灌溉方式及生物質炭對冬小麥產量及水肥利用效率的影響

劉杰云，邱虎森，張文正，蔡九茂，王曉森，呂謀超*

（1.中國農業科學院農田灌溉研究所/農業農村部節水灌溉工程重點實驗室，河南新鄉 453002；2.宿州學院環境與測繪工程學院，安徽宿州 234100）

0 引言

【研究意義】冬小麥是我國主要糧食作物之一，確保其生產可持續發展對保障我國糧食安全意義重大。在華北地區，由于降水較少，在冬小麥生育階段需要灌水來滿足其正常生長。目前，冬小麥的主要灌溉方式為地面漫灌，灌水定額大，水分利用效率低，水資源浪費嚴重，導致地下水超采嚴重等一系列生態環境問題。因此，如何合理高效利用有限的水資源，提高作物水分利用效率是小麥生產面臨的嚴峻挑戰[1]。

【研究進展】節水灌溉可提高灌溉水利用效率，節約灌溉用水15%～70%[2-4]，同時達到不減產，甚至增產的效果[5-7]。董志強等[8]的研究表明微噴灌較畦灌增加冬小麥產量及水分利用效率。陳靜等[9]研究發現滴灌可提高小麥籽粒產量及水分利用效率。而宓文海等[10]則認為與漫灌相比，滴灌并沒有顯著增加小麥產量。不同灌溉方式下土壤含水度及分布的不同，勢必會影響到氮素的遷移和轉化，從而影響作物對氮肥的吸收利用。因此，有必要對不同灌溉方式下冬小麥產量、水分利用效率和氮肥利用效率進行研究。

生物質炭是生物質在完全或部分缺氧條件下熱解炭化產生的一類高度芳香化的難溶性有機物質[11]。生物質炭具有發達的孔隙結構，可吸附土壤水分，增加土壤通氣性，從而改善土壤水分和通氣狀況[12]。生物質炭添加到土壤中，在不影響作物產量的前提下，可降低50%灌溉用水[5]。生物質炭與不同灌溉方式結合，如何影響作物產量及水肥利用效率，目前的研究結果不一。如在滴灌條件下，施用3 t/hm2和6 t/hm2生物質炭增加了土壤pH、N、P、K 和CEC 量，并提高了玉米產量[13]。而Lamb 等[14]認為滴灌、噴灌均可提高玉米、棉花、大豆的產量，但是生物質炭的作用效果并不顯著。【切入點】在華北地區，不同灌溉方式下添加生物質炭如何影響冬小麥產量及水肥利用效率尚不清楚，需要開展大量的田間試驗進行驗證。【擬解決的關鍵問題】因此本研究在中國農業科學院新鄉綜合試驗基地開展田間小區試驗，研究不同灌溉方式及生物質炭添加量對冬小麥產量及灌溉水利用效率和氮肥表觀利用效率的影響，以期為華北地區節水灌溉方式及生物質炭的應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗小區位于河南省新鄉縣七里營鎮中國農業科學院新鄉試驗基地（113°45′E，35°08′N），海拔73.2 m。本區域多年平均氣溫為14.1℃，多年平均降水量為582 mm，且多集中在7－9月（占全年降水量的70%～80%以上），無霜期為210 d，多年平均蒸發量2000 mm，光熱資源豐富，農作物種植制度以冬小麥-夏玉米輪作為主。供試土壤為粉壤土。生物質炭產自河南商丘三利新能源有限責任公司，為花生殼在350～550℃條件下制成。供試土壤和生物質炭的基本理化性質見表1。

表1 供試土壤及生物質炭基本理化性質Table 1 Basic properties of soil and biochar

1.2 試驗設計

本試驗小區面積為49 m2（7 m×7 m），小區之間設置2m 寬保護行。選取4 種灌溉方式：傳統漫灌（F）、滴灌（D）、噴灌（S）和微噴灌（I）。因本研究土壤為堿性土壤，為避免生物質炭對堿性土壤的pH 影響過大，每種灌溉方式設置3 個較低量的生物質炭處理：①無生物質炭添加（CK）；②添加10t/hm2生物質炭（LB）；③添加20t/hm2生物質炭（HB）。生物質炭在2018年10月冬小麥種植前添加。每個處理設3 個重復。

供試冬小麥品種為矮抗207，2018年10月11日種植，行間距20 cm，2019年6月8日收獲。氮肥施用量按照當地常規施肥施用，總施氮量為 202.5 kg/hm2，分2 次施入土壤，小麥播種前施用750 kg/hm2含鉀二銨復合肥（N、P2O5、K2O 質量比為15∶39∶8）作為基肥（以氮計112.5 kg/hm2），返青期施用600 kg/hm2尿素作為追肥（以氮計90 kg/hm2）。根據作物需水規律灌水4 次：2018年11月12日采用移動式噴灌方式灌越冬水；2019年2月25日、4月17日、5月20日分別進行灌水，漫灌為灌足水，灌水量約為90 mm，滴灌、噴灌、微噴灌根據當地降水量及作物需水量來確定，設定每次灌水定額為45 mm。整個小麥生育期漫灌、滴灌、噴灌和微噴灌的總灌水量分別為360、225、225 mm 和225 mm。農田施肥、病蟲害防治等田間管理均采用當地常規管理模式。

1.3 樣品采集與測定

冬小麥收獲前，每小區取10 株長勢中等的植株，連根采集，用清水洗凈植株及根系，自然條件下風干，測量其株高和根長。株高的測定：用尺子測量根頸部到主莖頂部的距離；根長的測定：用尺子測量最長的主根系底部到根頸部的距離。用剪刀將其穗剪掉，數10 穗的實粒數和空癟粒數，計算其平均每穗的實粒數和空癟率。在每個小區內隨機選取3 個1 m2的樣方，收割，放入帶有標簽的網袋內，曬干，稱其生物量，脫粒，分別稱其秸稈質量和籽粒質量。每個小區分別取200 g 左右的秸稈和籽粒，烘干，測其含水率，計算生物量、秸稈、籽粒干質量。然后按照13.5%的標準含水率，計算生物量、秸稈產量和籽粒產量。在每個小區的籽粒中隨機取出部分籽粒，數其中1000粒，稱其質量，根據其含水率，計算千粒質量。收獲指數計算式為：收獲指數（%）=籽粒產量（t/hm2）/生物量（t/hm2）。

根據每個小區的施氮量及灌水量，計算其水肥利用效率：氮肥表觀利用效率（kg/kg）=籽粒產量（t/hm2）/施氮量（kg/hm2）×1000，灌溉水利用效率（kg/m3）=籽粒產量（t/hm2）/總灌水量（m3/hm2）×1000。

1.4 數據處理與統計分析

數據統計分析采用 SPSS20 進行方差分析，單因素方差分析多重比較采用最小顯著差數法（LSD），顯著水平為P＜0.05；雙因素方差分析的顯著水平為P＜0.05、P＜0.01 及P＜0.001。

2 結果與分析

2.1 不同處理對冬小麥形態的影響

灌溉方式及生物質炭對冬小麥株高和根長影響的雙因素方差分析結果見表2。灌溉方式和生物質炭添加均沒有顯著改變冬小麥的株高和根長。

表2 灌溉方式及生物質炭施用下冬小麥形態Table 2 Effects of irrigation type and biochar on morphology characteristics of winter wheat

各處理的冬小麥株高變化范圍為72.25～76.68 cm（表3），各灌溉方式處理之間差異均未達到顯著水平（p＞0.05）。在不同的灌溉方式中，添加生物質炭降低了小麥株高，但僅S+HB 處理較S 處理顯著降低了株高（p＜0.05），其他灌溉方式中，添加和不添加生物質炭處理之間均未表現出顯著性差異（p＞0.05）。與株高變化不同，D、S、I 處理均較F 處理增加了根長，增幅分別為14.96%、11.29%和11.81%，但各處理之間差異均未達到顯著水平（p＞0.05）。同一灌溉方式中，添加和不添加生物質炭處理之間的根長差異均不顯著（p＞0.05）。在漫灌和噴灌方式中，與不添加生物質炭處理相比，添加生物質炭增加了根長，且隨著生物質炭添加量的增加而增加。在滴灌方式中，添生物質炭處理的根長分別較不添加生物質炭處理降低了13.01%和13.24%。在微噴灌方式中，與不添加生物質炭相比，添加生物質炭降低了根長，但隨著添加量的增加而增加。

表3 冬小麥的株高和根長Table 3 Stem height and root length of winter wheat

2.2 不同處理對冬小麥產量及其構成要素的影響

由表4 可知，灌溉方式可顯著影響小麥產量及其構成要素（除千粒質量外）（p＜0.05），但添加生物質炭及灌溉方式與生物質炭的交互作用對小麥產量及其構成要素的影響不顯著（p＞0.05）。與F 處理相比，D 處理和 I 處理未顯著降低每穗的實粒數（p＞0.05，表5），S 處理顯著降低了每穗的實粒數（p＜0.05）。D 處理降低了空癟率（p＞0.05），而S處理和I 處理則增加了空癟率（p＞0.05）。與F 處理相比，D 處理和I 處理降低了千粒質量，但不顯著（p＞0.05），而 S 處理則顯著降低了千粒質量（p＜0.05），降幅達9.66%。與F 處理相比，D 處理顯著降低了秸稈產量（p＜0.05），降幅達11.61%，其他處理之間則無顯著差異。D、S 處理和I 處理的籽粒產量分別較F 處理降低8.56%、12.67%和5.76%（p＞0.05）。D 處理和S 處理降低了生物量（p＞0.05），而I 處理則增加了生物量（p＞0.05）。與F 處理相比，D 處理增加了冬小麥的收獲指數（p＞0.05），而S 處理和I 處理則降低了收獲指數（p＞0.05）。

表4 不同處理冬小麥產量及其構成要素的雙因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA analysis for winter wheat grain yield and yield components of differenttreatments

表5 冬小麥產量及其構成要素Table 5 The winter wheatyield and yield compositions

2.3 不同處理對冬小麥水肥利用效率的影響

由表6 可知，灌溉方式可顯著影響氮肥表觀利用效率和灌溉水利用效率（p＜0.05），但二者卻并不受生物質炭添加的影響（p＞0.05）。D、S 處理和I 處理的氮肥表觀利用效率較F 處理有所降低，但各種灌溉方式之間沒有顯著差異（p＞0.05，圖1），而在高量生物質炭添加條件下，S+HB 處理的氮肥表觀利用效率顯著低于F+HB 處理（p＜0.05）。與F 處理相比，D、S 處理和I 處理的灌溉水利用效率均顯著提高（p＜0.05，圖2），增幅分別為42.79%、39.09%和47.71%，且滴灌、噴灌和微噴灌條件下添加生物質炭處理的灌溉水利用效率也顯著高于漫灌條件下的生物質炭處理（p＜0.05），但同一灌溉方式下，添加生物質炭對灌溉水利用效率并無顯著影響（p＞0.05）。

表6 不同處理冬小麥水肥利用效率的雙因素方差分析Table 6 Two-way ANOVA analysis for irrigation water and nitrogen fertilizer of winter wheat in different treatments

圖1 不同處理的氮肥表觀利用效率Fig.1 The apparentnitrogen use efficiency of different treatments

圖2 不同處理的灌溉水利用效率Fig.2 The irrigation water use efficiency of different treatments

3 討論

3.1 灌溉方式及生物質炭對冬小麥產量的影響

灌溉方式對土壤水分和養分的分布、小麥生長和產量均有一定的影響[15-16]。節水灌溉方式可提高小麥穗粒數、千粒質量，進而增加小麥產量[15]，但也有研究認為，節水灌溉方式對小麥產量沒有顯著影響[10]。在本研究中，與漫灌相比，滴灌、噴灌和微噴灌方式并未顯著影響冬小麥產量，甚至有所降低，這可能與土壤性質、灌水量等有關。較高的土壤水分對小麥產量的提升有利[17-18]。較高的土壤水分提高了小麥植株對氮素的吸收，充足的氮素營養使小麥分蘗成穗率和穗粒數增加[19]。本研究中，漫灌灌水量較大，土壤含水率相對較高，而滴灌、噴灌和微噴灌的灌水定額約為漫灌的50%，土壤水分低于漫灌，因而造成了一定程度的減產。此外，在小麥生長過程中，發現灌漿期灌水后，遇到大風天氣，噴灌和微噴灌處理由于灌水過程中水流自上而下運動，部分水分被麥穗截獲，加之小麥株高較漫灌有所增加，導致出現部分倒伏的現象，因而噴灌處理的實粒數/穗較其他處理降低，進而籽粒產量也最低。因此，噴灌方式不適宜應用于多風的冬小麥季。而滴灌方式下，雖然小麥株高較漫灌處理增加，但其秸稈產量反而降低，這可能是增加的株高主要來源于穗長的增加，進而提高了滴灌處理的收獲指數。

生物質炭能夠延緩肥料養分在土壤中的釋放，減少養分淋失，提高養分利用率，從而使作物增產[20-22]。但受生物質炭原料、施用量等的影響，作物生長和產量對生物質炭施用的響應效果不同[21]。在本研究中，添加10 t/hm2和20 t/hm2生物質炭，在各種灌溉方式下均未對產量及其構成要素產生顯著的影響。而在同樣性質的土壤中，添加20～60 t/hm2小麥秸稈生物質炭顯著增加了冬小麥產量1.0%～5.9%[23]。因此，本研究中生物質炭對小麥產量沒有顯著影響可能是由于施用量較低導致的，也可能是受生物質炭制備原料的影響。此外，不同的土壤性質也可能會影響生物質炭的增產效應。如謝迎新等[21]的研究表明，在潮土中添加2.25～11.25 t/hm2生物質炭，可提高冬小麥產量7.0%～8.5%，此研究中的生物質炭添加量遠低于本研究的添加量，但卻顯著增加了小麥產量。研究表明，生物質炭在肥力較低的土壤中施用對作物生長的促進作用更為明顯[24]，該研究中的土壤肥力（有機質量11.2 g/kg，總氮量0.79 g/kg）低于本研究土壤（有機質量16.4 g/kg，總氮量1.0 g/kg），致使添加低量的生物質炭即可促進作物的生長。由此可見，在本研究中，由于生物質炭添加量較低，在各種灌溉方式下對冬小麥產量均未產生顯著影響，在今后的工作中，應加大生物質炭的添加量，研究其在不同灌溉方式下對作物產量的提升作用。

3.2 灌溉方式及生物質炭對冬小麥水肥利用效率的影響。

灌溉方式可影響小麥群體及水分利用效率[8,25-26]。灌溉水利用效率隨灌水量的增加而降低[27]。土壤水分過多易影響根系的正常呼吸，不利于養分吸收，而一定水分脅迫則有利于水分利用效率的提高[28]。在本研究中，滴灌、噴灌和微噴灌處理的灌水定額約為漫灌處理的50%，在未顯著降低小麥產量的前提下，其灌溉水利用效率則分別較漫灌處理提高42.79%、39.09%和47.71%。由于噴灌和微噴灌容易受大風天氣影響造成倒伏現象，因而滴灌是較為適宜于華北地區冬小麥的灌溉方式。按照本研究的灌溉定額計算，在未造成明顯減產條件下，滴灌方式可節水1415.25 m3/hm2。據王學等[29]研究結果，華北地區冬小麥種植面積約為1.2×107hm2，若在華北地區將傳統的漫灌方式改為滴灌方式灌溉，則可節水約1698.3×107m3，這對緩解華北地區地下水超采嚴重現狀具有重大意義。

在本研究中，由于每種灌溉方式下，氮肥施用量均相同，且產量之間沒有明顯差異，造成節水灌溉方式并沒有明顯提高氮肥表觀利用效率，甚至采用噴灌方式氮肥表觀利用效率顯著降低，這可能與節水灌溉方式下灌水量較低有關。在今后的研究中，可適當增加灌水量，研究在節水的條件下，如何提高作物產量和氮肥表觀利用效率。此外，生物質炭添加在本研究中對灌溉水利用效率及氮肥利用效率均沒有顯著影響，這與謝迎新等[21]、李中陽等[23]的研究不一致，這可能是由于在本研究土壤肥力狀況下生物質炭添加量較低造成的，今后的研究中可適當增加生物質炭添加量。

4 結論

1）與漫灌相比，在節水約50%條件下，滴灌、噴灌、微噴灌均沒有明顯降低冬小麥產量，且滴灌可提高冬小麥的收獲指數。在各種灌溉方式中，添加10 t/hm2和20 t/hm2生物質炭均不影響冬小麥產量及其構成要素。

2）與漫灌相比，滴灌、噴灌、微噴灌可提高灌溉水利用效率，但對氮肥表觀利用效率沒有顯著影響。

3）綜合考慮作物生長、產量、灌溉水利用效率等因素，初步認為滴灌是華北地區較為適宜的灌溉方式。