生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對水稻產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的影響

董林林 沈明星 施林林 沈 園 王海候 陸長嬰

（1國家土壤質(zhì)量相城觀測實驗站/蘇州市農(nóng)業(yè)科學院，215105，江蘇蘇州；2蘇州市農(nóng)村干部學院，215000，江蘇蘇州）

隨著人們生活水平的快速提升，消費者對農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量和品質(zhì)均提出了更高的要求。健康、肥沃的土壤是高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的根本保障，因此，提高現(xiàn)有耕地生產(chǎn)力成為必然趨勢[1-2]。目前，我國耕地中約70%為中低產(chǎn)田，其共同特征為有機質(zhì)和營養(yǎng)成分含量低且不均衡、保水保肥能力差、治理難度大，因此，采取合理、有效的措施進行中低產(chǎn)田土壤培肥和保育是提高其生產(chǎn)力的迫切需求[2-4]。

生物質(zhì)炭作為一種富含碳元素的新型材料，在中低產(chǎn)田改良和肥力提升方面具有秸稈和有機肥等材料不可替代的優(yōu)點，如多孔結(jié)構(gòu)、比表面積大、吸附能力強和碳穩(wěn)定性高等[5-6]。因此，生物質(zhì)炭也成為近年來土壤改良和肥力提升的首選材料[6-8]。施用生物質(zhì)炭不僅可增加土壤有機碳含量，還能夠提高土壤中氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素的儲備，并借助其強大的吸附能力將營養(yǎng)元素固持在土壤中，從而減少土壤自身及外源性投入營養(yǎng)元素的流失[9-10]。生物質(zhì)炭中活性碳組分對作物生長至關(guān)重要，而穩(wěn)定性更高的碳組分對土壤肥力提升意義更大。這主要是因為生物質(zhì)炭的投入促進了土壤團聚體的形成，提升了土壤保肥保水能力[11-13]，而且生物質(zhì)炭的投入可以增加土壤孔隙度和真菌豐度，促進作物生長，提高作物對營養(yǎng)元素的吸收利用效率[13-16]。鄭琴等[17]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物質(zhì)炭可以提高潮土中磷素的有效性，增加小麥產(chǎn)量和吸磷量；董成等[18]研究表明，連續(xù)6年添加生物質(zhì)炭可提高耕層土壤含水量和無機氮儲量，顯著提高夏玉米產(chǎn)量，且以6.75t/hm2用量下效果最優(yōu)；Fouladidorhani等[19]研究發(fā)現(xiàn)，添加生物質(zhì)炭可以改善土壤環(huán)境并減少鹽分在小麥體內(nèi)的累積，增加產(chǎn)量；許云翔等[20]的定位試驗結(jié)果顯示，生物質(zhì)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和容重顯著降低。此類研究說明，施用生物質(zhì)炭在提高土壤有機碳和營養(yǎng)元素含量、促進作物增產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。因此，施用生物質(zhì)炭在中低產(chǎn)田土壤培肥和作物增產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景[8,21]。

但是，生物質(zhì)炭的pH較高，且其養(yǎng)分的生物有效性相對較低，施用后對土壤培肥、養(yǎng)分的活性與利用率和作物生長帶來一定的負面影響。蚯蚓糞富含氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素，是一種良好的土壤培肥材料[2,22]。蚯蚓糞的pH低于生物質(zhì)炭，且養(yǎng)分物質(zhì)的生物可利用性高，施用后可以顯著改善土壤理化性質(zhì)，降低土壤容重，對土壤水分蒸發(fā)產(chǎn)生抑制作用，也能減輕因長期施用無機肥料造成的土壤連作障礙，提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[23-26]。因此，將生物質(zhì)炭與蚯蚓糞配施則能克服單施生物質(zhì)炭或蚯蚓糞在土壤改良中的不足，增加養(yǎng)分儲備并改善養(yǎng)分不均衡等現(xiàn)象，是提升土壤肥力與養(yǎng)分供應(yīng)的有效措施[27-28]。江蘇省北部和黃淮海平原地區(qū)是我國中低產(chǎn)田的一個集中分布區(qū)，土壤有機碳含量低和營養(yǎng)元素不均衡等問題嚴重限制了該區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。本研究通過不同用量的生物質(zhì)炭與蚯蚓糞配施進行盆栽試驗，并測定水稻生物量和營養(yǎng)元素吸收量，研究二者配施對水稻產(chǎn)量和營養(yǎng)元素吸收利用的影響，為蘇北地區(qū)中低產(chǎn)田土壤有機碳與營養(yǎng)元素利用率提升提供可靠的實踐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自江蘇省鹽城市濱?？h界牌鎮(zhèn)三壩村（119°51′E，34°06′N），屬黃河沖積形成的潮土，偏砂性，土壤有機碳3.03g/kg、全氮0.27g/kg、有效磷4.77mg/kg、速效鉀88.5mg/kg、pH 8.58。生物質(zhì)炭由河南商丘三匯貿(mào)易有限公司提供，用小麥秸稈燒制而成。蚯蚓糞由蘇州市農(nóng)業(yè)科學院提供，用牛糞經(jīng)蚯蚓堆肥后所制。生物質(zhì)炭和蚯蚓糞中的營養(yǎng)元素含量見表1。

表1 盆栽試驗用生物質(zhì)炭和蚯蚓糞中元素含量Table 1 Content of nutrient element in biochar and wormcast applied in the pot test

1.2 試驗設(shè)計

盆栽用土量為25.0kg/盆。因測試土壤有機碳含量過低，特設(shè)生物質(zhì)炭和蚯蚓糞高投入量處理。生物質(zhì)炭用量設(shè)置3個梯度，不施生物質(zhì)炭記為B0；按照生物質(zhì)炭大田用量15.0t/hm2折算，生物質(zhì)炭用量為6.0g/kg，記為B1；生物質(zhì)炭施用量增加5倍處理（30.0g/kg），記為B2。蚯蚓糞用量分3個等級，為不施蚯蚓糞、1%和5%蚯蚓糞施用量，分別記為M0、M1和M2。生物質(zhì)炭與蚯蚓糞配施處理6個，分別為B1M0、B1M1、B1M2、B2M0、B2M1和B2M2，另設(shè)不施生物質(zhì)炭和蚯蚓糞處理為對照（B0M0），共7個處理，每個處理3個重復(fù)。生物質(zhì)炭于2018年6月試驗開始時一次性施入盆中，水稻收獲后放置于防雨篷下，避免雨淋，于2019年6月搬至田間。蚯蚓糞于2018和2019年6月水稻移栽前施入盆中，于2018和2019年6月26日移栽水稻于盆內(nèi)，水稻品種為蘇香梗100，移栽時株高基本相同。所有處理化肥用量相同，按當?shù)鼗居昧空酆鲜┯?，純氮用?25.0kg/hm2，按基肥:蘗肥:穗肥=4:3:3施入；磷肥作基肥，按67.5kg/hm2一次性施入；鉀肥用量67.5kg/hm2，按基肥:穗肥=1:1施入。

1.3 測定項目與方法

分別于2018和2019年10月24日收獲水稻，分根、莖、葉和籽粒4部分于105℃殺青30min，80℃烘干至恒重，并稱重，磨細備用。采用濃H2SO4-H2O2消煮法測定植株體內(nèi)氮、磷和鉀含量，測定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》[29]。

營養(yǎng)元素收獲指數(shù)（element harvest index，EHI）和元素吸收量的計算方法[19]：EHI=籽粒中元素含量×產(chǎn)量/吸收量；。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用單因素方差分析檢驗不同處理間各指標的差異性，確定不同用量的生物質(zhì)炭、蚯蚓糞和生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞互作對水稻籽粒、元素吸收量和收獲指數(shù)的影響。用Pearson相關(guān)分析檢驗施用生物質(zhì)炭和蚯蚓糞產(chǎn)生的碳、氮投入對水稻產(chǎn)量和EHI的影響。采用Excel和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對水稻生物量的影響

表2顯示，2018和2019年添加不同用量的生物質(zhì)炭對水稻根、莖、葉及籽粒的生物量沒有顯著影響。2018年，除M1水平下B2處理的水稻根生物量降低外，其他處理中水稻各部位的生物量均與生物質(zhì)炭用量呈正相關(guān)趨勢；2019年，根生物量隨生物質(zhì)炭用量的增加而增加，在M1水平下，水稻莖和葉生物量均表現(xiàn)為B2處理高于B1處理，籽粒生物量表現(xiàn)為B1處理高于B2處理；M2水平下，水稻莖、葉和籽粒生物量均為B1處理高于B2處理。2年間，不同用量的蚯蚓糞添加對水稻根、莖、葉及籽粒生物量產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05），在B2水平下，2019年M1處理的水稻莖和葉生物量高于M2處理，其他部位的生物量在B1和B2水平下均隨蚯蚓糞用量的增加而增加。生物質(zhì)炭與蚯蚓糞的共同作用顯著影響了不同處理間水稻根、莖、葉和籽粒的生物量（P＜0.05）。在同等生物質(zhì)炭用量水平下，蚯蚓糞用量的增加有效提升了各處理水稻籽粒生物量；2018年，與B0M0處理相比，B1M0和B1M1處理水稻籽粒生物量分別降低了3.11%和4.77%，但降幅并不顯著；B2M2處理水稻籽粒生物量增加最多，達62.24%，其次為B1M2處理，增加了44.36%，2個處理均達到顯著水平（P＜0.05）。在2019年，除B1M0處理水稻籽粒生物量降低了3.39%外，其他處理中水稻籽粒生物量均增加，增量最多的是B1M2處理，達68.18%。而在相同的蚯蚓糞用量下，2018年水稻籽粒的生物量隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增加，但2019年水稻籽粒的生物量隨生物質(zhì)炭用量的增加而降低。

表2 不同生物質(zhì)炭和蚯蚓糞用量處理下水稻不同部位生物量（2018-2019）Table 2 Biomass of different parts of rice of the treatments with different biochar and earthworm cast application(2018-2019) g/盆g/pot

上述結(jié)果表明，低量施用生物質(zhì)炭或蚯蚓糞對水稻增產(chǎn)并無顯著作用，生物質(zhì)炭配施高量蚯蚓糞對水稻增產(chǎn)效果顯著（P＜0.05），但生物質(zhì)炭對水稻增產(chǎn)的作用會隨生物質(zhì)炭施入時間的延長而減弱。從節(jié)約成本和增加效益的角度考慮，6.0g/kg生物質(zhì)炭配施1%蚯蚓糞用量較為合理。

表3顯示，生物質(zhì)炭施用對2019年水稻千粒重產(chǎn)生顯著影響，對水稻株數(shù)和結(jié)實率的影響均不顯著；蚯蚓糞對2018年水稻株數(shù)、2018和2019年穗粒數(shù)產(chǎn)生明顯影響，對結(jié)實率和千粒重的影響并不顯著；生物質(zhì)炭對2018和2019年水稻穗粒數(shù)均不產(chǎn)生顯著影響，但各處理間因蚯蚓糞的施入，水稻穗粒數(shù)差異明顯（P＜0.01）；生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對水稻株數(shù)、結(jié)實率和千粒重的影響與單施蚯蚓糞的影響一致，這也說明蚯蚓糞對水稻生長的影響比生物質(zhì)炭更明顯。在本研究中，雖然不同用量生物質(zhì)炭處理下，水稻穗粒數(shù)間不存在顯著差異，但是在施用蚯蚓糞后，增施生物質(zhì)炭對水稻穗粒數(shù)增加表現(xiàn)出積極作用；在同等生物質(zhì)炭用量下，增施蚯蚓糞可增加水稻穗粒數(shù)，而且在高量生物質(zhì)炭施用處理下效果更好，這種影響在2019年比2018年更明顯。

表3 生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對水稻生長指標的影響Table 3 Effects of different biochar and earthworm cast application on rice growth indexes among different treatments

2.2 生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對氮磷鉀吸收量的影響

由表4可知，與B0M0處理相比，2018年，施用生物質(zhì)炭和蚯蚓糞的處理中水稻籽粒的吸氮量顯著增加（P＜0.001），但2019年，僅B1M2和B2M2處理中籽粒吸氮量明顯高于B0M0處理（P＜0.01），其他處理與對照間差異不明顯，這說明施用蚯蚓糞可顯著影響水稻籽粒的吸氮量，但是，施用生物質(zhì)炭并未表現(xiàn)出明顯的促進作用；生物質(zhì)炭和蚯蚓糞對水稻籽粒吸磷量的影響與其對水稻籽粒吸氮量的影響一致；2018和2019年，添加生物質(zhì)炭對水稻籽粒吸鉀量的影響不顯著，但蚯蚓糞的作用顯著（P＜0.01）。2018年施入的生物質(zhì)炭中的鉀含量略高于蚯蚓糞中的鉀含量（表1），說明生物質(zhì)炭不及蚯蚓糞中鉀的活性高。

表4 2018年和2019年水稻籽粒對氮磷鉀吸收量Table 4 Uptake amounts of nitrogen,phosphorus and potassium in rice grain in 2018 and 2019 mg/盆mg/pot

2.3 生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對氮磷鉀EHI的影響

圖1a顯示，與2018年相比，2019年各處理的氮素收獲指數(shù)均降低，降幅為16.47%～43.78%。與B0M0處理相比，2018年各處理氮素收獲指數(shù)均有增加，不同處理間氮素收獲指數(shù)因生物質(zhì)炭的施入差異顯著（P＜0.05），但施用蚯蚓糞對氮素收獲指數(shù)的影響不顯著；2019年，除B2M2處理外，其他處理氮素收獲指數(shù)均低于B0M0處理，施用生物質(zhì)炭對氮素收獲指數(shù)的影響不明顯，施用1%蚯蚓糞的處理中氮素收獲指數(shù)明顯低于不施蚯蚓糞或施用5%蚯蚓糞處理的氮素收指數(shù)（圖1a）。這主要是因為2019年各處理沒有再添加生物質(zhì)炭，一定程度上說明生物質(zhì)炭對氮素收獲指數(shù)的影響會隨其施入時間的延長而減弱。

圖1 添加不同用量的生物質(zhì)炭和蚯蚓糞處理下氮(a)、磷(b)、鉀(c)元素收獲指數(shù)Fig.1 Nitrogen(a),phosphorus(b)and potassium(c)harvest indicators under different treatments with different dosages of biochar and earthworm cast application

與2018年相比，2019年各處理的磷素收獲指數(shù)均降低，降幅23.78%～44.75%，但生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對磷素收獲指數(shù)的影響隨其施入時間發(fā)生變化（圖1b）。在2018年，B1M2處理的磷素收獲指數(shù)最小，而2019年B1M1處理的磷素收獲指數(shù)最小。2018年，與不施生物質(zhì)炭處理相比，施用生物質(zhì)炭后，磷素收獲指數(shù)降低，且在施用6.0g/kg生物質(zhì)炭的處理中，磷素收獲指數(shù)最低，而施用1%和5%的蚯蚓糞均能顯著降低磷素收獲指數(shù)；2019年，與不施生物質(zhì)炭處理相比，施用生物質(zhì)炭對降低磷素收獲指數(shù)的影響不明顯，且在30.0g/kg生物質(zhì)炭施用量處理下，磷素收獲指數(shù)最低；施用蚯蚓糞也可降低磷素收獲指數(shù)，在2018年，與不施蚯蚓糞處理相比，施用1%和5%的蚯蚓糞均能顯著降低磷素收獲指數(shù)，而在2019年，僅在施入1%蚯蚓糞的處理中磷素收獲指數(shù)顯著降低（P＜0.05）。

與2018年相比，2019年各處理鉀素收獲指數(shù)均增加，增幅5.00%～58.97%，鉀素收獲指數(shù)隨生物質(zhì)炭和蚯蚓糞施入量的增加呈降低趨勢（圖1c）。2年間，與不施生物質(zhì)炭處理相比，施用生物質(zhì)炭后各處理鉀素收獲指數(shù)降低均不顯著，且施用30.0g/kg生物質(zhì)炭，鉀素收獲指數(shù)最低。2018年，各處理鉀素收獲指數(shù)受蚯蚓糞施入量的影響不顯著，但在2019年，蚯蚓糞施入量對鉀素收獲指數(shù)的影響顯著（P＜0.05）。這說明蚯蚓糞中的鉀素對水稻生長的作用強于生物質(zhì)炭中的鉀素。

2.4 碳氮投入量對水稻產(chǎn)量的影響

根據(jù)表1中生物質(zhì)炭和蚯蚓糞中的碳、氮含量，計算每個處理中碳、氮投入量。碳投入量由生物質(zhì)炭與蚯蚓糞用量計算所得，氮投入量由生物質(zhì)炭、蚯蚓糞和化肥氮投入量計算所得，碳氮累積投入量和籽粒累積重量為2018和2019年同一處理碳、氮投入量和籽粒重量的總和。生物質(zhì)炭和蚯蚓糞的施用增加了土壤有機碳和總氮的投入，對土壤改良和營養(yǎng)元素供應(yīng)具有積極作用，進而影響作物產(chǎn)量。對2018和2019年不同處理下的碳、氮投入量及其累積投入量與水稻籽粒重量進行線性擬合的結(jié)果（圖2）顯示，碳投入量與水稻籽粒重量在2018和2019年均呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.898和0.974（P＜0.01），2019年碳投入量對水稻籽粒重量的影響大于2018年（圖2a）；有機碳累積投入量與水稻籽粒累積重量間呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.873（P＜0.05）（圖2b），相對而言，蚯蚓糞施入量比生物質(zhì)炭施入量對水稻籽粒重量的影響更顯著（表2），但是生物質(zhì)炭中的碳含量明顯高于蚯蚓糞中的碳含量（表1），因此，生物質(zhì)炭投入對增加土壤固碳培肥的效果要優(yōu)于蚯蚓糞，且這種影響與生物質(zhì)炭的施入量關(guān)系密切。

圖2 碳氮投入對水稻籽粒生物量的影響Fig.2 Effects of carbon and nitrogen input on rice grain weight

2018年水稻籽粒的重量隨氮投入量的增加呈增加趨勢，但無顯著相關(guān)性，而2019年水稻籽粒重量與氮投入量間呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.974（P＜0.001），2019年氮投入量對水稻籽粒重量的影響強于2018年（圖2c）；2018和2019年添加的生物質(zhì)炭和蚯蚓糞產(chǎn)生的氮累積投入量與水稻籽粒累積重量間無顯著相關(guān)性（圖2d）。這可能是由于各處理間化肥氮投入量無差異，且生物可利用性高，對水稻生長的促進作用強于生物質(zhì)炭和蚯蚓糞，因此，各處理間水稻產(chǎn)量無差異；另外，生物質(zhì)炭和蚯蚓糞中氮素的生物可利用性低于化肥氮，且相對穩(wěn)定，對水稻生長的促進作用不明顯，因此，氮累積投入量與水稻籽粒重量間呈正相關(guān)，但不顯著。

2.5 碳氮投入量對營養(yǎng)元素收獲指數(shù)的影響

生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞不僅能提供水稻生長所需的豐富的營養(yǎng)元素，而且由生物質(zhì)炭和蚯蚓糞施用產(chǎn)生的碳氮投入量可影響水稻不同部位對氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的吸收和轉(zhuǎn)運（圖3）。圖3a顯示，2018和2019年氮素收獲指數(shù)隨碳投入量的增加呈增加趨勢，但相關(guān)性不顯著，而且2019年的影響小于2018年；2018年磷素收獲指數(shù)隨碳投入量的增加而降低，但在2019年呈增加趨勢，2年間碳投入量對磷素收獲指數(shù)影響均不顯著（圖3b）；鉀素收獲指數(shù)在2018和2019年均隨碳投入量的增加而降低，且在2019年鉀素收獲指數(shù)隨碳投入量的增加而顯著降低，相關(guān)系數(shù)為0.803（P＜0.05）（圖3c）。2018年氮素收獲指數(shù)隨氮投入量的增加呈顯著的增加趨勢（P＜0.05），但2019年的增加趨勢并不顯著（圖3d）；氮投入量對2018和2019年的磷素收獲指數(shù)均無顯著影響（圖3e）；鉀素收獲指數(shù)在2018和2019年均隨氮投入量的增加而降低，且在2019年呈顯著負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.802（P＜0.05）（圖3f）。這些結(jié)果說明，施用生物質(zhì)炭和蚯蚓糞有利于促進水稻對氮和磷元素的吸收利用。結(jié)合表2和3可知，2019年水稻各部位生物量明顯高于2018年，籽粒對氮和磷元素的吸收量也顯著增加（P＜0.05），而且水稻莖部生物量的增加高于其他部位，說明添加生物質(zhì)炭和蚯蚓糞對促進水稻生長產(chǎn)生積極作用。從實際生產(chǎn)來講，施用生物質(zhì)炭和蚯蚓糞可以促進水稻莖的生長，能夠增加作物的抗倒伏能力，對增加水稻產(chǎn)量意義重大。

圖3 生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞產(chǎn)生的碳氮投入量與營養(yǎng)元素收獲指數(shù)間的關(guān)系Fig.3 Relationship among nutrient elements added by biochar and earthworm cast and their harvest index

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對水稻生長和產(chǎn)量的影響

生物質(zhì)炭和蚯蚓糞施用對作物生長產(chǎn)生影響，但對不同部位的作用效果并不一致。本研究表明，生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對水稻籽粒生物量的影響比對根、莖和葉生物量的影響更為明顯（表2），進一步證實了其對作物增產(chǎn)的積極作用。相對而言，蚯蚓糞對水稻生長的影響比生物質(zhì)炭更明顯，原因在于：一方面，生物質(zhì)炭是一次性施入，蚯蚓糞是逐年施用，時效性更好，而且蚯蚓糞可以提供活性更強和更利于作物吸收利用的養(yǎng)分，能夠明顯地促進作物生長；另一方面，生物質(zhì)炭中的養(yǎng)分相對穩(wěn)定，而蚯蚓糞中的養(yǎng)分相對豐富且活性更強，施用蚯蚓糞可增加土壤微生物豐度及酶活性，蚯蚓糞中養(yǎng)分的緩慢釋放能在水稻不同生育期提供相對充足的養(yǎng)分供給[2]。因此，在同等生物質(zhì)炭用量下，水稻不同部位的生物量隨蚯蚓糞用量的增加呈增加趨勢。施用生物質(zhì)炭可促進作物籽粒的形成并提高結(jié)實率，如徐鈺等[30]研究認為，施用生物質(zhì)炭提高了單株大豆的莢數(shù)和粒數(shù)，從而實現(xiàn)增產(chǎn)，并促進大豆對氮、磷和鉀養(yǎng)分的吸收。在本研究中，施用生物質(zhì)炭提高了水稻的結(jié)實率，且高于胡茜等[31]的研究結(jié)果，可能是蚯蚓糞中的營養(yǎng)元素更容易被水稻吸收利用，對水稻生長的促進作用更明顯[2,26]。但同時，水稻莖生物量的增加，將增加秸稈產(chǎn)量，在一定程度上加大了處理秸稈的壓力，并產(chǎn)生一些環(huán)境問題[32-33]?？傮w而言，施用生物質(zhì)炭和蚯蚓糞均可降低土壤容重[23]，促進根系生長以吸收更多的養(yǎng)分，從而獲得更高的作物產(chǎn)量。因此，生物質(zhì)炭和蚯蚓糞均作為優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑，能有效提升土壤有機碳含量，且配施效果更佳。

3.2 生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對營養(yǎng)元素吸收效果的影響差異

由于生物質(zhì)炭和蚯蚓糞中營養(yǎng)元素的含量及生物可利用性存在較大差異，使得生物質(zhì)炭和蚯蚓糞配施后對營養(yǎng)元素收獲指數(shù)的變化產(chǎn)生較大影響。相對而言，生物質(zhì)炭中的營養(yǎng)元素活性較弱，對水稻生長的貢獻不及蚯蚓糞，但生物質(zhì)炭自身強大的吸附能力對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生固持作用，積極地減少了養(yǎng)分流失，并提高了養(yǎng)分利用率[10,34]。本試驗結(jié)果表明，生物質(zhì)炭對氮素吸收利用的影響強于蚯蚓糞，對磷和鉀元素收獲指數(shù)的影響弱于蚯蚓糞。可見，蚯蚓糞可為水稻生長提供更多的、生物利用性更強的營養(yǎng)元素，生物質(zhì)炭則將化肥養(yǎng)分和蚯蚓糞中釋放的營養(yǎng)元素固持在水稻根際土壤表面[35-36]，以利于水稻對養(yǎng)分的吸收利用，并有效降低了氮和磷等元素的淋失量，增加土壤養(yǎng)分儲備[22]。因此，生物質(zhì)炭與蚯蚓糞配施的協(xié)同作用積極促進了水稻的生長，并增加了對生物活性更高的氮和磷等營養(yǎng)元素的吸收利用[37-38]，從而提高氮、磷元素的收獲指數(shù)[13,17,21]。但是，生物質(zhì)炭pH較高、養(yǎng)分生物有效性相對較低，施用后對土壤養(yǎng)分的活性和利用率、作物生長和土壤肥力改善帶來一定的負面影響，而且生物質(zhì)炭的價格較高，會增加生產(chǎn)成本。蚯蚓糞屬偏中性有機肥料，與生物質(zhì)炭配施后，可調(diào)節(jié)土壤pH以提高養(yǎng)分活性和生物可利用性，減輕生物質(zhì)炭的強堿性對作物的危害。因此，生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞既能擴大土壤養(yǎng)分庫容，也能彌補單施生物質(zhì)炭或蚯蚓糞在培肥土壤中的不足，是培肥中低產(chǎn)田土壤和促進水稻生長的有效措施。本試驗結(jié)果顯示，6.0g/kg（相當于15.0t/hm2）生物質(zhì)炭配施1.0%（質(zhì)量比）蚯蚓糞既可促進水稻生長，增加水稻籽粒生物量，也能提升土壤營養(yǎng)元素儲備能力，并降低氮素呼吸損耗[18,22,24,39]，促進水稻對氮和磷等營養(yǎng)元素的吸收和轉(zhuǎn)運，提高肥料利用率，在中低產(chǎn)田土壤改良和肥力提升中具有很好的現(xiàn)實意義。

3.3 生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對土壤有機碳的影響

提升土壤有機碳含量對增加水稻產(chǎn)量意義重大[10,21,27,40]。本研究所用蚯蚓糞是牛糞經(jīng)蚯蚓堆肥產(chǎn)生，含有大量未完全分解的秸稈等有機物質(zhì)，與生物質(zhì)炭配施可提升土壤有機碳，更能增加土壤中活性有機碳組分，而其中的穩(wěn)定性有機碳組分對促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成和提升土壤保肥保水能力有重要意義。另外，蚯蚓糞富含作物生長所需的其他營養(yǎng)元素和微生物，這類物質(zhì)在微生物作用下，更易轉(zhuǎn)化為作物可吸收利用的有效成分，并在作物體內(nèi)遷移、轉(zhuǎn)運和累積，促進作物對氮和磷等營養(yǎng)元素及微量元素的吸收利用[22,26,28]。生物質(zhì)炭是由秸稈高溫熱裂解而成，營養(yǎng)元素的穩(wěn)定性更強，生物可利用性相對較弱。但是，生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)和強大的吸附能力，能將更多的營養(yǎng)元素吸附并固持在土壤中，增加土壤氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素含量，起到培肥土壤的作用；而且生物質(zhì)炭也能降低土壤中重金屬活性，減輕其對作物生長的不利影響[39]，是提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的有效措施[28]。表2顯示，2018年，同等蚯蚓糞用量處理下，增加生物質(zhì)炭用量能明顯增加水稻產(chǎn)量，但在2019年，同等蚯蚓糞用量下，施用6.0和30.0g/kg生物質(zhì)炭的處理間水稻產(chǎn)量沒有明顯差異。在施用生物質(zhì)炭的處理中，無論是否施用蚯蚓糞，2019年水稻產(chǎn)量均有明顯增加。這說明生物質(zhì)炭培肥土壤具有較長的時效性，一次性施用后，再逐年施用蚯蚓糞能很好地培肥土壤，促進水稻增產(chǎn)。從節(jié)約成本和提高效益的角度來講，6.0g/kg生物質(zhì)炭一次性施入并配施蚯蚓糞是增加土壤有機碳和水稻產(chǎn)量更適宜的用量。2019年，在蚯蚓糞用量相同的處理中，增施生物質(zhì)炭并未獲得水稻產(chǎn)量成比例的增加，甚至降低（表2），這也說明增施生物質(zhì)炭可能會對蚯蚓糞及土壤中營養(yǎng)元素的吸收利用產(chǎn)生一定的抑制作用，或?qū)ν寥牢⑸镓S度及活性產(chǎn)生負面影響。

4 結(jié)論

生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞對促進水稻生長和營養(yǎng)元素利用均表現(xiàn)出積極作用，而且隨生物質(zhì)炭和蚯蚓糞用量的增加效果更好；與2018年相比，2019年水稻籽粒生物量增幅達5.18%～52.60%，6.0g/kg（15t/hm2）生物質(zhì)炭用量處理的增產(chǎn)效果更為明顯。生物質(zhì)炭和蚯蚓糞產(chǎn)生的碳投入量與水稻籽粒重量之間呈顯著相關(guān)性，碳累積投入量與水稻籽粒累積重量間亦呈顯著相關(guān)性，生物質(zhì)炭和蚯蚓糞產(chǎn)生的氮投入量僅在2019年與水稻籽粒重量間呈顯著相關(guān)，而氮累積投入量與水稻籽粒累積重量間無顯著相關(guān)性；增加中低產(chǎn)田有機碳投入是培肥土壤的關(guān)鍵。生物質(zhì)炭配施蚯蚓糞能促進水稻籽粒對氮、磷和鉀的吸收，提高氮和磷元素收獲指數(shù)，但鉀素收獲指數(shù)會因生物質(zhì)炭和蚯蚓糞用量的增加而降低。因此，在實際生產(chǎn)中，一次性施用15.0t/hm2的生物質(zhì)炭是節(jié)本增效和培肥中低產(chǎn)田土壤的合理用量，每年再配施蚯蚓糞或其他有機肥是培肥中低產(chǎn)田的有效措施。