灌溉方式及生物质炭对冬小麦产量及水肥利用效率的影响

2021-07-01刘杰云邱虎森张文正蔡九茂王晓森吕谋超

灌溉排水学报 2021年6期

刘杰云，邱虎森，张文正，蔡九茂，王晓森，吕谋超*

（1.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业农村部节水灌溉工程重点实验室，河南新乡 453002；2.宿州学院环境与测绘工程学院，安徽宿州 234100）

0 引言

【研究意义】冬小麦是我国主要粮食作物之一，确保其生产可持续发展对保障我国粮食安全意义重大。在华北地区，由于降水较少，在冬小麦生育阶段需要灌水来满足其正常生长。目前，冬小麦的主要灌溉方式为地面漫灌，灌水定额大，水分利用效率低，水资源浪费严重，导致地下水超采严重等一系列生态环境问题。因此，如何合理高效利用有限的水资源，提高作物水分利用效率是小麦生产面临的严峻挑战[1]。

【研究进展】节水灌溉可提高灌溉水利用效率，节约灌溉用水15%～70%[2-4]，同时达到不减产，甚至增产的效果[5-7]。董志强等[8]的研究表明微喷灌较畦灌增加冬小麦产量及水分利用效率。陈静等[9]研究发现滴灌可提高小麦籽粒产量及水分利用效率。而宓文海等[10]则认为与漫灌相比，滴灌并没有显著增加小麦产量。不同灌溉方式下土壤含水度及分布的不同，势必会影响到氮素的迁移和转化，从而影响作物对氮肥的吸收利用。因此，有必要对不同灌溉方式下冬小麦产量、水分利用效率和氮肥利用效率进行研究。

生物质炭是生物质在完全或部分缺氧条件下热解炭化产生的一类高度芳香化的难溶性有机物质[11]。生物质炭具有发达的孔隙结构，可吸附土壤水分，增加土壤通气性，从而改善土壤水分和通气状况[12]。生物质炭添加到土壤中，在不影响作物产量的前提下，可降低50%灌溉用水[5]。生物质炭与不同灌溉方式结合，如何影响作物产量及水肥利用效率，目前的研究结果不一。如在滴灌条件下，施用3 t/hm2和6 t/hm2生物质炭增加了土壤pH、N、P、K 和CEC 量，并提高了玉米产量[13]。而Lamb 等[14]认为滴灌、喷灌均可提高玉米、棉花、大豆的产量，但是生物质炭的作用效果并不显著。【切入点】在华北地区，不同灌溉方式下添加生物质炭如何影响冬小麦产量及水肥利用效率尚不清楚，需要开展大量的田间试验进行验证。【拟解决的关键问题】因此本研究在中国农业科学院新乡综合试验基地开展田间小区试验，研究不同灌溉方式及生物质炭添加量对冬小麦产量及灌溉水利用效率和氮肥表观利用效率的影响，以期为华北地区节水灌溉方式及生物质炭的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验小区位于河南省新乡县七里营镇中国农业科学院新乡试验基地（113°45′E，35°08′N），海拔73.2 m。本区域多年平均气温为14.1℃，多年平均降水量为582 mm，且多集中在7－9月（占全年降水量的70%～80%以上），无霜期为210 d，多年平均蒸发量2000 mm，光热资源丰富，农作物种植制度以冬小麦-夏玉米轮作为主。供试土壤为粉壤土。生物质炭产自河南商丘三利新能源有限责任公司，为花生壳在350～550℃条件下制成。供试土壤和生物质炭的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤及生物质炭基本理化性质Table 1 Basic properties of soil and biochar

1.2 试验设计

本试验小区面积为49 m2（7 m×7 m），小区之间设置2m 宽保护行。选取4 种灌溉方式：传统漫灌（F）、滴灌（D）、喷灌（S）和微喷灌（I）。因本研究土壤为碱性土壤，为避免生物质炭对碱性土壤的pH 影响过大，每种灌溉方式设置3 个较低量的生物质炭处理：①无生物质炭添加（CK）；②添加10t/hm2生物质炭（LB）；③添加20t/hm2生物质炭（HB）。生物质炭在2018年10月冬小麦种植前添加。每个处理设3 个重复。

供试冬小麦品种为矮抗207，2018年10月11日种植，行间距20 cm，2019年6月8日收获。氮肥施用量按照当地常规施肥施用，总施氮量为 202.5 kg/hm2，分2 次施入土壤，小麦播种前施用750 kg/hm2含钾二铵复合肥（N、P2O5、K2O 质量比为15∶39∶8）作为基肥（以氮计112.5 kg/hm2），返青期施用600 kg/hm2尿素作为追肥（以氮计90 kg/hm2）。根据作物需水规律灌水4 次：2018年11月12日采用移动式喷灌方式灌越冬水；2019年2月25日、4月17日、5月20日分别进行灌水，漫灌为灌足水，灌水量约为90 mm，滴灌、喷灌、微喷灌根据当地降水量及作物需水量来确定，设定每次灌水定额为45 mm。整个小麦生育期漫灌、滴灌、喷灌和微喷灌的总灌水量分别为360、225、225 mm 和225 mm。农田施肥、病虫害防治等田间管理均采用当地常规管理模式。

1.3 样品采集与测定

冬小麦收获前，每小区取10 株长势中等的植株，连根采集，用清水洗净植株及根系，自然条件下风干，测量其株高和根长。株高的测定：用尺子测量根颈部到主茎顶部的距离；根长的测定：用尺子测量最长的主根系底部到根颈部的距离。用剪刀将其穗剪掉，数10 穗的实粒数和空瘪粒数，计算其平均每穗的实粒数和空瘪率。在每个小区内随机选取3 个1 m2的样方，收割，放入带有标签的网袋内，晒干，称其生物量，脱粒，分别称其秸秆质量和籽粒质量。每个小区分别取200 g 左右的秸秆和籽粒，烘干，测其含水率，计算生物量、秸秆、籽粒干质量。然后按照13.5%的标准含水率，计算生物量、秸秆产量和籽粒产量。在每个小区的籽粒中随机取出部分籽粒，数其中1000粒，称其质量，根据其含水率，计算千粒质量。收获指数计算式为：收获指数（%）=籽粒产量（t/hm2）/生物量（t/hm2）。

根据每个小区的施氮量及灌水量，计算其水肥利用效率：氮肥表观利用效率（kg/kg）=籽粒产量（t/hm2）/施氮量（kg/hm2）×1000，灌溉水利用效率（kg/m3）=籽粒产量（t/hm2）/总灌水量（m3/hm2）×1000。

1.4 数据处理与统计分析

数据统计分析采用 SPSS20 进行方差分析，单因素方差分析多重比较采用最小显著差数法（LSD），显著水平为P＜0.05；双因素方差分析的显著水平为P＜0.05、P＜0.01 及P＜0.001。

2 结果与分析

2.1 不同处理对冬小麦形态的影响

灌溉方式及生物质炭对冬小麦株高和根长影响的双因素方差分析结果见表2。灌溉方式和生物质炭添加均没有显著改变冬小麦的株高和根长。

表2 灌溉方式及生物质炭施用下冬小麦形态Table 2 Effects of irrigation type and biochar on morphology characteristics of winter wheat

各处理的冬小麦株高变化范围为72.25～76.68 cm（表3），各灌溉方式处理之间差异均未达到显著水平（p＞0.05）。在不同的灌溉方式中，添加生物质炭降低了小麦株高，但仅S+HB 处理较S 处理显著降低了株高（p＜0.05），其他灌溉方式中，添加和不添加生物质炭处理之间均未表现出显著性差异（p＞0.05）。与株高变化不同，D、S、I 处理均较F 处理增加了根长，增幅分别为14.96%、11.29%和11.81%，但各处理之间差异均未达到显著水平（p＞0.05）。同一灌溉方式中，添加和不添加生物质炭处理之间的根长差异均不显著（p＞0.05）。在漫灌和喷灌方式中，与不添加生物质炭处理相比，添加生物质炭增加了根长，且随着生物质炭添加量的增加而增加。在滴灌方式中，添生物质炭处理的根长分别较不添加生物质炭处理降低了13.01%和13.24%。在微喷灌方式中，与不添加生物质炭相比，添加生物质炭降低了根长，但随着添加量的增加而增加。

表3 冬小麦的株高和根长Table 3 Stem height and root length of winter wheat

2.2 不同处理对冬小麦产量及其构成要素的影响

由表4 可知，灌溉方式可显著影响小麦产量及其构成要素（除千粒质量外）（p＜0.05），但添加生物质炭及灌溉方式与生物质炭的交互作用对小麦产量及其构成要素的影响不显著（p＞0.05）。与F 处理相比，D 处理和 I 处理未显著降低每穗的实粒数（p＞0.05，表5），S 处理显著降低了每穗的实粒数（p＜0.05）。D 处理降低了空瘪率（p＞0.05），而S处理和I 处理则增加了空瘪率（p＞0.05）。与F 处理相比，D 处理和I 处理降低了千粒质量，但不显著（p＞0.05），而 S 处理则显著降低了千粒质量（p＜0.05），降幅达9.66%。与F 处理相比，D 处理显著降低了秸秆产量（p＜0.05），降幅达11.61%，其他处理之间则无显著差异。D、S 处理和I 处理的籽粒产量分别较F 处理降低8.56%、12.67%和5.76%（p＞0.05）。D 处理和S 处理降低了生物量（p＞0.05），而I 处理则增加了生物量（p＞0.05）。与F 处理相比，D 处理增加了冬小麦的收获指数（p＞0.05），而S 处理和I 处理则降低了收获指数（p＞0.05）。

表4 不同处理冬小麦产量及其构成要素的双因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA analysis for winter wheat grain yield and yield components of differenttreatments

表5 冬小麦产量及其构成要素Table 5 The winter wheatyield and yield compositions

2.3 不同处理对冬小麦水肥利用效率的影响

由表6 可知，灌溉方式可显著影响氮肥表观利用效率和灌溉水利用效率（p＜0.05），但二者却并不受生物质炭添加的影响（p＞0.05）。D、S 处理和I 处理的氮肥表观利用效率较F 处理有所降低，但各种灌溉方式之间没有显著差异（p＞0.05，图1），而在高量生物质炭添加条件下，S+HB 处理的氮肥表观利用效率显著低于F+HB 处理（p＜0.05）。与F 处理相比，D、S 处理和I 处理的灌溉水利用效率均显著提高（p＜0.05，图2），增幅分别为42.79%、39.09%和47.71%，且滴灌、喷灌和微喷灌条件下添加生物质炭处理的灌溉水利用效率也显著高于漫灌条件下的生物质炭处理（p＜0.05），但同一灌溉方式下，添加生物质炭对灌溉水利用效率并无显著影响（p＞0.05）。

表6 不同处理冬小麦水肥利用效率的双因素方差分析Table 6 Two-way ANOVA analysis for irrigation water and nitrogen fertilizer of winter wheat in different treatments

图1 不同处理的氮肥表观利用效率Fig.1 The apparentnitrogen use efficiency of different treatments

图2 不同处理的灌溉水利用效率Fig.2 The irrigation water use efficiency of different treatments

3 讨论

3.1 灌溉方式及生物质炭对冬小麦产量的影响

灌溉方式对土壤水分和养分的分布、小麦生长和产量均有一定的影响[15-16]。节水灌溉方式可提高小麦穗粒数、千粒质量，进而增加小麦产量[15]，但也有研究认为，节水灌溉方式对小麦产量没有显著影响[10]。在本研究中，与漫灌相比，滴灌、喷灌和微喷灌方式并未显著影响冬小麦产量，甚至有所降低，这可能与土壤性质、灌水量等有关。较高的土壤水分对小麦产量的提升有利[17-18]。较高的土壤水分提高了小麦植株对氮素的吸收，充足的氮素营养使小麦分蘖成穗率和穗粒数增加[19]。本研究中，漫灌灌水量较大，土壤含水率相对较高，而滴灌、喷灌和微喷灌的灌水定额约为漫灌的50%，土壤水分低于漫灌，因而造成了一定程度的减产。此外，在小麦生长过程中，发现灌浆期灌水后，遇到大风天气，喷灌和微喷灌处理由于灌水过程中水流自上而下运动，部分水分被麦穗截获，加之小麦株高较漫灌有所增加，导致出现部分倒伏的现象，因而喷灌处理的实粒数/穗较其他处理降低，进而籽粒产量也最低。因此，喷灌方式不适宜应用于多风的冬小麦季。而滴灌方式下，虽然小麦株高较漫灌处理增加，但其秸秆产量反而降低，这可能是增加的株高主要来源于穗长的增加，进而提高了滴灌处理的收获指数。

生物质炭能够延缓肥料养分在土壤中的释放，减少养分淋失，提高养分利用率，从而使作物增产[20-22]。但受生物质炭原料、施用量等的影响，作物生长和产量对生物质炭施用的响应效果不同[21]。在本研究中，添加10 t/hm2和20 t/hm2生物质炭，在各种灌溉方式下均未对产量及其构成要素产生显著的影响。而在同样性质的土壤中，添加20～60 t/hm2小麦秸秆生物质炭显著增加了冬小麦产量1.0%～5.9%[23]。因此，本研究中生物质炭对小麦产量没有显著影响可能是由于施用量较低导致的，也可能是受生物质炭制备原料的影响。此外，不同的土壤性质也可能会影响生物质炭的增产效应。如谢迎新等[21]的研究表明，在潮土中添加2.25～11.25 t/hm2生物质炭，可提高冬小麦产量7.0%～8.5%，此研究中的生物质炭添加量远低于本研究的添加量，但却显著增加了小麦产量。研究表明，生物质炭在肥力较低的土壤中施用对作物生长的促进作用更为明显[24]，该研究中的土壤肥力（有机质量11.2 g/kg，总氮量0.79 g/kg）低于本研究土壤（有机质量16.4 g/kg，总氮量1.0 g/kg），致使添加低量的生物质炭即可促进作物的生长。由此可见，在本研究中，由于生物质炭添加量较低，在各种灌溉方式下对冬小麦产量均未产生显著影响，在今后的工作中，应加大生物质炭的添加量，研究其在不同灌溉方式下对作物产量的提升作用。

3.2 灌溉方式及生物质炭对冬小麦水肥利用效率的影响。

灌溉方式可影响小麦群体及水分利用效率[8,25-26]。灌溉水利用效率随灌水量的增加而降低[27]。土壤水分过多易影响根系的正常呼吸，不利于养分吸收，而一定水分胁迫则有利于水分利用效率的提高[28]。在本研究中，滴灌、喷灌和微喷灌处理的灌水定额约为漫灌处理的50%，在未显著降低小麦产量的前提下，其灌溉水利用效率则分别较漫灌处理提高42.79%、39.09%和47.71%。由于喷灌和微喷灌容易受大风天气影响造成倒伏现象，因而滴灌是较为适宜于华北地区冬小麦的灌溉方式。按照本研究的灌溉定额计算，在未造成明显减产条件下，滴灌方式可节水1415.25 m3/hm2。据王学等[29]研究结果，华北地区冬小麦种植面积约为1.2×107hm2，若在华北地区将传统的漫灌方式改为滴灌方式灌溉，则可节水约1698.3×107m3，这对缓解华北地区地下水超采严重现状具有重大意义。

在本研究中，由于每种灌溉方式下，氮肥施用量均相同，且产量之间没有明显差异，造成节水灌溉方式并没有明显提高氮肥表观利用效率，甚至采用喷灌方式氮肥表观利用效率显著降低，这可能与节水灌溉方式下灌水量较低有关。在今后的研究中，可适当增加灌水量，研究在节水的条件下，如何提高作物产量和氮肥表观利用效率。此外，生物质炭添加在本研究中对灌溉水利用效率及氮肥利用效率均没有显著影响，这与谢迎新等[21]、李中阳等[23]的研究不一致，这可能是由于在本研究土壤肥力状况下生物质炭添加量较低造成的，今后的研究中可适当增加生物质炭添加量。