《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Nutrient Deficiency as a Co-factor of Red Clover and Lucerne Decline
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目的：饲用豆科植物如红三叶草（Trifolium pratense L.）和紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是可持续农业系统中作物轮作的重要组成部分。然而，红三叶草或紫花苜蓿衰退现象（即生长和活力下降）威胁着产量安全及附加效益。衰退的原因常被归
目的：饲用豆科植物如红三叶草（Trifolium pratense L.）和紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是可持续农业系统中作物轮作的重要组成部分。然而，红三叶草或紫花苜蓿衰退现象（即生长和活力下降）威胁着产量安全及附加效益。衰退的原因常被归因于病原体，但衰退症状呈局限斑块状出现而邻近区域保持健康的现象暗示存在其他影响因素。本研究旨在探究养分缺乏是否为豆科植物衰退的影响因素之一。
方法：在为期三年的时间内，研究人员开展了一项全国性调查，对报告的红三叶草或紫花苜蓿衰退案例进行调查，采用配对样本Wilcoxon检验比较衰退斑块与邻近健康区域的土壤养分概况。采用分类树和相关性分析解析变量间的依赖关系。
结果：与健康区域相比，衰退斑块的硼（在缺乏位点）、硫和铁（在红三叶草位点）含量显著较低，表明养分缺乏可能是衰退症状的潜在原因。此外，土壤铜、钾、磷和锌含量以及土壤质地和土壤有机质含量被怀疑影响红三叶草或紫花苜蓿衰退的发生。
结论：作为豆科植物衰退潜在致因的养分缺乏可发生于所有养分元素，但由于检测频率较低，微量元素缺乏更易被忽视。
论文解读
一、研究背景与目的
红三叶草（Trifolium pratense L.）和紫花苜蓿（Medicago sativa L.）分别是湿润和半干旱温带气候区最重要的饲用豆科植物，全球约有3500万公顷土地用于这两种饲用豆科植物的栽培。除提供富含蛋白质的饲草外，这些豆科植物还在建立环境友好型作物生产系统方面做出重要贡献，其农业生态效益涵盖替代矿物氮肥、改善土壤肥力以及减少温室气体排放等多个方面。
然而，自数百年前这两种物种成功引入作物轮作以来，种植者一直面临豆科植物衰退及相应产量损失的问题。早在1842年，Haywood及后来的Mann就将红三叶草衰退称为“三叶草病害”，并将其原因归因于土壤，因为该现象尤其发生在同一田块频繁种植三叶草时。一个多世纪以来，对三叶草衰退原因的探索始终围绕土壤展开，主要聚焦于植物检疫方面，特别是土传病原体。然而，衰退症状呈局限斑块状出现而邻近区域保持健康的现象暗示存在其他影响因素。
尽管养分缺乏作为三叶草疲劳的原因也曾被偶尔考虑，但在现代饲用豆科作物种植中，许多地区主要大量元素缺乏已较为罕见。因此，植物营养学家的科学焦点更多集中在硫和微量元素供应方面。然而，在这些大多为经典设计的受控条件下剂量-响应试验中，很少直接建立与三叶草疲劳现象的联系。显然，缺乏依赖有记录的豆科植物衰退且没有人为创造土壤条件的农场实地研究，以获得关于养分供应作用的新见解。传统施肥试验在解释豆科植物衰退方面的另一个不足是未能考虑土壤生物群、病原体及其他胁迫因素之间的许多可能相互作用。
本研究旨在通过为期三年的全国性实地调查克服这些障碍，对红三叶草和紫花苜蓿群体产量和活力损失的报告案例立即采用多因素、整体性方法进行分析。对活力植株区域与衰弱植株区域的比较包括全面的土壤分析。研究目标是确定土壤中植物可利用的大量元素和微量元素对田间条件下局部红三叶草和紫花苜蓿产量衰退发生的贡献。研究人员假设养分缺乏在具有衰退症状的区域更为常见，并且与土壤有机质、土壤质地、pH值或碳酸盐含量等其他土壤特性存在相互作用，同时红三叶草和紫花苜蓿之间存在差异。
二、研究设计与方法
在“TriSick”项目框架内开展了实地研究，以调查引起红三叶草或紫花苜蓿衰退的因素复合体。通过不同地方网络的咨询，研究人员确定了表现出红三叶草或紫花苜蓿衰退症状（如植株稀疏、生长减少或原因不明的植物损害）的实践田块。对相应的衰退斑块以及附近无明显生长问题或植株更健壮的健康斑块进行采样。这种方法创建了“衰退”与“健康”对比的样本对，使得在气候条件和管理措施等其它变量基本相同的条件下，能够研究两样本之间某些变量的差异。样本对于2021至2024年间在德国全国范围内采集，主要在春季和秋季。通过排除可解释问题的可能性（播种错误、鼠害、明显的土壤压实等），最终纳入65对样本。
土壤样品从0至10厘米深度采集，基于每斑块16至20个土芯的混合样品。样品风干、粗磨并用2毫米筛过筛。子样品送至认证实验室采用德国农业检验与研究机构协会标准方法进行分析。植物有效磷、钾和镁采用双乳酸法分析；硫、硼、铜、铁、锰和锌采用氯化钙/DTPA提取法分析；土壤pH值在氯化钙溶液中测定；土壤质地采用指测法确定；土壤有机质和土壤碳含量通过550°C和950°C烧失量测定。土壤按Kape等人提出的养分含量等级分类。统计分析在R环境中进行，数值变量组合间的相关系数采用Spearman方法确定；健康斑块与衰退斑块土壤养分含量的比较采用配对样本Wilcoxon检验；变量间关系的研究采用分类树分析，将养分含量、pH值、碳酸盐含量、土壤有机质、土壤质地等级和植物种类作为预测变量，因变量为状态（衰退/健康）。
三、研究结果
数据概览与相关性：在65对共130个样本中，土壤养分含量、pH值、碳酸盐和土壤有机质含量存在广泛范围。数值变量最多呈中等相关，最强的相关性见于硼含量与pH值（r=0.60）、硼含量与镁含量（r=0.63）、镁含量与pH值（r=0.70）、镁含量与土壤有机质（r=0.63）以及土壤有机质与pH值（r=0.60）。
土壤养分含量分级与豆科植物衰退发生率：钾、镁、锌和锰含量的大多数样本为充足甚至过量等级。然而，磷、硼和铜有相对较高比例的样本显示缺乏含量。对于硼，衰退斑块处于A级（极低）的比例略高于健康斑块（分别为57%和43%）。
健康与衰退斑块养分的配对比较：磷在所有配对比较中无显著差异，但在有磷缺乏迹象的配对中，衰退斑块总体呈较高磷含量的趋势。硼在缺乏迹象配对中显示显著差异，衰退斑块值明显较低，且紫花苜蓿单独比较时差异显著（p=0.019），红三叶草则不显著。铜在缺乏迹象配对中衰退斑块呈较低含量趋势。硫在所有配对中健康与衰退斑块间存在显著差异，衰退斑块常显示较低值。铁在红三叶草配对中健康与衰退斑块间存在显著差异，衰退斑块铁含量较低。钾、镁、锰和锌在所有配对或任何亚组中均无显著差异或趋势。
分类树分析结果：首次分裂取决于硼含量，硼含量极高的斑块倾向于显示衰退症状，但下一次分裂（同样基于硼含量）显示硼含量低时衰退斑块比例更高。硼含量低时，钾含量高或壤质土壤中锌含量低时衰退更可能发生。对于硼含量在0.39至0.81 mg kg?1之间的斑块，当土壤有机质含量在45至79 g kg?1之间且磷含量≥68 mg kg?1时，衰退最常发生。
四、讨论与结论
讨论：作为在畜牧农场种植的饲用豆科作物，由于产生大量有机肥，显著的养分缺乏通常不预期发生。德国农业实践中的检测重点在于大量元素和pH值，常使农民了解大量元素缺乏但不了解微量元素缺乏。此外，饲用豆科植物在有机农业轮作中发挥重要作用，其肥料使用比常规农业受到更多限制，阻碍了针对单一养分的施肥。这种动态不可避免地导致某些养分过量供应（如本研究中钾、镁、锌和锰），而其他养分如磷、硼和铜则常常稀缺。同一田块邻近斑块的比较通常会显示一定相似性，但小尺度差异已可决定实际缺乏效应。
不同位点不太可能缺乏相同养分，因此所有位点间健康与衰退斑块的显著差异不预期出现。缺乏疑似位点中矮化斑块土壤硼和铜水平较低的趋势表明，严重硼或铜缺乏可能是衰退的原因。尤其硼作为根瘤形成和成熟的重要养分，缺乏的主要效应显而易见。此外，硼已被证明有助于保护甘蓝型油菜免受核盘菌真菌病原体感染，相关物种三叶草核盘菌在本研究中有两例与硼缺乏相关。红三叶草衰退斑块铁含量显著较低值得注意，尽管红三叶草对铁缺乏似乎有一定抗性水平。硫含量的显著差异与已证实的苜蓿-三叶草群体中硫肥经常增产的效果一致。
不仅单一养分含量影响土壤和植物的营养状况，养分含量之间的比例也产生影响。分类树分析提示硼与钾之间存在相互作用，低硼水平在钾水平高时尤其成问题，表明可能存在拮抗效应。低锌含量在壤质土壤中导致衰退症状概率较高，可解释为锌与粘土颗粒结合使其有效性降低。中等偏高土壤有机质含量（与高磷含量结合）下衰退概率增加也可能归因于养分结合增强。
红三叶草可适应较广泛的pH值范围，而紫花苜蓿偏好相对较高的pH值。同时，某些养分有效性取决于土壤pH值。硼在高pH值下有效性较低，使紫花苜蓿群体中缺乏更可能发生，这与硼仅在紫花苜蓿中显著的结果相符。相反，铁含量仅在红三叶草衰退斑块中显著较低，尽管铁在低pH值下更有效。低pH值还可促进真菌生长，确实发现一些位点矮化斑块pH值低于健康斑块且真菌病害侵染显著较高。
结论：作为生长衰退致因的养分缺乏可发生于所有被调查养分元素，但由于检测频率较低，微量元素缺乏更易被忽视。尤其是微量元素硼和铜，研究结果表明严重缺乏与衰退症状发生之间存在联系。铁（对红三叶草）和硫含量在衰退斑块上也显著较低。分类树分析揭示硼、磷和锌含量以及土壤质地和土壤有机质含量最可能影响衰退症状的发生。然而，不仅缺乏而且过量供应也被证明具有负面影响。因此，规划施肥时应考虑化学计量比。除铁和硼外，未发现物种（紫花苜蓿或红三叶草）特异性差异。本研究仅提供养分和其他因素对红三叶草和紫花苜蓿衰退潜在贡献的指示，需要额外实验来证明因果关系。
