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美国堪萨斯州立大学、密苏里大学等机构学者研究成果:土壤水分管理策略和品种多样性对紫花苜蓿产量、营养品质和农场盈利能力的影

已有 1089 次阅读 2024-4-25 11:56 |个人分类:科技期刊|系统分类:论文交流

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文 章 信 息

期刊名称:Grassland Research(草地研究)

英文标题:Exploring the impact of soil water variability and varietal diversity on alfalfa yield, nutritional quality, and farm profitability

中文标题:土壤水分管理策略和品种多样性对紫花苜蓿产量、营养品质和农场盈利能力的影响

第一作者:Rudra Baral(美国密苏里大学)

通讯作者:Rudra Baral(美国密苏里大学)

              Doohong Min(美国堪萨斯州立大学)

编译者:苏楷淇 兰州大学草地农业科技学院 在读博士生

声明:该文仅代表编译者对论文的理解,如需参考和引用相关内容,请查阅原文。

摘     要

研究背景:

苜蓿的产量并没有因其高营养和经济价值而在美国得到提高。土壤水分对苜蓿的产量和品质有重要影响,体现在生理过程、养分吸收和植株生长方面。此外,收获时的成熟状态对干草产量和质量都有显著影响。因此,本研究旨在评估不同土壤湿度水平和收获时间对苜蓿产量、营养价值和商业栽培的整体盈利能力的影响。

研究方法:

2020年,在美国堪萨斯州曼哈顿市,在干旱、雨养和灌溉条件下,以分裂图设计的随机完全区组的方式种植两种常规和三种低木质素苜蓿品种。分别在花蕾后期、花期早期和花期后7 d测定干物质产量(DMY)和饲料营养价值。

研究结果:

干物质产量随生产年份、土壤水分有效性和生长阶段而变化,干旱条件导致DMY在生产第二年下降了5% ~ 38%。水分条件和成熟期影响苜蓿粗蛋白质(CP)和体外干物质消化率(IVDMD)。较高的土壤湿度和较早的成熟期对CP、IVDMD和相对牧草质量有负面影响。研究显示,干旱下的作物、雨养作物和灌溉作物的净利润率分别为62%、64%和52%。

研究结论:

收获时间和灌溉方式对苜蓿的饲料产量和营养价值有重大影响。在干旱和灌溉条件下,产量与质量之间的权衡有所不同,早收导致产量降低,但蛋白质含量和消化率较高。研究结果为提高苜蓿干草产量、质量和盈利能力提供了有价值的见解和潜在的有效策略。

关键词:粗蛋白质,干旱,干物质产量,饲料营养价值,灌溉,农场净收入,雨养,相对牧草品质

前   言

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是一种广泛种植的多年生凉季性牧草,属于豆科植物。它具有适应性广、生长期长、多次收获、产量大、饲料质量好、经济价值显著等优点,是一种高价值的家畜饲料作物(Baral et al., 2022; US Department of Agriculture, National Agricultural Statistics Service [USDA‐NASS], 2023). 它含有丰富的营养,包括蛋白质、矿物质、膳食纤维、维生素A、C、E和各种B族维生素(Hadidi et al., 2023; Plaza et al., 2003)。紫花苜蓿的一个显著特点是其强大的根系系统,在不利条件下,它可以达到3-6米的深度(Undersander et al., 2021),使紫花苜蓿作物能够从更深的土层获得水分和养分,使其具有抗旱能力。在有限的水分条件下,紫花苜蓿也有很高的潜在水分生产力,最高可达34公斤干物质每公顷(Fink et al., 2022)。深层根系通过打破、压实土壤等行为对土壤结构和渗透速度进行改善(Lacefield et al., 2009)。通过表型选择和各种育种方法的应用,育种者已经成功地培育出了许多既耐寒又耐旱的转基因苜蓿品种(Adhikari et al., 2022)。这些改良品种现在已经可以在市场上进行交易。就市场价值而言,苜蓿干草比其他类型的干草具有更高的经济价值。在美国,紫花苜蓿干草的价格通常在每包100美元到300美元之间(相当于一美吨),具体取决于质量和购买时间(US Department of Agriculture, Agricultural Marketing Service [USDA‐AMS], 2023b)。优质的苜蓿干草价格较高,而质量较差或不太理想的干草可能价格较低。在新鲜饲料供应有限的时期,如冬季或炎热干燥的夏季,对苜蓿干草的需求增加,这可能导致价格上涨。美国是全球领先的苜蓿生产国之一,总面积为700万至900万公顷,年平均产量为6-7兆克/公顷(USDA‐NASS, 2023)。尽管它有多重好处,但几十年来美国在产量和生产方面的进展有限。然而,先前的研究表明,通过适当的管理措施和有利的生长条件,可以实现13 - 19 兆克/公顷或更高的产量(Baral et al., 2022; McDonald et al., 2021)。

土壤水分是影响紫花苜蓿产量和品质的关键因素,它直接影响林分生长、养分吸收和整体生理过程。最近对193篇关于苜蓿干旱胁迫的论文进行了整理综述,发现非转基因苜蓿在长期干旱胁迫下表现出的各种形态、生理和生化反应较为薄弱(Diatta et al., 2021)。这些作者指出,干旱胁迫降低了膜通透性、气孔导度、净光合速率以及植物生长调节剂如细胞分裂素、生长素和赤霉素的释放。这些影响导致苜蓿养分和水分吸收减少,根和芽生长减弱,生物固氮作用受损,最终导致生物量产量降低。干旱胁迫导致的气孔关闭会对气体交换产生负面影响,从而损害蒸腾、光合作用、生长、繁殖、酶活性以及氮和碳的代谢等代谢过程(Cerezini et al., 2020; Christophe et al., 2011; Sinclair et al., 2007)。除产量外,土壤水分不足还会限制养分有效性,影响作物对养分的吸收和利用,降低蛋白质含量,增加细胞壁厚度和木质化,从而直接影响苜蓿饲料的品质属性(Liu et al., 2018; Staniak & Harasim, 2018)。

成熟期是影响紫花苜蓿产量和饲料品质的另一个重要因素(Ball et al., 2001; Fick & Mueller, 1989; Jungers et al., 2020; Min, 2016; Orloff & Putnam, 2010; Sayar et al., 2022; Yari et al., 2012)。一般来说,随着牧草的成熟,其营养价值在化学成分和消化率方面会发生变化。在营养早期,典型表现为生物量产量低,但粗蛋白质(CP)含量高、消化率高、酸性(ADF)和中性洗涤纤维(NDF)含量较低(Putnam, 2021)。与之相反的是,开花后期林分生物量产量和纤维含量显著高于生育期前期,蛋白质含量和干物质消化率显著低于生育期前期(Adhikari et al., 2019)。综合以往的研究成果,有效管理土壤水分和收获时机是优化牧草产量和营养价值的关键。

因此,研究不同土壤水分水平和收获时间对商业栽培紫花苜蓿的饲料产量、营养价值和整体盈利能力的影响至关重要。在这项研究中,我们的主要目的是评估不同的水分管理策略和收获时间对美国堪萨斯州商业种植的苜蓿品种的饲料产量、营养价值和盈利能力的影响。

材料和方法

研究地点

该研究于2019年8月至2022年11月,在美国堪萨斯州曼哈顿的堪萨斯州立大学北农学农场(96°35″W, 39°12″N,海拔314 m)进行(图1)。土壤类型为粉质壤土,坡度为1% ~ 3%。在研究之前,试验区种植了冬季油菜。在2020年春末、2021年秋末和2022年秋末,从地块内多个地点的0至30 cm深度采集土壤样本,以检查地块的土壤肥力状况。各种土壤养分,如氮、磷、钾、钙、镁、土壤有机质和土壤pH值在堪萨斯州立大学土壤测试实验室进行了分析(表1)。在干旱地区和秋季观察到较高的养分含量,可能是由于苜蓿对养分的吸收减少。研究区域的气候属于湿大陆性气候(图2)。夏季炎热潮湿,雨量充沛,晴空万里。另一方面,冬天温度低,多出现降雪、强风和多云的天气。全年的温度范围通常从1月的- 7.9°C到7月的33°C。月平均降雨量从1月的16.5毫米到6月的122.7毫米不等,年平均降雨量为817毫米(KansasMesonet, 2023)。

640 - 2024-04-25T115105.882.png图1 堪萨斯州主要种植紫花苜蓿县的地图。绿色越深,表示堪萨斯州的收获面积越高。以红色突出堪萨斯州

表1 苜蓿种植前和第二年生产前试验田土壤肥力状况

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图2 研究地点月气候平均值(1991-2020)(ACIS, 2023)

试验设计

该试验涉及三种不同的水份处理(干旱、雨养和灌溉)和五种商业苜蓿品种。这5个商业品种包括2个常规苜蓿(AmeriStand 455TQRR和HybriForce‐3400)和3个低木质素苜蓿(HighGest AFX460, HVXMegaTron和HVXHarva-Tron)。实验设计采用完全随机区组设计,裂区排列,共4个重复。水份处理作为一个整体因子,品种作为一个次要因子。在这个设计中,我们考察了每个因素的主要影响以及它们的相互作用。

苜蓿建植

2020年4月21日,播种量为每公顷22.4公斤活苗。每个品种随机分配为1 m × 9 m大小的子区。使用约翰迪尔公司的John Deere7000®型号播种机,每子块播种5行,深度0.5-1厘米,行距15.24厘米。每个品种在每种水份处理下重复4次,在品种、水处理和重复中产生60个单独的子样。整个地块采用防雨棚进行干旱处理,而相邻的两块空地则被分配用于雨养和灌溉处理。根据土壤试验报告,在旱作地块上施用了推荐剂量的三倍超磷酸盐(114 kg ha-1)。以0.012 L ha-1的剂量,每隔20 d喷施2次拟除虫菊酯类杀虫剂(Mustang Maxx),防治紫花象鼻虫(Hypera postica)和蚜虫(Acyrthosiphon kondoi)。

灌溉管理

在每个地块上,分别在0.15、0.46和0.91 m三个不同深度安装了12个水印传感器。这些电传感装置由irometer公司制造,用于测量土壤水张力,单位为厘巴(或千帕)。在整个生长季节,使用同一公司生产的手持式数据记录仪每隔3-4天进行一次测量。当土壤水张力超过−60 kPa时,采用灌溉水进行灌溉处理 (Hanson et al., 1999; Henry et al., 2018)。根据Orloff et al.(2003)的研究,该值作为砂质土壤的临界阈值,促使需要灌溉。总共有2276公升的水通过顶部的洒水器灌溉。除了自然降雨外,每113.8m2地块(包括边界)浇灌20毫米降雨量。为了诱导干旱条件,在下一次采伐3周前搭建避雨棚。在受干旱影响的地块上,每次刈割后立即进行20毫米的单次灌溉,以避免对植株造成严重胁迫。

抽样程序

牧草取样包括植物生物量收集、干燥、称重、研磨和标签。抽样点是随机选择的,以代表整个地块。分别在花蕾后期、花期早期和花期后7 d采集样品。在本研究中,术语“晚芽”指的是一个特定的生长阶段,其特征是存在三个或更多包含可见芽的节点。同样,“早花”被定义为植物开花10%的阶段。利用0.14m2的样方在距地面约2-5 cm的地方砍伐林分。采集样品后,使用BCS美国公司生产的101.6 cm镰刀杆割草机(BCS 718型,本田GX200发动机)进行刈割。每年(2021年和2022年)从三种水处理、五个品种、三个生育期、四个重复和五个扦插中收集900个样品。

牧草干物质产量 (DMY)估算

收集的样品在60°C的热风炉中干燥72小时,使用数字天平称重,每个样品的重量被转换成DMY,以每公顷兆克(Mg ha-1)表示。

饲料营养价值(FNV)分析

干燥的样品使用威利磨粉机磨碎,通过1毫米的筛孔尺寸。地面样品被送到内布拉斯加州科尔尼的沃德实验室进行FNV分析。利用近红外光谱法(NIRS)分析了不同的参数,包括CP粗蛋白含量、酸性洗涤纤维(ADF)、NDF中性洗涤纤维、总可消化营养物质(TDNs)、体外干物质消化率(IVDMD)、木质素、钙(Ca)、镁(Mg)、磷(P)、钾(K)、维持能(NEM)、水和乙醇可溶性碳水化合物、相对饲料价值(RFV)和相对饲料质量(RFQ)。

数据分析

采用广义线性混合模型(PROC GLIMMIX) 用SAS 9.4 (SAS Institute Inc., 2013)进行分图重复测量方差分析,研究水份处理、品种、成熟期及其相互作用如何影响DMY和FNV。该分析将水处理、品种、生长阶段和年份作为类变量,并建立了DMY与这些类变量固定效应的关系以及它们之间的相互作用。此外,我们将年份和类别变量之间的相互作用视为模型中的随机效应,允许对归因于这些因素的可变性进行评估。对这些类别变量及其相互作用对FNV的影响进行了同样的分析。SAS输出提供了固定效应、方差成分的估计,以及主要效应和相互作用的F检验,以及相关的p值。我们仔细地解释了该输出结果,以得出关于我们分割图设计中的治疗效果和相互作用的结论。使用SAS 9.4中的theLSMEAN函数,通过Tukey-Kramer方法对DMY和FNV的最小二乘均值进行两两比较。所有的数据都是使用r4.3.0中的tidyverse软件包生成的(Wickham et al., 2019)。

成本效益分析

苜蓿干草的生产成本是根据多个来源的数据估计的。根据K - State Extension (Ciampitti et al.,2016)的建议,考虑了生产投入(如种子数量)和化学投入(如石灰、肥料和杀虫剂),其价格反映了研究期间的市场价格。可变成本,包括耕作、化肥和农药的使用、机械和操作员的雇佣、收获和打捆,是根据堪萨斯关税税率 (堪萨斯农业部,2022)使用的。除灌溉设备外,农业机械的折旧成本未包括在本分析中,因为其他机械使用的成本是基于定制租用。土地租金是根据2022年堪萨斯州非灌溉农田估计的县级现金租金的平均值计算的(USDA - NASS,2022)。总费用中增加了5%的间接费用和6%的利率。地租、农作物保险和土壤测试费用被认为是固定的。财务分析假设生产年限为5年。对于收益计算,我们使用了每个水处理在生产第1年和第2年(2021年和2022年)获得的后期平均DMY。对于3 - 5年的生产年,DMY是基于假设下一年由于林龄而损失15%的产量来预测的(Undersander, 2001)。此外,从总体DMY中扣除20%,以考虑由于收获方法、环境条件、设备和管理实践等因素在收获过程的不同阶段发生的潜在损失(Idowu et al., 2013; Orloff & Mueller, 2008; Undersander, 2001)。这可能是由于叶片破碎、调节或耙地期间的叶片损失、不利天气导致的收获延迟、降雨损害以及打捆后残留在田间的残余物质造成的。同时,使用美国农业部农业市场服务处(USDA - AMS, 2023b)每月在堪萨斯州的报告的平均干草价格用于计算进项。通过结合这些产量预测和平均干草价格,财务分析旨在评估5年期间生产系统的盈利能力和可行性。我们在分析中没有考虑通货膨胀率。每吨使用价格为优质苜蓿干草的农场价格(CP > 18%, RFV or RFQ > 150)。本财务分析特别关注研究年度的1公顷土地。值得注意的是,总成本和收益取决于农场规模、地点和时间等因素。堪萨斯州6.5%的销售税也被考虑用于计算最终净利润。总收入是销售优质干草所得的收入。另一方面,总成本包括可变成本、固定成本、折旧成本、贷款利息、间接成本和销售税的总和,以美元表示。

结     果

表2 方差分析显示年份、水分处理、品种及其交互作用对紫花苜蓿干物质产量(DMY)和牧草营养价值组成的影响。缩写:ADF,酸性洗涤纤维;CP:粗蛋白质;IVDMD,体外干物质消化率;NDF,中性洗涤纤维;NDFD,中性洗涤纤维消化率;NEM:净能量增益;NS,无意义的;RFQ,相对饲料质量;RFV:相对营养价值;TDN:总可消化养分;TRT:处理;*p < 0.10, **p < 0.05, ***p < 0.01

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DMY、ADF、NDF、TDN、IVDMD、木质素、RFV和RFQ的值在不同的生产年份有所不同,而CP和NDFD不受影响(表2)。水份处理显著影响了研究中测量的所有营养价值变量。水份处理对NDF、NDFD、TDN、IVDMD、木质素、RFV和RFQ均有显著的交互作用,但对DMY、CP和ADF无显著的交互作用。值得注意的是,年与品种、水份处理与品种、年与水份处理与品种、品种与生育期、年与品种与生育期、水份处理与品种与生育期之间均不存在交互作用。有趣的是,DMY在年份、水份处理和品种之间高度相互作用。DMY、CP、NDF、NDFD、IVDMD和木质素随生长阶段有显著差异,而ADF、TDN和RFV或RFQ无显著差异。DMY、ADF、NDF、IVDMD和木质素在年份和生长期之间存在显著的交互作用,而CP、NDFD、TDN和RFV或RFQ在年份和生长期之间不存在交互作用。同样,除CP和ADF外,所有测量变量在水处理和生长阶段之间都观察到显著的相互作用。此外,NDF、NDFD、TDN、IVDMD、木质素和RFV或RFQ在年份、水份分处理和生育期之间存在显著的交互作用,而DMY、CP和ADF在年份、水份处理和生育期之间没有交互作用。2021年,干旱条件下芽后期的DMY为15.1 Mg ha-1,旱作和灌溉条件下分别增加到17.2和19.3 Mg ha-1 (图3)。总体而言,灌溉条件下的DMY比干旱条件高54%,比旱作条件高22.8%。比较2021年干旱胁迫和灌溉条件下的DMY,花蕾后期的DMY为27.8%,开花后7天的DMY为65.7%。到2022年,这一差异从34.3%到104%不等。在旱作和灌溉条件下,从芽后期到早花后7 d, DMY呈增加趋势。然而,在干旱胁迫条件下,这一趋势被逆转,显示同期DMY显著下降(图4)。

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图3 紫花苜蓿2个生产年份和3种水分制度的饲料干物质产量比较。四分位数范围内的字母表示三种水状态之间的值差异,p < 0.05

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4 2021年和2022年干旱、灌溉和雨养条件下不同生育期紫花苜蓿的牧草干物质产量

品种效应在本实验中无统计学意义。然而,常规品种hybriforce‐3400在干旱雨养条件下表现出最高的DMY,在所有条件和生长阶段平均约为16 Mg ha-1 (图5)。在干旱、雨养和灌溉条件下,CP含量分别为27.1%、24.2%和24%。芽后期CP含量为27.7%。早花期进一步下降至24.1%,早花期7天后达到23.5%(图6)。结果表明,灌溉条件下ADF含量较高,干旱条件下ADF含量较低。在干旱胁迫、雨养和灌溉条件下,芽后期的平均ADF值分别为22.5%、22.6%和24.7%(图7)。同样,在干旱胁迫、雨养和灌溉条件下,芽后期的NDF值分别为25.3%、25.8%和27.9%(图8)。同样,在干旱胁迫、雨养和灌溉条件下,芽后期的IVDMD值分别为87.9%、88.1%和86.6%,在延迟收获条件下,IVDMD值略低。总体而言,IVDMD值随着土壤湿度和成熟度的增加而降低(图9)。在干旱胁迫、雨养和灌溉条件下,芽后期的平均RFQ值分别为280.6、289.9和264。在花蕾后期、花期早期和花期早期后7天,RFQ值无显著差异(图10)。我们的研究还指出,CP、IVDMD和RFQ随着季节的连续切割而增加。具体来说,与第一次和第五次切割相比,雨养(正常)条件下的CP含量从23.5%增加到25%,IVDMD从85.3%提高到90.1%,RFQ从241.5增加到314.9(表3)。

农场净收入是根据从2021年开始的综合5年的产量,考虑所有成本和税金后推算出来的。在生产紫花苜蓿的第一年,没有产生收入,可变成本和固定成本很高,导致亏损。然而,在随后的5年中,收入逐渐增加,导致净利润也有所改善。在干旱条件下,每公顷平均净利润为2494美元,干旱条件下为2894美元,灌溉条件下为2755美元。研究发现,旱作、雨养和灌溉的净利润率分别为62%、64%和52%。有趣的是,在第四季度,旱作和灌溉条件下的利润没有显著差异(图11;表S1)。

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图5 2021年和2022年干旱、灌溉和雨养条件下紫花苜蓿的干物质产量

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图6 2021年和2022年在干旱、雨养和灌溉条件下种植的5个商业紫花苜蓿品种的平均粗蛋白质含量,分别在晚蕾、早花和早花后7天收获

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图7 2021年和2022年在干旱、雨养和灌溉条件下生长的五个商业苜蓿品种的平均酸性洗涤纤维。四分位数范围内的字母表示三种水方案之间酸性洗涤纤维值的显著差异(p < 0.05)

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图8 2021年和2022年在干旱、雨养和灌溉条件下种植的五种商业苜蓿品种的平均中性洗涤纤维。四分位数范围内的字母表示三种水方案中中性洗涤纤维值的差异(p < 0.05)

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图9 2021年和2022年在干旱、雨养和灌溉条件下生长的5个商业紫花苜蓿品种,在晚蕾、早花和早花后7天收获的平均体外干物质消化率

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图10 2021年和2022年在干旱、雨养和灌条件下种植的五个商业苜蓿品种的平均相对饲料质量。四分位数范围内的字母表示三种水态相对饲料质量的差异(p < 0.05)

640 - 2024-04-25T115145.187.png图11 堪萨斯州东北部旱、雨养和灌溉条件下苜蓿干草生产的农场净收入

表3 2021年和2022年在干旱、雨养和灌溉条件下种植的五个商业苜蓿品种的平均饲料营养价值。缩写:ADF,酸性洗涤纤维;CP:粗蛋白质;IVDMD,体外干物质消化率;NDF,中性洗涤纤维;RFQ相对饲料质量640 - 2024-04-25T115148.141.png

讨      论

研究人员和农民一直致力于获得更高质量的苜蓿饲料,同时尽量减少产量的下降。然而,由于各种因素,如气候条件、土壤肥力、品种再生能力、牲畜营养需求和生产费用,找到最佳平衡是具有挑战性的。另一个担忧是,推迟收获时间不仅会影响饲料质量,还会导致在干草制作过程中流失更多部分(Orloff & Putnam, 2010; Undersander, 2001). 本研究结果表明,DMY和FNV的变化取决于不同的因素,如生产年份、土壤水分的可用性和成熟期。2021年,DMY在干旱、雨养和灌溉条件下变化,灌溉条件下的产量最高。在干旱胁迫和灌溉条件下的比较表明,DMY的差异很大,在27.8%到65.7%之间,这取决于收获期间的成熟阶段。到2022年,变化幅度从34.3%到104%不等。在雨养和灌溉条件下,DMY从芽晚至花期7 d呈增加趋势,而干旱胁迫条件下则呈相反趋势。我们观察到,在第二年,受干旱影响的地块在花蕾后期产量下降了5%,在花期早期7天后产量下降了38%。此外,由于干旱对茎干植株数量和植株整体生长的不利影响,第二个生产年度旱地产量有所下降。旱地林分平均高度为30 cm,灌地林分平均高度为50 cm。随后的减产也显示出DMY的减少,最后一次减产的产量不到第一次减产的一半。

我们的发现得到了先前几项研究的支持,这些研究发现苜蓿DMY与土壤湿度呈正相关(Baral et al., 2022; Boyer, 1970; Diatta et al., 2021; Holman et al., 2016; Lindenmayer et al., 2011; Orloff et al., 2015; Peterson et al., 1992; Schneekloth & Andales, 2017; Shewmaker et al., 2011; Takele & Kallenbach, 2001; Undersander & Cosgrove, 2011)。学者Schneekloth and Andales (2017), Shewmaker et al. (2011), 和 Takele and Kallenbach (2001)声称与其他大田作物相比,紫花苜蓿需要大量的水。FAO粮农组织(2022)建议每季每公顷浇水800至1600毫米,具体取决于气候、海拔、生长季节、刈割次数、纬度和苜蓿品种的秋季休眠等级。我们之前的研究表明,在美国,超过65%的紫花苜蓿是在雨养条件下种植的,由于缺水的条件,产量损失高达58% (Baral等人,2022)。Petersonet al.(1992)也观察到产量损失高达66%,而Tetakele和Kallenbach(2001)报告称,由于苜蓿生长季节的中度至严重干旱胁迫条件,产量损失高达72%。我们还发现了不同生产年份的产量变化。干旱压力、不可预测的天气条件、林龄、缺磷以及害虫和杂草的压力等综合影响会导致这些变化。在生产第二年的夏天,由于2022年降雨量超过800毫米,有毒杂草茁壮成长(Kansas Mesonet, 2022)。

除了干旱地区的水分不足外,我们还观察到苜蓿象鼻虫(H. postica)、蚜虫(Therioaphis trifolii)和各种杂草的存在,如稗草(Echinochloa crus‐galli)、蓝芥子草(Chorispora tenella)、黄狐尾草(Seariapumila)、马草(Erigeron canadensis)、地葵(Kochiascoparia)、大马堂草(Digitaria sanguinalis)、强生草(Sorghum halepense)、加拿大蓟(Cirsiumarvense);来年夏季有常见的黍草(Chenopodium album L.),宝盖草(Lamium amplexicaule),猪草(Amaranus palmeri)和水麻(Amaranthus tuberculatus)等。这些杂草不仅与紫花苜蓿争夺水分和养分,而且还成为许多昆虫和疾病的替代宿主。我们还观察了2022年4月至6月苜蓿象鼻虫和蚜虫对叶片的损害。

此外,雨养地块的磷含量在2021年春季低于25 mg kg-1,这是冬季生存后再生所需的关键养分。基于这些发现,建议生产者在干旱年份尽早收获苜蓿以实现产量最大化,而不是推迟收获。FNV分析结果表明,土壤湿度与CP含量呈反比关系,土壤湿度较低(如在干旱条件下)可能导致牧草中CP含量较高。结果还表明,随着植株成熟度的增加,紫花苜蓿的CP含量逐渐降低。ADF和NDF受水分状况的影响,在灌溉条件下观察到较高的值。较高的IVDMD和RFQ值表明较好的消化率和养分利用率,使干草的食用性更高。IVDMD和RFQ随土壤含水量的增加而降低。此外,我们还观察到,干旱处理导致干物质消化率、净能和RFQ更高,而灌溉处理的这些参数值较低。收获的时机对苜蓿的产量和品质都起着重要的决定作用(Min, 2016; Orloff & Putnam, 2010). 通常情况下,牧草质量随时间或成熟期而下降。然而,在我们的研究中,在花蕾晚、花期早和花期后7天,RFQ值没有实质性的变化。这表明略微延迟收获对整体牧草质量影响不大,但可能会增加干草产量。先前的研究也观察到,早期收获导致产量降低,但蛋白质含量和消化率较高。我们的结果与之前的研究一致(Petit et al., 1992;Seguin et al., 2002),该研究记录了干旱条件下牧草质量较高,灌溉条件下牧草质量较低。许多其他研究人员观察到,随着成熟度的提高,CP降低,ADF、NDF和木质素含量增加(Jungers et al., 2020; Yari et al., 2012)。Petit et al.(1992)在加拿大魁北克进行的苜蓿温室试验中记载土壤湿度水平与CP含量呈负相关,与ADF和NDF呈正相关。Holman等人(2016)在堪萨斯州东南部以及Li和Su(2017)在中国西北部进行的实地研究进一步支持了这一发现。一般情况下,随着ADF和NDF浓度的增加,牧草消耗量呈下降趋势。根据美国农业部干草质量指定指南,优质干草的ADF值应低于35,NDF值应低于40(USDA - AMS, 2023a)。早期对低木质素转基因苜蓿品种的研究声称,生产者可以在不影响饲料质量的情况下推迟收获(Barros et al., 2019; Undersander et al., 2009)。我们的研究表明,无论是普通品种还是低木质素品种,将牧草的收获时间从芽后期推迟到开花后7天对品质没有显著影响。该研究的另一个值得注意的发现是,即使延迟收获,传统苜蓿品种和低木质素品种在产量和质量方面都表现出相似的性能。Getachew等人(2018)使用近红外光谱(NIRS)程序比较了两种低木质素和两种传统苜蓿品种之间的FNV。他们也发现了类似的结果,并得出结论,当每隔28天收获一次时,不同线之间的DMY、CP、ADF和NDF浓度没有显著差异。Damiran等人(2022)进一步支持了这一结论,他们还发现低木质素和常规品系在CP、IVDMD和RFQ方面没有显著差异。总的来说,所有的营养价值参数都符合美国农业营销服务局发布的干草质量标准指南的高质量干草。

苜蓿干草生产的农场净收入取决于地点、劳动力和投入成本、农场管理做法、市场需求和具体情况,包括病虫害和杂草管理、储存和运输以及天气条件。生产者应仔细分析和管理这些因素,以优化苜蓿生产的成本效益。财务分析表明,紫花苜蓿是一种高利润作物,在不同的土壤湿度条件下,每公顷的利润率估计在52%至64%(2495美元至2755美元)之间。更重要的是,这项研究表明,投资灌溉并不能给农民带来可观的利润。这可能归因于对灌溉设施的初始投资和整个生长季节的充足降雨,研究区域的降雨量超过700毫米(Kansas Mesonet, 2022)。我们的分析估计了堪萨斯州50公顷土地的支点灌溉系统的成本,为127,500美元,相当于每公顷2550美元。然而,在50公顷土地上投资灌溉系统的投资回收期不到2年,这表明在生长季节降雨量低于植物需求的地区,灌溉投资是有利可图的。受干旱影响的地块也显示出可观的利润。然而,我们并没有在再生期间完全实施干旱。每次修剪后,我们都会立即灌溉一次,以免植物受到极端的压力。此外,考虑到看台的表现,年轻看台比老看台表现更好(Undersander et al., 2021)。因此,不确定在干旱持续的情况下,这种盈利能力是否会在接下来的生产年份继续下去。对支持苜蓿抵抗水分胁迫能力的生理和分子机制进行进一步的研究,以及进行长期研究来评估干旱对苜蓿产量的累积影响,这将增强我们对干旱对苜蓿产量影响的理解,并有助于开发耐旱苜蓿品种。这项研究可能包括研究在不同水分条件下生长的苜蓿植物的基因表达模式、代谢途径和水分利用效率。此外,虽然该研究的财务分析提供了净农场收入和盈利能力的估计,但考虑到不同的市场条件、价格波动和投入成本,进行进一步的经济分析将为苜蓿生产者提供更现实和实用的见解。

结      论

研究了不同水分条件和不同成熟期紫花苜蓿的饲料DMY和营养价值。结果表明,不同水分条件和成熟期的牧草产量和营养价值均存在差异。然而,传统和低木质素苜蓿品种的DMY和品质相似。早花后第7天灌溉产量最高,而同一时期干旱胁迫条件下RFQ最高。雨灌条件下出芽后期至早花后7 d牧草产量呈增加趋势,干旱胁迫条件下产量呈相反趋势。本研究还对紫花苜蓿的FNV进行了评价。CP含量随着时间的推移而下降,干旱条件下CP含量较低。ADF、NDF和IVDMD受土壤有效水分的影响,灌溉条件下ADF和NDF较高。随着土壤湿度的增加和成熟期的增加,IVDMD值逐渐降低。在干旱条件下,RFQ值显示出更高的营养价值和整体品质。财务分析表明,由于研究区降雨量较大,投资灌溉没有产生显著的利润。然而,降雨较少的地区可能会受益。实际上,本研究的发现对苜蓿生产者具有重要的启示意义。首先,在干旱年份,对生产者来说,尽早收获苜蓿比推迟收获更有利,因为这不会对饲料质量产生负面影响。延迟收获会略微提高DMY,但对整体质量没有显著影响。其次,研究表明,传统和低木质素品种在产量和质量方面表现相同,为生产者提供了品种选择的灵活性。此外,该研究表明,农民应该严格评估灌溉方法在苜蓿生产中的成本效益,因为投资灌溉可能不会带来可观的利润。总的来说,本研究为生产者和科学家加深对苜蓿生产的理解,提高产量和质量,制定可持续的管理实践,提高苜蓿种植的整体盈利能力提供了见解。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/glr2.12067

引用格式:Baral, R., Jagadish, S. V. K., Hein, N., Lollato, R. P., Shanoyan, A., Giri, A. K., Kim, J., Kim, M., & Min, D. (2023). Exploring the impact of soil water variability and varietal diversity on alfalfa yield, nutritional quality, and farm profitability. Grassland Research, 2(4), 266–278. https://doi.org/10.1002/glr2.12067

排版:王亚娜

统筹:沈锦慧 秦泽平

声明:该文仅代表编译者对论文的理解,如需参考和引用相关内容,请查阅原文。

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GR期刊介绍

Grassland Research是我国草业科学领域第一本国际学术期刊,季刊,由中国草学会和兰州大学共同主办。该刊受中国科技期刊卓越计划高起点新刊项目支持,由国际出版集团John Wiley & Sons Australia, Ltd.提供出版及宣传服务,于2022年正式出版。

 Grassland Research论文刊发范围广,综合性强。从分子到全球变化层面,全维度聚焦草业科学及其在人类可持续发展中的作用。期刊将刊登天然草原,栽培草地、草坪和生物能源作物,以及草地生态系统三大板块的基础性和应用性研究成果、综述、论点等类型的文章。优先考虑发表青年学者优秀研究成果,期待成为青年科学家喜爱的国际学术交流主阵地。

在创刊前三年,Grassland Research将免收版面费,以OA形式通过全球化出版平台Wiley Online Library出版。

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