不同水分调控、生物炭配比对水稻产量与水分利用效率的影响

朱士江，叶晓思，王 斌，孙爱华，张 涛，华 信，王 竹(.三峡大学水利与环境学院，湖北 宜昌 4400；.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 5000;.宜昌市东风渠灌区管理局，湖北 宜昌 4400)

0 引 言

水稻作为我国种植面积和产量最大的粮食作物，其种植面积占耕地面积的18%，产量占所有作物总产量的28%[1]，其灌溉用水量约占全国总用水量的54%，占农业用水量70%[2,3]。然而，水资源总量不足、时空分布不均、水分利用效率低已成为我国水稻生产发展的制约因素。如何在稳产增产的前提下，进一步节约水资源，提高水分利用效率，是水稻生产上亟待解决的问题，也是一直以来国内外学者研究的热点[4-6]。化肥在维持水稻生长方面起着重要作用[7]，而过量施用则会引起一系列严重的环境污染问题[8,9]。为降低氮肥用量，减轻对环境的压力，在农田土壤中适量施加生物炭越来越引起人们的重视[10]。大量研究表明，生物炭不仅可以改变土壤理化结构提高土壤含水量，而且可以提高土壤肥力，进而促进农作物生长发育，实现作物增产[11-17]。由此可见，无论从水分调控还是生物炭施加的角度均能提高水稻水分利用效率，实现高效用水，对保障我国粮食安全和水资源可持续利用有着重要的意义。

水炭耦合是将水分和生物炭相拟合，探究水炭双因子交叉作用下对水稻生长发育、产量形成过程及水炭利用效率的影响。提高水炭利用效率被视为解决水稻需水与供水矛盾的措施之一，为此，本文开展不同灌溉模式不同生物炭配比大田种植试验，研究不同水分调控、生物炭配比耦合对水稻产量及水分利用效率的影响，建立水炭投入与产量、水分利用效率的数量关系，以期为水稻生产实施有效的水炭管理提供基础数据及技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验站概况

试验于2016年5月10日-9月25日在东风渠灌区管理局灌溉试验站进行。该试验站位于湖北省宜昌市境内(N 30°70′，E 111°68′)，属于温带季风性湿润气候，具有四季分明，水热同季，寒旱同季的气候特征。无霜期250 d，日照时数1 538～1 883 h，日照率40%，年平均大于10 ℃积温为5 200 ℃，年平均降雨量1 124 mm，水稻生长季节(5-9月)降水量占全年总降水量的69%。试验区土壤为棕色壤土，土壤容重1.367 g/cm3，田间持水率(体积含水率)43.54%，有机质含量21.2 g/kg，pH值7.6，全氮质量分数1.05%，有效氮含量87.64 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设灌水量和生物炭施加量2因素。具体控水指标如表1所示。

表1 不同灌溉模式控水指标

注：①W1为常规灌溉，即除分蘖后期排水晒田、黄熟期自然落干以外，其余阶段均建立40 mm水层；②W2为轻度水分亏缺，即除返青期田面保持20 mm浅薄水层和黄熟期自然落干以外，其他各生育阶段各时期均灌水上限为40 mm，下限以根层土壤水分含量为控制指标，为饱和含水率的80%；③W3为重度水分亏缺，即除返青期田面保持20 mm浅薄水层和黄熟期自然落干以外，其他各生育阶段灌水后均不建立水层，以根层土壤水分含量为控制指标，灌水上限为饱和含水率，下限为饱和含水率的80%。

生物炭施加设3种模式，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计)。生物炭施加量计算公式如下：

Ci=ALiγBi

(1)

式中：Ci为第i模式生物炭施加量，g；A为试验小区面积，m2；Li为水稻根系层深度取0.4 m；γ为土壤容重，kg/m3；Bi为生物炭施加等级，g/kg。

施肥量处理相同，取本地正常施肥水平240 kg/hm2(N-P2O5-K2O)按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶3∶2施入。钾肥和磷肥都是以基肥的形式一次性施放，折纯120 kg/hm2K2O和120 kg/hm2P2O5。以上氮肥、钾肥、磷肥分别指的是尿素、氯化钾及过磷酸钙。

共9个处理，每个处理重复3次。各处理灌水日期相同，5月20日秧苗插秧后开始灌水，8月下旬结束灌水。灌水间隔约为5 d，灌水量为上次灌水到本次灌水间水稻的腾发量与田间渗漏量(宜昌地区4-9月份水稻田间渗漏量约为0.9 mm/d)之和。

耗水量计算如下：

ET=ETc+D

(2)

ETc=KcpEp

(3)

Kcp=KpKc

(4)

式中：ETc为腾发量，mm；Ep为自由水面蒸发量，mm，由在试验站蒸发皿实测获得；Kp为蒸发皿系数；Kc为作物系数，取1.27；Kcp为水稻蒸发皿-作物系数；D为渗漏量，mm。

1.3 测定项目与方法

(1)降雨量。降雨量监测起始时间为水稻插秧至水稻收割，由试验站内水文气象站监测所得。

(2)灌溉水量。灌水采用水泵抽水，管道上装有水表用来计量灌水量，常规灌溉用水尺测量田间水层深度，灌至水深40 mm停止。控制灌溉用便携式土壤水分速测仪测定土壤0～20 cm剖面水分含量，灌至占饱和土壤含水率θs的100%停止灌水。每次灌水完成后记录此次灌水量。

(3)株高、分蘖数、叶面积指数和叶绿素指数(SPAD)。在插秧16 d后(2016年6月10)，每隔5 d在每个小区随机选取3株植株用卷尺测量株高(cm)，抽穗前为土面到最高叶尖的高度，抽穗后为土面到穗顶的高度。每次选取具有代表性的三株，分上、中、下记录每层叶片数目，然后分别针对上、中、下3层选取适量(>5片/株)叶片，测量叶长与叶宽，叶面积指数(LAI)可由下式得到：

LAI=AL/Ae

(5)

AL=NLWα

(6)

式中：AL为叶片总面积，m2；Ae为土地总面积，m2；N为叶片数目；L为单片叶片的长宽，m；W为单片叶片的宽度，m；α为修正系数，取0.75。

(4)考种与测产。主要测量指标有：有效分蘖数、结实率、千粒重、平均每穗粒数、产量。于收获期在每个小区选取3 m2的区域内测定水稻有效分蘖数、产量。在每个小区所选定区域之外分别在2～3株植株取上、中、下三穗，装入密封袋。回试验室后测量平均每穗粒数、结实率。最后数取1 000粒稻米烘干称取千粒重。

(5)水稻耗水量。水稻耗水量计算公式为：

ET=Pr+U+I-D-R-△W

(7)

式中：ET为耗水量，mm；Pr为生育期降雨量，mm；U为地下水补给量，mm；I为生育期灌水量，mm；D为深层渗漏量，mm；R为地表径流量，mm；△W为试验前后土壤含水量变化量，mm，由试验获得。

水稻插秧前和收获后，在每个小区随机选取3个位置用土钻取土，取土深度0～100 cm，每10 cm取一次。在105 ℃恒温箱中烘干测定土壤含水率，取其平均值作为各小区的土壤含水率。由于试验区地下水埋深较深，表面无径流，U、R可忽略不计，可将上式简化为：

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计算：

WUE=Y/ET

(9)

式中：WUE为水分利用率，kg/m3；Y为水稻单位面积产量，kg/hm2。

1.4 数据分析及处理方法

采用Microsoft Excel 2013软件进行数据处理与绘图，试验数据用SPSS22.0分析，对不同处理指标先取小区内平均值，然后进行方差分析，并用LSD、Duncan多重检验法对各个处理进行差异显著性检验。

2 试验结果分析

2.1 不同水炭处理对水稻生长指标的影响

在不同灌水、施加生物炭条件下，株高、叶面积指数、有效分蘖以及千粒重数据见表2。由表2可知：

在常规灌溉水平(W1)下，B3处理株高明显高于B1处理(P<0.05)但和B2处理差异不显著。在轻度水分亏缺(W2)条件下，B1、B2、B3组均无显著性差异。在重度水分亏缺(W3)条件下，B1处理株高明显低于B3处理(P<0.05)但和B2处理差异不显著。株高在不同灌水条件下有显著差异，在不同生物炭施加条件下也有显著差异(P<0.05)。值得注意的是株高在生物炭与土壤水分相互作用下，差异极其显著(P<0.01)，可以推测，生物炭施加和灌水条件之间存在耦合关系。

在重度水分亏缺(W3)条件下，B1、B2、B3组之间有效分蘖均存在显著差异，可以认为，在重度水分亏缺条件下，生物炭施加能对水稻有效分蘖产生明显的影响；在生物炭施加20 g/kg条件下，W1、W2、W3组间无显著性差异。可以看到水分状况对水稻的有效分蘖影响不明显(P>0.05)，而生物炭对水稻有效分蘖有显著的影响(P<0.05)；在二者共同作用下，水稻有效分蘖数有极其显著差异(P<0.01)。当水分调控为W1时B3组比B1组高出12.24%，当水分调控为W2时B3组比B1组高出12.32%，当水分调控为W3时B3组比B1组高出13.95%。可见生物炭对有效分蘖数的影响随着水分调控的减少而增加，可认为在水分越少的情况下生物炭对作物的保护作用越明显。

千粒重通过方差分析多重比较，分组间差异十分显著，且不论水分调控还是施加生物炭条件，均对千粒重有极显著影响(P<0.01)，可见其对灌溉条件和生物炭施加十分敏感。当水分调控为W1时B3组比B1组高出4.7%，当水分调控为W2时B3组比B1组高出5.1%，当水分调控为W3时B3组比B1组高出3.07%。可见生物炭对千粒重的影响随着水分调控的减少先增加再减少。

总体来说，水分调控对株高影响显著(P<0.05)，对千粒重影响极其显著(P<0.01)；生物炭施加对株高、有效分蘖均影响显著(P<0.05)，对千粒重影响极其显著(P<0.01)。在灌水和施加生物炭共同作用下，对水稻的株高、有效分蘖、千粒重均有极其显著的影响。但是本次试验从统计学角度看不论灌水、生物炭施加均对叶面积指数影响不大(P>0.05)有可能测量精度不高造成测量误差过大。

表2 不同水炭处理的株高、LAI、有效分蘖及千粒重

注：W1、W2、W3分别指常规灌溉、轻度水分亏缺、重度水分亏缺。B1、B2、B3分别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、叶面积指数取全生育期测得最高数据，有效分蘖、千粒重取考种实测数据；*表示差异显著(0.01

如图1所示，同一灌溉条件下叶面积指数先增加后减少，于40 d后出现差异，之后差异逐渐变大，且B3高于B2高于B1。轻度水分亏缺[图1(b)]仅在50～60 d时略微小于常规灌溉[图1(a)]，差别不大。重度水分亏缺[图1(c)]则从45 d后大幅小于常规灌溉和轻度水分亏缺组，表明全生育期重度水分亏缺对叶面积指数的影响较大。

图1 水稻叶面积指数时间变化图

2.2 不同水炭处理对水稻产量的影响

如表3，水分调控对水稻结实率有极其显著的影响(P<0.01)，生物炭施加对结实率有显著影响(P<0.05)，水分调控和生物炭共同对水稻结实率有极其显著影响(P<0.01)。在重度水分亏缺条件下(W3)，B1处理结实率与B2、B3有显著差异，不施加生物炭的B1处理明显低于施加生物炭的B2，B3处理。在轻度水分亏缺条件下(W2)，B1、B2、B3处理结实率无显著差异。在常规灌溉条件下(W1)，B1处理与B2处理相似，B2处理与B3处理相似，但B1处理与B3处理则有显著差异(P<0.05)，B3处理明显高于B1处理。当水分调控为W1时B3组比B1组高出2.66%，当水分调控为W2时B3组比B1组高出1.71%，当水分调控为W3时B3组比B1组高出1.8%。可见常规灌溉(W1)时生物炭对结实率的影响明显大于水分亏缺灌溉(W2、W3)，水分调控对结实率影响大于生物炭。

水分调控和生物炭施加均能对干重和理论产量有显著影响(P<0.05)，它们共同作用下对干重和理论产量有极其显著影响。在重度水分亏缺(W3)条件下，B1处理显著低于B2，B3处理，轻度水分亏缺(W2)条件下，B1、B2、B3处理无显著差异，常规灌溉(W1)条件下B2、B3处理干重、理论产量无显著差异，明显高于B1处理。当水分调控为W1时B3组比B1组高出2.9%，当水分调控为W2时B3组比B1组高出5.01%，当水分调控为W3时B3组比B1组高出10.2%。可以看出随着水分调控的增加，生物炭对干重的影响越来越显著。

对于平均每穗粒数，仅不同灌水处理有显著影响(P<0.05)。当生物炭施加量为B1组时，W1组比W3组高出14.76%；当生物炭施加量为2 g/kg即B2组时，W1组比W3组高出14.55%；当生物炭施加量为4 g/kg即B3组时，W1组比W3组高出21.07%。可以看出随着生物炭施加量的增加，水分调控对平均每穗粒数的影响越来越显著，即生物炭对水分在平均每穗粒数的影响有促进作用。

总的来说，水分调控不论对于结实率、干重、理论产量以及平均每穗粒数均至少有显著影响(P<0.05)。重度水分亏缺(W3)的灌溉条件下，各处理的各项指标都大幅小于W1、W2，说明株高和千粒重较小直接影响了干重和理论产量，重度水分亏缺(W3)不适应用于农业生产；轻度水分亏缺(W2)条件下B2、B3处理各指标无显著差异，但明显高于B1处理，说明生物炭对轻度水分亏缺条件下水稻的生长和产出均有良好的促进作用；常规灌溉(W1)条件下，B1、B2、B3组各项指标呈明显的递进关系，其中常规灌溉，4 g/kg生物炭施加的(W1B3)组无论生长还是产出均为各组中最优。

表3 不同水炭处理的结实率、干重、理论产量及平均每穗粒数

2.3 不同水炭处理对水稻耗水量与水分利用效率的影响

从表4可以看出，耗水量与水分管理模式有极其显著关系，且灌水量与耗水量呈正相关。在水、生物炭的共同作用下对耗水量有其极其显著的影响。当水分调控为W1时，从B1组到B2再到B3，耗水量先减少2.39%后增加2.3%；当水分调控为W2时，从B1组到B2再到B3，耗水量先减少1.29%后增加1.61%；当水分调控为W3时，从B1组到B2再到B3，耗水量先减少1.35%后增加0.49%。可以推断，从B1到B2组耗水量减少，可能因为土壤中施加了生物炭改善了土壤的理化性质，特别是孔隙率，增大田间持水量以致减少耗水量。但从B2组到B3组，过大的孔隙率增加了田间渗漏量进而导致耗水量的增加。

不同的水分管理模式对水分利用效率(WUE)有显著的影响(P<0.05)。可以看出轻度水分亏缺时，水分利用效率明显高于常规灌溉和重度水分亏缺。当各灌水条件确定时，水分利用效率随着生物炭的增加而增加。以水分调控W1为例，从B1组到B2再到B3，水分利用效率先增加11.39%后减少1.14%。可以看出按2 g/kg施放生物炭的B2组水分利用效率最高。

表4 不同水炭处理的耗水量、水分利用效率

3 结论与讨论

(1)水炭耦合作用对千粒重、结实率、理论产量等均有极其显著的影响(P<0.01)千粒重、结实率、理论产量的水炭耦合效应显著。常规灌溉水稻产量最高，但其水分利用效率较低。与常规灌溉W1相比，采用重度水分亏缺模式W3时，水稻的生长及产量指标呈大幅度下降趋势。同时，在该模式下生物炭的作用受到抑制，各项数据均不及W1，W2。轻度水分亏缺模式W2时，与重度水分亏缺模式W3相比，水稻生长指标及产量指标均有显著性增长，且随生物炭施加量的增加而增加。

(2)生物炭施加量对株高、有效分蘖、叶面积指数、千粒重等生长指标影响更大；而灌水模式则对结实率、干重、平均每穗粒数等产量指标影响更大。

(3)根据观测指标不同，水炭耦合效果也存在差异。例如结实率较于水分利用效率对水炭条件更加敏感，如想提高结实率以增加产量可适当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条件以外还需考虑其他因素如施肥量的影响。

(4)常规灌溉且生物炭施加4 g/kg时(W1B3)理论产量最高为0.963 3 kg/m2，水分利用效率为0.866 kg/m3。采用(W2B2)水炭组合时，水分利用效率最高为0.958 kg/m3，可认为轻度水分亏缺且生物炭施加2 g/kg为水稻最佳生产策略。

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