冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率對(duì)生物炭與秸稈還田的響應(yīng)研究

鄭云珠，聶 成，田曉飛，翟 勝，孫樹臣

（1.聊城大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東聊城252059；2.棗莊市生態(tài)環(huán)境局滕州分局，山東棗莊277599）

0 引 言

冬小麥-夏玉米輪作是我國重要的糧食種植模式，高強(qiáng)度的輪作大量消耗土壤養(yǎng)分，為滿足土壤肥力及糧食作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)需求而大量使用化學(xué)肥料，但長時(shí)間過度使用化肥導(dǎo)致了土壤板結(jié)、酸化、肥力下降等一系列土壤環(huán)境問題[1]。為此，采取有效措施改善土壤環(huán)境、促進(jìn)作物增產(chǎn)對(duì)促進(jìn)麥玉輪作系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。秸稈是農(nóng)作物生產(chǎn)中的主要副產(chǎn)物，資源十分豐富，儲(chǔ)存光合作用產(chǎn)物并含有大量氮、磷、鉀以及作物生長所需的其他營養(yǎng)元素，其中玉米秸稈中的氮、磷含量高于小麥秸稈[2]。農(nóng)作物秸稈作為一種重要的養(yǎng)分資源，將其還田是培肥土壤的重要措施，不僅可以改善土壤理化性質(zhì)、提高作物產(chǎn)量及水分利用效率[3,4]，同時(shí)還可以減少丟棄、焚燒等現(xiàn)象導(dǎo)致的環(huán)境問題，從而促進(jìn)秸稈資源的可持利用及農(nóng)村生態(tài)環(huán)境改善[5,6]。有研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以提高土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量及土壤酶活性[7]，配施化肥可以更好的提高小麥產(chǎn)量[8]。Zhu等[9]研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量隨秸稈直接還田量的增加呈先增加后減小的規(guī)律，50%秸稈還田量下水稻-小麥顯著增產(chǎn)。盡管秸稈還田對(duì)土壤肥力及作物產(chǎn)量具有重要的促進(jìn)作用，但不合理的秸稈還田方式、還田量可能導(dǎo)致出苗率下降以及加重病蟲害等不利影響[10]。如今許多研究指出農(nóng)作物秸稈炭化后（生物炭）還田作為重要的間接秸稈還田方式，適宜的生物炭還田量在促進(jìn)冬小麥增產(chǎn)及溫室氣體減排等方面的效果優(yōu)于秸稈直接還田[11-14]。李中陽等[15]研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭可以增加冬小麥產(chǎn)量，同時(shí)增加收獲期的土壤貯水量、減少耗水量，從而提高水分利用效率。而在玉米/大豆兼作模式下，玉米產(chǎn)量隨生物炭還田量的增加呈先增加后減小，大豆產(chǎn)量隨生物炭還田量的增加逐漸增加[16]。因此，秸稈炭化后還田與秸稈直接還田對(duì)作物產(chǎn)量的影響因還田量、作物種類等因素的不同而存在較大差異。

在當(dāng)今全球變暖的背景下，如何利用有限水資源促進(jìn)作物增產(chǎn)、提高水分利用效率是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)綠色高效農(nóng)業(yè)面臨的重要問題。目前秸稈與生物炭還田對(duì)作物增產(chǎn)效果的結(jié)論不一，且對(duì)作物產(chǎn)量及水分利用效率的影響缺乏深入對(duì)比分析研究。為探明魯西平原石灰性潮土區(qū)生物炭及秸稈還田對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響，通過田間試驗(yàn)，以玉米秸稈直接還田和玉米秸稈炭化還田兩種還田方式，對(duì)比分析不同玉米秸稈和生物炭還田量對(duì)冬小麥生長發(fā)育、產(chǎn)量、土壤水分及水分利用效率的影響，以期為該區(qū)域秸稈資源高效利用及冬小麥增產(chǎn)尋求合理的秸稈還田方式及還田量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

于2020年10月-2021年5月在山東省聊城市聊城大學(xué)土壤生態(tài)環(huán)境教學(xué)科研基地（36°43′N，116°01′E）進(jìn)行田間試驗(yàn)。處溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季濕熱多雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫約為13.5 ℃，全年≥0 ℃的積溫平均5 086.6 ℃，無霜期約為208 d，年均降水量為540.4 mm。本研究期內(nèi)的日均氣溫與降水量如圖1 所示，觀測(cè)期內(nèi)平均氣溫和總降水量分別為9.20 ℃和173.8 mm。試驗(yàn)區(qū)土壤為石灰性潮土，有機(jī)質(zhì)10.87 g/kg，全氮0.7 g/kg，有效磷18.5 mg/kg，速效鉀100.44 mg/kg。生物炭為玉米秸稈生物炭（裂解溫度為450 ℃），全氮15.45 g/kg，有效磷1 151.85 mg/kg，速效鉀5 300 mg/kg。

圖1 研究期內(nèi)的日均氣溫和日總降水量Fig.1 Average daily temperature and total daily precipitation during the study period

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試小麥品種為濟(jì)麥22，采用田間小區(qū)試驗(yàn)，小區(qū)規(guī)格為2 m×4 m。設(shè)置不同秸稈還田量和生物炭還田量，以無秸稈還田和生物炭還田處理為對(duì)照（CK），秸稈還田量按照小區(qū)內(nèi)實(shí)際平均玉米秸稈干物質(zhì)量進(jìn)行0.5（S0.5，3.80 t/hm2）、1.0（S1.0，7.60 t/hm2）、1.5 （S1.5，11.40 t/hm2）、2.0 （S2.0，15.20 t/hm2）倍還田；生物炭為等量玉米秸稈炭化而成（轉(zhuǎn)化率為30%），分別為B0.5 （1.14 t/hm2）、B1.0 （2.28 t/hm2）、B1.5（3.42 t/hm2）和B2.0（4.56 t/hm2），共9個(gè)處理，各處理3次重復(fù)，共27 個(gè)小區(qū)隨機(jī)排列。各小區(qū)施肥量一致，N-P-K施用量為225-125-90 kg/hm2，生物炭、粉碎后的秸稈與化肥在冬小麥播種前均勻撒施在土壤表面并一同翻入耕層土壤中。在冬小麥越冬期、抽穗期各灌溉100 mm，每個(gè)處理灌水量保持一致。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤含水量

于冬小麥返青期、拔節(jié)期、開花期和成熟期，使用土鉆取0～100 cm 土樣，每10 cm 分為一層，于105 ℃烘干至恒重，計(jì)算土壤含水量。

1.3.2 株高

于冬小麥越冬期、返青期、抽穗期和成熟期，測(cè)定每小區(qū)掛牌標(biāo)記的20 株冬小麥株高，取其平均值作為每個(gè)處理下的平均株高。

1.3.3 干物質(zhì)量

于冬小麥返青期、抽穗期、開花期和成熟期，各小區(qū)選取提前掛牌標(biāo)記的20株冬小麥植株，將其葉片、莖稈、葉鞘、穎殼、籽粒進(jìn)行分類，于105 ℃殺青30 min，之后75 ℃烘干至恒重。計(jì)算冬小麥干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)，公式如下[17,18]：

1.3.4 產(chǎn)量

于冬小麥成熟期在各小區(qū)取樣2 m2，測(cè)定產(chǎn)量及有效穗數(shù)，隨機(jī)選取30 穗測(cè)定穗長和穗粒數(shù)。冬小麥脫粒自然風(fēng)干后測(cè)其含水量，計(jì)算籽粒產(chǎn)量并測(cè)定千粒質(zhì)量。

1.3.5 水分利用效率

式中：WUE為水分利用效率，kg/m3；Y籽粒產(chǎn)量，kg/hm2；ET為冬小麥生育期內(nèi)的總耗水量，mm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 26.0軟件進(jìn)行顯著性差異分析（LSD，p＜0.05），Origin 2017 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭和秸稈還田量對(duì)土壤含水量的影響

圖2 為不同生物炭和秸稈還田量下冬小麥各生育期0～100 cm 土壤含水量的垂直分布特征。冬小麥返青期、拔節(jié)期和成熟期的土壤含水量大體表現(xiàn)為隨土層的增加而增加，而開花期未表現(xiàn)出與之一致規(guī)律，可能是由于前期灌水導(dǎo)致土層間的土壤含水量差異減小。S2.0 處理可以促進(jìn)返青期0～20 cm、開花期0～50 cm 的土壤含水量增加。拔節(jié)期土壤水分整體水平較低，最高秸稈還田量處理（S2.0）對(duì)土壤水分的保持效果更加突出，S2.0 處理在0～90 cm 土層中的土壤含水量明顯高于其他處理。成熟期B2.0 處理對(duì)0～70 cm 土壤含水量的促進(jìn)效果最佳。

圖2 冬小麥不同生育期各處理0～100 cm土壤含水量垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soil water content in 0～100 cm under different treatments at different growth stages of winter wheat

由圖3可以看出，S2.0處理對(duì)返青期、拔節(jié)期和開花期的0～100 cm 平均土壤含水量保持效果最佳，分別較對(duì)照增加5.91%、18.59%和15.37%，成熟期B2.0 處理更好的增加平均土壤含水量并高于對(duì)照15.49%。返青期到成熟期，秸稈還田各處理平均土壤含水量始終高于對(duì)照。整體上，秸稈還田對(duì)0～100 cm 平均含水量增加的促進(jìn)作用優(yōu)于生物炭還田，尤以S2.0處理對(duì)冬小麥生育期內(nèi)的保水效果最佳。

圖3 冬小麥不同生育期各處理0～100 cm平均土壤含水量Fig.3 Average soil water content of 0～100 cm in different treatments at different growth stages of winter wheat

2.2 不同生物炭和秸稈還田量對(duì)冬小麥株高的影響

冬小麥株高隨生育期的推進(jìn)逐漸增高（圖4），不同生物炭和秸稈還田量對(duì)冬小麥各生育期株高的影響具有一定差異。越冬期，生物炭和秸稈還田各處理均抑制株高的生長，但生物炭各處理與對(duì)照之間無顯著性差異，而S1.0、S1.5、S2.0 處理株高顯著低于對(duì)照。返青期，B1.5 處理對(duì)株高的促進(jìn)作用最好，顯著高于對(duì)照5.85%，秸稈還田各處理對(duì)株高的抑制作用與對(duì)照相比未達(dá)到顯著水平。抽穗期，B0.5、B1.0、S2.0 處理均顯著降低株高，其余處理株高與對(duì)照相比差異不顯著。成熟期，生物炭和秸稈還田各處理均促進(jìn)株高的生長，并表現(xiàn)為隨生物炭還田量的增加逐漸增加，隨秸稈還田量的增加呈先增后減的變化趨勢(shì)（S1.0 處理最大），其中B1.5、B2.0 處理顯著高于對(duì)照4.26%、4.53%。

圖4 冬小麥不同生育期各處理株高Fig.4 Plant height of winter wheat treated at different growth stages

2.3 不同生物炭和秸稈還田量對(duì)冬小麥地上干物質(zhì)量的影響

不同處理下冬小麥地上干物質(zhì)量均隨生育期的推進(jìn)逐漸增加，成熟期達(dá)到最大值（表1）。返青期，生物炭各處理均促進(jìn)地上干物質(zhì)量的增加，不同生物炭還田量之間無顯著差異，B1.0、B1.5、S0.5 處理顯著高于CK、S1.0、S1.5、S2.0 處理。抽穗期，與對(duì)照相比，不同生物炭和秸稈還田量處理對(duì)地上干物質(zhì)量無顯著性影響，其中B1.5 處理對(duì)促進(jìn)地上干物質(zhì)量增加的效果最好且顯著高于S2.0 處理。開花期與成熟期，地上干物質(zhì)量均表現(xiàn)為隨生物炭還田量的增加逐漸增加，隨秸稈還田量的增加呈先增加后減小的變化規(guī)律（S1.5 處理最大），B2.0、S1.5 處理較對(duì)照可以顯著提高開花期與成熟期的地上干物質(zhì)量。整體上，返青期和抽穗期生物炭還田處理地上干物質(zhì)量高于秸稈還田處理，而之后生育期秸稈還田處理對(duì)促進(jìn)地上干物質(zhì)量的增加更有優(yōu)勢(shì)。

表1 冬小麥不同生育期各處理地上干物質(zhì)量 kg/hm2Tab.1 Dry matter mass above ground of winter wheat at different growth stages under different treatments

2.4 不同生物炭和秸稈還田量對(duì)冬小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

由表2可知，生物炭還田中B2.0處理花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量最大，并顯著高于B0.5、B1.0 處理；秸稈還田處理下花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量以S1.5 處理最優(yōu)，而與其余秸稈還田處理無顯著差異。生物炭和秸稈還田處理對(duì)花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率及花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率均無顯著影響，其中以B2.0 處理促進(jìn)效果最優(yōu)。生物炭還田、秸稈還田處理下花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率的平均值分別為73.93%、72.68%，表明生物炭還田處理更具有干物質(zhì)再利用能力。

表2 不同生物炭和秸稈還田量對(duì)冬小麥開花前后營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Tab.2 Effects of biochar and straw returning amount on dry matter transport of vegetative organs before and after flowering of winter wheat

2.5 不同生物炭和秸稈還田量對(duì)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的影響

不同生物炭與秸稈還田量對(duì)冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成要素及水分利用效率的影響如表3所示。不同生物炭和秸稈還田量均促進(jìn)冬小麥籽粒產(chǎn)量的增加，但各處理收獲指數(shù)較對(duì)照無顯著差異。B1.5、B2.0、S1.5 處理籽粒產(chǎn)量分別顯著高于對(duì)照18.02%、17.28%、17.15%。生物炭和秸稈還田后均不同程度提高水分利用效率，B1.5、B2.0處理水分利用效率顯著高于對(duì)照23.27%、23.60%。

表3 不同生物炭和秸稈還田量對(duì)冬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成要素及水分利用效率的影響Tab.3 Effects of different biochar and straw returning amount on yield,yield components and water use efficiency of winter wheat

通過產(chǎn)量構(gòu)成要素分析發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，生物炭和秸稈還田各處理均促進(jìn)有效穗數(shù)的增加，其中B1.5、B2.0、S1.0、S1.5處理顯著提高有效穗數(shù)。生物炭和秸稈還田各處理穗長、穗粒數(shù)與對(duì)照相比差異不顯著。秸稈還田處理千粒質(zhì)量整體上高于生物炭還田，S1.5、S2.0 處理顯著高于CK、B0.5、B1.0、B2.0、S0.5處理。

3 討 論

土壤水分是農(nóng)作物正常生長發(fā)育所需的關(guān)鍵要素之一，土壤水分含量受土壤結(jié)構(gòu)的影響，生物炭還田及秸稈還田可以降低土壤容重、增加土壤孔隙度，從而有利于增強(qiáng)土壤水分的保蓄能力[19,20]，同時(shí)也可以減輕土壤板結(jié)的發(fā)生，為作物生長發(fā)育及增產(chǎn)提供適宜的土壤環(huán)境。王維鈺等[21]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田對(duì)冬小麥-夏玉米各生育期均具有保熵效應(yīng)，各生育期不同土層深度下的平均土壤含水量均隨秸稈還田量的增加而增加，全量秸稈還田保蓄土壤水分的效果最佳，同時(shí)配施化肥還可以更好的增加作物產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)S2.0 處理返青期、拔節(jié)期和開花期的0～100 cm 平均土壤含水量均高于其余處理，隨著生育期的不斷推進(jìn)，生物炭最高還田量B2.0 處理則更好的提高成熟期平均土壤含水量。這可能是由于秸稈還田可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)、減少土壤水分蒸發(fā)[22]，進(jìn)而提高土壤含水量。另外本研究玉米秸稈本身含有一定量的水分，還田量的增加進(jìn)一步提高土壤水分含量，從而使返青期到開花期S2.0處理可以更好的保持土壤水分。隨生育期推進(jìn)至冬小麥?zhǔn)斋@，氣溫的不斷升高進(jìn)一步加快玉米秸稈的腐熟與分解，使秸稈自身水分含量不斷減少，從而對(duì)土壤水分的增加作用減弱。而生物炭具有較大的比表面積、豐富的孔隙度及較強(qiáng)的吸濕力等特征[23]，使成熟期最高生物炭還田量（B2.0）對(duì)土壤水分的保蓄能力更加突出。高利華等[12]研究也發(fā)現(xiàn)，玉米生長前期秸稈還田對(duì)耕層土壤水分的保持作用優(yōu)于生物炭還田，之后隨著氣溫升高秸稈還田則會(huì)加大土壤水分的蒸發(fā)，土壤含水量逐漸低于生物炭還田。本研究秸稈最高還田量S2.0 處理整體上對(duì)冬小麥生育期內(nèi)的土壤水分保持作用最佳，但未顯著增加冬小麥籽粒產(chǎn)量，這可能是隨秸稈還田量的增加，單位水勢(shì)變化下釋放水量減小，從而不利于作物吸收土壤水分而影響作物增產(chǎn)[24]。

生物炭和秸稈還田對(duì)土壤水分及土壤養(yǎng)分的改善有利于促進(jìn)作物生長發(fā)育[20,25-27]。而有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭和秸稈還田處理下小麥成熟期的平均株高低于對(duì)照[28,29]。本研究中越冬期生物炭還田和秸稈還田均表現(xiàn)出輕微抑制冬小麥株高的生長，返青期S1.0、S1.5、S2.0 處理及抽穗期S1.5、S2.0 處理地上干物質(zhì)量均低于對(duì)照，之后隨著生育期的推進(jìn)抑制作用逐漸消除，成熟期各處理均促進(jìn)株高、地上干物質(zhì)量的提高。張晗芝等[30]在對(duì)玉米苗期的研究中發(fā)現(xiàn)，施用生物炭對(duì)株高的生長具有抑制作用，隨著植株的生長發(fā)育抑制作用逐漸減小?？赡苁巧锾亢徒斩掃€田后增加土壤C/N，導(dǎo)致土壤微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)土壤礦質(zhì)態(tài)氮，造成土壤氮素暫時(shí)虧缺[31-33]。隨著冬小麥生育期的推進(jìn)，被微生物固定的養(yǎng)分逐漸釋放并被植株吸收利用，另外生物炭特殊的理化性質(zhì)能夠延緩養(yǎng)分釋放、提高肥料利用率[34,35]，秸稈的腐解也不斷釋放養(yǎng)分[36]，從而促進(jìn)冬小麥株高生長及干物質(zhì)積累。

干物質(zhì)是作物光合作用的產(chǎn)物，其積累與轉(zhuǎn)運(yùn)是籽粒產(chǎn)量形成的重要因素[37,38]，作物花后干物質(zhì)積累及同化量的增加是籽粒產(chǎn)量提高的主要因素[39]。本研究發(fā)現(xiàn)生物炭和秸稈還田各處理均促進(jìn)花后干物質(zhì)積累量的增加，并提高花后干物質(zhì)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，從而實(shí)現(xiàn)不同生物炭及秸稈還田量對(duì)冬小麥增產(chǎn)效果。孫海妮等[13]在旱作雨養(yǎng)區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，小麥產(chǎn)量及水分利用效率隨生物炭還田量的增加呈先增加后減小的變化趨勢(shì)，適宜施炭量比秸稈還田更能促進(jìn)產(chǎn)量及水分利用效率的提高。與本研究結(jié)果相似，本研究結(jié)果表明不同生物炭和秸稈還田量均能夠促進(jìn)冬小麥產(chǎn)量及水分利用效率的提高，產(chǎn)量隨生物炭和秸稈還田量的增加呈先增加后增產(chǎn)效果有所減弱的變化趨勢(shì)，其中B1.5、B2.0 處理對(duì)冬小麥增產(chǎn)及水分利用效率提高的作用高于其余生物炭和秸稈還田處理。有研究同樣指出生物炭與秸稈還田量對(duì)作物產(chǎn)量的促進(jìn)作用均具有一定范圍，適宜的還田量更有利于增加作物產(chǎn)量，而過量還田則會(huì)導(dǎo)致增產(chǎn)的幅度降低[37,40]。然而在鹽堿土中則發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量及水分利用效率隨生物炭施用量的增加逐漸增加的變化趨勢(shì)[41]。與本研究結(jié)果不一致，究其原因可能是由于土壤類型、作物種類、生物炭特性及施用量等因素所導(dǎo)致[42]。

4 結(jié) 論

（1）不同秸稈還田處理下冬小麥各生育期0～100 cm 平均土壤含水量均高于對(duì)照。整體上秸稈還田對(duì)冬小麥生育期內(nèi)的土壤水分保持效果優(yōu)于生物炭還田，以S2.0 處理保水效果最佳。

（2）不同生物炭和秸稈還田量均促進(jìn)冬小麥成熟期株高及地上干物質(zhì)量的提高，其中B2.0 處理株高、地上干物質(zhì)量均顯著高于對(duì)照。

（3）潮土區(qū)玉米秸稈炭化后1.5～2.0 倍還田（3.42～4.56 t/hm2）在促進(jìn)冬小麥干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的同時(shí)，能夠顯著提高籽粒產(chǎn)量及水分利用效率。