《Agronomy》：Kernza in Wyoming: Perennial Grains for Vulnerable Lands
Hannah R. Rodgers,
Urszula Norton,
Jay B. Norton and
Linda T. A. van Diepen
编辑推荐：
这篇研究在怀俄明州的半干旱农场环境下，首次对多年生谷物Kernza?、传统一年一熟小麦休耕制（wheat–fallow）以及土地休耕保育计划（Conservation Reserve Program, CRP）系统进行了田间尺度的综合比较。通过两年（2021–2023年）的试验，评估了作物产量、根系生物量、土壤健康和根际微生物群落。研究发现，尽管Kernza的谷物产量较低，但其在土壤健康和生态功能方面展现出巨大潜力：与一年生小麦相比，Kernza的根生物量高出近三倍，其根际土壤的有机质、酶活性和微生物群落结构在第二年更接近于CRP系统中的野生型中间偃麦草（Intermediate Wheatgrass, IWG）。这表明，作为一种仍在发展中的低产作物，Kernza在改善土壤健康、提高水肥利用效率以及提供收获（谷物/饲草）灵活性方面，为半干旱脆弱土地的可持续管理提供了有价值的替代选择。
引言
全球大部分作物为一年生，与多年生系统相比，一年生系统通常更易受气候胁迫影响，水肥利用效率较低，且生物多样性支持能力较弱。在美国大平原等地区，大面积原生多年生草地被转化为一年生谷物种植，导致了严重的土壤退化。例如，怀俄明高地的冬小麦-休耕轮作系统已损失了33–63%的原生土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）。针对这一问题，育种家们开发了多年生谷物作物，以期模仿原生草地的生态系统服务功能。其中，Kernza?便是由中间偃麦草（Thinopyrum intermedium）培育出的一个多年生谷物兼饲草品种，一次播种可连续收获3–5年。其庞大的根系可稳定土壤、获取深层水分和养分，并有可能增加深层土壤有机碳。本研究旨在通过在怀俄明州东南部一个工作农场的实地试验，比较Kernza、冬小麦-休耕以及CRP系统，评估Kernza在这一此前未经测试的半干旱环境中的表现，特别是其对土壤健康和微生物群落的影响。我们假设，与冬小麦相比，Kernza能促进更高的根系生物量、土壤有机质库和微生物活性，并且其支持的微生物群落将更接近于多年生参考系统（CRP）而非一年生小麦。
材料与方法
试验于2021年至2023年在美国怀俄明州Chugwater附近的一个工作农场进行。当地气候为半干旱，年平均降水量为419毫米。试验设置了三个处理田块：冬小麦-休耕地、相邻的等面积Kernza田以及一个CRP田。每个田块内设置了8个随机分布的样方作为空间重复。Kernza于2021年4月播种，冬小麦于2021年9月播种并于2022年7月收获。CRP田于2012年建立，种植了包括中间偃麦草在内的多种禾草和苜蓿混合体。所有田块均不施肥、不灌溉。研究人员每年从每个样方采集植物和土壤样品，测量了谷物和饲草产量、根系生物量，并分析了体（bulk）土壤和根际（rhizosphere）土壤的健康指标与微生物群落。土壤分析涵盖了土壤结构、有机质动态、微生物生物量（通过磷脂脂肪酸，PLFA分析）和潜在胞外酶活性。此外，通过扩增子测序对根际土壤的细菌和丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF）群落组成进行了表征。数据分析采用了考虑空间自相关的空间线性模型、多元方差分析等方法。
结果
谷物与生物量产量
第一个生长季（2021年8月至2022年7月）较为干旱，Kernza和冬小麦的谷物产量均很低，但地上部生物量可观。Kernza生产了2995 kg ha-1的饲草，但谷物产量不足以收获。第二个生长季（2022年8月至2023年7月）降水充沛，Kernza的谷物产量为286 kg ha-1，仅为冬小麦产量（2172 kg ha-1）的13.2%，但其地上部生物量达到冬小麦的59%，而根系生物量则是冬小麦的近三倍。
体土壤性质
大多数体土壤健康指标在处理间无显著差异，Kernza与小麦-休耕系统之间亦无差异。然而，酶活性在三者间存在差异，CRP系统的总体酶活性最高。
根际土壤性质
在根际土壤中，第一年的Kernza与小麦更为相似。但到了第二年，情况发生逆转：除溶解性有机氮（Dissolved Organic Nitrogen, DON）外，Kernza根际土壤的所有有机质和微生物活性指标（如高锰酸盐可氧化碳、土壤蛋白、微生物生物量等）均高于小麦，且与CRP中的野生型中间偃麦草无显著差异。同样，根际酶活性在第二年也显示出Kernza高于小麦，并更接近CRP系统。
根际土壤微生物群落
细菌和AMF的群落组成在三种作物间均存在显著差异。第一年，Kernza的根际微生物群落与小麦更为相似；但到了第二年，则变得与CRP中的野生型中间偃麦草更为接近。在alpha多样性方面，Kernza根际土壤的细菌ESV丰富度和香农多样性在第二年高于小麦。
讨论
根际与体土壤健康
由于研究周期较短，且在年际间使用了不同的小麦田块，因此关于Kernza对整体土壤健康影响的结论有限。然而，根际土壤的差异很可能反映了植物驱动的效应。研究发现，体土壤性质在处理间差异不大，这可能是因为在干旱半干旱环境中，土壤变化通常需要超过三年时间才能被检测到。相比之下，根际土壤的变化更为明显。第二年，Kernza根际土壤表现出更高的有机质、微生物生物量和酶活性，这与其近三倍于小麦的根系生物量密切相关。高根系生物量与更多的根系分泌物（如溶解性有机碳）相关，这可能有助于长期的土壤有机碳积累。
根际微生物群落
Kernza根际的AMF和细菌群落在第一年更接近冬小麦，但在第二年转向与CRP中的野生型中间偃麦草更相似。这一转变可能与第二年Kernza根际有机质的增加有关。这一发现表明，即使作为行栽作物管理，Kernza仍可能保留其野生祖先的部分微生物群落特征。
农业可行性
在干旱的第一年，Kernza和冬小麦的谷物产量都很低，可能更适合作为饲草收获。在湿润的第二年，Kernza的谷物产量仍然远低于冬小麦，仅为大平原区Kernza平均产量的73%。与中西部的研究结果不同，本研究中未在头两年观察到Kernza产量随种植年限下降，这可能与更短、更干燥的生长季有关。附近的一项并行灌溉试验表明，水分限制严重抑制了Kernza的谷物产量，但在干旱年份，其作为饲草的价值可能高于谷物。一项基于本研究的经济分析指出，Kernza较高的市场价值、较低的投入成本以及饲草价值，可能抵消其较低的谷物产量，在某些情景下，其经济回报可能超过小麦-休耕制。
结论
这项初步研究为理解Kernza在干旱易发环境下的表现提供了见解。Kernza的高根系生物量和根际有机质表明，从小麦-休耕制转型的土地具有改善土壤健康的潜力，但可能需要更长时间的研究来确认。Kernza支持的根际微生物群落更接近于CRP中的野生型中间偃麦草而非小麦，表明其在行栽管理下仍保留了野生祖先的某些特性。尽管旱作谷物产量较低，但其较高的市场价值、土壤健康效益以及在干旱年份收获谷物或饲草的灵活性，可能使其成为该地区农民从一年生谷物转型的一个可行替代选择。
