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摘要：【目的】探究煙秆炭基肥对薏苡产量、品质及经济效益的影响，为农业废弃物资源化利用、生物炭基肥推广应用及薏苡养分和品质调控提供科学指导。【方法】以浦薏6号和烟秆生物炭基肥为供试材料，通过大田试验，设不施肥对照（CK）、常规施肥（F）、低量（800 kg/ha）炭基肥（LBF）和高量（1600 kg/ha）炭基肥（HBF）4种施肥处理，测定薏苡生长、产量、品质等指标，并分析不同施肥处理对薏苡肥料农学利用率及经济效益的影响。【结果】与CK相比，施用烟秆炭基肥可促进薏苡植株生长并提高薏苡产量，成熟期薏苡株高和茎粗分别增加7.8～15.4 cm和1.4～2.3 mm，薏苡平均增产44.98%;烟秆炭基肥可显著提高薏仁中营养性成分含量（P<0.05，下同），其中，可溶性糖含量平均增加44.25%，维生素C含量平均增加12.26%，而氨基酸和粗脂肪含量无显著差异（P>0.05）;烟杆炭基肥能提高薏苡中黄酮和薏苡素功能性成分含量;此外，烟秆炭基肥促进氮、磷、钾养分积累，显著提高肥料农学利用率和经济效益，以HBF处理的经济效益最高，达68109.15元/ha，较CK提高77.29%。【结论】综合考虑作物产量、品质及经济效益等因素，1600 kg/ha生物炭基肥处理提升效果较佳，在福建等南方地区的薏苡种植中具有良好的应用潜力和推广价值。
关键词： 烟秆炭基肥;薏苡;产量;品质;经济效益
Abstract：【Objective】To explore the effects of tobacco stalk biochar-based fertilizer on the yield，quality and economic benefits of adlay，with a view to provide scientific guidance for the resource utilization of agricultural wastes，the promotion and application of biochar-based fertilizers and the nutrient and quality control of adlay. 【Method】Puyi No.6 and tobacco stalk biochar-based fertilizer were used as the test materials. Through field experiments，no fertilizer（CK），conventional fertilization（F），low（800 kg/ha） biochar-based fertilizer（LBF） and high（1600 kg/ha） biochar-based fertili-zer（HBF） fertilization treatments were set up，to determine the growth，yield，quality and other indicators of adlay，and analyze the effects of different treatments on the fertilizer agronomic utilization rate and economic benefits of adlay. 【Result】Compared with CK，the application of tobacco stalk biochar-based fertilizer could promote the growth of adlay plant and increase the yield of adlay. In the mature period，the height and stem diameter of adlay were increased by 7.8-15.4 cm and 1.4-2.3 mm，respectively. and the average yield of adlay were increased by 44.98%;tobacco stalk biochar-based fertilizer could significantly increase the content of nutrient components（P<0.05， the same below），among them，average soluble sugar content increased by 44.25%，average vitamin C content increased by 12.26%，and there was no significant difference in amino acid and crude fat content（P>0.05）; tobacco stalk biochar-based fertilizer could increase the content of functional components such as flavonoids and coixin. In addition，tobacco stalk biochar-based fertilizer promoted the accumulation of nitrogen，phosphorus，and potassium nutrients，and significantly improved fertilizer agronomic utilization and economic benefits，among them，HBF treatment had the highest economic benefit，reached 68109.15 yuan/ha，which was 77.29% higher than CK. 【Conclusion】Taking into account factors such as crop yield， quality and economic benefits， the 1600 kg/ha biochar-based fertilizer has a better improvement effect， and it has good application potential and promotion value in the cultivation of adlay in southern regions such as Fujian. Key words： tobacco stalk biochar-based fertilizer; adlay; yield; quality; economic benefit
0 引言
【研究意义】薏苡（Coix lacryma-jobi L.）又名薏米，为禾本科薏苡属植物，广泛种植于我国云南、贵州、江西及福建等地（陈守良，1997）。薏苡可药食两用，其味甘淡、性微寒，具有利水消肿、健脾祛湿、清热排脓等功效，药用价值和营养价值较高，享有世界禾本科植物之王的美誉（谈嫚嫚等，2017）。但近年来，由于长期连作及化肥施用不合理，导致土壤性质退化严重、养分供应不平衡、土壤肥力和生产力下降，极大限制了薏苡产量和品质的提升（徐明岗等，2016）。研究发现，生物炭在农业土壤改良和作物增产提质方面效果良好（王成己等，2019;李传哲等，2020）。生物炭是指在无氧或限氧条件下，将生物质高温裂解形成的稳定且富含碳的有机物（Wu et al.，2019），因具有疏松多孔、高比表面积及有丰富化学官能团的特点，可作为肥料载体与其他类型肥料混合，制备生物炭基肥，以达到改良土壤及提高肥料利用率的作用（张志浩等，2019）。福建省烟草种植量大，秸秆资源丰富，但烟秆在农田不易腐烂且不能直接作为肥料使用，绝大部分被当作废弃物丢弃焚烧，造成了极大的环境污染和资源浪费（Wang et al.，2020）。因此，探讨烟秆生物炭基肥对薏苡产量、品质和经济效益的影响，对于提高薏苡产量和品质及农业废弃物资源化利用均具有重要意义。【前人研究进展】生物炭与肥料混合制备的生物炭基肥不仅可弥补生物炭养分含量有限、运输与施用不便的缺点，还具有肥料缓释的功能，能源源不断地为作物提供养分，有利于作物产量和品质的提升（孔丝纺等，2015）。关于生物炭基肥对作物产量的影响，刘雅文等（2017）研究表明，生物炭基肥可显著提高水稻的氮肥农学利用率，维持土壤肥力，从而提高产量。刘宇娟等（2018）研究指出，连续施用生物炭基肥，小麦的穗数、千粒重和生物量显著增加，籽粒产量也相应增加。殷大伟等（2019）研究表明，生物炭基肥替代化肥施用增加了玉米茎重和地上干物质重，最终提高玉米产量。关于生物炭基肥对作物品质的影响，李大伟等（2016）以辣椒和番茄为研究对象，指出生物炭基肥能显著降低果实中的硝酸盐含量，提高番茄中可溶性糖含量和糖酸比，提升果实品质。毛娟等（2019）研究发现，施用生物炭基肥可提高烤烟中上部叶的总糖和还原糖量，降低总氮和烟碱含量，提高中性致香物质含量，进而改善烟叶品质。关于生物炭基肥对作物种植经济效益的影响，张萌等（2019）研究指出，生物炭基肥可提高朝天椒产量，提升品质，降低肥料成本，进而提高经济效益。此外，生物炭的原材料和制备条件、生物炭基肥施用方式和施用量也会对施用效果产生不同影响（孙涛等，2017;宋婷婷等，2019;刘遵奇等，2020;秦亚旭等，2020）。【本研究切入点】目前，以烤烟秸秆为原料制备生物炭基肥的研究较少，且鲜见生物炭基肥在薏苡上的应用研究。【拟解决的关键问题】以烤烟烟秆为原料制备烟秆炭基肥，通过大田试验研究烟秆炭基肥对薏苡产量、品质及经济效益的影响，综合评价生物炭基肥的施用效果，以期为农业废弃物资源化利用、生物炭基肥推广应用及薏苡养分和品质调控提供科学指导。
1 材料与方法
1. 1 研究区概况
试验地位于福建省南平市浦城县万安乡（东经118°32′58.41″，北纬27°48′33.76″）。当地海拔249 m，年平均气温约17.4 ℃，降雨量约1700 mm，日照时数约1900 h，无霜期约254 d，属典型中亚热带季风湿润气候区，四季分明，雨热同期。土壤类型为黄红壤，其基本化学性质：pH 5.52，全碳9.90 g/kg，全氮0.82 g/kg，堿解氮73.54 mg/kg，有效磷25.41 mg/kg，速效钾259.22 mg/kg。
1. 2 试验材料
供试薏苡品种为浦薏6号，由浦城县农业科学研究所选育，其品性优良，种性稳定，纯度较高。供试肥料为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O5 12%）和氯化钾（K2O 50%）。生物炭原料选用福建省洋中试验基地的烤烟烟秆，经烘干、粉碎后，采用便携式生物炭化机（淮安华电环保机械制造有限公司）在无氧环境下经500 ℃高温裂解2 h，将炭化产物研磨过筛（1 mm）制得;其基本性质：pH 9.74，全碳645.20 g/kg，全氮22.13 g/kg，全磷2.53 g/kg、全钾118.8 g/kg、碱解氮44.58 mg/kg，有效磷17.05 mg/kg，速效钾53.22 mg/kg。生物炭基肥由生物炭、尿素、过磷酸钙和氯化钾按质量比（20∶15∶39∶26）经平磨式挤压造粒机混合制成，养分比例为N∶P2O5∶K2O=4.6∶7.2∶5。
1. 3 试验方法
试验设4个施肥处理。（1）对照（CK）：不施肥;（2）常规施肥（F）：尿素、过磷酸钙、氯化钾施用量分别为100、600和100 kg/ha;（3）低量炭基肥（LBF）：生物炭基肥施用量为800 kg/ha;（4）高量炭基肥（HBF）：生物炭基肥施用量为1600 kg/ha。每处理3个重复，随机区组排列，每小区面积12 m2（6 m×2 m）。待薏苡苗长至3叶1心时，选取生长良好、大小一致的幼苗进行移栽，每穴栽苗2株，株行距为50 cm×40 cm，每小区种植40株薏苡。基肥在起垄前条施，翻耕均匀，其他水分及病虫害田间管理措施按常规进行。
1. 4 测定项目及方法
1. 4. 1 生长指标测定 在薏苡生长的6个生育期（幼苗期、分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期和收获期），每小区随机选取10株薏苡植株，分别用卷尺和电子游标卡尺测定植株的株高和茎粗。 1. 4. 2 產量指标测定 薏苡收获期，每小区随机挖取5株薏苡植株，洗净，称量单株生物量，计量有效穗数，所有有效穗的总粒数、实粒数和空粒数，计量过的有效穗继续装入自封袋中以便测量千粒重。折算公顷有效穗数、平均实粒数、单株结实数、出仁率和产量等指标，并计算产值、经济效益及肥料养分农学利用率。
1. 4. 3 理化指标测定 理化指标测定参照鲍士旦（2000）、张志良和瞿伟菁（2003）的方法。养分积累量：全氮含量采用碳氮元素分析仪（德国ELEMENTAR）测定，全磷含量采用钒钼黄比色法测定，全钾含量采用火焰光度法测定。品质指标：可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，氨基酸含量采用茚三酮柱后衍生法测定，粗脂肪含量采用酸水解法测定，维生素C含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法测定，黄酮含量采用分光光度法测定，薏苡素含量采用液相色谱法测定。
1. 5 统计分析
采用Excel 2016进行试验数据整理及绘图;利用SPSS 19.0进行单因素方差分析，采用SNK法进行显著性检验。
2 结果与分析
2. 1 烟秆炭基肥对薏苡生长的影响
由图1可看出，薏苡植株株高在幼苗期、分蘖期和拔节期增长较快，而孕穗期后植株由营养生长转为生殖生长，株高增长速度变缓。各生育期不同处理间植株株高变化趋势相同，均表现为HBF>LBF>F>CK。至收获期时，HBF处理的薏苡植株株高最高，达184.4 cm，显著高于其他处理（P<0.05，下同）;LBF处理的株高也显著高于CK和F处理;而F处理的株高与CK无显著差异（P>0.05，下同）;HBF和LBF处理的株高分别较CK增加7.8和15.4 cm。由此可知，烟秆炭基肥对于薏苡株高增长有明显的促进作用。
由图2可看出，薏苡植株茎粗随生育期递增。在幼苗期、分蘖期和拔节期，薏苡植株茎粗呈较快的增长趋势，其中以分蘖期增长最快，而在灌浆期至收获期茎粗增长较慢或基本不变。各生育期不同施肥处理薏苡植株的茎粗均表现为HBF>LBF>F>CK。至收获期时， HBF、LBF和F处理植株的茎粗均较CK显著增粗，增幅分别为21.50%、13.08%和8.41%，其中HBF和LBF处理的茎粗较CK增加1.4～2.3 mm。
2. 2 烟秆炭基肥对薏苡产量及其构成因素的影响
由表1可知，烟秆炭基肥对薏苡的产量及其构成因素有显著影响，可促进薏苡增产，且薏苡产量随炭基肥施用量的增加而增加，HBF处理的产量最高，LBF处理次之，二者分别较CK增产55.30%和34.65%，平均增产44.98%。从产量构成因素来看，各指标也均表现为HBF>LBF>F>CK，其中HBF处理的单株生物量、单株结实数、出仁率和千粒重分别为1.32 kg、830.36粒、64.23%和119.54 g，较CK显著增加88.57%、11.32%、26.89%和26.69%。
2. 3 烟秆炭基肥对薏苡品质的影响
由表2可知，各处理薏苡植株氮、磷、钾养分积累量的变化趋势相同，均表现为HBF>LBF>F>CK。薏苡植株对氮素的积累量最多，达3.75～6.89 g/株，其中HBF和LBF处理薏苡植株的氮积累量显著高于CK和F处理，分别是CK的1.84和1.73倍，是F处理的1.22和1.14倍。薏苡植株对磷元素的积累量最少，仅0.37～0.53 g/株，且各处理间均无显著差异。薏苡植株对钾素的积累量为3.39～4.14 g/株，其中HBF处理显著高于CK，是CK的1.22倍，其他施肥处理与CK无显著差异。表明烟秆炭基肥可促进薏苡植株养分积累，尤其对氮素积累的促进作用最明显。
对不同施肥处理下薏苡仁的4种营养性成分进行分析，结果（表3）表明，不同施肥处理均可显著提高薏苡仁的可溶性糖含量，以施用炭基肥的效果较佳，其中HBF和LBF处理的可溶性糖含量较F处理显著提高18.69%和16.90%，较CK显著提高45.34%和43.15%，但炭基肥施用量对可溶性糖含量无显著影响。薏苡仁氨基酸和粗脂肪含量均以HBF处理最高，分别为19.19和65.84 g/kg，显著高于其他处理，而CK、F和LBF处理间差异均不显著。施用炭基肥对薏苡仁中的维生素C含量也有显著提升效果，HBF和LBF处理的维生素C含量分别较CK显著增加15.44%和9.01%，较F处理增加3.00%和9.12%，但F处理与CK差异不显著。
由图3和图4可知，不同处理的薏苡仁黄酮含量为1.77～2.42 mg/kg，薏苡素含量为29.07～34.92 mg/kg。与CK相比，各施肥处理均可有效提高2个药用品质指标的含量，且以HBF处理的效果最佳，分别较CK显著提高36.47%和20.12%;LBF处理与F处理的黄酮和薏苡素含量无显著差异，但二者均显著高于CK。表明施用烟秆炭基肥对提高薏苡仁的黄酮和薏苡素含量有积极作用。
2. 4 烟秆炭基肥对薏苡产值、经济效益及肥料农学利用率的影响
由表4可知，不同施肥处理对薏苡产值、经济效益和肥料农学利用率均有显著影响。各处理的薏苡市场均价在17.60～19.00元/kg，以HBF处理最高，CK处理最低。随着炭基肥施用量的增加，薏苡产值显著增加，HBF处理的产值最高，达93744.35元/ha;虽然HBF处理的成本也最高，为23635.20元/ha，但扣除成本后，HBF处理的经济效益仍最高，达68109.15 元/ha，较CK提高77.29%，且与其他处理差异显著。与常规施肥F处理相比，施用炭基肥处理的肥料农学利用率显著提高，但随着炭基肥用量增加，肥料农学利用率呈降低趋势，氮、磷、钾的肥料农学利用率均以LBF处理最高，较F处理分别显著提高25.39%、17.80%和25.43%。表明施用烟秆炭基肥的增产、增收效果和肥料农学利用率优于常规施肥。 3 讨论
3. 1 煙秆炭基肥对薏苡生长、产量和养分积累的影响
张爱平等（2015）研究发现，生物炭与氮肥配施可增加水稻株高和穗粒数，显著增加水稻籽粒产量，促进水稻对氮素的吸收。陈懿等（2019）研究认为，生物炭基肥可促进烤烟生长，提高烤烟氮、磷、钾养分积累量和产量。与上述的研究结果相似，本研究发现，施用烟秆炭基肥后，薏苡的株高、茎粗在各生育期均高于F处理和CK，产量也较F处理增产5.50%～21.67%，薏仁中氮、钾的养分积累量也显著提高，表明烟秆炭基肥能有效促进作物生长、产量提升及养分积累。究其原因可能是生物炭具有多孔隙、高比表面积和强吸附能力等特点，保水持土特性良好，能改善土壤物理化学性质，延缓氮肥、钾肥释放速率，减少养分流失，进而增加薏苡养分积累，提高作物产量（廖上强等，2015）;生物炭中除含有氮、磷、钾养分元素外，还含有钙、镁、锌等中微量元素，有利于各种养分的平衡供给（战秀梅等，2015）。
3. 2 烟秆炭基肥对薏苡品质的影响
可溶性糖、氨基酸、粗脂肪和维生素C是薏苡主要的营养品质指标，对薏苡自身生长发育及最终价值至关重要（于淼等，2016）。黄酮和薏苡素是薏苡重要的药用品质指标，能通过激活酶的活性或其他途径调节人体机能（沈佳奇等，2020）。本研究发现，与F处理相比，施用烟秆炭基肥后薏苡可溶性糖含量显著增加16.90%～18.69%，维生素C含量增加3.00%～9.12%，但施用低量烟秆炭基肥对薏苡粗脂肪和氨基酸含量影响不显著;施用烟秆炭基肥后薏仁中黄酮和薏苡素含量也较CK显著增加，且随着炭基肥施用量增多，黄酮和薏苡素含量逐渐升高。该结论与前人关于生物炭基肥对朝天椒（张萌等，2019）、马铃薯（张伟明等，2020）和叶用桔梗（于锡宏等，2020）品质指标影响的结论相似。综合分析烟秆炭基肥影响薏苡品质的原因：一方面，在薏苡生长前期，化肥养分释放速率远高于生物炭，绝大部分释放出来的养分被淋溶、损失，而生物炭释放养分速率缓慢，能提供植物生长后期所需养分，促进果实养分积累，提升作物品质（包立等，2018）;另一方面，生物炭能降低土壤容重，增大土壤通透性，提高土壤持水性能，改善土壤理化性质，促进植物根系生长发育，提高土壤微生物活性与丰度等，生物炭持水保肥的特点和植物根系对土壤中有效养分的吸收共同促进植物品质的提升（Ibrahim et al.，2020）。
3. 3 烟秆炭基肥对薏苡肥料农学利用率的影响
肥料农学利用率指当季作物吸收利用肥料中某种养分的数量占所施肥料中该种养分含量的百分数，一般用作评价作物产出与投入比的经济指标（陈猛猛等，2019）。土壤的水分、pH、温度及养分含量等与肥料农学利用率密切相关（王慧等，2018）。本研究中，与F处理相比，施用炭基肥显著提高了氮、磷、钾肥农学利用率，对氮肥和钾肥提高效果最显著，分别提高25.39%和25.42%。提高氮肥农学利用率的原因可能是炭基肥中生物炭表面具有活跃且吸附性极强的羟基和羧基等官能团，可吸附利用土壤中的可利用氮（NH4+和NO3-），减少其在土壤中的淋溶和固定损失，可利用氮再通过根系吸收被植物利用;此外，施用炭基肥改善了土壤理化性质，提高了土壤中与氮素物质循环、转化有关的酶活性及微生物多样性和丰度，促进无机态氮转化，进而提高植物氮肥农学利用率（王洪媛等，2016）。提高钾肥农学利用率的原因可能是炭基肥中生物炭的钾有效性较高，施入土壤中能提高土壤速效钾和作物的吸钾量;此外，生物炭增加了土壤离子交换量，有效减少土壤中钾的淋溶及损失;生物炭施入土壤还能提高土壤温度和pH，改善土壤水分状况，影响硅酸盐解钾菌活性，提高土壤钾素有效性，增强土壤对钾离子的吸附能力，进而提高植物钾肥农学利用率（聂新星和陈防，2016）。
3. 4 烟秆炭基肥对薏苡经济效益的影响
经济效益是衡量农民增产创收的重要指标（周雯雯等，2020）。本研究发现，尽管生物炭基肥处理的肥料价格、施肥、机械和人工采摘费用增加了投入成本，但因缓释肥改善了土壤环境、调控了土壤养分，薏苡最终产值和经济效益显著增加。目前绝大部分对生物炭的研究集中在对土壤的环境效应，而非经济效益，其原因在于生物炭制备、运输成本过高，导致前期投入过大，收益见效缓慢（徐敏等，2018）。但生物炭基肥的优点在于能保证各种养分的平衡供应，同时生物炭与其他肥料混合，既减少了肥料用量，又提升了作物产量和品质，实现肥料与秸秆生物质的综合利用，具有明显的生态和经济效益。因此，未来研究方向应主要集中于如何降低生物炭基肥生产成本，降低生物炭基肥价格，加强生物炭基肥推广应用，使农作物种植经济效益最大化。
4 结论
烟秆炭基肥可提高薏苡产量，促进薏苡生长和养分积累，并提高营养和功能性成分含量，有利于薏苡的增产、提质和增效。综合考虑作物产量、品质及经济效益等因素，1600 kg/ha烟秆生物炭基肥处理提升效果较佳，在福建等南方地区的薏苡种植中具有良好的应用潜力和推广价值。
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（责任编辑 王 晖）
关键词： 烟秆炭基肥;薏苡;产量;品质;经济效益
Abstract：【Objective】To explore the effects of tobacco stalk biochar-based fertilizer on the yield，quality and economic benefits of adlay，with a view to provide scientific guidance for the resource utilization of agricultural wastes，the promotion and application of biochar-based fertilizers and the nutrient and quality control of adlay. 【Method】Puyi No.6 and tobacco stalk biochar-based fertilizer were used as the test materials. Through field experiments，no fertilizer（CK），conventional fertilization（F），low（800 kg/ha） biochar-based fertilizer（LBF） and high（1600 kg/ha） biochar-based fertili-zer（HBF） fertilization treatments were set up，to determine the growth，yield，quality and other indicators of adlay，and analyze the effects of different treatments on the fertilizer agronomic utilization rate and economic benefits of adlay. 【Result】Compared with CK，the application of tobacco stalk biochar-based fertilizer could promote the growth of adlay plant and increase the yield of adlay. In the mature period，the height and stem diameter of adlay were increased by 7.8-15.4 cm and 1.4-2.3 mm，respectively. and the average yield of adlay were increased by 44.98%;tobacco stalk biochar-based fertilizer could significantly increase the content of nutrient components（P<0.05， the same below），among them，average soluble sugar content increased by 44.25%，average vitamin C content increased by 12.26%，and there was no significant difference in amino acid and crude fat content（P>0.05）; tobacco stalk biochar-based fertilizer could increase the content of functional components such as flavonoids and coixin. In addition，tobacco stalk biochar-based fertilizer promoted the accumulation of nitrogen，phosphorus，and potassium nutrients，and significantly improved fertilizer agronomic utilization and economic benefits，among them，HBF treatment had the highest economic benefit，reached 68109.15 yuan/ha，which was 77.29% higher than CK. 【Conclusion】Taking into account factors such as crop yield， quality and economic benefits， the 1600 kg/ha biochar-based fertilizer has a better improvement effect， and it has good application potential and promotion value in the cultivation of adlay in southern regions such as Fujian. Key words： tobacco stalk biochar-based fertilizer; adlay; yield; quality; economic benefit
0 引言
【研究意义】薏苡（Coix lacryma-jobi L.）又名薏米，为禾本科薏苡属植物，广泛种植于我国云南、贵州、江西及福建等地（陈守良，1997）。薏苡可药食两用，其味甘淡、性微寒，具有利水消肿、健脾祛湿、清热排脓等功效，药用价值和营养价值较高，享有世界禾本科植物之王的美誉（谈嫚嫚等，2017）。但近年来，由于长期连作及化肥施用不合理，导致土壤性质退化严重、养分供应不平衡、土壤肥力和生产力下降，极大限制了薏苡产量和品质的提升（徐明岗等，2016）。研究发现，生物炭在农业土壤改良和作物增产提质方面效果良好（王成己等，2019;李传哲等，2020）。生物炭是指在无氧或限氧条件下，将生物质高温裂解形成的稳定且富含碳的有机物（Wu et al.，2019），因具有疏松多孔、高比表面积及有丰富化学官能团的特点，可作为肥料载体与其他类型肥料混合，制备生物炭基肥，以达到改良土壤及提高肥料利用率的作用（张志浩等，2019）。福建省烟草种植量大，秸秆资源丰富，但烟秆在农田不易腐烂且不能直接作为肥料使用，绝大部分被当作废弃物丢弃焚烧，造成了极大的环境污染和资源浪费（Wang et al.，2020）。因此，探讨烟秆生物炭基肥对薏苡产量、品质和经济效益的影响，对于提高薏苡产量和品质及农业废弃物资源化利用均具有重要意义。【前人研究进展】生物炭与肥料混合制备的生物炭基肥不仅可弥补生物炭养分含量有限、运输与施用不便的缺点，还具有肥料缓释的功能，能源源不断地为作物提供养分，有利于作物产量和品质的提升（孔丝纺等，2015）。关于生物炭基肥对作物产量的影响，刘雅文等（2017）研究表明，生物炭基肥可显著提高水稻的氮肥农学利用率，维持土壤肥力，从而提高产量。刘宇娟等（2018）研究指出，连续施用生物炭基肥，小麦的穗数、千粒重和生物量显著增加，籽粒产量也相应增加。殷大伟等（2019）研究表明，生物炭基肥替代化肥施用增加了玉米茎重和地上干物质重，最终提高玉米产量。关于生物炭基肥对作物品质的影响，李大伟等（2016）以辣椒和番茄为研究对象，指出生物炭基肥能显著降低果实中的硝酸盐含量，提高番茄中可溶性糖含量和糖酸比，提升果实品质。毛娟等（2019）研究发现，施用生物炭基肥可提高烤烟中上部叶的总糖和还原糖量，降低总氮和烟碱含量，提高中性致香物质含量，进而改善烟叶品质。关于生物炭基肥对作物种植经济效益的影响，张萌等（2019）研究指出，生物炭基肥可提高朝天椒产量，提升品质，降低肥料成本，进而提高经济效益。此外，生物炭的原材料和制备条件、生物炭基肥施用方式和施用量也会对施用效果产生不同影响（孙涛等，2017;宋婷婷等，2019;刘遵奇等，2020;秦亚旭等，2020）。【本研究切入点】目前，以烤烟秸秆为原料制备生物炭基肥的研究较少，且鲜见生物炭基肥在薏苡上的应用研究。【拟解决的关键问题】以烤烟烟秆为原料制备烟秆炭基肥，通过大田试验研究烟秆炭基肥对薏苡产量、品质及经济效益的影响，综合评价生物炭基肥的施用效果，以期为农业废弃物资源化利用、生物炭基肥推广应用及薏苡养分和品质调控提供科学指导。
1 材料与方法
1. 1 研究区概况
试验地位于福建省南平市浦城县万安乡（东经118°32′58.41″，北纬27°48′33.76″）。当地海拔249 m，年平均气温约17.4 ℃，降雨量约1700 mm，日照时数约1900 h，无霜期约254 d，属典型中亚热带季风湿润气候区，四季分明，雨热同期。土壤类型为黄红壤，其基本化学性质：pH 5.52，全碳9.90 g/kg，全氮0.82 g/kg，堿解氮73.54 mg/kg，有效磷25.41 mg/kg，速效钾259.22 mg/kg。
1. 2 试验材料
供试薏苡品种为浦薏6号，由浦城县农业科学研究所选育，其品性优良，种性稳定，纯度较高。供试肥料为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O5 12%）和氯化钾（K2O 50%）。生物炭原料选用福建省洋中试验基地的烤烟烟秆，经烘干、粉碎后，采用便携式生物炭化机（淮安华电环保机械制造有限公司）在无氧环境下经500 ℃高温裂解2 h，将炭化产物研磨过筛（1 mm）制得;其基本性质：pH 9.74，全碳645.20 g/kg，全氮22.13 g/kg，全磷2.53 g/kg、全钾118.8 g/kg、碱解氮44.58 mg/kg，有效磷17.05 mg/kg，速效钾53.22 mg/kg。生物炭基肥由生物炭、尿素、过磷酸钙和氯化钾按质量比（20∶15∶39∶26）经平磨式挤压造粒机混合制成，养分比例为N∶P2O5∶K2O=4.6∶7.2∶5。
1. 3 试验方法
试验设4个施肥处理。（1）对照（CK）：不施肥;（2）常规施肥（F）：尿素、过磷酸钙、氯化钾施用量分别为100、600和100 kg/ha;（3）低量炭基肥（LBF）：生物炭基肥施用量为800 kg/ha;（4）高量炭基肥（HBF）：生物炭基肥施用量为1600 kg/ha。每处理3个重复，随机区组排列，每小区面积12 m2（6 m×2 m）。待薏苡苗长至3叶1心时，选取生长良好、大小一致的幼苗进行移栽，每穴栽苗2株，株行距为50 cm×40 cm，每小区种植40株薏苡。基肥在起垄前条施，翻耕均匀，其他水分及病虫害田间管理措施按常规进行。
1. 4 测定项目及方法
1. 4. 1 生长指标测定 在薏苡生长的6个生育期（幼苗期、分蘖期、拔节期、孕穗期、灌浆期和收获期），每小区随机选取10株薏苡植株，分别用卷尺和电子游标卡尺测定植株的株高和茎粗。 1. 4. 2 產量指标测定 薏苡收获期，每小区随机挖取5株薏苡植株，洗净，称量单株生物量，计量有效穗数，所有有效穗的总粒数、实粒数和空粒数，计量过的有效穗继续装入自封袋中以便测量千粒重。折算公顷有效穗数、平均实粒数、单株结实数、出仁率和产量等指标，并计算产值、经济效益及肥料养分农学利用率。
1. 4. 3 理化指标测定 理化指标测定参照鲍士旦（2000）、张志良和瞿伟菁（2003）的方法。养分积累量：全氮含量采用碳氮元素分析仪（德国ELEMENTAR）测定，全磷含量采用钒钼黄比色法测定，全钾含量采用火焰光度法测定。品质指标：可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，氨基酸含量采用茚三酮柱后衍生法测定，粗脂肪含量采用酸水解法测定，维生素C含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法测定，黄酮含量采用分光光度法测定，薏苡素含量采用液相色谱法测定。
1. 5 统计分析
采用Excel 2016进行试验数据整理及绘图;利用SPSS 19.0进行单因素方差分析，采用SNK法进行显著性检验。
2 结果与分析
2. 1 烟秆炭基肥对薏苡生长的影响
由图1可看出，薏苡植株株高在幼苗期、分蘖期和拔节期增长较快，而孕穗期后植株由营养生长转为生殖生长，株高增长速度变缓。各生育期不同处理间植株株高变化趋势相同，均表现为HBF>LBF>F>CK。至收获期时，HBF处理的薏苡植株株高最高，达184.4 cm，显著高于其他处理（P<0.05，下同）;LBF处理的株高也显著高于CK和F处理;而F处理的株高与CK无显著差异（P>0.05，下同）;HBF和LBF处理的株高分别较CK增加7.8和15.4 cm。由此可知，烟秆炭基肥对于薏苡株高增长有明显的促进作用。
由图2可看出，薏苡植株茎粗随生育期递增。在幼苗期、分蘖期和拔节期，薏苡植株茎粗呈较快的增长趋势，其中以分蘖期增长最快，而在灌浆期至收获期茎粗增长较慢或基本不变。各生育期不同施肥处理薏苡植株的茎粗均表现为HBF>LBF>F>CK。至收获期时， HBF、LBF和F处理植株的茎粗均较CK显著增粗，增幅分别为21.50%、13.08%和8.41%，其中HBF和LBF处理的茎粗较CK增加1.4～2.3 mm。
2. 2 烟秆炭基肥对薏苡产量及其构成因素的影响
由表1可知，烟秆炭基肥对薏苡的产量及其构成因素有显著影响，可促进薏苡增产，且薏苡产量随炭基肥施用量的增加而增加，HBF处理的产量最高，LBF处理次之，二者分别较CK增产55.30%和34.65%，平均增产44.98%。从产量构成因素来看，各指标也均表现为HBF>LBF>F>CK，其中HBF处理的单株生物量、单株结实数、出仁率和千粒重分别为1.32 kg、830.36粒、64.23%和119.54 g，较CK显著增加88.57%、11.32%、26.89%和26.69%。
2. 3 烟秆炭基肥对薏苡品质的影响
由表2可知，各处理薏苡植株氮、磷、钾养分积累量的变化趋势相同，均表现为HBF>LBF>F>CK。薏苡植株对氮素的积累量最多，达3.75～6.89 g/株，其中HBF和LBF处理薏苡植株的氮积累量显著高于CK和F处理，分别是CK的1.84和1.73倍，是F处理的1.22和1.14倍。薏苡植株对磷元素的积累量最少，仅0.37～0.53 g/株，且各处理间均无显著差异。薏苡植株对钾素的积累量为3.39～4.14 g/株，其中HBF处理显著高于CK，是CK的1.22倍，其他施肥处理与CK无显著差异。表明烟秆炭基肥可促进薏苡植株养分积累，尤其对氮素积累的促进作用最明显。
对不同施肥处理下薏苡仁的4种营养性成分进行分析，结果（表3）表明，不同施肥处理均可显著提高薏苡仁的可溶性糖含量，以施用炭基肥的效果较佳，其中HBF和LBF处理的可溶性糖含量较F处理显著提高18.69%和16.90%，较CK显著提高45.34%和43.15%，但炭基肥施用量对可溶性糖含量无显著影响。薏苡仁氨基酸和粗脂肪含量均以HBF处理最高，分别为19.19和65.84 g/kg，显著高于其他处理，而CK、F和LBF处理间差异均不显著。施用炭基肥对薏苡仁中的维生素C含量也有显著提升效果，HBF和LBF处理的维生素C含量分别较CK显著增加15.44%和9.01%，较F处理增加3.00%和9.12%，但F处理与CK差异不显著。
由图3和图4可知，不同处理的薏苡仁黄酮含量为1.77～2.42 mg/kg，薏苡素含量为29.07～34.92 mg/kg。与CK相比，各施肥处理均可有效提高2个药用品质指标的含量，且以HBF处理的效果最佳，分别较CK显著提高36.47%和20.12%;LBF处理与F处理的黄酮和薏苡素含量无显著差异，但二者均显著高于CK。表明施用烟秆炭基肥对提高薏苡仁的黄酮和薏苡素含量有积极作用。
2. 4 烟秆炭基肥对薏苡产值、经济效益及肥料农学利用率的影响
由表4可知，不同施肥处理对薏苡产值、经济效益和肥料农学利用率均有显著影响。各处理的薏苡市场均价在17.60～19.00元/kg，以HBF处理最高，CK处理最低。随着炭基肥施用量的增加，薏苡产值显著增加，HBF处理的产值最高，达93744.35元/ha;虽然HBF处理的成本也最高，为23635.20元/ha，但扣除成本后，HBF处理的经济效益仍最高，达68109.15 元/ha，较CK提高77.29%，且与其他处理差异显著。与常规施肥F处理相比，施用炭基肥处理的肥料农学利用率显著提高，但随着炭基肥用量增加，肥料农学利用率呈降低趋势，氮、磷、钾的肥料农学利用率均以LBF处理最高，较F处理分别显著提高25.39%、17.80%和25.43%。表明施用烟秆炭基肥的增产、增收效果和肥料农学利用率优于常规施肥。 3 讨论
3. 1 煙秆炭基肥对薏苡生长、产量和养分积累的影响
张爱平等（2015）研究发现，生物炭与氮肥配施可增加水稻株高和穗粒数，显著增加水稻籽粒产量，促进水稻对氮素的吸收。陈懿等（2019）研究认为，生物炭基肥可促进烤烟生长，提高烤烟氮、磷、钾养分积累量和产量。与上述的研究结果相似，本研究发现，施用烟秆炭基肥后，薏苡的株高、茎粗在各生育期均高于F处理和CK，产量也较F处理增产5.50%～21.67%，薏仁中氮、钾的养分积累量也显著提高，表明烟秆炭基肥能有效促进作物生长、产量提升及养分积累。究其原因可能是生物炭具有多孔隙、高比表面积和强吸附能力等特点，保水持土特性良好，能改善土壤物理化学性质，延缓氮肥、钾肥释放速率，减少养分流失，进而增加薏苡养分积累，提高作物产量（廖上强等，2015）;生物炭中除含有氮、磷、钾养分元素外，还含有钙、镁、锌等中微量元素，有利于各种养分的平衡供给（战秀梅等，2015）。
3. 2 烟秆炭基肥对薏苡品质的影响
可溶性糖、氨基酸、粗脂肪和维生素C是薏苡主要的营养品质指标，对薏苡自身生长发育及最终价值至关重要（于淼等，2016）。黄酮和薏苡素是薏苡重要的药用品质指标，能通过激活酶的活性或其他途径调节人体机能（沈佳奇等，2020）。本研究发现，与F处理相比，施用烟秆炭基肥后薏苡可溶性糖含量显著增加16.90%～18.69%，维生素C含量增加3.00%～9.12%，但施用低量烟秆炭基肥对薏苡粗脂肪和氨基酸含量影响不显著;施用烟秆炭基肥后薏仁中黄酮和薏苡素含量也较CK显著增加，且随着炭基肥施用量增多，黄酮和薏苡素含量逐渐升高。该结论与前人关于生物炭基肥对朝天椒（张萌等，2019）、马铃薯（张伟明等，2020）和叶用桔梗（于锡宏等，2020）品质指标影响的结论相似。综合分析烟秆炭基肥影响薏苡品质的原因：一方面，在薏苡生长前期，化肥养分释放速率远高于生物炭，绝大部分释放出来的养分被淋溶、损失，而生物炭释放养分速率缓慢，能提供植物生长后期所需养分，促进果实养分积累，提升作物品质（包立等，2018）;另一方面，生物炭能降低土壤容重，增大土壤通透性，提高土壤持水性能，改善土壤理化性质，促进植物根系生长发育，提高土壤微生物活性与丰度等，生物炭持水保肥的特点和植物根系对土壤中有效养分的吸收共同促进植物品质的提升（Ibrahim et al.，2020）。
3. 3 烟秆炭基肥对薏苡肥料农学利用率的影响
肥料农学利用率指当季作物吸收利用肥料中某种养分的数量占所施肥料中该种养分含量的百分数，一般用作评价作物产出与投入比的经济指标（陈猛猛等，2019）。土壤的水分、pH、温度及养分含量等与肥料农学利用率密切相关（王慧等，2018）。本研究中，与F处理相比，施用炭基肥显著提高了氮、磷、钾肥农学利用率，对氮肥和钾肥提高效果最显著，分别提高25.39%和25.42%。提高氮肥农学利用率的原因可能是炭基肥中生物炭表面具有活跃且吸附性极强的羟基和羧基等官能团，可吸附利用土壤中的可利用氮（NH4+和NO3-），减少其在土壤中的淋溶和固定损失，可利用氮再通过根系吸收被植物利用;此外，施用炭基肥改善了土壤理化性质，提高了土壤中与氮素物质循环、转化有关的酶活性及微生物多样性和丰度，促进无机态氮转化，进而提高植物氮肥农学利用率（王洪媛等，2016）。提高钾肥农学利用率的原因可能是炭基肥中生物炭的钾有效性较高，施入土壤中能提高土壤速效钾和作物的吸钾量;此外，生物炭增加了土壤离子交换量，有效减少土壤中钾的淋溶及损失;生物炭施入土壤还能提高土壤温度和pH，改善土壤水分状况，影响硅酸盐解钾菌活性，提高土壤钾素有效性，增强土壤对钾离子的吸附能力，进而提高植物钾肥农学利用率（聂新星和陈防，2016）。
3. 4 烟秆炭基肥对薏苡经济效益的影响
经济效益是衡量农民增产创收的重要指标（周雯雯等，2020）。本研究发现，尽管生物炭基肥处理的肥料价格、施肥、机械和人工采摘费用增加了投入成本，但因缓释肥改善了土壤环境、调控了土壤养分，薏苡最终产值和经济效益显著增加。目前绝大部分对生物炭的研究集中在对土壤的环境效应，而非经济效益，其原因在于生物炭制备、运输成本过高，导致前期投入过大，收益见效缓慢（徐敏等，2018）。但生物炭基肥的优点在于能保证各种养分的平衡供应，同时生物炭与其他肥料混合，既减少了肥料用量，又提升了作物产量和品质，实现肥料与秸秆生物质的综合利用，具有明显的生态和经济效益。因此，未来研究方向应主要集中于如何降低生物炭基肥生产成本，降低生物炭基肥价格，加强生物炭基肥推广应用，使农作物种植经济效益最大化。
4 结论
烟秆炭基肥可提高薏苡产量，促进薏苡生长和养分积累，并提高营养和功能性成分含量，有利于薏苡的增产、提质和增效。综合考虑作物产量、品质及经济效益等因素，1600 kg/ha烟秆生物炭基肥处理提升效果较佳，在福建等南方地区的薏苡种植中具有良好的应用潜力和推广价值。
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（责任编辑 王 晖）