意义与展望

本研究揭示了干旱胁迫对芝麻产量和品质的显著负面影响，并表明通过合理使用改性土壤材料（如沸石）可以有效缓解这些负面影响。特别是在9吨/公顷的施用量下，沸石显著提高了芝麻的产量和品质，显示出其在干旱地区农业中的应用潜力。

此外，不同芝麻品种对干旱胁迫的响应也存在差异，这表明在干旱地区选择适宜的品种对于提高芝麻的产量和品质至关重要。Halil品种在胁迫条件下表现出较强的抗逆能力，适合在干旱地区种植；而Darab品种则在非胁迫条件下表现出较高的产量，可能更适合在较湿润的地区种植。

研究还发现，沸石的施用不仅提高了芝麻的产量，还增强了其抗氧化酶的活性，有助于保护植物免受氧化损伤。这种作用可能与沸石对土壤水分和养分的调控能力有关。因此，沸石作为一种土壤改良材料，不仅能够提高作物的产量，还能增强其抗逆能力，具有重要的农业应用价值。

未来的研究可以进一步探讨沸石与其他土壤改良材料的协同作用，以及不同施用量对芝麻生长和产量的长期影响。此外，还可以研究不同芝麻品种在干旱条件下的基因表达和代谢途径变化，以揭示其抗逆机制。这些研究将有助于进一步优化芝麻的种植策略，提高其在干旱地区的适应性和产量。

总之，本研究为干旱地区芝麻的种植提供了科学依据，表明通过合理使用沸石和选择适宜的品种，可以有效提高芝麻的产量和品质，缓解干旱对作物生产的影响。这对于伊朗等干旱地区农业发展具有重要意义，也为全球范围内芝麻的种植提供了新的思路和方法。