生物質炭配施蚯蚓糞提升土壤有機碳對水稻生長的影響

董林林，何建橋，陸長嬰，施林林，周新偉，陶玥玥，王海候，沈明星*

（1.江蘇太湖地區農業科學研究所，江蘇 蘇州 215155；2.南京市耕地質量保護站，江蘇 南京 210019）

隨著人口的不斷增長和生活水平的快速提升，對農產品品質和數量的要求不斷提高，現有耕地面積減少和土地退化的問題更是加劇了它們之間的矛盾，因此，培肥土壤和提高中低產田生產力成為解決這一矛盾的有效措施［1-2］。我國中低產田面積約占耕地總面積的70%，土壤有機質含量低、養分含量不均衡、保水保肥能力差是中低產田的突出特征，且地域性特征明顯，采取合理、有效的措施能夠實現中低產田土壤培肥，提高中低產田生產力［1，3］。

近年來，運用生物質炭還田提升土壤有機碳水平，提升作物對營養元素的吸收達到作物增產的研究已成為國內外關注的熱點問題之一。生物質炭是以作物秸稈等為原料通過高溫裂解形成的富含碳物質，具有碳穩定性高、比表面積大和吸附能力強等特點［4-6］。已有研究表明，運用生物質炭改良中低肥力土壤可明顯提高土壤有機碳和營養元素含量，有利于擴大土壤營養元素儲備并減少養分流失，是土壤改良和肥力提升的首選材料［4，7-9］。施用生物質炭能明顯提高土壤有機碳含量及活性，促進水稻對養分的吸收來獲得更高產量［10-11］；趙鐵民等［12］和李少朋等［13］研究結果表明，不同施用量的生物質炭可提高濱海鹽漬土壤中有機碳和速效養分含量及酶活性，可作為一種改良劑用于鹽堿地復墾和生態重建；許云翔等［14］在浙江省農業科學院楊渡基地的定位試驗結果表明，生物質炭一次性還田6年后土壤有機碳、有效磷和速效鉀含量顯著增加，pH值和容重顯著降低。可見，施用生物質炭對提高土壤有機碳和營養元素含量，促進作物增產具有重要作用。生物質炭對土壤改良的關鍵是施用生物質炭后土壤有機碳含量增加，形成水穩性團聚體，提升土壤保肥保水性能［15-16］，表現出對土壤肥力提升的積極作用。因此，施用生物質炭在中低產田土壤培肥和作物增產中具有廣闊的應用前景。

生物質炭能夠快速、穩定地提升土壤有機碳含量，但對營養元素的供給相對較少；蚯蚓糞含有較為豐富的氮磷鉀等營養元素，能夠增強土壤的供肥能力［17］，若將生物質炭與蚯蚓糞配施則能很好地改善中低產田土壤板結及養分不均衡等現象。江蘇省北部、黃淮海平原地區是我國一個非常重要的糧食主產區，也是中低產田的集中分布區，土壤有機碳含量低和養分元素不均衡是限制該區農業提質增效的主要因素。因此，本研究通過采集該區土壤，將不同用量的生物質炭與蚯蚓糞配施進行盆栽試驗，研究生物質炭和蚯蚓糞對土壤有機碳、水稻產量和營養元素吸收利用的影響，明確快速、有效提升中低產田土壤有機碳的生物質炭和蚯蚓糞合理用量，為江蘇北部乃至全國中低產田土壤培肥提供可靠的試驗依據和理論指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤：采自江蘇省鹽城市濱海縣界牌鎮三壩村（34°6′N，119°51′E），屬廢黃河沖積形成的潮土，偏砂性，土壤有機碳含量為3.03 g·kg-1，全氮含量為0.27 g·kg-1，有效磷為4.77 mg·kg-1，速效鉀含量為88.5 mg·kg-1，pH值為8.58。生物質炭由小麥秸稈燒制而成，含水率為15.28%，碳含量為545.83 g·kg-1，氮5.97 g·kg-1，磷0.54 g·kg-1，鉀6.85 g·kg-1，由河南商丘三匯貿易有限公司提供。蚯蚓糞是將牛糞經蚯蚓堆肥后所制，含水率為85.98%，碳含量為228.83 g·kg-1，氮6.71 g·kg-1，磷5.04 g·kg-1，鉀5.37 g·kg-1，由江蘇太湖地區農業科學研究所提供。

1.2 試驗設計

盆栽用土量為25.0 kg·盆-1。生物質炭用量設兩個梯度，按照生物質炭大田用量15 t·hm-2折算，生物質炭用量為6.0 g·kg-1，記為B1；生物質炭施用量增加5倍處理（30.0 g·kg-1），記為B2。蚯蚓糞用量分3個等級，為不施蚯蚓糞、1%和5%（蚯蚓糞與盆栽土質量比）蚯蚓糞施用量，分別標記為M1、M2和M3。設不施生物質炭和蚯蚓糞處理為對照（CK），生物質炭與蚯蚓糞配施處理6個，分別為B1M1、B1M2、B1M3、B2M1、B2M2、B2M3，共7個 處理，每個處理3個重復。所有處理化肥用量相同，按當地基本用量折合施用，氮用量為N 225 t·hm-2，按基肥 ∶ 蘗肥 ∶ 穗肥=4∶3∶3施入；磷肥做基肥，用量按P2O567.5 t·hm-2一次性施入；鉀肥用量為K2O67.5 t·hm-2，按基肥 ∶ 穗肥=1∶1施入。

1.3 樣品分析

試驗于2018年6月26日移栽水稻于盆內，水稻品種為蘇香梗100，移栽時株高基本相同。自2018年6月28日起每周測定水稻株高和土壤溫度，至10月24日收獲水稻，分根、莖、葉和籽粒于105℃殺青，80℃烘干至恒重，稱量不同部位干重，磨細備用。水稻收獲后采集盆栽土，自然風干，磨細用重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機碳含量，用凱氏法測定土壤全氮含量。植株體內氮、磷和鉀含量的測定參考《土壤農業化學分析》［18］。

1.4 數據處理

水稻氮素收獲指數（HIN）和吸氮量的計算方法［19］如下：

1.5 數據分析

單因素方差分析用于檢驗不同處理間各指標的差異顯著性，確定不同生物質炭和蚯蚓糞用量對水稻生長和土壤有機質變化的影響。Pearson相關分析用于檢驗施用生物質炭和蚯蚓糞產生的碳投入對土壤有機碳增加的貢獻。數據處理與分析借助Excel 2016和SPSS 20.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 生物質炭與蚯蚓糞混施對水稻長勢的影響

圖1 顯示，水稻移栽10 d后，不同處理間水稻株高沒有明顯差異；分蘗期不同處理下株高也未表現出明顯差異，分蘗后期至成熟期，B2M2、B1M3和B2M3處理的株高顯著高于B1M1、B2M1和B1M2（P<0.05）。B2M3處理水稻株高最大，比B1M2處理高約12.7%，出現這種現象的原因主要是水稻生長前期對養分需求的差異不大，不同用量的生物質炭和蚯蚓糞對水稻生長并不會產生明顯影響，但隨著水稻生長的不斷進行對養分的需求越來越多，營養生長期內，養分供應對株高產生明顯影響，B2M3處理生物質炭和蚯蚓糞用量最高，為水稻生長提供的養分最充足，至長穗期，B2M3水稻株高最高，其次是B2M3和B1M3，體現了養分供應對水稻生長的重要影響。相對而言，蚯蚓糞中養分的緩慢釋放，可滿足不同生育期的養分需求，為水稻生長提供相對充足的養分保障，這可能是水稻生育后期不同處理間株高差異變大的主要原因。

圖1 不同生物質炭和蚯蚓糞用量處理下水稻株高

2.2 生物質炭與蚯蚓糞混施對土壤溫度的影響

圖2 顯示，在整個水稻生育期，與CK相比，施用生物質炭和蚯蚓糞的處理土壤溫度略有升高，但不明顯，不同用量生物質炭和蚯蚓糞處理間土壤溫度沒有明顯差異。添加生物質炭或蚯蚓糞不

會對盆栽土壤溫度產生明顯影響。在整個生育期內，B2M1處理土壤溫度相對最高，B1M2、B1M3和B2M2處理也有相對較高的土壤溫度，說明施用生物質炭和蚯蚓糞具有不明顯的增溫作用，有利于水稻生長。

圖2 水稻生育期各處理土壤溫度變化

2.3 生物質炭配施蚯蚓糞對土壤有機碳的影響

與試驗初期相比，所有處理土壤有機碳含量均增加，B2M3處理土壤有機碳含量增加了約1倍。與CK相比，施加生物質炭和蚯蚓糞增加了土壤有機碳含量，生物質炭和蚯蚓糞投入量的多少對土壤有機碳的提升產生重要影響（圖3a）。與對照相比，若不施蚯蚓糞，B1M1和B2M1處理土壤有機碳含量分別增加了0.27和2.36 g·kg-1，增幅分別為7.22%和62.70%；施加1%蚯蚓糞，B1M2和B2M2處理土壤有機碳含量分別增加了1.12和2.39 g·kg-1，增幅分別為29.74%和63.59%；施加5%蚯蚓糞，B1M3和B2M3處理土壤有機碳含量分別增加了2.04和2.35 g·kg-1，增幅分別為54.12%和62.33%。可見，同等蚯蚓糞用量處理下，增施生物質炭對土壤有機碳的提升效果更顯著。B1M3處理的土壤有機碳含量增加顯著（P<0.01），M1和M2處理的土壤有機碳含量增加不顯著；B2處理下，施用或不施用蚯蚓糞，土壤有機碳含量均顯著增加（P<0.01），且B2M1、B2M2和 B2M3之間土壤有機碳含量沒有明顯差異，但均略高于B1M3處理。這說明生物質炭投入是土壤有機碳增加的主要來源，同時，生物質炭具有周轉周期長和穩定性高的特點，施入后對土壤有機碳庫的負激發效應明顯，對土壤有機碳庫穩定性的提高表現出更積極的作用［20］。

圖 3 不同生物質炭和蚯蚓糞處理下土壤有機碳含量

有機物料投入量的多少對土壤有機碳的增加起著決定性作用［9，21-22］。本研究中，不同用量的生物質炭和蚯蚓糞代表了不同的有機碳投入量，通過相關性分析發現，生物質炭和蚯蚓糞產生的碳投入量與土壤有機碳含量之間呈顯著正相關（圖3b），相關系數為0.858（P<0.05）。因此，施加生物質炭是快速、有效提升土壤有機碳的重要措施［5-6，23-24］。

從提升土壤有機碳并節約成本的角度講，6 g·kg-1的生物質碳配施5%的蚯蚓糞是提升土壤有機碳水平更經濟有效的用量水平。

2.4 生物質炭配施蚯蚓糞對水稻產量的影響

生物質炭與蚯蚓糞配施對水稻不同部位生物量的影響如圖4所示。

圖4 生物質炭與蚯蚓糞配施處理下水稻不同部位生物量

總體而言，B1M3和B2M3處理下水稻根、莖、葉和籽粒的生物量明顯高于其他處理（圖4）。B1M3和B2M3處理根生物量較CK處理分別增加了78.54%和83.22%，B1M1處理根生物量增加最少，僅為13.79%。這說明，生物質炭和蚯蚓糞的投入可促進作物根系生長，相同生物質炭投入量水平下，配施蚯蚓糞能促進水稻根系生長，獲得更多的生物量；相同蚯蚓糞用量處理下，6和30 g·kg-1生物質炭用量處理間水稻根系生物量沒有明顯差異，這說明蚯蚓糞對水稻根系生長的影響大于生物質炭。不同生物質炭與蚯蚓糞用量處理間，水稻葉生物量與根生物量表現出相似的變化特征。水稻籽粒和莖生物量表現出相似的變化趨勢，與CK相比，B1M3、B2M2和B2M3處理籽粒生物量分別增加了25.08、24.99和34.97 g，增 幅 分 別 為44.37%、28.51%和62.26%，增加顯著（P<0.05）；B2M1處理水稻籽粒增加了13.28%，但不顯著；B1M1和B1M2處理水稻籽粒分別降低了3.10%和4.76%，可見，在6 g·kg-1生物質炭施用下，不施或施加1%蚯蚓糞并不能促進水稻增產，這也說明在有機碳含量非常低的中低產田土壤中，低水平生物質炭和蚯蚓糞用量并不能明顯促進水稻生長。施用生物質炭對水稻生長具有促進作用，配施5%蚯蚓糞對促進水稻生長和增加水稻籽粒生物量的效果更顯著。這主要是因為生物質炭中碳含量明顯高于蚯蚓糞，因此，施用生物質炭對土壤有機碳提升的效果明顯優于蚯蚓糞，但更重要的是因為生物質炭強大的吸附能力［24-25］，將蚯蚓糞中釋放的營養元素吸附在水稻根際土壤表面，從而利于水稻對養分的吸收，同時，蚯蚓糞也能提供更豐富的活性有機碳組分和營養元素［17］，對水稻生長起到促進作用。因此生物質炭與蚯蚓糞配施是提升土壤有機碳水平和促進水稻生長的有效措施。

水稻分蘗數、穗數、結實率和千粒重是反映水稻產量的重要指標。不同用量生物質炭與蚯蚓糞配施處理下水稻分蘗數、千粒重和結實率如表1所示。

表1 生物質炭配施蚯蚓糞對水稻生長的影響

表1 顯示，與CK相比，施用生物質炭和蚯蚓糞的所有處理水稻結實率均提高，但不顯著，B1M3處理結實率最高；所有處理千粒重均增加，相同生物質炭用量處理下，增施蚯蚓糞水稻千粒重呈增加趨勢，B1M3、B2M2、B2M3處理的千粒重增加明顯（P<0.01），B2M3處理千粒重最大；同等蚯蚓糞用量水平下，B2處理的水稻千粒重高于B1處理，說明增施生物質炭有利于提高水稻千粒重，對水稻增產具有積極作用。相同生物質炭用量水平下，增施蚯蚓糞有利于增加水稻分蘗，5%蚯蚓糞用量的B1M3和B2M3處理，水稻分蘗數增加明顯（P<0.05），但B2M3處理水稻分蘗數略低于B1M3處理；不施或施用1%蚯蚓糞后增施生物質炭，水稻分蘗數增加，但增幅隨蚯蚓糞用量的增加而降低。B1處理下，水稻穗數隨蚯蚓糞用量的增加而增加，B2處理下，水稻穗數隨蚯蚓糞用量的增加反而降低；相同蚯蚓糞用量水平下，B2處理的水稻穗數多于B1處理。生物質炭配施蚯蚓糞可有效提高水稻分蘗和收獲穗數，提高結實率，增加千粒重，從而對水稻增產表現出積極作用。

2.5 生物質炭配施蚯蚓糞對水稻養分吸收的影響

生物質炭配施蚯蚓糞不僅能為水稻生長提供更為豐富的營養元素，也影響著水稻對氮、磷、鉀等營養元素的吸收及其在水稻不同部位間轉運。

施用不同量的生物質炭和蚯蚓糞，水稻不同部位對氮、磷和鉀元素的吸收特征不同（表2）。就氮素而言，與CK相比，施用生物質炭和蚯蚓糞后，籽粒中氮含量均顯著增加（P<0.05）；同等生物質炭用量水平下，隨蚯蚓糞用量的增加，籽粒中氮含量呈增加趨勢，B2M3處理水稻籽粒中氮含量最高，B2M1水稻籽粒中氮含量增加最少，M2和M3處理下，增施生物質炭籽粒中氮含量均增加，說明生物質炭配施蚯蚓糞有利于水稻籽粒對氮的吸收；僅B2M3處理水稻莖、葉中的氮含量增加顯著（P<0.05），同等生物質炭用量下，葉中氮含量隨蚯蚓糞用量的增加而增加，在M3處理下，增施生物質炭可增加水稻葉中氮含量；B1M2處理水稻莖中氮含量降低，M1和M3處理水稻莖中氮含量增加（P<0.05），同等蚯蚓糞用量下，增施生物質炭，水稻莖中氮含量降低；B1處理下，根中氮含量隨蚯蚓糞用量的增加而增加，僅B1M3增加顯著；B2處理下，根中氮含量隨蚯蚓糞用量的增加而降低，且均低于CK。生物質炭與蚯蚓糞通過提升土壤供氮能力和降低氮素呼吸損耗［17，26-28］，促進了水稻對氮素的吸收和轉運，積極地促進水稻生長，因此在不同的生物質炭和蚯蚓糞施用水平下，水稻莖、葉、籽粒中的氮含量增加幅度不同。

表2 生物質炭與蚯蚓糞配施處理下水稻不同部位營養元素含量 （g·kg-1）

表2 顯示，除B1M1外，施用生物質炭和蚯蚓糞后，籽粒中磷含量均比CK顯著增加（P<0.05），同等生物質炭用量水平下，籽粒中磷含量隨蚯蚓糞用量的增加呈增加趨勢，B2M3處理水稻籽粒中磷含量最高，同等蚯蚓糞用量水平下，增施生物質炭，可增加水稻籽粒中磷含量，生物質炭配施蚯蚓糞有利于水稻籽粒對磷的吸收。除B1M1處理外，施用生物質炭和蚯蚓糞的其他處理水稻莖中磷含量均顯著增加（P<0.05），B1M3處理水稻莖的磷含量最高，同等生物質炭用量下，水稻莖中磷含量隨蚯蚓糞用量的增加而增加，在不施用蚯蚓糞的處理中，增施生物質炭可增加水稻莖中磷含量，同等蚯蚓糞用量水平下，水稻莖中磷含量隨生物質炭用量增加而增加。除B1M1和B2M1水稻葉中磷含量增加不顯著外，其他處理水稻葉中磷含量均顯著增加，B1處理下，增施蚯蚓糞可增加水稻葉中磷含量，B2處理下，增施蚯蚓糞并不能帶來水稻葉中磷含量的線性增加，B2M2處理水稻葉中磷含量高于B2M3處理。除B1M1處理水稻根中磷含量降低外，其他處理水稻根中磷含量均增加，其中B1M2、B1M3和B2M3增加顯著（P<0.05），同等生物質炭用量水平下，水稻根中磷含量隨蚯蚓糞用量的增加而增加；不施用蚯蚓糞，增施生物質炭的B2M1水稻根中磷含量高于B1M1處理；M2和M3處理下，B2處理的水稻根中磷含量低于B1處理。生物質炭和蚯蚓糞配施可增加土壤中磷含量［5-6，29-30］，促進水稻根系吸收更多的磷并向籽粒轉移，增加水稻的產量。

與CK相比，除B1M1處理水稻莖中鉀含量有所降低外，其他處理水稻籽粒、莖、葉和根中鉀含量均增加，但差異不顯著，且隨生物質炭和蚯蚓糞用量的不同，變化趨勢不同（表2）。在B1處理下，籽粒、莖、葉和根中的鉀含量均隨蚯蚓糞用量的增加而增加，在B2處理下，籽粒中鉀含量隨蚯蚓糞用量的增加而降低，莖中鉀含量隨蚯蚓糞用量的增加而增加，葉和根中鉀含量在M2處理下最低，B2M3水稻葉中鉀含量最高，B2M1水稻根中鉀含量最高。相對于氮和磷，生物質炭對鉀的吸附作用更強，增施生物質炭可能會抑制水稻對鉀素的吸收，但還需進行更加深入的研究。

綜上所述，施用生物質炭和蚯蚓糞有利于水稻對氮、磷和鉀元素的吸收和轉運，氮和磷更多的轉運并富集在籽粒中，而鉀更多的富集在水稻莖部。B2處理更能促氮、磷和鉀元素從水稻根系向籽粒轉運。施用生物質炭和蚯蚓糞帶來的土壤碳投入和土壤有機碳提升對氮素收獲指數的影響如圖5所示。

圖5 碳投入量及土壤有機碳對氮素收獲指數的影響

圖5 a顯示，氮素收獲指數與碳投入量之間呈顯著正相關，相關系數為0.838（P<0.05），CK處理中，氮素收獲指數最小為0.71，B2M2和B2M3處理氮素收素指數最高為0.77，水稻氮素收獲指數隨生物質炭與蚯蚓糞帶來的碳投入增加呈增加趨勢，有利于提高氮素利用率。氮素收獲指數與土壤有機碳含量之間的相關系數為0.788（P>0.05）（圖5b），土壤有機碳含量的增加未能明顯影響氮素收獲指數，但仍表現出正相關趨勢，這主要是因為向土壤中投施生物質炭和蚯蚓糞后，一方面增加了土壤中氮磷元素含量，特別是有效性氮磷等元素含量；另一方面，生物質炭可有效降低氮磷等元素淋失量，并在氮磷等營養元素的協同作用下，促進水稻生長，增加對氮素的吸收［29-31］。因此，通過生物質炭與蚯蚓糞配施的方法增加碳投入，可提升土壤有機碳含量，同時也能促進作物對氮的吸收和轉運，對培肥中低產田土壤和提高肥料利用率均有積極作用。

2.6 碳投入量對水稻產量的影響

生物質炭配施蚯蚓糞增加了土壤有機碳，促進了水稻生長和對營養元素的吸收，碳投入及碳投入作用下土壤有機碳增加對水稻產量的影響如圖6所示。

圖 6 碳投入量及土壤有機碳對水稻產量的影響

圖6 顯示，水稻粒重與碳投入量之間相關系數為0.608，相關性雖不顯著，但仍能體現有機物料投入對水稻生長的促進作用。土壤有機碳含量與水稻粒重之間相關性顯著，相關系數為0.772（P<0.05），說明土壤有機碳含量的高低對水稻產量產生明顯影響，提升土壤有機碳含量是增加水稻產量的有效措施［16，27，32-33］。蚯蚓糞亦富含有機碳，同時又含有促進作物生長的其他營養元素和促進土壤熟化的微生物，與生物質炭配施在提升土壤有機碳的同時，增加了土壤中活性有機碳組分，也提供了更為豐富的氮磷等營養元素［17，23，27］，并降低重金屬等有害成分對作物生長的影響［10］，是培肥中低產田土壤、提高作物產量的有效措施［13，16，34］。圖6也顯示，30 g·kg-1生物質炭用量下是否配施蚯蚓糞，對水稻產量增加沒有明顯的影響，因此，從節約成本，提高效益的角度來講，6 g·kg-1生物質炭配施更高用量的蚯蚓糞是增加土壤有機碳和增加水稻產量更為合理的措施。

3 結論

不同用量的生物質炭與蚯蚓糞配施可提升土壤有機碳含量，這種積極作用隨生物質炭和蚯蚓糞用量的增加表現得更為突出，30 g·kg-1生物質炭配施5%蚯蚓糞處理土壤有機碳比試驗初期增加約1倍，生物質炭和蚯蚓糞產生的碳投入量與土壤有機碳含量之間呈顯著正相關，相關系數為0.858（P<0.05）。6或30 g·kg-1生物質炭配施5%蚯蚓糞能促進水稻籽粒對氮、磷和鉀的吸收，增加千粒重及收獲穗數，提高氮素收獲指數。碳投入量與水稻粒重之間相關性雖不顯著，但碳投入增加的土壤有機碳與水稻粒重間呈顯著正相關。因此，生物質炭與蚯蚓糞配施是增加土壤有機碳和促進水稻增產的有效措施，對中低產田土壤具有很好的培肥效果。