在湿润大陆性环境下生产双用多年生谷物Kernza

《Canadian Journal of Plant Science》：Production of dual-use perennial grain Kernza in a humid continental environment

　　

在魁北克省对Kernza?的表现进行了为期3年的评估，以评估与豆科植物间作和改变降水如何影响这种新型双用作物的谷物和饲草产量。无论是否间作，谷物产量都很低且急剧下降，而间作系统中的饲草产量和品质通常更高，并且在水分处理中保持稳定。总体而言，Kernza?-豆科系统改善了饲草生产，但没有阻止谷物产量下降，且增加降水比适度水分胁迫更严重地降低了谷物表现。

**论文解读：Kernza?在湿润大陆性环境中的双用生产潜力与限制**

**研究背景与问题**

Kernza?（商标名，指中间偃麦草*Thinopyrum intermedium*）是一种兼具谷物和饲草生产潜力的多年生谷物，在美国中西部已成为多年生谷物研究的模式作物。然而，Kernza?起源于欧亚半干旱地区，周期性水分限制是其常见生境，而其对魁北克省更为湿润的大陆性气候（Dfb气候区）的适应性尚缺乏系统了解。此前唯一一项在魁北克省的研究（Wilkinson等，未发表数据）仅聚焦于越冬性、播种期和谷物产量，且仅覆盖一个生长季，未评估饲草产量或品质。谷物产量在连续年份中的下降是阻碍Kernza?广泛推广的主要障碍（Culman等2023；Olugbenle 2025），因此需要识别驱动下降的因素及可持续管理措施。将Kernza?作为双用作物（夏季和秋季收获饲草+谷物）可补充收入，并通过与豆科植物（如百脉根*Lotus corniculatus*和白三叶*Trifolium repens*）间作，有望改善氮素供应、抑制杂草、提高饲草粗蛋白（CP）并增加总生物量，但效果因建植成功度、环境条件和管理而异。本研究旨在系统评估种植系统（Kernza?单作 vs. Kernza?-豆科间作）与水分可用性（减水、自然、增水）在三年内对谷物产量、饲草产量及品质的交互影响，为Kernza?在湿润大陆性环境中的双用生产提供关键数据。该研究论文发表在《Canadian Journal of Plant Science》。

**研究内容与结论**

研究人员在魁北克省Sainte-Anne-de-Bellevue（45°25′43″N, 73°55′43″W）的Chateauguay黏壤土上开展了三年（2023–2025年）田间试验。试验设置两种种植系统（Kernza?单作和Kernza?与白三叶、百脉根间作）和三种降水处理（减少30%、自然、增加30%），采用裂区随机完全区组设计，四次重复。主要测定了谷物产量、夏季和秋季饲草干物质（DM）产量及饲草品质（酸性洗涤纤维ADF、中性洗涤纤维NDF和粗蛋白CP）。数据分析使用SAS混合模型，将年份作为重复测量。

**关键技术方法**

田间试验地点为魁北克省Sainte-Anne-de-Bellevue，土壤为Chateauguay黏壤土（表层15 cm pH 6.4，有机质2.45%，Mehlich-III P 147 kg ha^-1，K 255 kg ha^-1）。降水操控采用定制雨棚和再分配系统（Gherardi & Sala 2013设计），可实现土壤水分差异达20%；每周使用HydroSense II手持式土壤水分仪（12 cm探针）测定体积土壤含水量。谷物收获使用Wintersteiger Classic小区联合收割机，饲草收获按Seguin（2024）方法进行，并测定ADF、NDF和CP（Seguin等2013）。统计分析采用SAS 9.4混合模型，以区块和区块×作物为随机因子，作物和水处理为固定效应，年份为重复测量。

**研究结果**

**种子产量**
Kernza?谷物产量整体较低（三年各处理平均118 kg ha^-1），且从第一年到第二年下降63%（表1），与Kernza?系统常见的产量下降一致。无论是否间作，单作与间作处理的谷物产量无统计差异（p>0.05），表明间作未能防止产量下降，可能因氮素转移有限。单作产量在2023–2024年间下降75%，而间作下降49%（p<0.0053），提示间作可能降低了杂草竞争压力。

**饲草产量与营养品质**
夏季饲草产量随时间增加，间作系统普遍高于单作（表1），2025年产量大幅提升（89%），部分归因于测产方法改变。间作系统夏季平均饲草产量为4686 kg ha^-1（单作2792 kg ha^-1），秋季分别为1334和1089 kg ha^-1，与美国中西部文献值相当。2025年间作系统饲草中Kernza?与豆科各占约50%。夏季饲草品质与前人研究一致：ADF约400 g kg^-1 DM，NDF约600 g kg^-1 DM；秋季饲草品质更优（ADF和NDF分别低5%和10%）。基于ADF、NDF和CP浓度，夏季和秋季饲草仅适用于年龄较大的青年母牛和干奶牛。间作使饲草CP浓度提高31%，主要归因于豆科固氮作用，但ADF和NDF的改善有限。

**不同降水条件下Kernza?的表现**
降水处理使土壤含水量在增水与减水间产生约5%的差异，季节后期差异增大（2024年达7.5%，2025年达10%）。增水处理使谷物产量降低约25%（p<0.05），而减水处理与自然处理无显著差异，这是首次报道过量降水减少Kernza?谷物产量。降水处理未影响饲草ADF和NDF，但减水处理CP浓度较低。秋季饲草产量在减水处理下最低，可能与累积水分胁迫或养分动员减少有关。总体而言，Kernza?和Kernza?-豆科系统在气候变异性增加下表现相对稳定。

**讨论与结论**
研究表明，Kernza?在魁北克低肥力、未施肥条件下的谷物产量低且快速下降，反映了立地老化效应及低肥力、气候和管理的综合限制。间作虽未提高谷物产量，但显著增加了饲草产量和CP浓度，减少了杂草压力，并产出稳定的实用级饲草，突显其在饲草导向系统中的价值。增水处理对谷物性能的负面影响大于适度水分胁迫，提示湿润条件下需关注排水管理。总体而言，实现商业可行的Kernza?谷物生产需优化品种选择和施肥（尤其是氮肥），而整合管理策略（包括施肥、品种选择和饲草利用）可提高系统韧性和整体生产力。结论部分翻译如下：总体而言，Kernza?谷物产量低且随时间快速下降，反映了充分记录的林分老化效应以及与低肥力、气候和管理相关的场地限制，表明实现商业可行的谷物生产需要改进品种选择和施肥，特别是氮肥。尽管间作未能提高谷物产量，但它增加了饲草产量和饲草CP浓度，减少了杂草压力，并产生了稳定的实用级饲草，突显了其在以饲草为导向的系统中的价值。综合来看，这些结果表明，尽管在未施肥、低肥力条件下Kernza?谷物生产仍面临挑战，但强调肥料投入、品种选择和饲草利用的综合管理策略可提高系统韧性和整体生产力。