朱士江，葉曉思，王 斌，孫愛華，張 濤，華 信，王 竹(.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 4400；.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 5000;.宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)管理局，湖北 宜昌 4400)

0 引 言

水稻作為我國種植面積和產(chǎn)量最大的糧食作物，其種植面積占耕地面積的18%，產(chǎn)量占所有作物總產(chǎn)量的28%[1]，其灌溉用水量約占全國總用水量的54%，占農(nóng)業(yè)用水量70%[2,3]。然而，水資源總量不足、時空分布不均、水分利用效率低已成為我國水稻生產(chǎn)發(fā)展的制約因素。如何在穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的前提下，進一步節(jié)約水資源，提高水分利用效率，是水稻生產(chǎn)上亟待解決的問題，也是一直以來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點[4-6]。化肥在維持水稻生長方面起著重要作用[7]，而過量施用則會引起一系列嚴重的環(huán)境污染問題[8,9]。為降低氮肥用量，減輕對環(huán)境的壓力，在農(nóng)田土壤中適量施加生物炭越來越引起人們的重視[10]。大量研究表明，生物炭不僅可以改變土壤理化結(jié)構(gòu)提高土壤含水量，而且可以提高土壤肥力，進而促進農(nóng)作物生長發(fā)育，實現(xiàn)作物增產(chǎn)[11-17]。由此可見，無論從水分調(diào)控還是生物炭施加的角度均能提高水稻水分利用效率，實現(xiàn)高效用水，對保障我國糧食安全和水資源可持續(xù)利用有著重要的意義。

水炭耦合是將水分和生物炭相擬合，探究水炭雙因子交叉作用下對水稻生長發(fā)育、產(chǎn)量形成過程及水炭利用效率的影響。提高水炭利用效率被視為解決水稻需水與供水矛盾的措施之一，為此，本文開展不同灌溉模式不同生物炭配比大田種植試驗，研究不同水分調(diào)控、生物炭配比耦合對水稻產(chǎn)量及水分利用效率的影響，建立水炭投入與產(chǎn)量、水分利用效率的數(shù)量關(guān)系，以期為水稻生產(chǎn)實施有效的水炭管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗站概況

試驗于2016年5月10日-9月25日在東風(fēng)渠灌區(qū)管理局灌溉試驗站進行。該試驗站位于湖北省宜昌市境內(nèi)(N 30°70′，E 111°68′)，屬于溫帶季風(fēng)性濕潤氣候，具有四季分明，水熱同季，寒旱同季的氣候特征。無霜期250 d，日照時數(shù)1 538～1 883 h，日照率40%，年平均大于10 ℃積溫為5 200 ℃，年平均降雨量1 124 mm，水稻生長季節(jié)(5-9月)降水量占全年總降水量的69%。試驗區(qū)土壤為棕色壤土，土壤容重1.367 g/cm3，田間持水率(體積含水率)43.54%，有機質(zhì)含量21.2 g/kg，pH值7.6，全氮質(zhì)量分數(shù)1.05%，有效氮含量87.64 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)灌水量和生物炭施加量2因素。具體控水指標如表1所示。

表1 不同灌溉模式控水指標

注：①W1為常規(guī)灌溉，即除分蘗后期排水曬田、黃熟期自然落干以外，其余階段均建立40 mm水層；②W2為輕度水分虧缺，即除返青期田面保持20 mm淺薄水層和黃熟期自然落干以外，其他各生育階段各時期均灌水上限為40 mm，下限以根層土壤水分含量為控制指標，為飽和含水率的80%；③W3為重度水分虧缺，即除返青期田面保持20 mm淺薄水層和黃熟期自然落干以外，其他各生育階段灌水后均不建立水層，以根層土壤水分含量為控制指標，灌水上限為飽和含水率，下限為飽和含水率的80%。

生物炭施加設(shè)3種模式，B1：0 g/kg-不施加生物炭，B2：20 g/kg，B3：40 g/kg(以每千克干土施加生物炭的量計)。生物炭施加量計算公式如下：

Ci=ALiγBi

(1)

式中：Ci為第i模式生物炭施加量，g；A為試驗小區(qū)面積，m2；Li為水稻根系層深度取0.4 m；γ為土壤容重，kg/m3；Bi為生物炭施加等級，g/kg。

施肥量處理相同，取本地正常施肥水平240 kg/hm2(N-P2O5-K2O)按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶3∶2施入。鉀肥和磷肥都是以基肥的形式一次性施放，折純120 kg/hm2K2O和120 kg/hm2P2O5。以上氮肥、鉀肥、磷肥分別指的是尿素、氯化鉀及過磷酸鈣。

共9個處理，每個處理重復(fù)3次。各處理灌水日期相同，5月20日秧苗插秧后開始灌水，8月下旬結(jié)束灌水。灌水間隔約為5 d，灌水量為上次灌水到本次灌水間水稻的騰發(fā)量與田間滲漏量(宜昌地區(qū)4-9月份水稻田間滲漏量約為0.9 mm/d)之和。

耗水量計算如下：

ET=ETc+D

(2)

ETc=KcpEp

(3)

Kcp=KpKc

(4)

式中：ETc為騰發(fā)量，mm；Ep為自由水面蒸發(fā)量，mm，由在試驗站蒸發(fā)皿實測獲得；Kp為蒸發(fā)皿系數(shù)；Kc為作物系數(shù)，取1.27；Kcp為水稻蒸發(fā)皿-作物系數(shù)；D為滲漏量，mm。

1.3 測定項目與方法

(1)降雨量。降雨量監(jiān)測起始時間為水稻插秧至水稻收割，由試驗站內(nèi)水文氣象站監(jiān)測所得。

(2)灌溉水量。灌水采用水泵抽水，管道上裝有水表用來計量灌水量，常規(guī)灌溉用水尺測量田間水層深度，灌至水深40 mm停止?？刂乒喔扔帽銛y式土壤水分速測儀測定土壤0～20 cm剖面水分含量，灌至占飽和土壤含水率θs的100%停止灌水。每次灌水完成后記錄此次灌水量。

(3)株高、分蘗數(shù)、葉面積指數(shù)和葉綠素指數(shù)(SPAD)。在插秧16 d后(2016年6月10)，每隔5 d在每個小區(qū)隨機選取3株植株用卷尺測量株高(cm)，抽穗前為土面到最高葉尖的高度，抽穗后為土面到穗頂?shù)母叨?。每次選取具有代表性的三株，分上、中、下記錄每層葉片數(shù)目，然后分別針對上、中、下3層選取適量(>5片/株)葉片，測量葉長與葉寬，葉面積指數(shù)(LAI)可由下式得到：

LAI=AL/Ae

(5)

AL=NLWα

(6)

式中：AL為葉片總面積，m2；Ae為土地總面積，m2；N為葉片數(shù)目；L為單片葉片的長寬，m；W為單片葉片的寬度，m；α為修正系數(shù)，取0.75。

(4)考種與測產(chǎn)。主要測量指標有：有效分蘗數(shù)、結(jié)實率、千粒重、平均每穗粒數(shù)、產(chǎn)量。于收獲期在每個小區(qū)選取3 m2的區(qū)域內(nèi)測定水稻有效分蘗數(shù)、產(chǎn)量。在每個小區(qū)所選定區(qū)域之外分別在2～3株植株取上、中、下三穗，裝入密封袋?；卦囼炇液鬁y量平均每穗粒數(shù)、結(jié)實率。最后數(shù)取1 000粒稻米烘干稱取千粒重。

(5)水稻耗水量。水稻耗水量計算公式為：

ET=Pr+U+I-D-R-△W

(7)

式中：ET為耗水量，mm；Pr為生育期降雨量，mm；U為地下水補給量，mm；I為生育期灌水量，mm；D為深層滲漏量，mm；R為地表徑流量，mm；△W為試驗前后土壤含水量變化量，mm，由試驗獲得。

水稻插秧前和收獲后，在每個小區(qū)隨機選取3個位置用土鉆取土，取土深度0～100 cm，每10 cm取一次。在105 ℃恒溫箱中烘干測定土壤含水率，取其平均值作為各小區(qū)的土壤含水率。由于試驗區(qū)地下水埋深較深，表面無徑流，U、R可忽略不計，可將上式簡化為：

ET=Pr+I-R-△W

(8)

(6)作物水分利用效率。作物水分利用效率采用下式計算：

WUE=Y/ET

(9)

式中：WUE為水分利用率，kg/m3；Y為水稻單位面積產(chǎn)量，kg/hm2。

1.4 數(shù)據(jù)分析及處理方法

采用Microsoft Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)處理與繪圖，試驗數(shù)據(jù)用SPSS22.0分析，對不同處理指標先取小區(qū)內(nèi)平均值，然后進行方差分析，并用LSD、Duncan多重檢驗法對各個處理進行差異顯著性檢驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同水炭處理對水稻生長指標的影響

在不同灌水、施加生物炭條件下，株高、葉面積指數(shù)、有效分蘗以及千粒重數(shù)據(jù)見表2。由表2可知：

在常規(guī)灌溉水平(W1)下，B3處理株高明顯高于B1處理(P<0.05)但和B2處理差異不顯著。在輕度水分虧缺(W2)條件下，B1、B2、B3組均無顯著性差異。在重度水分虧缺(W3)條件下，B1處理株高明顯低于B3處理(P<0.05)但和B2處理差異不顯著。株高在不同灌水條件下有顯著差異，在不同生物炭施加條件下也有顯著差異(P<0.05)。值得注意的是株高在生物炭與土壤水分相互作用下，差異極其顯著(P<0.01)，可以推測，生物炭施加和灌水條件之間存在耦合關(guān)系。

在重度水分虧缺(W3)條件下，B1、B2、B3組之間有效分蘗均存在顯著差異，可以認為，在重度水分虧缺條件下，生物炭施加能對水稻有效分蘗產(chǎn)生明顯的影響；在生物炭施加20 g/kg條件下，W1、W2、W3組間無顯著性差異?？梢钥吹剿譅顩r對水稻的有效分蘗影響不明顯(P>0.05)，而生物炭對水稻有效分蘗有顯著的影響(P<0.05)；在二者共同作用下，水稻有效分蘗數(shù)有極其顯著差異(P<0.01)。當(dāng)水分調(diào)控為W1時B3組比B1組高出12.24%，當(dāng)水分調(diào)控為W2時B3組比B1組高出12.32%，當(dāng)水分調(diào)控為W3時B3組比B1組高出13.95%?？梢娚锾繉τ行Х痔Y數(shù)的影響隨著水分調(diào)控的減少而增加，可認為在水分越少的情況下生物炭對作物的保護作用越明顯。

千粒重通過方差分析多重比較，分組間差異十分顯著，且不論水分調(diào)控還是施加生物炭條件，均對千粒重有極顯著影響(P<0.01)，可見其對灌溉條件和生物炭施加十分敏感。當(dāng)水分調(diào)控為W1時B3組比B1組高出4.7%，當(dāng)水分調(diào)控為W2時B3組比B1組高出5.1%，當(dāng)水分調(diào)控為W3時B3組比B1組高出3.07%?？梢娚锾繉ηЯＶ氐挠绊戨S著水分調(diào)控的減少先增加再減少。

總體來說，水分調(diào)控對株高影響顯著(P<0.05)，對千粒重影響極其顯著(P<0.01)；生物炭施加對株高、有效分蘗均影響顯著(P<0.05)，對千粒重影響極其顯著(P<0.01)。在灌水和施加生物炭共同作用下，對水稻的株高、有效分蘗、千粒重均有極其顯著的影響。但是本次試驗從統(tǒng)計學(xué)角度看不論灌水、生物炭施加均對葉面積指數(shù)影響不大(P>0.05)有可能測量精度不高造成測量誤差過大。

表2 不同水炭處理的株高、LAI、有效分蘗及千粒重

注：W1、W2、W3分別指常規(guī)灌溉、輕度水分虧缺、重度水分虧缺。B1、B2、B3分別表示每千克干土施加生物炭0 g/kg(不施加生物炭)、20、40 g/kg；株高、葉面積指數(shù)取全生育期測得最高數(shù)據(jù)，有效分蘗、千粒重取考種實測數(shù)據(jù)；*表示差異顯著(0.01

如圖1所示，同一灌溉條件下葉面積指數(shù)先增加后減少，于40 d后出現(xiàn)差異，之后差異逐漸變大，且B3高于B2高于B1。輕度水分虧缺[圖1(b)]僅在50～60 d時略微小于常規(guī)灌溉[圖1(a)]，差別不大。重度水分虧缺[圖1(c)]則從45 d后大幅小于常規(guī)灌溉和輕度水分虧缺組，表明全生育期重度水分虧缺對葉面積指數(shù)的影響較大。

圖1 水稻葉面積指數(shù)時間變化圖

2.2 不同水炭處理對水稻產(chǎn)量的影響

如表3，水分調(diào)控對水稻結(jié)實率有極其顯著的影響(P<0.01)，生物炭施加對結(jié)實率有顯著影響(P<0.05)，水分調(diào)控和生物炭共同對水稻結(jié)實率有極其顯著影響(P<0.01)。在重度水分虧缺條件下(W3)，B1處理結(jié)實率與B2、B3有顯著差異，不施加生物炭的B1處理明顯低于施加生物炭的B2，B3處理。在輕度水分虧缺條件下(W2)，B1、B2、B3處理結(jié)實率無顯著差異。在常規(guī)灌溉條件下(W1)，B1處理與B2處理相似，B2處理與B3處理相似，但B1處理與B3處理則有顯著差異(P<0.05)，B3處理明顯高于B1處理。當(dāng)水分調(diào)控為W1時B3組比B1組高出2.66%，當(dāng)水分調(diào)控為W2時B3組比B1組高出1.71%，當(dāng)水分調(diào)控為W3時B3組比B1組高出1.8%?？梢姵Ｒ?guī)灌溉(W1)時生物炭對結(jié)實率的影響明顯大于水分虧缺灌溉(W2、W3)，水分調(diào)控對結(jié)實率影響大于生物炭。

水分調(diào)控和生物炭施加均能對干重和理論產(chǎn)量有顯著影響(P<0.05)，它們共同作用下對干重和理論產(chǎn)量有極其顯著影響。在重度水分虧缺(W3)條件下，B1處理顯著低于B2，B3處理，輕度水分虧缺(W2)條件下，B1、B2、B3處理無顯著差異，常規(guī)灌溉(W1)條件下B2、B3處理干重、理論產(chǎn)量無顯著差異，明顯高于B1處理。當(dāng)水分調(diào)控為W1時B3組比B1組高出2.9%，當(dāng)水分調(diào)控為W2時B3組比B1組高出5.01%，當(dāng)水分調(diào)控為W3時B3組比B1組高出10.2%?？梢钥闯鲭S著水分調(diào)控的增加，生物炭對干重的影響越來越顯著。

對于平均每穗粒數(shù)，僅不同灌水處理有顯著影響(P<0.05)。當(dāng)生物炭施加量為B1組時，W1組比W3組高出14.76%；當(dāng)生物炭施加量為2 g/kg即B2組時，W1組比W3組高出14.55%；當(dāng)生物炭施加量為4 g/kg即B3組時，W1組比W3組高出21.07%?？梢钥闯鲭S著生物炭施加量的增加，水分調(diào)控對平均每穗粒數(shù)的影響越來越顯著，即生物炭對水分在平均每穗粒數(shù)的影響有促進作用。

總的來說，水分調(diào)控不論對于結(jié)實率、干重、理論產(chǎn)量以及平均每穗粒數(shù)均至少有顯著影響(P<0.05)。重度水分虧缺(W3)的灌溉條件下，各處理的各項指標都大幅小于W1、W2，說明株高和千粒重較小直接影響了干重和理論產(chǎn)量，重度水分虧缺(W3)不適應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；輕度水分虧缺(W2)條件下B2、B3處理各指標無顯著差異，但明顯高于B1處理，說明生物炭對輕度水分虧缺條件下水稻的生長和產(chǎn)出均有良好的促進作用；常規(guī)灌溉(W1)條件下，B1、B2、B3組各項指標呈明顯的遞進關(guān)系，其中常規(guī)灌溉，4 g/kg生物炭施加的(W1B3)組無論生長還是產(chǎn)出均為各組中最優(yōu)。

表3 不同水炭處理的結(jié)實率、干重、理論產(chǎn)量及平均每穗粒數(shù)

2.3 不同水炭處理對水稻耗水量與水分利用效率的影響

從表4可以看出，耗水量與水分管理模式有極其顯著關(guān)系，且灌水量與耗水量呈正相關(guān)。在水、生物炭的共同作用下對耗水量有其極其顯著的影響。當(dāng)水分調(diào)控為W1時，從B1組到B2再到B3，耗水量先減少2.39%后增加2.3%；當(dāng)水分調(diào)控為W2時，從B1組到B2再到B3，耗水量先減少1.29%后增加1.61%；當(dāng)水分調(diào)控為W3時，從B1組到B2再到B3，耗水量先減少1.35%后增加0.49%。可以推斷，從B1到B2組耗水量減少，可能因為土壤中施加了生物炭改善了土壤的理化性質(zhì)，特別是孔隙率，增大田間持水量以致減少耗水量。但從B2組到B3組，過大的孔隙率增加了田間滲漏量進而導(dǎo)致耗水量的增加。

不同的水分管理模式對水分利用效率(WUE)有顯著的影響(P<0.05)?？梢钥闯鲚p度水分虧缺時，水分利用效率明顯高于常規(guī)灌溉和重度水分虧缺。當(dāng)各灌水條件確定時，水分利用效率隨著生物炭的增加而增加。以水分調(diào)控W1為例，從B1組到B2再到B3，水分利用效率先增加11.39%后減少1.14%?？梢钥闯霭? g/kg施放生物炭的B2組水分利用效率最高。

表4 不同水炭處理的耗水量、水分利用效率

3 結(jié)論與討論

(1)水炭耦合作用對千粒重、結(jié)實率、理論產(chǎn)量等均有極其顯著的影響(P<0.01)千粒重、結(jié)實率、理論產(chǎn)量的水炭耦合效應(yīng)顯著。常規(guī)灌溉水稻產(chǎn)量最高，但其水分利用效率較低。與常規(guī)灌溉W1相比，采用重度水分虧缺模式W3時，水稻的生長及產(chǎn)量指標呈大幅度下降趨勢。同時，在該模式下生物炭的作用受到抑制，各項數(shù)據(jù)均不及W1，W2。輕度水分虧缺模式W2時，與重度水分虧缺模式W3相比，水稻生長指標及產(chǎn)量指標均有顯著性增長，且隨生物炭施加量的增加而增加。

(2)生物炭施加量對株高、有效分蘗、葉面積指數(shù)、千粒重等生長指標影響更大；而灌水模式則對結(jié)實率、干重、平均每穗粒數(shù)等產(chǎn)量指標影響更大。

(3)根據(jù)觀測指標不同，水炭耦合效果也存在差異。例如結(jié)實率較于水分利用效率對水炭條件更加敏感，如想提高結(jié)實率以增加產(chǎn)量可適當(dāng)增加生物炭施加量就可以得到很好的效果，而如果想提高水分利用效率除水炭條件以外還需考慮其他因素如施肥量的影響。

(4)常規(guī)灌溉且生物炭施加4 g/kg時(W1B3)理論產(chǎn)量最高為0.963 3 kg/m2，水分利用效率為0.866 kg/m3。采用(W2B2)水炭組合時，水分利用效率最高為0.958 kg/m3，可認為輕度水分虧缺且生物炭施加2 g/kg為水稻最佳生產(chǎn)策略。

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