冬小麦产量及水分利用效率对生物炭与秸秆还田的响应研究

郑云珠，聂 成，田晓飞，翟 胜，孙树臣

（1.聊城大学地理与环境学院，山东聊城252059；2.枣庄市生态环境局滕州分局，山东枣庄277599）

0 引 言

冬小麦-夏玉米轮作是我国重要的粮食种植模式，高强度的轮作大量消耗土壤养分，为满足土壤肥力及粮食作物高产稳产需求而大量使用化学肥料，但长时间过度使用化肥导致了土壤板结、酸化、肥力下降等一系列土壤环境问题[1]。为此，采取有效措施改善土壤环境、促进作物增产对促进麦玉轮作系统的农业可持续发展至关重要。秸秆是农作物生产中的主要副产物，资源十分丰富，储存光合作用产物并含有大量氮、磷、钾以及作物生长所需的其他营养元素，其中玉米秸秆中的氮、磷含量高于小麦秸秆[2]。农作物秸秆作为一种重要的养分资源，将其还田是培肥土壤的重要措施，不仅可以改善土壤理化性质、提高作物产量及水分利用效率[3,4]，同时还可以减少丢弃、焚烧等现象导致的环境问题，从而促进秸秆资源的可持利用及农村生态环境改善[5,6]。有研究发现秸秆还田可以提高土壤基础养分含量及土壤酶活性[7]，配施化肥可以更好的提高小麦产量[8]。Zhu等[9]研究发现产量随秸秆直接还田量的增加呈先增加后减小的规律，50%秸秆还田量下水稻-小麦显著增产。尽管秸秆还田对土壤肥力及作物产量具有重要的促进作用，但不合理的秸秆还田方式、还田量可能导致出苗率下降以及加重病虫害等不利影响[10]。如今许多研究指出农作物秸秆炭化后（生物炭）还田作为重要的间接秸秆还田方式，适宜的生物炭还田量在促进冬小麦增产及温室气体减排等方面的效果优于秸秆直接还田[11-14]。李中阳等[15]研究发现施用生物炭可以增加冬小麦产量，同时增加收获期的土壤贮水量、减少耗水量，从而提高水分利用效率。而在玉米/大豆兼作模式下，玉米产量随生物炭还田量的增加呈先增加后减小，大豆产量随生物炭还田量的增加逐渐增加[16]。因此，秸秆炭化后还田与秸秆直接还田对作物产量的影响因还田量、作物种类等因素的不同而存在较大差异。

在当今全球变暖的背景下，如何利用有限水资源促进作物增产、提高水分利用效率是当前实现绿色高效农业面临的重要问题。目前秸秆与生物炭还田对作物增产效果的结论不一，且对作物产量及水分利用效率的影响缺乏深入对比分析研究。为探明鲁西平原石灰性潮土区生物炭及秸秆还田对冬小麦产量及水分利用效率的影响，通过田间试验，以玉米秸秆直接还田和玉米秸秆炭化还田两种还田方式，对比分析不同玉米秸秆和生物炭还田量对冬小麦生长发育、产量、土壤水分及水分利用效率的影响，以期为该区域秸秆资源高效利用及冬小麦增产寻求合理的秸秆还田方式及还田量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

于2020年10月-2021年5月在山东省聊城市聊城大学土壤生态环境教学科研基地（36°43′N，116°01′E）进行田间试验。处温带季风气候区，夏季湿热多雨，冬季寒冷干燥，年均气温约为13.5 ℃，全年≥0 ℃的积温平均5 086.6 ℃，无霜期约为208 d，年均降水量为540.4 mm。本研究期内的日均气温与降水量如图1 所示，观测期内平均气温和总降水量分别为9.20 ℃和173.8 mm。试验区土壤为石灰性潮土，有机质10.87 g/kg，全氮0.7 g/kg，有效磷18.5 mg/kg，速效钾100.44 mg/kg。生物炭为玉米秸秆生物炭（裂解温度为450 ℃），全氮15.45 g/kg，有效磷1 151.85 mg/kg，速效钾5 300 mg/kg。

图1 研究期内的日均气温和日总降水量Fig.1 Average daily temperature and total daily precipitation during the study period

1.2 试验设计

供试小麦品种为济麦22，采用田间小区试验，小区规格为2 m×4 m。设置不同秸秆还田量和生物炭还田量，以无秸秆还田和生物炭还田处理为对照（CK），秸秆还田量按照小区内实际平均玉米秸秆干物质量进行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）倍还田；生物炭为等量玉米秸秆炭化而成（转化率为30%），分别为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个处理，各处理3次重复，共27 个小区随机排列。各小区施肥量一致，N-P-K施用量为225-125-90 kg/hm2，生物炭、粉碎后的秸秆与化肥在冬小麦播种前均匀撒施在土壤表面并一同翻入耕层土壤中。在冬小麦越冬期、抽穗期各灌溉100 mm，每个处理灌水量保持一致。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤含水量

于冬小麦返青期、拔节期、开花期和成熟期，使用土钻取0～100 cm 土样，每10 cm 分为一层，于105 ℃烘干至恒重，计算土壤含水量。

1.3.2 株高

于冬小麦越冬期、返青期、抽穗期和成熟期，测定每小区挂牌标记的20 株冬小麦株高，取其平均值作为每个处理下的平均株高。

1.3.3 干物质量

于冬小麦返青期、抽穗期、开花期和成熟期，各小区选取提前挂牌标记的20株冬小麦植株，将其叶片、茎秆、叶鞘、颖壳、籽粒进行分类，于105 ℃杀青30 min，之后75 ℃烘干至恒重。计算冬小麦干物质积累与转运，公式如下[17,18]：

1.3.4 产量

于冬小麦成熟期在各小区取样2 m2，测定产量及有效穗数，随机选取30 穗测定穗长和穗粒数。冬小麦脱粒自然风干后测其含水量，计算籽粒产量并测定千粒质量。

1.3.5 水分利用效率

式中：WUE为水分利用效率，kg/m3；Y籽粒产量，kg/hm2；ET为冬小麦生育期内的总耗水量，mm。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理，SPSS 26.0软件进行显著性差异分析（LSD，p＜0.05），Origin 2017 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同生物炭和秸秆还田量对土壤含水量的影响

图2 为不同生物炭和秸秆还田量下冬小麦各生育期0～100 cm 土壤含水量的垂直分布特征。冬小麦返青期、拔节期和成熟期的土壤含水量大体表现为随土层的增加而增加，而开花期未表现出与之一致规律，可能是由于前期灌水导致土层间的土壤含水量差异减小。S2.0 处理可以促进返青期0～20 cm、开花期0～50 cm 的土壤含水量增加。拔节期土壤水分整体水平较低，最高秸秆还田量处理（S2.0）对土壤水分的保持效果更加突出，S2.0 处理在0～90 cm 土层中的土壤含水量明显高于其他处理。成熟期B2.0 处理对0～70 cm 土壤含水量的促进效果最佳。

图2 冬小麦不同生育期各处理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

由图3可以看出，S2.0处理对返青期、拔节期和开花期的0～100 cm 平均土壤含水量保持效果最佳，分别较对照增加5.91%、18.59%和15.37%，成熟期B2.0 处理更好的增加平均土壤含水量并高于对照15.49%。返青期到成熟期，秸秆还田各处理平均土壤含水量始终高于对照。整体上，秸秆还田对0～100 cm 平均含水量增加的促进作用优于生物炭还田，尤以S2.0处理对冬小麦生育期内的保水效果最佳。

图3 冬小麦不同生育期各处理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 不同生物炭和秸秆还田量对冬小麦株高的影响

冬小麦株高随生育期的推进逐渐增高（图4），不同生物炭和秸秆还田量对冬小麦各生育期株高的影响具有一定差异。越冬期，生物炭和秸秆还田各处理均抑制株高的生长，但生物炭各处理与对照之间无显著性差异，而S1.0、S1.5、S2.0 处理株高显著低于对照。返青期，B1.5 处理对株高的促进作用最好，显著高于对照5.85%，秸秆还田各处理对株高的抑制作用与对照相比未达到显著水平。抽穗期，B0.5、B1.0、S2.0 处理均显著降低株高，其余处理株高与对照相比差异不显著。成熟期，生物炭和秸秆还田各处理均促进株高的生长，并表现为随生物炭还田量的增加逐渐增加，随秸秆还田量的增加呈先增后减的变化趋势（S1.0 处理最大），其中B1.5、B2.0 处理显著高于对照4.26%、4.53%。

图4 冬小麦不同生育期各处理株高Fig.4 Plant height of winter wheat treated at different growth stages

2.3 不同生物炭和秸秆还田量对冬小麦地上干物质量的影响

不同处理下冬小麦地上干物质量均随生育期的推进逐渐增加，成熟期达到最大值（表1）。返青期，生物炭各处理均促进地上干物质量的增加，不同生物炭还田量之间无显著差异，B1.0、B1.5、S0.5 处理显著高于CK、S1.0、S1.5、S2.0 处理。抽穗期，与对照相比，不同生物炭和秸秆还田量处理对地上干物质量无显著性影响，其中B1.5 处理对促进地上干物质量增加的效果最好且显著高于S2.0 处理。开花期与成熟期，地上干物质量均表现为随生物炭还田量的增加逐渐增加，随秸秆还田量的增加呈先增加后减小的变化规律（S1.5 处理最大），B2.0、S1.5 处理较对照可以显著提高开花期与成熟期的地上干物质量。整体上，返青期和抽穗期生物炭还田处理地上干物质量高于秸秆还田处理，而之后生育期秸秆还田处理对促进地上干物质量的增加更有优势。

表1 冬小麦不同生育期各处理地上干物质量 kg/hm2Tab.1 Dry matter mass above ground of winter wheat at different growth stages under different treatments

2.4 不同生物炭和秸秆还田量对冬小麦干物质转运的影响

由表2可知，生物炭还田中B2.0处理花前干物质转运量最大，并显著高于B0.5、B1.0 处理；秸秆还田处理下花前干物质转运量以S1.5 处理最优，而与其余秸秆还田处理无显著差异。生物炭和秸秆还田处理对花前干物质转运率及花前干物质转运量对籽粒的贡献率均无显著影响，其中以B2.0 处理促进效果最优。生物炭还田、秸秆还田处理下花后干物质积累对籽粒贡献率的平均值分别为73.93%、72.68%，表明生物炭还田处理更具有干物质再利用能力。

表2 不同生物炭和秸秆还田量对冬小麦开花前后营养器官干物质转运的影响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 不同生物炭和秸秆还田量对冬小麦产量及水分利用效率的影响

不同生物炭与秸秆还田量对冬小麦产量、产量构成要素及水分利用效率的影响如表3所示。不同生物炭和秸秆还田量均促进冬小麦籽粒产量的增加，但各处理收获指数较对照无显著差异。B1.5、B2.0、S1.5 处理籽粒产量分别显著高于对照18.02%、17.28%、17.15%。生物炭和秸秆还田后均不同程度提高水分利用效率，B1.5、B2.0处理水分利用效率显著高于对照23.27%、23.60%。

表3 不同生物炭和秸秆还田量对冬小麦产量、产量构成要素及水分利用效率的影响Tab.3 Effects of different biochar and straw returning amount on yield,yield components and water use efficiency of winter wheat

通过产量构成要素分析发现，与对照相比，生物炭和秸秆还田各处理均促进有效穗数的增加，其中B1.5、B2.0、S1.0、S1.5处理显著提高有效穗数。生物炭和秸秆还田各处理穗长、穗粒数与对照相比差异不显著。秸秆还田处理千粒质量整体上高于生物炭还田，S1.5、S2.0 处理显著高于CK、B0.5、B1.0、B2.0、S0.5处理。

3 讨 论

土壤水分是农作物正常生长发育所需的关键要素之一，土壤水分含量受土壤结构的影响，生物炭还田及秸秆还田可以降低土壤容重、增加土壤孔隙度，从而有利于增强土壤水分的保蓄能力[19,20]，同时也可以减轻土壤板结的发生，为作物生长发育及增产提供适宜的土壤环境。王维钰等[21]研究发现秸秆还田对冬小麦-夏玉米各生育期均具有保熵效应，各生育期不同土层深度下的平均土壤含水量均随秸秆还田量的增加而增加，全量秸秆还田保蓄土壤水分的效果最佳，同时配施化肥还可以更好的增加作物产量。本研究发现S2.0 处理返青期、拔节期和开花期的0～100 cm 平均土壤含水量均高于其余处理，随着生育期的不断推进，生物炭最高还田量B2.0 处理则更好的提高成熟期平均土壤含水量。这可能是由于秸秆还田可以有效改善土壤结构、减少土壤水分蒸发[22]，进而提高土壤含水量。另外本研究玉米秸秆本身含有一定量的水分，还田量的增加进一步提高土壤水分含量，从而使返青期到开花期S2.0处理可以更好的保持土壤水分。随生育期推进至冬小麦收获，气温的不断升高进一步加快玉米秸秆的腐熟与分解，使秸秆自身水分含量不断减少，从而对土壤水分的增加作用减弱。而生物炭具有较大的比表面积、丰富的孔隙度及较强的吸湿力等特征[23]，使成熟期最高生物炭还田量（B2.0）对土壤水分的保蓄能力更加突出。高利华等[12]研究也发现，玉米生长前期秸秆还田对耕层土壤水分的保持作用优于生物炭还田，之后随着气温升高秸秆还田则会加大土壤水分的蒸发，土壤含水量逐渐低于生物炭还田。本研究秸秆最高还田量S2.0 处理整体上对冬小麦生育期内的土壤水分保持作用最佳，但未显著增加冬小麦籽粒产量，这可能是随秸秆还田量的增加，单位水势变化下释放水量减小，从而不利于作物吸收土壤水分而影响作物增产[24]。

生物炭和秸秆还田对土壤水分及土壤养分的改善有利于促进作物生长发育[20,25-27]。而有研究发现，生物炭和秸秆还田处理下小麦成熟期的平均株高低于对照[28,29]。本研究中越冬期生物炭还田和秸秆还田均表现出轻微抑制冬小麦株高的生长，返青期S1.0、S1.5、S2.0 处理及抽穗期S1.5、S2.0 处理地上干物质量均低于对照，之后随着生育期的推进抑制作用逐渐消除，成熟期各处理均促进株高、地上干物质量的提高。张晗芝等[30]在对玉米苗期的研究中发现，施用生物炭对株高的生长具有抑制作用，随着植株的生长发育抑制作用逐渐减小。可能是生物炭和秸秆还田后增加土壤C/N，导致土壤微生物与作物竞争土壤矿质态氮，造成土壤氮素暂时亏缺[31-33]。随着冬小麦生育期的推进，被微生物固定的养分逐渐释放并被植株吸收利用，另外生物炭特殊的理化性质能够延缓养分释放、提高肥料利用率[34,35]，秸秆的腐解也不断释放养分[36]，从而促进冬小麦株高生长及干物质积累。

干物质是作物光合作用的产物，其积累与转运是籽粒产量形成的重要因素[37,38]，作物花后干物质积累及同化量的增加是籽粒产量提高的主要因素[39]。本研究发现生物炭和秸秆还田各处理均促进花后干物质积累量的增加，并提高花后干物质对籽粒的贡献率，从而实现不同生物炭及秸秆还田量对冬小麦增产效果。孙海妮等[13]在旱作雨养区研究发现，小麦产量及水分利用效率随生物炭还田量的增加呈先增加后减小的变化趋势，适宜施炭量比秸秆还田更能促进产量及水分利用效率的提高。与本研究结果相似，本研究结果表明不同生物炭和秸秆还田量均能够促进冬小麦产量及水分利用效率的提高，产量随生物炭和秸秆还田量的增加呈先增加后增产效果有所减弱的变化趋势，其中B1.5、B2.0 处理对冬小麦增产及水分利用效率提高的作用高于其余生物炭和秸秆还田处理。有研究同样指出生物炭与秸秆还田量对作物产量的促进作用均具有一定范围，适宜的还田量更有利于增加作物产量，而过量还田则会导致增产的幅度降低[37,40]。然而在盐碱土中则发现作物产量及水分利用效率随生物炭施用量的增加逐渐增加的变化趋势[41]。与本研究结果不一致，究其原因可能是由于土壤类型、作物种类、生物炭特性及施用量等因素所导致[42]。

4 结 论

（1）不同秸秆还田处理下冬小麦各生育期0～100 cm 平均土壤含水量均高于对照。整体上秸秆还田对冬小麦生育期内的土壤水分保持效果优于生物炭还田，以S2.0 处理保水效果最佳。

（2）不同生物炭和秸秆还田量均促进冬小麦成熟期株高及地上干物质量的提高，其中B2.0 处理株高、地上干物质量均显著高于对照。

（3）潮土区玉米秸秆炭化后1.5～2.0 倍还田（3.42～4.56 t/hm2）在促进冬小麦干物质积累与转运的同时，能够显著提高籽粒产量及水分利用效率。