生物质炭配施蚯蚓粪提升土壤有机碳对水稻生长的影响

董林林，何建桥，陆长婴，施林林，周新伟，陶玥玥，王海候，沈明星*

（1.江苏太湖地区农业科学研究所，江苏 苏州 215155；2.南京市耕地质量保护站，江苏 南京 210019）

随着人口的不断增长和生活水平的快速提升，对农产品品质和数量的要求不断提高，现有耕地面积减少和土地退化的问题更是加剧了它们之间的矛盾，因此，培肥土壤和提高中低产田生产力成为解决这一矛盾的有效措施［1-2］。我国中低产田面积约占耕地总面积的70%，土壤有机质含量低、养分含量不均衡、保水保肥能力差是中低产田的突出特征，且地域性特征明显，采取合理、有效的措施能够实现中低产田土壤培肥，提高中低产田生产力［1，3］。

近年来，运用生物质炭还田提升土壤有机碳水平，提升作物对营养元素的吸收达到作物增产的研究已成为国内外关注的热点问题之一。生物质炭是以作物秸秆等为原料通过高温裂解形成的富含碳物质，具有碳稳定性高、比表面积大和吸附能力强等特点［4-6］。已有研究表明，运用生物质炭改良中低肥力土壤可明显提高土壤有机碳和营养元素含量，有利于扩大土壤营养元素储备并减少养分流失，是土壤改良和肥力提升的首选材料［4，7-9］。施用生物质炭能明显提高土壤有机碳含量及活性，促进水稻对养分的吸收来获得更高产量［10-11］；赵铁民等［12］和李少朋等［13］研究结果表明，不同施用量的生物质炭可提高滨海盐渍土壤中有机碳和速效养分含量及酶活性，可作为一种改良剂用于盐碱地复垦和生态重建；许云翔等［14］在浙江省农业科学院杨渡基地的定位试验结果表明，生物质炭一次性还田6年后土壤有机碳、有效磷和速效钾含量显著增加，pH值和容重显著降低。可见，施用生物质炭对提高土壤有机碳和营养元素含量，促进作物增产具有重要作用。生物质炭对土壤改良的关键是施用生物质炭后土壤有机碳含量增加，形成水稳性团聚体，提升土壤保肥保水性能［15-16］，表现出对土壤肥力提升的积极作用。因此，施用生物质炭在中低产田土壤培肥和作物增产中具有广阔的应用前景。

生物质炭能够快速、稳定地提升土壤有机碳含量，但对营养元素的供给相对较少；蚯蚓粪含有较为丰富的氮磷钾等营养元素，能够增强土壤的供肥能力［17］，若将生物质炭与蚯蚓粪配施则能很好地改善中低产田土壤板结及养分不均衡等现象。江苏省北部、黄淮海平原地区是我国一个非常重要的粮食主产区，也是中低产田的集中分布区，土壤有机碳含量低和养分元素不均衡是限制该区农业提质增效的主要因素。因此，本研究通过采集该区土壤，将不同用量的生物质炭与蚯蚓粪配施进行盆栽试验，研究生物质炭和蚯蚓粪对土壤有机碳、水稻产量和营养元素吸收利用的影响，明确快速、有效提升中低产田土壤有机碳的生物质炭和蚯蚓粪合理用量，为江苏北部乃至全国中低产田土壤培肥提供可靠的试验依据和理论指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

土壤：采自江苏省盐城市滨海县界牌镇三坝村（34°6′N，119°51′E），属废黄河冲积形成的潮土，偏砂性，土壤有机碳含量为3.03 g·kg-1，全氮含量为0.27 g·kg-1，有效磷为4.77 mg·kg-1，速效钾含量为88.5 mg·kg-1，pH值为8.58。生物质炭由小麦秸秆烧制而成，含水率为15.28%，碳含量为545.83 g·kg-1，氮5.97 g·kg-1，磷0.54 g·kg-1，钾6.85 g·kg-1，由河南商丘三汇贸易有限公司提供。蚯蚓粪是将牛粪经蚯蚓堆肥后所制，含水率为85.98%，碳含量为228.83 g·kg-1，氮6.71 g·kg-1，磷5.04 g·kg-1，钾5.37 g·kg-1，由江苏太湖地区农业科学研究所提供。

1.2 试验设计

盆栽用土量为25.0 kg·盆-1。生物质炭用量设两个梯度，按照生物质炭大田用量15 t·hm-2折算，生物质炭用量为6.0 g·kg-1，记为B1；生物质炭施用量增加5倍处理（30.0 g·kg-1），记为B2。蚯蚓粪用量分3个等级，为不施蚯蚓粪、1%和5%（蚯蚓粪与盆栽土质量比）蚯蚓粪施用量，分别标记为M1、M2和M3。设不施生物质炭和蚯蚓粪处理为对照（CK），生物质炭与蚯蚓粪配施处理6个，分别为B1M1、B1M2、B1M3、B2M1、B2M2、B2M3，共7个 处理，每个处理3个重复。所有处理化肥用量相同，按当地基本用量折合施用，氮用量为N 225 t·hm-2，按基肥 ∶ 蘖肥 ∶ 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；钾肥用量为K2O67.5 t·hm-2，按基肥 ∶ 穗肥=1∶1施入。

1.3 样品分析

试验于2018年6月26日移栽水稻于盆内，水稻品种为苏香梗100，移栽时株高基本相同。自2018年6月28日起每周测定水稻株高和土壤温度，至10月24日收获水稻，分根、茎、叶和籽粒于105℃杀青，80℃烘干至恒重，称量不同部位干重，磨细备用。水稻收获后采集盆栽土，自然风干，磨细用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量，用凯氏法测定土壤全氮含量。植株体内氮、磷和钾含量的测定参考《土壤农业化学分析》［18］。

1.4 数据处理

水稻氮素收获指数（HIN）和吸氮量的计算方法［19］如下：

1.5 数据分析

单因素方差分析用于检验不同处理间各指标的差异显著性，确定不同生物质炭和蚯蚓粪用量对水稻生长和土壤有机质变化的影响。Pearson相关分析用于检验施用生物质炭和蚯蚓粪产生的碳投入对土壤有机碳增加的贡献。数据处理与分析借助Excel 2016和SPSS 20.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 生物质炭与蚯蚓粪混施对水稻长势的影响

图1 显示，水稻移栽10 d后，不同处理间水稻株高没有明显差异；分蘖期不同处理下株高也未表现出明显差异，分蘖后期至成熟期，B2M2、B1M3和B2M3处理的株高显著高于B1M1、B2M1和B1M2（P<0.05）。B2M3处理水稻株高最大，比B1M2处理高约12.7%，出现这种现象的原因主要是水稻生长前期对养分需求的差异不大，不同用量的生物质炭和蚯蚓粪对水稻生长并不会产生明显影响，但随着水稻生长的不断进行对养分的需求越来越多，营养生长期内，养分供应对株高产生明显影响，B2M3处理生物质炭和蚯蚓粪用量最高，为水稻生长提供的养分最充足，至长穗期，B2M3水稻株高最高，其次是B2M3和B1M3，体现了养分供应对水稻生长的重要影响。相对而言，蚯蚓粪中养分的缓慢释放，可满足不同生育期的养分需求，为水稻生长提供相对充足的养分保障，这可能是水稻生育后期不同处理间株高差异变大的主要原因。

图1 不同生物质炭和蚯蚓粪用量处理下水稻株高

2.2 生物质炭与蚯蚓粪混施对土壤温度的影响

图2 显示，在整个水稻生育期，与CK相比，施用生物质炭和蚯蚓粪的处理土壤温度略有升高，但不明显，不同用量生物质炭和蚯蚓粪处理间土壤温度没有明显差异。添加生物质炭或蚯蚓粪不

会对盆栽土壤温度产生明显影响。在整个生育期内，B2M1处理土壤温度相对最高，B1M2、B1M3和B2M2处理也有相对较高的土壤温度，说明施用生物质炭和蚯蚓粪具有不明显的增温作用，有利于水稻生长。

图2 水稻生育期各处理土壤温度变化

2.3 生物质炭配施蚯蚓粪对土壤有机碳的影响

与试验初期相比，所有处理土壤有机碳含量均增加，B2M3处理土壤有机碳含量增加了约1倍。与CK相比，施加生物质炭和蚯蚓粪增加了土壤有机碳含量，生物质炭和蚯蚓粪投入量的多少对土壤有机碳的提升产生重要影响（图3a）。与对照相比，若不施蚯蚓粪，B1M1和B2M1处理土壤有机碳含量分别增加了0.27和2.36 g·kg-1，增幅分别为7.22%和62.70%；施加1%蚯蚓粪，B1M2和B2M2处理土壤有机碳含量分别增加了1.12和2.39 g·kg-1，增幅分别为29.74%和63.59%；施加5%蚯蚓粪，B1M3和B2M3处理土壤有机碳含量分别增加了2.04和2.35 g·kg-1，增幅分别为54.12%和62.33%。可见，同等蚯蚓粪用量处理下，增施生物质炭对土壤有机碳的提升效果更显著。B1M3处理的土壤有机碳含量增加显著（P<0.01），M1和M2处理的土壤有机碳含量增加不显著；B2处理下，施用或不施用蚯蚓粪，土壤有机碳含量均显著增加（P<0.01），且B2M1、B2M2和 B2M3之间土壤有机碳含量没有明显差异，但均略高于B1M3处理。这说明生物质炭投入是土壤有机碳增加的主要来源，同时，生物质炭具有周转周期长和稳定性高的特点，施入后对土壤有机碳库的负激发效应明显，对土壤有机碳库稳定性的提高表现出更积极的作用［20］。

图 3 不同生物质炭和蚯蚓粪处理下土壤有机碳含量

有机物料投入量的多少对土壤有机碳的增加起着决定性作用［9，21-22］。本研究中，不同用量的生物质炭和蚯蚓粪代表了不同的有机碳投入量，通过相关性分析发现，生物质炭和蚯蚓粪产生的碳投入量与土壤有机碳含量之间呈显著正相关（图3b），相关系数为0.858（P<0.05）。因此，施加生物质炭是快速、有效提升土壤有机碳的重要措施［5-6，23-24］。

从提升土壤有机碳并节约成本的角度讲，6 g·kg-1的生物质碳配施5%的蚯蚓粪是提升土壤有机碳水平更经济有效的用量水平。

2.4 生物质炭配施蚯蚓粪对水稻产量的影响

生物质炭与蚯蚓粪配施对水稻不同部位生物量的影响如图4所示。

图4 生物质炭与蚯蚓粪配施处理下水稻不同部位生物量

总体而言，B1M3和B2M3处理下水稻根、茎、叶和籽粒的生物量明显高于其他处理（图4）。B1M3和B2M3处理根生物量较CK处理分别增加了78.54%和83.22%，B1M1处理根生物量增加最少，仅为13.79%。这说明，生物质炭和蚯蚓粪的投入可促进作物根系生长，相同生物质炭投入量水平下，配施蚯蚓粪能促进水稻根系生长，获得更多的生物量；相同蚯蚓粪用量处理下，6和30 g·kg-1生物质炭用量处理间水稻根系生物量没有明显差异，这说明蚯蚓粪对水稻根系生长的影响大于生物质炭。不同生物质炭与蚯蚓粪用量处理间，水稻叶生物量与根生物量表现出相似的变化特征。水稻籽粒和茎生物量表现出相似的变化趋势，与CK相比，B1M3、B2M2和B2M3处理籽粒生物量分别增加了25.08、24.99和34.97 g，增 幅 分 别 为44.37%、28.51%和62.26%，增加显著（P<0.05）；B2M1处理水稻籽粒增加了13.28%，但不显著；B1M1和B1M2处理水稻籽粒分别降低了3.10%和4.76%，可见，在6 g·kg-1生物质炭施用下，不施或施加1%蚯蚓粪并不能促进水稻增产，这也说明在有机碳含量非常低的中低产田土壤中，低水平生物质炭和蚯蚓粪用量并不能明显促进水稻生长。施用生物质炭对水稻生长具有促进作用，配施5%蚯蚓粪对促进水稻生长和增加水稻籽粒生物量的效果更显著。这主要是因为生物质炭中碳含量明显高于蚯蚓粪，因此，施用生物质炭对土壤有机碳提升的效果明显优于蚯蚓粪，但更重要的是因为生物质炭强大的吸附能力［24-25］，将蚯蚓粪中释放的营养元素吸附在水稻根际土壤表面，从而利于水稻对养分的吸收，同时，蚯蚓粪也能提供更丰富的活性有机碳组分和营养元素［17］，对水稻生长起到促进作用。因此生物质炭与蚯蚓粪配施是提升土壤有机碳水平和促进水稻生长的有效措施。

水稻分蘖数、穗数、结实率和千粒重是反映水稻产量的重要指标。不同用量生物质炭与蚯蚓粪配施处理下水稻分蘖数、千粒重和结实率如表1所示。

表1 生物质炭配施蚯蚓粪对水稻生长的影响

表1 显示，与CK相比，施用生物质炭和蚯蚓粪的所有处理水稻结实率均提高，但不显著，B1M3处理结实率最高；所有处理千粒重均增加，相同生物质炭用量处理下，增施蚯蚓粪水稻千粒重呈增加趋势，B1M3、B2M2、B2M3处理的千粒重增加明显（P<0.01），B2M3处理千粒重最大；同等蚯蚓粪用量水平下，B2处理的水稻千粒重高于B1处理，说明增施生物质炭有利于提高水稻千粒重，对水稻增产具有积极作用。相同生物质炭用量水平下，增施蚯蚓粪有利于增加水稻分蘖，5%蚯蚓粪用量的B1M3和B2M3处理，水稻分蘖数增加明显（P<0.05），但B2M3处理水稻分蘖数略低于B1M3处理；不施或施用1%蚯蚓粪后增施生物质炭，水稻分蘖数增加，但增幅随蚯蚓粪用量的增加而降低。B1处理下，水稻穗数随蚯蚓粪用量的增加而增加，B2处理下，水稻穗数随蚯蚓粪用量的增加反而降低；相同蚯蚓粪用量水平下，B2处理的水稻穗数多于B1处理。生物质炭配施蚯蚓粪可有效提高水稻分蘖和收获穗数，提高结实率，增加千粒重，从而对水稻增产表现出积极作用。

2.5 生物质炭配施蚯蚓粪对水稻养分吸收的影响

生物质炭配施蚯蚓粪不仅能为水稻生长提供更为丰富的营养元素，也影响着水稻对氮、磷、钾等营养元素的吸收及其在水稻不同部位间转运。

施用不同量的生物质炭和蚯蚓粪，水稻不同部位对氮、磷和钾元素的吸收特征不同（表2）。就氮素而言，与CK相比，施用生物质炭和蚯蚓粪后，籽粒中氮含量均显著增加（P<0.05）；同等生物质炭用量水平下，随蚯蚓粪用量的增加，籽粒中氮含量呈增加趋势，B2M3处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处理下，增施生物质炭籽粒中氮含量均增加，说明生物质炭配施蚯蚓粪有利于水稻籽粒对氮的吸收；仅B2M3处理水稻茎、叶中的氮含量增加显著（P<0.05），同等生物质炭用量下，叶中氮含量随蚯蚓粪用量的增加而增加，在M3处理下，增施生物质炭可增加水稻叶中氮含量；B1M2处理水稻茎中氮含量降低，M1和M3处理水稻茎中氮含量增加（P<0.05），同等蚯蚓粪用量下，增施生物质炭，水稻茎中氮含量降低；B1处理下，根中氮含量随蚯蚓粪用量的增加而增加，仅B1M3增加显著；B2处理下，根中氮含量随蚯蚓粪用量的增加而降低，且均低于CK。生物质炭与蚯蚓粪通过提升土壤供氮能力和降低氮素呼吸损耗［17，26-28］，促进了水稻对氮素的吸收和转运，积极地促进水稻生长，因此在不同的生物质炭和蚯蚓粪施用水平下，水稻茎、叶、籽粒中的氮含量增加幅度不同。

表2 生物质炭与蚯蚓粪配施处理下水稻不同部位营养元素含量 （g·kg-1）

表2 显示，除B1M1外，施用生物质炭和蚯蚓粪后，籽粒中磷含量均比CK显著增加（P<0.05），同等生物质炭用量水平下，籽粒中磷含量随蚯蚓粪用量的增加呈增加趋势，B2M3处理水稻籽粒中磷含量最高，同等蚯蚓粪用量水平下，增施生物质炭，可增加水稻籽粒中磷含量，生物质炭配施蚯蚓粪有利于水稻籽粒对磷的吸收。除B1M1处理外，施用生物质炭和蚯蚓粪的其他处理水稻茎中磷含量均显著增加（P<0.05），B1M3处理水稻茎的磷含量最高，同等生物质炭用量下，水稻茎中磷含量随蚯蚓粪用量的增加而增加，在不施用蚯蚓粪的处理中，增施生物质炭可增加水稻茎中磷含量，同等蚯蚓粪用量水平下，水稻茎中磷含量随生物质炭用量增加而增加。除B1M1和B2M1水稻叶中磷含量增加不显著外，其他处理水稻叶中磷含量均显著增加，B1处理下，增施蚯蚓粪可增加水稻叶中磷含量，B2处理下，增施蚯蚓粪并不能带来水稻叶中磷含量的线性增加，B2M2处理水稻叶中磷含量高于B2M3处理。除B1M1处理水稻根中磷含量降低外，其他处理水稻根中磷含量均增加，其中B1M2、B1M3和B2M3增加显著（P<0.05），同等生物质炭用量水平下，水稻根中磷含量随蚯蚓粪用量的增加而增加；不施用蚯蚓粪，增施生物质炭的B2M1水稻根中磷含量高于B1M1处理；M2和M3处理下，B2处理的水稻根中磷含量低于B1处理。生物质炭和蚯蚓粪配施可增加土壤中磷含量［5-6，29-30］，促进水稻根系吸收更多的磷并向籽粒转移，增加水稻的产量。

与CK相比，除B1M1处理水稻茎中钾含量有所降低外，其他处理水稻籽粒、茎、叶和根中钾含量均增加，但差异不显著，且随生物质炭和蚯蚓粪用量的不同，变化趋势不同（表2）。在B1处理下，籽粒、茎、叶和根中的钾含量均随蚯蚓粪用量的增加而增加，在B2处理下，籽粒中钾含量随蚯蚓粪用量的增加而降低，茎中钾含量随蚯蚓粪用量的增加而增加，叶和根中钾含量在M2处理下最低，B2M3水稻叶中钾含量最高，B2M1水稻根中钾含量最高。相对于氮和磷，生物质炭对钾的吸附作用更强，增施生物质炭可能会抑制水稻对钾素的吸收，但还需进行更加深入的研究。

综上所述，施用生物质炭和蚯蚓粪有利于水稻对氮、磷和钾元素的吸收和转运，氮和磷更多的转运并富集在籽粒中，而钾更多的富集在水稻茎部。B2处理更能促氮、磷和钾元素从水稻根系向籽粒转运。施用生物质炭和蚯蚓粪带来的土壤碳投入和土壤有机碳提升对氮素收获指数的影响如图5所示。

图5 碳投入量及土壤有机碳对氮素收获指数的影响

图5 a显示，氮素收获指数与碳投入量之间呈显著正相关，相关系数为0.838（P<0.05），CK处理中，氮素收获指数最小为0.71，B2M2和B2M3处理氮素收素指数最高为0.77，水稻氮素收获指数随生物质炭与蚯蚓粪带来的碳投入增加呈增加趋势，有利于提高氮素利用率。氮素收获指数与土壤有机碳含量之间的相关系数为0.788（P>0.05）（图5b），土壤有机碳含量的增加未能明显影响氮素收获指数，但仍表现出正相关趋势，这主要是因为向土壤中投施生物质炭和蚯蚓粪后，一方面增加了土壤中氮磷元素含量，特别是有效性氮磷等元素含量；另一方面，生物质炭可有效降低氮磷等元素淋失量，并在氮磷等营养元素的协同作用下，促进水稻生长，增加对氮素的吸收［29-31］。因此，通过生物质炭与蚯蚓粪配施的方法增加碳投入，可提升土壤有机碳含量，同时也能促进作物对氮的吸收和转运，对培肥中低产田土壤和提高肥料利用率均有积极作用。

2.6 碳投入量对水稻产量的影响

生物质炭配施蚯蚓粪增加了土壤有机碳，促进了水稻生长和对营养元素的吸收，碳投入及碳投入作用下土壤有机碳增加对水稻产量的影响如图6所示。

图 6 碳投入量及土壤有机碳对水稻产量的影响

图6 显示，水稻粒重与碳投入量之间相关系数为0.608，相关性虽不显著，但仍能体现有机物料投入对水稻生长的促进作用。土壤有机碳含量与水稻粒重之间相关性显著，相关系数为0.772（P<0.05），说明土壤有机碳含量的高低对水稻产量产生明显影响，提升土壤有机碳含量是增加水稻产量的有效措施［16，27，32-33］。蚯蚓粪亦富含有机碳，同时又含有促进作物生长的其他营养元素和促进土壤熟化的微生物，与生物质炭配施在提升土壤有机碳的同时，增加了土壤中活性有机碳组分，也提供了更为丰富的氮磷等营养元素［17，23，27］，并降低重金属等有害成分对作物生长的影响［10］，是培肥中低产田土壤、提高作物产量的有效措施［13，16，34］。图6也显示，30 g·kg-1生物质炭用量下是否配施蚯蚓粪，对水稻产量增加没有明显的影响，因此，从节约成本，提高效益的角度来讲，6 g·kg-1生物质炭配施更高用量的蚯蚓粪是增加土壤有机碳和增加水稻产量更为合理的措施。

3 结论

不同用量的生物质炭与蚯蚓粪配施可提升土壤有机碳含量，这种积极作用随生物质炭和蚯蚓粪用量的增加表现得更为突出，30 g·kg-1生物质炭配施5%蚯蚓粪处理土壤有机碳比试验初期增加约1倍，生物质炭和蚯蚓粪产生的碳投入量与土壤有机碳含量之间呈显著正相关，相关系数为0.858（P<0.05）。6或30 g·kg-1生物质炭配施5%蚯蚓粪能促进水稻籽粒对氮、磷和钾的吸收，增加千粒重及收获穗数，提高氮素收获指数。碳投入量与水稻粒重之间相关性虽不显著，但碳投入增加的土壤有机碳与水稻粒重间呈显著正相关。因此，生物质炭与蚯蚓粪配施是增加土壤有机碳和促进水稻增产的有效措施，对中低产田土壤具有很好的培肥效果。