降低木质素与常规紫花苜蓿对钾肥的农艺及经济响应

《Crop, Forage & Turfgrass Management》：Agronomic and economic responses of reduced?lignin and conventional alfalfa to potassium

　　

降低木质素（reduced-lignin）紫花苜蓿（Medicago sativa L.）品种具有改善的牧草消化率，但其养分需求可能与非木质素改良（常规）品种不同。本研究评估了钾（K）肥对降低木质素品种（'Hi-Gest 360'）和常规品种（'AFX 457'）在怀俄明州灌溉半干旱条件下的茎产量、牧草积累量、K吸收、牧草营养价值和盈利能力的影响。处理包括四个年K₂O施用量（0、50、100和150 lb ac^?1 yr^?1），施用于已建植的草地在2个生产年度内。显著的K × 品种 × 收获频率 × 年份互作影响牧草积累量和K吸收。在2020–2021年，AFX 457在150 lb K₂O ac^?1 yr^?1时达到最高产量（7335 lb干物质[DM] ac^?1 yr^?1）和K吸收（280 lb K ac^?1 yr^?1），而Hi-Gest 360在100 lb K₂O ac^?1 yr^?1时表现出最高响应，产量为7308 lb DM ac^?1 yr^?1，K吸收为281 lb K ac^?1 yr^?1。牧草营养价值不受K₂O施用量或品种的影响。在所有施用量（包括未施肥对照）下，组织K浓度均超过农艺充足范围（2%–2.5%），并超过3%的奶牛营养阈值。经济分析表明，中等K₂O施用量（50–100 lb ac^?1 yr^?1）为AFX 457提供了最高利润率（约$62–$63 ac^?1 yr^?1），而100 lb K₂O ac^?1 yr^?1对Hi-Gest 360为最优（约$70 ac^?1 yr^?1）。结果表明，品种特异性K管理可改善农艺表现和盈利能力，即使在交换性K中等至较高的土壤中也是如此，支持更高效的紫花苜蓿生产。

**研究背景与意义**

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）因其高营养价值和优于禾本科牧草的消化率而成为优质牧草资源。然而，随着植株成熟和茎组织木质化程度增加，消化率急剧下降，木质素是反刍动物纤维降解的主要生化屏障。木质素浓度与消化率之间的负相关关系已被充分证实，即使木质素适度降低也能改善纤维消化率。为此，育种和基因工程 efforts 已培育出木质素改良（降低木质素）紫花苜蓿品种，这些品种一致表现出改善的中性洗涤纤维（NDF）消化率和干物质（DM）消化率，并延长了牧草品质适合高产牲畜的收获窗口。然而，修饰木质素生物合成可能对株高、产量、持久性和抗逆性等农艺性状产生负面影响，表明降低木质素品种可能需要定制管理措施以维持生产力。非木质素改良（常规）品种因其产量潜力、多叶表达、强抗逆性和跨环境一致性而仍被广泛使用。

养分管理——特别是磷（P）和钾（K）——已被提出作为支持生长和缓解木质素修饰相关潜在权衡的策略。虽然紫花苜蓿通常通过共生固氮满足其氮（N）需求，但P和K的有效性可影响细胞壁发育和木质素生物合成。K对渗透调节和膨压维持、气孔导度、碳水化合物运输、酶激活、再生动态和抗逆性尤其关键。尽管降低木质素紫花苜蓿的采用日益增加，但这些品种在K₂O响应方面是否与广泛使用的常规品种不同仍知之甚少。鉴于K在再生、代谢和细胞壁发育中的核心作用，具有不同遗传背景的品种可能不会表现出统一的养分响应模式。这种不确定性在灌溉半干旱环境中尤为相关，因为那里的K动态与湿润地区不同，且紫花苜蓿通常表现出不同的K吸收能力和相关经济学。本研究通过评估降低木质素品种和常规品种在怀俄明州东南部灌溉半干旱条件下对四个K₂O施用量的品种特异性产量、营养价值、K吸收和盈利能力响应来填补这些空白。研究人员假设两个品种将表现出不同的K₂O响应模式，反映遗传背景和生长特性的差异而非仅木质素浓度的差异。

**主要技术方法**

研究在怀俄明大学James C. Hageman可持续农业研究与推广中心（Lingle, WY）进行，采用4 × 2因子随机完全区组设计，4次重复（共32个小区）。处理包括四个K₂O施用量（0、50、100、150 lb ac^?1 yr^?1）和两个紫花苜蓿品种：'AFX 457'（常规）和'Hi-Gest 360'（降低木质素）。紫花苜蓿于2016年9月种植，数据收集于2020和2021年（第四和第五生产年度）进行。每年收获四次，在晚芽至初花（10%）阶段进行。使用近红外反射光谱（NIRS）估算粗蛋白（CP）、NDF、酸性洗涤纤维（ADF）、体外干物质消化率（IVDMD）、总可消化养分（TDN）、相对饲喂价值（RFV）、木质素和组织K浓度（%K）。K吸收通过公式计算，季节性K吸收通过汇总各收获频率的值获得。经济分析评估K₂O施肥的盈利能力，利润率计算为总收入减去总生产成本。统计分析使用R（版本4.6.0）中的广义线性混合模型。

**研究结果**

**气候条件与土壤特性**：研究期间天气条件总体代表怀俄明州东南部长期区域模式。2016年基线土壤测试显示土壤pH 8.61、有机质0.83%、硝态氮11.19 ppm、P 11.26 ppm、K 155 ppm、Ca 2508 ppm、Mg 235 ppm，与区域石灰性土壤一致。

**茎产量**：茎产量显著受K × 品种 × 年份互作影响。2020年，AFX 457在150 lb K₂O ac^?1 yr^?1时茎数最高，平均43 stems ft^?2，较未施肥对照（36 stems ft^?2）增加19%。Hi-Gest 360在100 lb K₂O ac^?1 yr^?1时茎数最高，为57 stems ft^?2，较其未施肥对照（37 stems ft^?2）增加53%。2021年茎数遵循相似数值趋势但差异未达统计显著。总体而言，AFX 457随K施用量增加呈线性增加，而Hi-Gest 360在K超过100 lb K₂O ac^?1 yr^?1时下降18%，强化了品种特异性K管理的必要性。

**牧草积累量**：牧草积累量显著受K × 品种 × 收获频率 × 年份互作影响。AFX 457的年牧草积累量随K₂O施用量增加而持续增加，2020年在150 lb K₂O ac^?1 yr^?1时达到6856 lb DM ac^?1 yr^?1，较未施肥对照（5733 lb DM ac^?1 yr^?1）增加。2021年呈相似上升趋势，施肥梯度间产量增加13%–15%。相比之下，Hi-Gest 360表现出不同响应模式：产量在0至100 lb K₂O ac^?1 yr^?1之间从5665增至6817 lb DM ac^?1 yr^?1，但在更高施用量下两年均略有下降。这些对比模式突显了品种特异性K响应，AFX 457呈近线性增加，Hi-Gest 360表现出接近100 lb K₂O ac^?1 yr^?1的明显充足阈值。尽管土壤交换性K（STK）中等至较高，两个品种均对K₂O施肥呈正响应，这与紫花苜蓿在集约收获制度下可耗尽土壤K beyond交换性库的报道一致。

**钾吸收**：总K吸收显著受K × 品种 × 收获频率 × 年份互作影响，模式与牧草积累量密切平行。AFX 457在150 lb K₂O ac^?1 yr^?1时K吸收最大，达280 lb K ac^?1 yr^?1，较未施肥对照（229 lb K ac^?1 yr^?1）增加22%。Hi-Gest 360在100 lb K₂O ac^?1 yr^?1时吸收最高，两年累计281 lb K ac^?1 yr^?1，较其K0处理（215 lb K ac^?1 yr^?1）增加31%。所有处理（包括K0）的组织K浓度均较高，范围为3.1%–3.4% K，超过农艺充足范围2.0%–2.5%和与泌乳奶牛低钙血症风险增加相关的3.0%阈值。K0时的高浓度表明植株可获取充足土壤K以维持组织水平高于推荐营养限值。

**牧草营养价值**：牧草营养价值不受K₂O施用量、品种或其互作的显著影响。所有处理中，CP范围为27%–28%，NDF为33%–34%，ADF为26%，RFV范围为195–201，K₂O施用量间或品种间无统计显著差异。所有牧草品质值均在紫花苜蓿干草可接受范围内。尽管降低木质素品种通常表现出改善的消化率和牧草品质，但本研究中无差异反映了木质素表达在种质、环境和收获成熟度间的充分 documented 变异性。

**盈利能力**：K₂O施肥增加了两个品种2020和2021年的牧草产量，投资回报显著受K × 品种 × 年份互作影响。生产成本随K₂O施用量增加而上升，从0 lb K₂O ac^?1 yr^?1时的$1,062 ac^?1 yr^?1增至150 lb K₂O ac^?1 yr^?1时的$1,214 ac^?1 yr^?1。尽管成本增加，使产量最大化的K₂O施用量——AFX 457为150 lb K₂O ac^?1 yr^?1，Hi-Gest 360为100 lb K₂O ac^?1 yr^?1——也产生了最大总收入，分别为$1,317 ac^?1 yr^?1和$1,323 ac^?1 yr^?1。AFX 457的净利润在100 lb K₂O ac^?1 yr^?1（约$63 ac^?1 yr^?1）和50 lb K₂O ac^?1 yr^?1（约$62 ac^?1 yr^?1）时达到峰值，但在150 lb K₂O ac^?1 yr^?1时降至约$51 ac^?1 yr^?1。Hi-Gest 360在100 lb K₂O ac^?1 yr^?1时利润最高（约$70 ac^?1 yr^?1），50 lb K₂O ac^?1 yr^?1时适中（约$43 ac^?1 yr^?1），150 lb K₂O ac^?1 yr^?1时为负（约–$13 ac^?1 yr^?1）。总体而言，中等施用量（50–100 lb K₂O ac^?1 yr^?1）在 prevailing 肥料价格下提供了更有利的经济回报。

**讨论与结论**

本研究评估了降低木质素和常规紫花苜蓿品种在怀俄明州东南部灌溉半干旱条件下对K₂O施肥的响应。钾肥显著影响茎产量、牧草积累量和K吸收，在最优K₂O施用量上存在明显的品种特异性差异。AFX 457在150 lb K₂O ac^?1 yr^?1时达到最大产量和K吸收，而Hi-Gest 360在100 lb K₂O ac^?1 yr^?1时表现最佳，表明降低木质素和常规种质间的养分需求不同。这些结果表明统一的K推荐可能无法优化跨品种的生产力。尽管STK中等至较高，两个品种均对K₂O施肥呈正响应，突显了集约收获紫花苜蓿系统下高K移除的可能性，并在交换性K充足时产生短期植物对补充K的需求。牧草营养价值不受K₂O施用量或品种影响，表明产量增益未转化为可检测的牧草品质变化。所有施用量（包括K0）下组织K浓度均超过泌乳奶牛推荐阈值，强调了在选择K₂O施肥策略时平衡农艺目标与牲畜营养约束的必要性。经济分析表明，中等K₂O施用量（50–100 lb K₂O ac^?1 yr^?1）为AFX 457提供了最有利的利润率，而100 lb K₂O ac^?1 yr^?1对Hi-Gest 360既是农艺也是经济最优。总体而言，品种特异性K管理改善了农艺表现和经济回报，支持半干旱条件下高效和可持续的紫花苜蓿生产。