肯塔基早熟禾Mehlich-3土壤硫测试的临界值建立与校准：应对大气硫沉降减少的草坪营养管理策略

本文推荐了一项针对肯塔基早熟禾（Poa pratensis L.）的硫营养研究。通过为期两年的田间试验，研究首次建立了Mehlich-3土壤硫（S）测试与草坪质量、产量间的定量关系，明确了土壤硫临界浓度（3.1–5.7 mg kg?1）和最大产量所需硫水平（6.1–8.1 mg kg?1）。研究证实施用8.2 kg ha?1硫酸盐-S可有效缓解缺硫症状，为草坪科学中的硫营养诊断与精准施肥提供了关键理论依据和实践指南。

　　

Abbreviation

本研究涉及的核心缩写为NDVI（normalized difference vegetation index，归一化植被指数），这是一种通过测量植物冠层反射的红光和近红外光来客观评估植被生长状况的指标。

1 INTRODUCTION

硫（S）是植物必需的宏量元素，在氨基酸和蛋白质合成等多种代谢过程中起着至关重要的作用。历史上，大气沉降是土壤硫的重要来源，但随着1990年美国《清洁空气法案》的实施，大气硫沉降显著减少，导致作物缺硫风险增加。肯塔基早熟禾是美国高尔夫球场上第二常见的草种，其硫营养状况对维持高质量草坪至关重要。

土壤测试是评估磷（P）、钾（K）等养分需求的主要手段，但用于硫的测试并不常见，部分原因是缺乏可靠的提取剂相关性研究和校准证据。单钙磷酸盐（monocalcium phosphate）被认为是可靠的硫提取剂，但Mehlich-3提取剂是美国高尔夫球场最常用的基于证据的提取方法。然而，使用Mehlich-3提取剂测定草坪草硫的临界水平仍属未知。

硫缺乏会降低氮（N）代谢和植物生长。研究表明，硫的施用效果与氮的供应水平有关，施用硫可以提高草地系统中的氮利用效率。硫与氮的这种关系部分源于硫在氨基酸和蛋白质合成中的作用。在硫缺乏初期，植物可能会以牺牲富含硫的蛋白质为代价合成低硫储存蛋白，从而影响氮的分配。如果硫缺乏持续，氨基酸和蛋白质合成最终可能停止，导致植物生长减少。

评估硫缺乏可能包括植物组织分析，这与草坪草生长相关，但因植物而异。例如，多年生黑麦草（Lolium perenne L.）干物质产量减少10%的临界硫浓度为1.8 g kg^?1，而小麦则需要更高的硫浓度。因此，临界硫浓度因物种而异，但对于评估缺硫风险是有用的。

多种提取剂已被用于评估土壤的硫状况，包括Mehlich-3。然而，尚未有报道将Mehlich-3硫与肯塔基早熟禾的反应进行关联和校准。本研究旨在将Mehlich-3硫与肯塔基早熟禾的质量和产量进行关联和校准。

2 MATERIALS AND METHODS

2.1 Observation and experimental site

四项试验于2021年9月至2023年5月在肯塔基州费耶特县的一个商业生产草皮农场进行。该地点在种植草皮之前曾连续种植烟草超过20年。土壤为Maury粉壤土（一种细粒、混合、活跃的中生Typic Paleudalf），pH值为6.3，阳离子交换量为14.5 cmol_c kg^?1，有机质浓度为29 g kg^?1，Mehlich-3可提取磷和钾分别约为300和200 mg kg^?1。肯塔基早熟禾于2020年秋季种植。在研究前的两年内，未施用含硫产品，未施用农药，也未进行灌溉。

2.2 Experimental design and treatments

试验于2021年9月2日、2022年4月4日、2022年10月10日和2023年4月3日启动。处理包括五种硫酸盐-S施用量（0, 4.1, 8.2, 12.3, 和16.4 kg ha^?1），通过手工撒播颗粒状硫酸钾实现。所有小区均施用49 kg ha^?1的氮（以尿素形式）。处理应用于小区（2 m × 3 m），采用随机完全区组设计，四次重复。

2.3 Data collection

在每个试验开始前，从研究区域（120 m²）的0-15 cm土层随机采集12个土壤样品。土壤样品由肯塔基大学监管服务部门进行分析，使用Mehlich-3提取剂，并通过电感耦合等离子体光学发射光谱仪（ICP-OES）分析磷、钾、钙（Ca）、镁（Mg）、锌（Zn）和硫。有机质通过燃烧法分析。

草坪质量（1-9分制，1=枯死/褐色，9=最佳健康或绿色，≥6.0为可接受）和NDVI每3-5天测量一次。通过步行式割草机收集草坪剪草样品以测定生长速率、硫吸收和氮吸收。组织样品在80°C下烘干48小时，然后通过干燃烧法分析总硫含量，并通过干燃烧法测定组织氮含量。

2.4 Data analysis

试验独立进行分析。使用SAS的Proc GLIMMIX进行重复测量分析，评估日期作为连续时间效应。通过一阶、二阶和三阶多项式模型以及指数平台模型进行回归分析。最佳拟合模型通过额外平方和F检验和Akaike信息准则确定。临界硫值基于回归平台和最低可接受的草坪质量（6.0）确定。

3 RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Meteorological and soil information

每个试验期间的空气温度接近30年平均水平，但降水量与30年平均水平存在偏差。Mehlich-3提取的磷、钾和镁浓度对肯塔基州的草坪草来说是充足的。有机质范围在28.5至29.3 g kg^?1之间，土壤pH在6.2至6.6之间。2021年秋季和2022年春季研究前的Mehlich-3硫浓度分别为5.1和2.8 mg kg^?1，而2022年秋季和2023年春季研究开始时的浓度分别为8.4和6.2 mg kg^?1。

3.2 Turfgrass quality

硫肥在四项试验中的三项提高了草坪质量。最大的影响发生在2021年秋季和2022年春季试验中，施用硫使质量比未处理草坪提高了近两个单位。在2022年秋季，未处理草坪与接受16.4 kg ha^?1硫的草坪之间的质量没有差异。在2023年春季，接受≥8.2 kg ha^?1硫的草坪比未处理草坪质量提高。最大的响应发生在2022年春季，该试验开始前土壤硫水平最低（2.8 mg kg^?1），而在2022年秋季未测量到草坪质量增加，该试验开始前观察到的土壤硫最高（8.4 mg kg^?1）。

Mehlich-3硫与草坪质量之间的相关性在2021年10月1日和2022年5月16日通过指数平台模型很好地描述了，但在2022年秋季或2023年春季试验中未测量到相关性。在2021年10月1日，指数平台模型预测草坪质量平台为6.6，对应的Mehlich-3硫水平为8.7 mg kg^?1。2021年10月1日可接受草坪所需的Mehlich-3硫预测为5.7 mg kg^?1。2022年5月16日测量到较低的临界土壤硫浓度，平台和可接受草坪的Mehlich-3硫分别为5.1和3.1 mg kg^?1。

与Mehlich-3土壤硫类似，草坪质量也与草坪组织硫很好地相关，但在2022年11月19日或2023年5月10日未测量到相关性。当测量到对施用硫的响应时，使用草坪组织硫的变异系数大于使用Mehlich-3硫，表明组织硫可能是比Mehlich-3硫更可靠的评估硫缺乏的方法。

草坪组织氮与草坪质量在任何试验中均不相关，除了2023年春季。2023年5月10日，草坪质量变异的59%由草坪叶片组织氮解释。其余试验中组织氮与草坪质量缺乏相关性可能表明草坪供应了足够的氮，但可能由于硫缺乏而未被代谢。

3.3 Turfgrass yield

施用硫在2021年秋季和2022年春季增加了剪草产量，而在2022年秋季或2023年春季未测量到差异。在2021年秋季，施用12.3 kg ha^?1的硫使产量比未处理草坪增加了1.7倍。施用硫的影响在2022年春季更大，施用12.3 kg ha^?1的硫使产量比未处理草坪增加了4.2倍。在2022年秋季或2023年春季，当施肥前Mehlich-3硫水平≥6.2 mg kg^?1时，施用硫不影响草坪产量。

Mehlich-3硫与剪草产量在2021年10月1日和2022年5月16日的相关性通过指数平台模型描述（r2 = 0.53和0.62）。在2021年10月1日，产量平台为2.0 kg ha^?1 day^?1，临界Mehlich-3硫值为8.1 mg kg^?1。在2022年5月16日，产量平台为1.17 kg ha^?1 day^?1，临界Mehlich-3硫值为6.1 mg kg^?1。

在2021年10月1日和2022年5月16日，剪草产量与叶片硫很好地相关，但在2022年11月19日或2023年5月10日未发现相关性。剪草产量与叶片氮在2021年10月1日、2022年5月16日或2022年11月19日相关性不佳。然而，在2023年5月10日，剪草产量与叶片氮相关（r2 = 0.56）。

3.4 Normalized difference vegetation index

除2022年秋季外，施用硫在每个试验中都增加了NDVI。在2021年秋季，施用12.3 kg ha^?1的硫使NDVI比未处理草坪提高了9%。在2022年春季发现了类似的结果，施用12.3 kg ha^?1的硫使NDVI比未处理草坪提高了23%。2023年春季施用12.3 kg ha^?1的硫导致的NDVI增加与未处理草坪相比很小（3%），在生物学上无关紧要。NDVI的增加表明施用的硫可能导致含硫蛋白质或氨基酸的产量增加。

3.5 Tissue sulfur and nitrogen

除2022年秋季外，施用硫增加了组织硫浓度。在2021年秋季，最大组织硫浓度（4.14 g kg^?1）发生在施用16.4 kg ha^?1硫时，与未处理草坪相比增加了55%。在2022年春季，最大组织硫浓度（5.62 g kg^?1）再次发生在施用16.4 kg ha^?1硫时，与未处理草坪相比增加了1.8倍。在2022年春季研究开始时，未处理草坪的组织硫浓度为1.98 g kg^?1，草坪从未达到可接受的质量（6.0）。因此，1.98 g kg^?1的硫似乎低于临界组织硫浓度。这些结果与先前的研究一致，该研究得出结论，草坪组织硫浓度<3.0 g kg^?1可能不足。然而，这些结果与先前的报告相冲突，该报告指出海滨翦股颖（Agrostis stolonifera L. 'Seaside'）、Merion肯塔基早熟禾（Poa pratensis L. 'Merion'）和Pennlawn紫羊茅（Festuca rubra L. 'Pennlawn'）的充足组织硫浓度分别为1.9、1.5和1.2 g kg^?1。这种明显的冲突可能是由于两项研究使用了不同的草坪草、地点和一年中的时间。

除2022年春季外，施用硫通常不会导致组织氮增加。在2022年春季试验中，施用≥8.2 kg ha^?1的硫使组织氮增加了28%。然而，施用硫在任何其他试验中均未导致组织氮增加。两个秋季试验的组织氮浓度约为43 g kg^?1，而春季试验的组织氮浓度约为30 g kg^?1， regardless of the treatment。在2021年秋季和2023年春季，施用硫未增加组织氮，但草坪质量和NDVI确实增加了。因此，似乎氮供应在这些试验中可能没有受到限制，但氮代谢成蛋白质可能受到限制。

3.6 Sulfur calibration

在2021年秋季和2022年春季试验中，未处理草坪的质量保持在6.0以下，而在2022年秋季和2023年春季，未处理草坪达到了可接受的质量。未处理草坪的可接受性表明硫可能不是限制因素，并解释了试验之间的差异。在2021年秋季，施用≥8.2 kg ha^?1的硫在 initiation后12天使草坪质量得分>6.0，并且在研究的剩余时间内保持在6.0以上。类似地，在2022年春季，接受≥8.2 kg ha^?1硫处理的草坪质量>6.0，但直到 initiation后24天才实现。这些结果表明，肯塔基早熟禾的硫缺乏可以通过施用8.2 kg ha^?1的硫来缓解，并且可能不需要额外的硫。

硫校准在2022年秋季和2023年春季未能产生任何处理差异。未处理草坪在2022年秋季 initiation后约28天变得可接受，并在2023年春季试验结束时接近可接受限度。所有试验中的所有小区在研究开始时均接受了49 kg ha^?1的氮。在2022年秋季和2023年春季，未处理草坪的质量增加，表明草坪响应是施用氮的结果，而不是施用硫的结果。

4 CONCLUSIONS

在本研究条件下，肯塔基早熟禾可接受质量的Mehlich-3土壤硫浓度为5.7–3.1 mg kg^?1。当先前的Mehlich-3硫水平≥8.4 mg kg^?1时，对硫肥没有响应支持了这一点。最大草坪产量的临界Mehlich-3土壤硫浓度在6.1至8.1 mg kg^?1之间变化，具体取决于季节。组织硫导致草坪质量和剪草产量的变异系数大于Mehlich-3硫，表明草坪管理者在诊断潜在硫缺乏时可能对组织测试比土壤测试更有信心。当硫缺乏时，施用8.2 kg ha^?1或更高的硫可导致可接受的草坪质量；然而，当硫不缺乏时，施用硫对草坪质量的增加很小或没有增加。Mehlich-3土壤测试可用于识别粉壤土质地、土壤有机质为30 g kg^?1、pH在6至7之间的肯塔基早熟禾的缺硫土壤。Mehlich-3硫浓度≤5.7 mg kg^?1表示高缺硫风险，如果缺乏，施用8.2 kg ha^?1的硫可能缓解肯塔基早熟禾的硫缺乏。鼓励土壤测试实验室使用Mehlich-3提取剂测试硫；然而，在广泛采用之前可能需要特定地点的关联和校准。