生物炭對不同澆水條件下冬小麥產量及水分利用效率的影響

董 飛，閆秋艷，，段增強，李 峰，魯晉秀，楊 峰，李 汛，王 苗，賈亞琴

(1.山西省農業(yè)科學院 小麥研究所，山西 臨汾 041000；2.中國科學院 南京土壤研究所，土壤與農業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008)

生物炭，也稱為生物質炭、生物碳或生物黑炭，是將廢棄的生物質資源如秸稈、稻殼等，在無氧或少氧環(huán)境中高溫熱解(<700 ℃)炭化后形成的固體產物[1-2]，其高孔隙度和多微孔結構特征可有效提高土壤保肥蓄水能力，有利于減緩干旱與半干旱地區(qū)作物生長所受的水分脅迫[3]。近年來，生物炭添加對土壤水分入滲及持水性方面的影響研究受到國內外專家的普遍關注，并認為生物質炭能顯著增加土壤持水率[4-7]，但過量的生物質炭(80 t/hm2)加入到砂質壤土和壤質砂土中反而會降低土壤持水率，這是因為生物炭添加到土壤會增加土壤的斥水性，尤其是灑在生物炭表面的雨水以液珠形式滯留在土壤表面不能下滲，進而使水分在土壤表面蒸發(fā)[8]。

生物炭對作物生長和產量的影響受到多種因子的影響，包括土壤類型、肥力狀況、作物種類、生物炭理化性質和施用量、作物覆蓋度等[9-11]。同時，生物炭對植株及土壤的作用可能與水分條件密切相關[12]。我國旱作農業(yè)綜合生產能力受降雨稀少和土壤保水保肥能力差等因素嚴重制約，生物炭與肥料配施對作物生長具有協(xié)同促進作用，同時可以顯著提高農田土壤持水能力，進一步提高作物產量[13]，因此，施用生物炭是提高旱作農業(yè)生產能力的有效途徑。然而，生物炭的增產作用有一定的適用范圍，施用生物炭的量過高或過低都可能會導致作物不增產甚至減產[14]。前人對生物炭提高小麥產量已進行了相關研究，但對提高產量的適宜生物炭量結論不一[9，15]。目前，對水分條件與生物炭交互作用的研究相對較少。因此，如何科學進行水分調控和生物炭添加對提高小麥水分利用效率以及水資源高效利用有著重要的意義。

本研究基于華北平原小麥-玉米兩熟種植系統(tǒng)，開展不同澆水模式下生物炭不同施用量的大田試驗，從土壤含水量、水分利用效率、冬小麥籽粒產量等變化情況揭示施用生物炭在不同土壤澆水條件下對小麥生產的影響及其機制，以期為生物炭在華北平原的合理應用提供數(shù)據(jù)支撐和技術借鑒。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)設在山西省臨汾市韓村試驗基地(36°19′N，111°49′E)。該區(qū)地處半干旱、半濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫9.0～12.9 ℃，降水量420.1～550.6 mm，無霜期127～280 d，多年平均降水494.19 mm，試驗期間降水量列于表1。土壤類型為石灰性褐土。耕層(0～20 cm)土壤基礎肥力：pH值8.13、有機質154.30 g/kg、EC值156.40 μS/cm、全氮1.13 g/kg、堿解氮66.69 mg/kg、有效磷7.64 mg/kg、速效鉀107.0 mg/kg。施入生物炭前土壤容重為1.34 g/cm3。種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩作。

表1 冬小麥生育期間(2015年10月-2017年6月)月降雨量

1.2 供試材料

所用生物炭材料為玉米秸稈，由南京勤豐秸稈科技有限公司提供。炭化溫度為 450～480 ℃，炭化時間為 8 h。該生物炭總 C、總 N、總P、總 K 質量分數(shù)分別為 625.84，5.24，0.89，44.24 g/kg，pH 值9.8，陽離子交換量為 33.6 mmol/kg。小麥品種選用臨遠8號，由山西省農業(yè)科學院小麥研究所選育。

1.3 試驗設計

采取裂區(qū)試驗設計，澆水條件為主區(qū)，生物炭施用量為副區(qū)。澆水水平設計為不澆水和澆越冬水2個水平。生物質炭施用量設計為 0，20，40，60 t/hm2共 4個水平，分別記作B0(CK)、B20、B40、B60，重復3次，小區(qū)面積為32 m2(長8 m×寬4 m)，小區(qū)間隔 0.5 m。玉米收獲后，將生物質炭以及肥料直接撒施于土壤表面后進行翻耕。施肥量為N 225 kg/hm2、P 90 kg/hm2、K 90 kg/hm2，為了使2種水分條件下肥料處理一致，以上肥料在整地時一次性施入作底肥，后期不再追肥。分別于2015年10月5日和2016年10月8日進行機械旋耕播種，播種量為 150 kg/hm2，小麥行距均為20 cm。分別于2015年12月10日和2016年12月10日對澆水處理澆越冬水，每小區(qū)澆水量均為120 mm。

1.4 測定指標及方法

采用烘干法測定土壤相對含水量。在小麥生長關鍵生育期(苗期、越冬期、拔節(jié)期和成熟期)，采用5點采樣法采集各小區(qū)土樣，每個小區(qū)取3個點，取樣深度0～100 cm，每隔20 cm取樣一次。用環(huán)刀取耕層原狀土樣，采用烘干法測定土壤容重。

土壤溫度測定采用智能全自動土壤溫度記錄儀(L93-4，杭州路格儀器有限公司)。溫度測量范圍為-40～100 ℃，測量精度為±0.2 ℃，分辨率為0.1 ℃。小麥出苗后埋設于小麥行間20，40 cm深處，每小時自動記錄一次土壤溫度。土壤日平均溫度為全天24 h 的土壤溫度平均值。

小麥成熟期，每個處理選取1 m2范圍的3個樣點，測定植株株高、地上部干物質量(烘干法)、單位面積有效穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、千粒質量和產量。

土壤含水量=(土壤鮮質量-土壤干質量)/土壤干質量×100%

①

土壤貯水量(mm)= 土壤容重(g/cm3)× 土層深度(cm)× 土壤含水量(%)

②

水分利用效率(kg/(hm2·mm))=籽粒產量(kg/hm2)/生育期耗水量(mm)

③

生育期耗水量(mm)=小麥生育期內降水量(mm)+小麥播前和收獲后土壤貯水量變化量(mm)+澆水量(mm)

④

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和作圖；采用SPSS 17.0軟件進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 生物炭對不同澆水條件下冬小麥不同生育期土壤水分含量的影響

從圖1可以看出，苗期(11月2日)，添加生物炭能夠增加0～20 cm土壤水分含量，且生物炭施用量越高，水分含量越大；隨著土層深度的加深，土壤含水量有降低趨勢。12月7日(越冬期)，土壤水分含量在2個年份間的表現(xiàn)不同，其中，2015-2016年，0～40 cm土壤水分含量雖生物炭施用量增加有升高趨勢。隨著土層深度的加深，土壤含水量有降低趨勢；2016-2017年，添加生物炭量處理0～40 cm土壤水分含量略有增加且均以W0B20處理最高，隨土層深度增加，土壤含水量變化較小。3月21日(拔節(jié)期)和6月15日(成熟期)，不澆水條件下，0～20 cm土層含水量在各生物炭處理差異不大；澆水條件下，在2016年成熟期，施用生物炭增加了各土層土壤含水量，且除20～40 cm土層外的其他土層生物炭施用量越大，土壤含水量越高，而在2016年拔節(jié)期及2017年的拔節(jié)期和成熟期，雖然生物炭處理間土壤含水量的差異均因土層不同而有不同的表現(xiàn)，但各生物炭處理均增加了0～20 cm土層的土壤含水量，其中拔節(jié)期均以W1B60最高，而2017年成熟期以W1B40最高。

2.2 生物炭對不同澆水條件下冬小麥土壤日平均溫度變化的影響

從圖2-A可以看出，返青期前，土壤溫度整體呈波動下降趨勢，且在2種水分條件下的差距明顯，表現(xiàn)為澆水處理較不澆水處理降低了0～20 cm土壤日平均溫度，降幅在0.9～2.6 ℃。不澆水條件下，施用生物炭增加0～20 cm土壤日平均溫度，且隨著生物炭施用量增加，土壤日平均溫度先升高后降低，至W0B40處理達到最大值；澆水條件下，添加生物炭降低0～20 cm土壤日平均溫度，且生物炭量越大，降低程度越明顯。返青期后(圖2-B)，土壤溫度呈波動上升趨勢變化，澆水處理土壤日平均溫度出現(xiàn)高于不澆水處理的現(xiàn)象(4月5日前)，后期出現(xiàn)相反趨勢；澆水條件下，生物炭處理間差異幅度大于不澆水處理。

2.3 生物炭對不同澆水條件下土壤耕層(0～20 cm)容重的影響

2 a試驗結果顯示(表2)，隨著生物炭施用量的增加，土壤耕層容重呈降低趨勢，這種降低趨勢在澆水條件下增強，即W1處理條件下較W0處理降低幅度大。澆水使相同生物炭處理下土壤容重降低，在W0條件下，B20、B40和B60處理比B0(CK)處理容重分別降低10.3%，13.9%，23.3%；在W1條件下，B20、B40和B60處理比B0(CK)處理容重分別降低13.2%，22.8%，25.1%。

圖1 生物炭對不同澆水條件下冬小麥不同生育期土壤水分含量的影響

圖2 生物炭對不同澆水條件下冬小麥土壤日平均溫度變化的影響

2.4 生物炭對不同澆水條件下冬小麥生長發(fā)育及產量的影響

由表3可知，除W1B20與B0(CK)小麥地上部干物質量差異不顯著外，添加生物炭均可顯著增加小麥地上部干物質量，W0和W1處理條件下B20、B40和B60處理比B0(CK)處理分別增加4.5%，8.3%，4.4%和1.2%，3.4%，5.7%(2 a數(shù)據(jù)平均)。W0處理條件下，添加生物炭B20、B40處理可增加小麥株高，B60處理小麥株高低于B0處理；W1處理條件下，添加生物炭處理小麥株高均降低，其中2016-2017年B60處理株高降低顯著。添加生物炭可增加單位面積有效穗數(shù)，W0處理條件下B40處理最多，W1處理條件下有效穗數(shù)隨生物炭施用量的增加而增加。W0處理條件下，添加生物炭對穗粒數(shù)和千粒質量的影響不顯著，W1條件下，添加生物炭增加穗粒數(shù)和千粒質量。W0和W1處理條件下B20、B40和B60處理小麥產量分別比B0(CK)處理增加5.0%，8.0%，5.8%和4.3%，7.4%，8.0%。

表2 生物炭對不同澆水條件下土壤耕層(0～20 cm)容重的影響

注：同一年份同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示同一澆水處理下不同生物炭處理間差異達5%顯著水平。表3-4同。

Note： Values followed by different letters in a column in the same year are significantly different among biochar treatments under the same irrigation condition at the 5% level. The same as Tab.3-4.

表3 生物炭對不同澆水條件下冬小麥生長發(fā)育及產量的影響

2.5 生物炭對不同澆水條件下冬小麥水分利用效率的影響

從表4可以看出，收獲后，W0處理條件下，土壤貯水量隨著生物炭施用量的增加先增加后減小，B40處理土壤貯水量最高，比B0(CK)處理增加7.6%。W1條件下，隨生物炭施用量增加收獲期土壤貯水量增加，B40和B60處理分別比B0(CK)處理增加5.8%和12.4%(2 a數(shù)據(jù)平均)。無論是W0還是W1條件下，生育期耗水量均隨生物炭施用量增加而減少，與B0(CK)處理相比，B20、B40和B60處理分別使冬小麥生育期耗水量減少5.5%，7.1%，10.6%和2.1%，5.7%,9.8%(2 a數(shù)據(jù)平均)。生物炭提高了冬小麥水分利用效率，與B0(CK)處理比，B20、B40、B60處理分別使W0和W1條件下水分利用效率提高2.8%，8.2%，5.7%和6.9%，12.2%，16.3%(2 a數(shù)據(jù)平均)。

表4 生物炭對不同澆水條件下冬小麥水分利用效率的影響

3 結論與討論

根據(jù)試驗條件不同，使小麥產量提高的適宜生物炭施用量存在差異。梁錦秀等[15]研究指出，生物炭添加量為18 t/hm2時小麥產量最高。潮土短期施用生物炭對小麥籽粒產量、生物量均無顯著影響，連續(xù)施用生物炭9季后，與不施生物炭處理相比，添加2.25，6.75，11.25 t/hm2生物炭處理小麥籽粒產量分別顯著增加24.5%，8.8%，9.1%，小麥生物量分別顯著增加18.8%，8.1%和6.1%，在低的生物炭施用量(2.25 t/hm2)下，生物炭對小麥的增產效果較好[16-17]。李中陽等[18]在壤土上的研究指出，生物炭施用量為40 t/hm2時，一季對小麥的增產效果最佳，50～60 t/hm2處理對小麥的增產效果與不添加生物炭對照處理無顯著差異，生物炭量低短期增產效果不佳，較高生物炭量一季產量出現(xiàn)差異。以上研究多在常規(guī)澆水條件下進行。孫海妮等[14]在旱地無灌水條件下的研究表明，添加生物炭量為30 t/hm2時小麥產量較高，添加生物炭量為45 t/hm2時比對照不添加生物炭有增產效果，但差異不顯著。

本研究連續(xù)2 a的試驗結果均顯示，添加生物炭在常規(guī)澆水條件下，小麥產量隨生物炭施用量的增加而增加，在不澆水條件下產量在生物炭施用量為60 t/hm2時不再增加。可見，較高的生物炭添加量會導致小麥不增產或減產，尤其在不澆水條件下，不利于小麥增產。單位面積有效穗數(shù)是影響小麥產量的主要因素，這在孫海妮等[14]文獻中也有體現(xiàn)。適量的生物炭可以增加作物產量，而高量的施用會抑制作物生長，降低產量，由于年際間效應和環(huán)境變化等綜合因素影響，生物炭的作物學效應還有待進一步田間驗證。

朱士江等[19]研究指出，水炭耦合對水稻產量的影響效果顯著；常規(guī)灌溉比水分虧缺灌溉下各生物炭處理(0，20，40 g/kg)水稻產量較高，但其水分利用效率較低；無論哪種灌溉條件，水稻產量均隨生物炭施加量的增加而增加。土壤干旱抑制生物炭對小麥的增產作用。因此，利用秸稈生物炭提高不澆水或少量澆水條件下麥田土壤的持水能力是一種行之有效的辦法，但要注意控制生物炭的施用量。本試驗條件下，在水分充足的土壤條件下生物炭的增產效果較好，推薦60 t/hm2生物炭用量，而在旱地土壤應用時推薦20～40 t/hm2生物炭用量。

生物炭對小麥產量的影響是通過影響土壤環(huán)境而間接作用的。其中，生物炭對土壤的持水性一致被認為是影響產量的主要原因。農田施用生物炭后，土壤含水量的高低一方面由生物炭本身特性決定，其表面是多微孔結構，具有一定的吸水倍率，可增加土壤對水分的吸收[7]；另一方面由于生物炭與土壤混合顯著降低了原土壤表層容重，增加了土壤孔隙度，能夠使降雨等水分從土壤上層向下層流動，從而增大了土壤持水量[5，20]。本研究試驗設計中，最高生物質炭施用量為60 t/hm2，在不澆水條件下，土壤水分含量在返青期前隨生物炭量增加土壤含水量增加，但在返青期后土壤水分含量在60 t/hm2添加量下反而降低。包維斌等[3]采用室內一維垂直入滲法與張力計法的研究結果表明，當土壤含水量為25%時，生物炭添加量從1%～4%均提高了土壤水吸力，且隨著生物炭添加量的增加而增加。本研究中，旱地條件下土壤水含量在苗期(11月2日)整體大于16%，但在生育后期(12月至3月降雨量較少)小于土壤含水量，介于10%～15%，土壤處于干旱缺水狀態(tài)，此時高的生物炭添加量導致的土壤松弛、容重降低可能使土壤對水的吸力下降[21]，這可能是干旱條件下高的生物炭施用量不能使小麥進一步增產的原因。在澆水條件下，生物炭對土壤的水分含量增加隨生物炭施用量的增加而增加，可能是澆水使生物炭和土壤之間的黏合度增加，土壤容重降低的程度減小。許健等[22]通過土柱模擬試驗研究指出，生物炭添加量較低(5%)時能有效抑制土壤蒸發(fā)，但添加量過高則促進土壤蒸發(fā)。在大田原位狀態(tài)下，生物炭對水分的影響作用較為復雜，難以定量研究水分與生物炭量間的關系。同時在大田條件下，受到降雨量及采集土壤時期的影響，土壤水分含量只能表征短時期的狀態(tài)。在較高的生物炭量下鎖水能力和蒸散速率也有一定協(xié)同性[23]?？傮w來講，施用生物炭對土壤含水量的增加是有益的，但要控制施用量。

通過生物炭干預下土壤溫度改變來理解生物炭的農田效應鮮有報道[24-25]。本研究中，生物炭在不同澆水條件下對土壤日平均溫度的影響在返青期前和返青期后存在2個階段的表現(xiàn)，其中，返青期前，大部分地面裸露，土壤溫度呈持續(xù)下降趨勢，此時生物炭對地溫的影響在2種澆水條件下差異較大。不澆水條件日均地溫隨生物炭施用量增加有增加趨勢，此時土壤增溫對冬小麥生長發(fā)育及產量的影響利弊仍有待進一步分析；澆水條件下則表現(xiàn)相反。土壤顏色和水分含量是決定土壤比熱的主要因素，且土壤升溫的速率會因為高的含水量而減小，低含水量的生物炭會引起土壤溫度最大程度的上升[26]。因此，本研究中出現(xiàn)不澆水條件下日平均地溫高于澆水條件下。但是返青期后，隨著土壤溫度增加，澆水條件下出現(xiàn)日均地溫較低時高，較高時低的現(xiàn)象；且不澆水條件下各生物炭處理日平均地溫差異較小，在澆水條件下處理間波動幅度較大，且在較高的生物炭量下溫度較高。可能是由于小麥返青期后地面覆蓋度增加，阻礙了太陽光對地面的輻射，削弱了施入生物炭后土壤顏色變深對土壤溫度的影響。總體來說，施入生物炭后，土壤顏色加深，土壤的吸熱性增強，從而提高了地溫[27-28]。但是在澆水條件下出現(xiàn)不同的趨勢，這可能與土壤溫度升降趨勢以及水分含量有關，其還有待進一步定量分析。