劉杰云，邱虎森，張文正，蔡九茂，王曉森，呂謀超*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部節(jié)水灌溉工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南新鄉(xiāng) 453002；2.宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽宿州 234100）

0 引言

【研究意義】冬小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物之一，確保其生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展對(duì)保障我國(guó)糧食安全意義重大。在華北地區(qū)，由于降水較少，在冬小麥生育階段需要灌水來(lái)滿足其正常生長(zhǎng)。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(fèi)嚴(yán)重，導(dǎo)致地下水超采嚴(yán)重等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)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(chǎn)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。

【研究進(jìn)展】節(jié)水灌溉可提高灌溉水利用效率，節(jié)約灌溉用水15%～70%[2-4]，同時(shí)達(dá)到不減產(chǎn)，甚至增產(chǎn)的效果[5-7]。董志強(qiáng)等[8]的研究表明微噴灌較畦灌增加冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率。陳靜等[9]研究發(fā)現(xiàn)滴灌可提高小麥籽粒產(chǎn)量及水分利用效率。而宓文海等[10]則認(rèn)為與漫灌相比，滴灌并沒(méi)有顯著增加小麥產(chǎn)量。不同灌溉方式下土壤含水度及分布的不同，勢(shì)必會(huì)影響到氮素的遷移和轉(zhuǎn)化，從而影響作物對(duì)氮肥的吸收利用。因此，有必要對(duì)不同灌溉方式下冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率和氮肥利用效率進(jìn)行研究。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下熱解炭化產(chǎn)生的一類(lèi)高度芳香化的難溶性有機(jī)物質(zhì)[11]。生物質(zhì)炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，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(zhì)炭添加到土壤中，在不影響作物產(chǎn)量的前提下，可降低50%灌溉用水[5]。生物質(zhì)炭與不同灌溉方式結(jié)合，如何影響作物產(chǎn)量及水肥利用效率，目前的研究結(jié)果不一。如在滴灌條件下，施用3 t/hm2和6 t/hm2生物質(zhì)炭增加了土壤pH、N、P、K 和CEC 量，并提高了玉米產(chǎn)量[13]。而Lamb 等[14]認(rèn)為滴灌、噴灌均可提高玉米、棉花、大豆的產(chǎn)量，但是生物質(zhì)炭的作用效果并不顯著?！厩腥朦c(diǎn)】在華北地區(qū)，不同灌溉方式下添加生物質(zhì)炭如何影響冬小麥產(chǎn)量及水肥利用效率尚不清楚，需要開(kāi)展大量的田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此本研究在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)綜合試驗(yàn)基地開(kāi)展田間小區(qū)試驗(yàn)，研究不同灌溉方式及生物質(zhì)炭添加量對(duì)冬小麥產(chǎn)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(qū)節(jié)水灌溉方式及生物質(zhì)炭的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)小區(qū)位于河南省新鄉(xiāng)縣七里營(yíng)鎮(zhèn)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)試驗(yàn)基地（113°45′E，35°08′N(xiāo)），海拔73.2 m。本區(qū)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(wú)霜期為210 d，多年平均蒸發(fā)量2000 mm，光熱資源豐富，農(nóng)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(zhì)炭產(chǎn)自河南商丘三利新能源有限責(zé)任公司，為花生殼在350～550℃條件下制成。供試土壤和生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

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

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)小區(qū)面積為49 m2（7 m×7 m），小區(qū)之間設(shè)置2m 寬保護(hù)行。選取4 種灌溉方式：傳統(tǒng)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(zhì)炭對(duì)堿性土壤的pH 影響過(guò)大，每種灌溉方式設(shè)置3 個(gè)較低量的生物質(zhì)炭處理：①無(wú)生物質(zhì)炭添加（CK）；②添加10t/hm2生物質(zhì)炭（LB）；③添加20t/hm2生物質(zhì)炭（HB）。生物質(zhì)炭在2018年10月冬小麥種植前添加。每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù)。

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(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)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(fù)合肥（N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為15∶39∶8）作為基肥（以氮計(jì)112.5 kg/hm2），返青期施用600 kg/hm2尿素作為追肥（以氮計(jì)90 kg/hm2）。根據(jù)作物需水規(guī)律灌水4 次：2018年11月12日采用移動(dòng)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(jìn)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(jù)當(dāng)?shù)亟邓考白魑镄杷縼?lái)確定，設(shè)定每次灌水定額為45 mm。整個(gè)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(nóng)田施肥、病蟲(chóng)害防治等田間管理均采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理模式。

1.3 樣品采集與測(cè)定

冬小麥?zhǔn)斋@前，每小區(qū)取10 株長(zhǎng)勢(shì)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(fēng)干，測(cè)量其株高和根長(zhǎng)。株高的測(cè)定：用尺子測(cè)量根頸部到主莖頂部的距離；根長(zhǎng)的測(cè)定：用尺子測(cè)量最長(zhǎng)的主根系底部到根頸部的距離。用剪刀將其穗剪掉，數(shù)10 穗的實(shí)粒數(shù)和空癟粒數(shù)，計(jì)算其平均每穗的實(shí)粒數(shù)和空癟率。在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3 個(gè)1 m2的樣方，收割，放入帶有標(biāo)簽的網(wǎng)袋內(nèi)，曬干，稱(chēng)其生物量，脫粒，分別稱(chēng)其秸稈質(zhì)量和籽粒質(zhì)量。每個(gè)小區(qū)分別取200 g 左右的秸稈和籽粒，烘干，測(cè)其含水率，計(jì)算生物量、秸稈、籽粒干質(zhì)量。然后按照13.5%的標(biāo)準(zhǔn)含水率，計(jì)算生物量、秸稈產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量。在每個(gè)小區(qū)的籽粒中隨機(jī)取出部分籽粒，數(shù)其中1000粒，稱(chēng)其質(zhì)量，根據(jù)其含水率，計(jì)算千粒質(zhì)量。收獲指數(shù)計(jì)算式為：收獲指數(shù)（%）=籽粒產(chǎn)量（t/hm2）/生物量（t/hm2）。

根據(jù)每個(gè)小區(qū)的施氮量及灌水量，計(jì)算其水肥利用效率：氮肥表觀利用效率（kg/kg）=籽粒產(chǎn)量（t/hm2）/施氮量（kg/hm2）×1000，灌溉水利用效率（kg/m3）=籽粒產(chǎn)量（t/hm2）/總灌水量（m3/hm2）×1000。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用 SPSS20 進(jìn)行方差分析，單因素方差分析多重比較采用最小顯著差數(shù)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(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)冬小麥形態(tài)的影響

灌溉方式及生物質(zhì)炭對(duì)冬小麥株高和根長(zhǎng)影響的雙因素方差分析結(jié)果見(jiàn)表2。灌溉方式和生物質(zhì)炭添加均沒(méi)有顯著改變冬小麥的株高和根長(zhǎng)。

表2 灌溉方式及生物質(zhì)炭施用下冬小麥形態(tài)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(dá)到顯著水平（p＞0.05）。在不同的灌溉方式中，添加生物質(zhì)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(zhì)炭處理之間均未表現(xiàn)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(zhǎng)，增幅分別為14.96%、11.29%和11.81%，但各處理之間差異均未達(dá)到顯著水平（p＞0.05）。同一灌溉方式中，添加和不添加生物質(zhì)炭處理之間的根長(zhǎng)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(zhì)炭處理相比，添加生物質(zhì)炭增加了根長(zhǎng)，且隨著生物質(zhì)炭添加量的增加而增加。在滴灌方式中，添生物質(zhì)炭處理的根長(zhǎng)分別較不添加生物質(zhì)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(zhì)炭相比，添加生物質(zhì)炭降低了根長(zhǎng)，但隨著添加量的增加而增加。

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

2.2 不同處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

由表4 可知，灌溉方式可顯著影響小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素（除千粒質(zhì)量外）（p＜0.05），但添加生物質(zhì)炭及灌溉方式與生物質(zhì)炭的交互作用對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)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(shí)粒數(shù)（p＞0.05，表5），S 處理顯著降低了每穗的實(shí)粒數(shù)（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(zhì)量，但不顯著（p＞0.05），而 S 處理則顯著降低了千粒質(zhì)量（p＜0.05），降幅達(dá)9.66%。與F 處理相比，D 處理顯著降低了秸稈產(chǎn)量（p＜0.05），降幅達(dá)11.61%，其他處理之間則無(wú)顯著差異。D、S 處理和I 處理的籽粒產(chǎn)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(shù)（p＞0.05），而S 處理和I 處理則降低了收獲指數(shù)（p＞0.05）。

表4 不同處理冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)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(chǎn)量及其構(gòu)成要素Table 5 The winter wheatyield and yield compositions

2.3 不同處理對(duì)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(zhì)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(méi)有顯著差異（p＞0.05，圖1），而在高量生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)炭處理（p＜0.05），但同一灌溉方式下，添加生物質(zhì)炭對(duì)灌溉水利用效率并無(wú)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(zhì)炭對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響

灌溉方式對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的分布、小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量均有一定的影響[15-16]。節(jié)水灌溉方式可提高小麥穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量，進(jìn)而增加小麥產(chǎn)量[15]，但也有研究認(rèn)為，節(jié)水灌溉方式對(duì)小麥產(chǎn)量沒(méi)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(chǎn)量，甚至有所降低，這可能與土壤性質(zhì)、灌水量等有關(guān)。較高的土壤水分對(duì)小麥產(chǎn)量的提升有利[17-18]。較高的土壤水分提高了小麥植株對(duì)氮素的吸收，充足的氮素營(yíng)養(yǎng)使小麥分蘗成穗率和穗粒數(shù)增加[19]。本研究中，漫灌灌水量較大，土壤含水率相對(duì)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(chǎn)。此外，在小麥生長(zhǎng)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)灌漿期灌水后，遇到大風(fēng)天氣，噴灌和微噴灌處理由于灌水過(guò)程中水流自上而下運(yùn)動(dòng)，部分水分被麥穗截獲，加之小麥株高較漫灌有所增加，導(dǎo)致出現(xiàn)部分倒伏的現(xiàn)象，因而噴灌處理的實(shí)粒數(shù)/穗較其他處理降低，進(jìn)而籽粒產(chǎn)量也最低。因此，噴灌方式不適宜應(yīng)用于多風(fēng)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(chǎn)量反而降低，這可能是增加的株高主要來(lái)源于穗長(zhǎng)的增加，進(jìn)而提高了滴灌處理的收獲指數(shù)。

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

3.2 灌溉方式及生物質(zhì)炭對(duì)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(guò)多易影響根系的正常呼吸，不利于養(yǎng)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(chǎn)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(fēng)天氣影響造成倒伏現(xiàn)象，因而滴灌是較為適宜于華北地區(qū)冬小麥的灌溉方式。按照本研究的灌溉定額計(jì)算，在未造成明顯減產(chǎn)條件下，滴灌方式可節(jié)水1415.25 m3/hm2。據(jù)王學(xué)等[29]研究結(jié)果，華北地區(qū)冬小麥種植面積約為1.2×107hm2，若在華北地區(qū)將傳統(tǒng)的漫灌方式改為滴灌方式灌溉，則可節(jié)水約1698.3×107m3，這對(duì)緩解華北地區(qū)地下水超采嚴(yán)重現(xiàn)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(chǎn)量之間沒(méi)有明顯差異，造成節(jié)水灌溉方式并沒(méi)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(jié)水灌溉方式下灌水量較低有關(guān)。在今后的研究中，可適當(dāng)增加灌水量，研究在節(jié)水的條件下，如何提高作物產(chǎn)量和氮肥表觀利用效率。此外，生物質(zhì)炭添加在本研究中對(duì)灌溉水利用效率及氮肥利用效率均沒(méi)有顯著影響，這與謝迎新等[21]、李中陽(yáng)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(zhì)炭添加量較低造成的，今后的研究中可適當(dāng)增加生物質(zhì)炭添加量。

4 結(jié)論

1）與漫灌相比，在節(jié)水約50%條件下，滴灌、噴灌、微噴灌均沒(méi)有明顯降低冬小麥產(chǎn)量，且滴灌可提高冬小麥的收獲指數(shù)。在各種灌溉方式中，添加10 t/hm2和20 t/hm2生物質(zhì)炭均不影響冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)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(duì)氮肥表觀利用效率沒(méi)有顯著影響。

3）綜合考慮作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量、灌溉水利用效率等因素，初步認(rèn)為滴灌是華北地區(qū)較為適宜的灌溉方式。