Nutrient transfer and transformation mechanism of biochar-based infiltrated urea fertilizer from different raw materials
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摘要:目的
研究对比不同原材料生物炭基渗融尿素肥(Biochar-based infiltrated urea fertilizer，BIUF)的成肥及养分释放特性，探讨渗融法制肥中生物质种类、热解温度、表面官能团含量对肥料颗粒释放机制的影响，为BIUF缓释性能的进一步优化提供理论指导。
方法以稻壳炭(Husk biochar，HB)、松子壳炭(Pine nut biochar，PNB)、油茶壳炭(Oil-tea biochar，OTB)、花生壳炭(Peanut biochar，PB)和尿素颗粒为原料，采用渗融法制备BIUF，利用万能压力试验机、扫描电子显微镜、热重分析仪和傅里叶红外光谱仪对其成型特性和养分迁移机制进行研究。
结果生物炭颗粒的表观形貌及孔壁厚度影响BIUF的物理性能，与易碎薄片化的生物炭颗粒相比，蜂窝状的生物炭颗粒结构更利于提高BIUF的物理机械性能，抗破碎性能提升1.7~2.3倍。生物炭表面的官能团含量影响BIUF的缓释性能，炭表面的—COOH、—C=O和—OH等官能团与尿素生成稳固的化学态尿素，而链式脂肪醇上的—OH与尿素发生醇解反应，造成BIUF肥力下降，释放周期缩短40%~50%。蜂窝状的稻壳炭孔隙结构复杂、含氧官能团丰富以及链式脂肪醇含量低，所制备的花生壳炭基渗融尿素肥具备优异的抗破碎性能，养分释放周期延长90%以上，具备良好的释放性能。
结论不同生物炭独特的理化性质具备良好的养分吸附性，通过提高热解温度、延长热解时间可提升生物质材料的炭化程度，所制备的BIUF具备优异的物理性能以及一定的缓释性能，对农业的可持续发展具有积极影响。
Abstract:ObjectiveTo study and compare the fertilizer formation and nutrient release characteristics of biochar-based infiltrated urea fertilizer (BIUF) from different raw materials, explore the effects of biomass type, pyrolysis temperature and surface functional group content on the release mechanism of fertilizer granules in fertilizer production by percolation method, and provide a theoretical guidance for further optimization of the slow release performance of BIUF.
MethodBIUF was prepared by the infiltration method using rice husk bichar (HB), pine nut biochar (PNB), oil-tea biochar (OTB), peanut biochar (PB) and urea pellets as raw materials, and its molding characteristics and nutrient migration mechanism were investigated using a universal pressure tester, scanning electron microscope, thermogravimetric analyzer and Fourier infrared spectrometer.
ResultThe apparent morphology and pore wall thickness of biochar particles influenced the physical properties of BIUF. Compared with fragile and flaky biochar particles, the structure of honeycomb-shaped biochar particles was more conducive to improve the physical and mechanical properties of BIUF, and the resistance to fragmentation increased by 1.7−2.3 times. The content of functional groups on the surface of the biochar affects the slow release performance of BIUF. Functional groups such as —COOH, —C=O and —OH on the charcoal surface produced a solid chemical state urea with urea, while —OH on chain fatty alcohols reacted in an alcoholysis reaction with urea, resulting in reduced fertility of BIUF and a 40% to 50% shorter release cycle. Due to the complex pore structure of the honeycomb husk biochar, the abundant oxygen-containing functional groups and the low content of chain fatty alcohols, the prepared peanut BIUF possessed excellent fragmentation resistance, while the nutrient release cycle was prolonged by more than 90%, with good release performance.
ConclusionThe unique physicochemical properties of different biochars have good nutrient adsorption properties. By increasing the pyrolysis temperature and extending the pyrolysis time, the charring degree of biomass materials can be enhanced, and the prepared BIUF has excellent physical properties and certain slow-release properties, which have a positive impact on the sustainable development of agriculture.
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川芎，又名芎藭，为伞形科植物川芎Ligusticum chuanxiong Hort.的干燥根茎，始载于《神农本草经》，列为上品，为活血化瘀常用中药，具有活血行气、祛风止痛之功效，主治胸痹心痛、胸胁刺痛、跌扑肿痛、月经不调、经闭痛经、头痛、风湿痹通等[1-3]。现代药理学研究发现，川芎所含的挥发油、阿魏酸及川芎嗪等成分具有改善微循环、抗氧化、抗肿瘤等功效，还可作用于尿路结石、糖尿病等[4-6]。目前，栽培川芎已逐步成为商品川芎的主要来源，但也存在病虫害严重、产量和质量参差不齐等问题[7]。研究发现，不同的耕作方式[8]、肥料用量及种类[9-11]、栽种期和采收期[12]等均会不同程度地影响川芎的生长发育、产量及品质。
稻草覆盖是稻草还田的一种常见方式，能够有效地改善土壤结构、增加土壤有机质、促进土壤微生物活动、增强土壤保肥供肥性能，从而提高作物产量及品质、降低生产成本、增加农民收入。四川省稻草秸秆资源极其丰富，合理回收利用稻草秸秆能减少秸秆焚烧和废弃所造成的环境污染，是农业可持续发展的有效措施。蓝天琼[13]研究表明，免耕稻草覆盖可以提高土壤肥力、部分酶活力及微生物数量，从而提高川芎产量及部分品质指标。范巧佳等[8]也指出稻草覆盖有助于提高川芎的阿魏酸和总生物碱含量。在实际生产中，通常只在种植川芎苓子时用少量稻草覆盖厢面苓子部位，保持苓子部位土壤水分、延缓干旱速度。但是将川芎种植厢面全部进行稻草覆盖是否更利于川芎生长发育鲜见报道。
目前有关川芎种植厢面的稻草覆盖量对川芎生长影响的报道较少，且有待研究。本研究采用单因素随机区组设计，设置不覆盖、覆盖苓子、覆盖全厢面3种稻草覆盖方式，对川芎出苗率、生长发育、干物质积累、产量、品质及经济效益进行研究分析，以期为农业可持续发展及川芎生态种植提供相关理论依据和实践指导。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
选用大小一致(节盘直径≥1.4 cm)、无损伤、无病害的川芎苓子，在彭州市敖平镇试验基地进行试验。试验田前茬作物为大豆，土壤理化性质：全氮2.23 g/kg、全磷0.87 g/kg、全钾13.11 g/kg、速效氮196.00 mg/kg、速效磷58.53 mg/kg、速效钾238.08 mg/kg、有机质21.49 g/kg、有机碳12.46 g/kg、pH 5.66。种植川芎前对土壤进行翻耕处理。
1.2 试验设计
本试验采用单因素随机区组试验设计。设3个处理：不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面。每个处理3次重复，共9个小区，每个小区面积8.4 m2(1.2 m×7 m)。稻草的覆盖厚度为2~3 cm，施肥等田间管理措施按当地高产栽培要求进行，各小区间保持一致。栽种后30 d，调查川芎出苗情况；于茎叶发生期(2018年11月19日)、倒苗期(2019年1月3日)、二次茎叶发生期(2019年2月19日)、抽茎期(2019年4月1日)、收获期(2019年5月19日)，每小区选取长势均匀的代表性植株10株，测定株高、茎数、叶片数、根茎长、根茎宽、根茎厚、鲜质量、干质量和化学成分含量。
1.3 测定指标
1.3.1 形态指标
将川芎地上部分与地下部分的分割面朝上，平行于分割面为横截面，垂直于分割面为纵截面。根茎长为川芎根茎最大横截面的最长轴，根茎厚为川芎根茎最大横截面的最短轴，根茎宽为最大纵截面的最长轴。川芎根茎长、宽、厚用数显游标卡尺测定，精确到0.01 mm；株高用卷尺测定，精确到0.1 cm；质量用电子天平测定，精确到0.1 g。
1.3.2 干物质积累
把测定株高的川芎植株按地上部分(茎叶)、地下部分(须根和根茎)分开称鲜质量。地上部分在105 ℃下杀青1 h，60 ℃下烘干至恒质量，称其干质量即为地上部干质量；地下部分直接在60 ℃下烘干至恒质量，称其干质量即为地下部干质量。
1.3.3 折干率
折干率=干质量/鲜质量×100%。
1.3.4 品质指标
阿魏酸含量测定参考2015年版中国药典[1]川芎项下的含量测定方法，藁本内酯和洋川芎内酯A含量测定参照杨艳等[14]的测定方法。
1.4 统计分析
使用Excel 2016对数据进行整理分类，使用SPSS 20.0对数据进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)，采用Orgin 8.0作图。
2. 结果与分析
2.1 稻草覆盖量对栽种后30 d川芎出苗率的影响
稻草覆盖量对栽种后30 d川芎出苗率的影响如图1所示，覆盖全厢面处理出苗率最高，达到97.66%，与不覆盖稻草(94.05%)差异显著。覆盖苓子出苗率为96.68%，与不覆盖稻草和覆盖全厢面差异均不显著。以上结果表明，对川芎种植厢面进行稻草覆盖可以有效提高出苗率。
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图 1 稻草覆盖量对栽种后30 d川芎出苗率的影响柱子上不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 1. Effect of straw cover amount on emergence rate of Ligusticum chuanxiong after planting for 30 daysDifferent lowercase letters on the columns indicate significant differences among different treatments (P<0.05, Duncan’s method)2.2 稻草覆盖量对川芎各生育期形态指标的影响
稻草覆盖量对川芎各生育期株高、茎数、叶片数、根茎长、根茎宽和根茎厚均有影响，其中多个生育期尤其是生长前期对株高影响最明显，生长后期对茎数、叶片数和根茎宽的影响较大，对根茎长和根茎厚影响不大。茎叶发生期不覆盖稻草处理株高最低，为35.93 cm，比覆盖全厢面低5.9%，两者差异显著；茎叶发生期至倒苗期川芎生长迅速，各组株高不断增加，倒苗期后各组株高均呈现先降低后增加的趋势；倒苗期和二次茎叶发生期不覆盖稻草处理株高依旧最低，与覆盖苓子、覆盖全厢面差异显著；收获期各组株高不再增加，差异不显著。各组茎数在抽茎期前缓慢增加，且无显著差异；抽茎期各组茎数迅速增加至最大值，此时不覆盖稻草茎数仅16.07，覆盖苓子19.20，覆盖全厢面21.73，覆盖全厢面比不覆盖稻草高35.2%，差异显著；收获期各组茎数不再增多，差异不显著。抽茎期前各组叶片数变化不明显；抽茎期叶片数迅速增加，达到最大值，覆盖全厢面处理叶片数最多，达到60.93，比不覆盖稻草高47.4%，两者差异显著；收获期叶片数不再增加，各组差异不显著。根茎长、根茎宽和根茎厚在生长前期不断增加，在抽茎期达到最大值；各时期根茎长和根茎厚差异均不显著；收获期不覆盖稻草处理的根茎宽最小，仅38.98 mm，与覆盖苓子和覆盖全厢面均差异显著(表1)。
表 1 稻草覆盖量对各生育期川芎形态指标的影响1)Table 1. Effects of straw cover amount on morphological indexes of Ligusticum chuanxiong in different growth periods形态指标
Morphological index生育期
Growth period不覆盖稻草
No straw cover覆盖苓子
Covering Lingzi覆盖全厢面
Covering whole ridge株高/cm
Plant height茎叶发生 Stem emergence and growth 35.93±0.72b 37.80±0.77ab 38.20±0.66a 倒苗 Senescene 37.83±0.65b 40.32±0.60a 41.45±0.85a 二次茎叶发生 Secondary stem emergence 32.29±1.06b 40.22±1.28a 37.03±1.08a 抽茎 Tillering 20.53±0.57b 27.01±1.55a 23.58±1.13b 收获 Harvest 33.57±2.07a 33.34±2.06a 36.61±1.76a 茎数
Stem number茎叶发生 Stem emergence and growth 6.07±0.20a 5.33±0.36a 5.87±0.39a 倒苗 Senescene 5.61±0.41a 5.11±0.43a 5.56±0.29a 二次茎叶发生 Secondary stem emergence 7.07±0.71a 7.47±0.81a 7.13±0.89a 抽茎 Tillering 16.07±1.65b 19.20±1.46ab 21.73±1.71a 收获 Harvest 12.00±1.13a 13.90±1.47a 17.25±2.23a 叶片数
Leaf number茎叶发生 Stem emergence and growth 26.36±0.91a 25.13±1.84a 28.33±1.86a 倒苗 Senescene 28.72±1.90a 25.83±2.03a 27.67±1.22a 二次茎叶发生 Secondary stem emergence 26.13±2.78a 24.60±4.06a 26.20±3.57a 抽茎 Tillering 41.33±3.51b 53.07±4.19a 60.93±3.70a 收获 Harvest 43.00±4.93a 49.30±4.59a 57.00±7.49a 根茎长/mm
Rhizome length茎叶发生 Stem emergence and growth 44.31±1.69a 41.38±1.51a 45.65±1.90a 倒苗 Senescene 55.92±2.10a 54.94±2.00a 55.73±1.22a 二次茎叶发生 Secondary stem emergence 57.76±3.77a 58.01±2.58a 61.15±3.92a 抽茎 Tillering 61.87±3.06a 69.17±2.57a 67.22±2.58a 收获 Harvest 52.66±4.13a 65.33±3.13a 59.66±6.54a 根茎宽/mm
Rhizome width茎叶发生 Stem emergence and growth 34.91±1.21a 39.09±1.81a 36.63±1.88a 倒苗 Senescene 45.25±2.77a 49.05±1.84a 49.09±1.88a 二次茎叶发生 Secondary stem emergence 47.02±2.64a 50.59±2.40a 49.16±2.23a 抽茎 Tillering 50.92±2.85a 56.02±3.89a 58.74±3.41a 收获 Harvest 38.98±3.87b 51.05±3.28a 55.78±3.55a 根茎厚/mm
Rhizome thickness茎叶发生 Stem emergence and growth 27.96±0.93a 28.77±0.99a 30.05±1.19a 倒苗 Senescene 34.22±1.53a 32.76±0.96a 34.16±0.86a 二次茎叶发生 Secondary stem emergence 37.01±2.15a 40.16±1.72a 41.42±2.36a 抽茎 Tillering 38.24±2.95a 39.36±2.11a 40.25±2.07a 收获 Harvest 36.13±2.54a 38.24±1.68a 38.68±1.91a 1)相同指标相同生育期后不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)
1) Different lowercase letters in the same morphological index and growth stage indicate significant differences among different treatments (P<0.05, Duncan’s method)2.3 稻草覆盖量对川芎各生育期干物质积累的影响
茎叶发生期、倒苗期和二次茎叶发生期各组地上部干质量无显著差异；抽茎期至收获期茎叶快速生长，地上部干物质积累快；抽茎期和收获期覆盖全厢面处理地上部干质量均高于不覆盖稻草和覆盖苓子，且与不覆盖稻草差异显著，收获期与覆盖苓子差异显著；抽茎期覆盖全厢面处理地上部干质量为8.77 g，分别比不覆盖稻草、覆盖苓子高86.9%、33.5%；收获期覆盖全厢面处理地上部干质量为24.41 g，分别比不覆盖稻草和覆盖苓子高69.1%和35.3%。倒苗期前根茎干质量迅速增加，倒苗期后到二次茎叶发生期增加缓慢；之后由于二次茎叶发育需要消耗根茎营养，根茎干质量先降低后增加，到收获期达最大值；收获期之前覆盖全厢面处理根茎干质量高于覆盖苓子和不覆盖稻草，但差异不显著；收获期覆盖全厢面处理根茎干质量达25.45 g，不覆盖稻草仅17.97 g，两者差异显著，覆盖全厢面高出覆盖苓子16.6%，两者差异不显著。须根干质量在川芎生长过程中先增加后减少，生长前期由于需要须根进行营养作用，所以须根数量多，占地下部干质量比例大，茎叶发生期须根干质量占地下部干质量的比例达15.3%~17.1%；随着川芎生长，营养物质更多地运输到根茎，须根所占地下部干质量比例越来越低，至收获期最低，仅6.9%~8.7%；整个生长期间各组须根干质量差异不显著。地下部干质量中根茎干质量占比最大，变化趋势与根茎干质量基本一致(表2)。
表 2 稻草覆盖量对川芎各生育期干物质积累的影响1)Table 2. Effect of straw cover amount on dry matter accumulation of Ligusticum chuanxiong in different growth periods指标
Index生育期
Growth period不覆盖稻草
No straw cover覆盖苓子
Covering Lingzi覆盖全厢面
Covering whole ridge地上部干质量/g
Dry weight of aboveground part茎叶发生 Stem emergence and growth 9.35±0.95a 9.37±0.83a 9.52±0.08a 倒苗 Senescene 12.63±1.31a 11.18±1.17a 12.05±1.91a 二次茎叶发生 Secondary stem emergence 7.87±1.00a 8.59±0.67a 9.06±0.54a 抽茎 Tillering 4.69±0.07b 6.57±1.17ab 8.77±0.09a 收获 Harvest 14.43±0.49b 18.04±2.04b 24.41±0.17a 根茎干质量/g
Dry weight of rhizome茎叶发生 Stem emergence and growth 5.76±0.37a 6.53±0.96a 7.07±0.56a 倒苗 Senescene 16.39±1.59a 14.88±0.73a 18.84±3.00a 二次茎叶发生 Secondary stem emergence 19.43±1.28a 24.70±1.75a 25.23±2.25a 抽茎 Tillering 15.25±2.93a 21.36±0.14a 21.82±0.62a 收获 Harvest 17.97±0.01b 21.83±1.41ab 25.45±2.00a 须根干质量/g
Dry weight of fibrous fibyous root茎叶发生 Stem emergence and growth 1.19±0.13a 1.21±0.15a 1.28±0.07a 倒苗 Senescene 2.09±0.26a 1.83±0.17a 1.62±0.41a 二次茎叶发生 Secondary stem emergence 2.02±0.30a 2.15±0.22a 2.90±0.24a 抽茎 Tillering 2.67±0.25a 2.41±0.35a 2.25±0.19a 收获 Harvest 1.61±0.29a 1.64±0.10a 2.45±0.27a 地下部干质量/g
Dry weight of underground part茎叶发生 Stem emergence and growth 6.95±0.49a 7.75±1.09a 8.35±0.51a 倒苗 Senescene 18.48±1.84a 16.72±0.87a 20.46±3.34a 二次茎叶发生 Secondary stem emergence 21.45±1.43a 26.85±1.62a 28.13±2.42a 抽茎 Tillering 17.92±3.18a 23.77±0.49a 24.07±0.43a 收获 Harvest 19.58±0.28b 23.47±1.51ab 27.90±1.72a 1)相同指标相同生育期后不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)
1) Different lowercase letters in the same index and growth stage indicate significant differences among different treatments (P<0.05, Duncan’s method)2.4 稻草覆盖量对川芎各生育期折干率的影响
2.4.1 地上部折干率
茎叶发生期地上部折干率最低，不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面处理分别为11.06%、10.45%、9.92%；地上部折干率随川芎生长不断增加，至收获期达最大值，不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面处理分别为30.62%、31.79%、28.28%，各处理组变化趋势相同；整体看来，覆盖全厢面处理川芎地上部折干率低于覆盖苓子和不覆盖稻草，但差异不显著(图2A)。
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图 2 稻草覆盖量对川芎各生育期折干率的影响各小图中相同生育期不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05，Duncan’s法）Figure 2. Effect of straw cover amount on drying rate of Ligusticum chuanxiong during different growth periodsDifferent lowercase letters at the same growth stage indicate significant differences among different treatments (P<0.05, Duncan’s method)2.4.2 根茎折干率
茎叶发生期根茎折干率最低，不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面处理分别为25.04%、25.20%、25.61%；二次茎叶发生期前川芎根茎折干率基本呈线性增加，覆盖全厢面处理高于覆盖苓子和不覆盖稻草，但差异未达显著水平；二次茎叶发生期根茎折干率达最大值，不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面分别为39.76%、41.44%、42.18%，不覆盖稻草显著低于覆盖苓子和覆盖全厢面；二次茎叶发生期到收获期根茎折干率先降低后增加，抽茎期覆盖全厢面处理低于覆盖苓子和不覆盖稻草，差异不显著；收获期根茎折干率达到一个中间值，不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面分别为34.41%、34.95%、34.48%，各处理间差异不显著(图2B)。
2.4.3 须根折干率
须根折干率在茎叶发生期最低，不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面分别为20.44%、20.65%、20.67%；整体呈先上升后下降趋势，期间各处理组须根折干率均无显著差异：二次茎叶发生期前须根折干率快速增加，不覆盖稻草和覆盖全厢面处理在二次茎叶发生期达最大值，分别为27.93%和30.04%，覆盖苓子在倒苗期达最大值，为29.80%；茎叶发生期和二次茎叶发生期覆盖全厢面处理须根折干率高于不覆盖稻草和覆盖苓子；二次茎叶发生期到收获期须根折干率不断降低，抽茎期覆盖全厢面低于覆盖苓子和不覆盖稻草；收获期各处理须根折干率接近于茎叶发生期，不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面分别为20.87%、24.94%、21.45%，覆盖全厢面高于不覆盖稻草，低于覆盖苓子(图2C)。
2.4.4 地下部折干率
茎叶发生期地下部折干率最低，不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面处理分别为24.09%、24.36%、24.70%；二次茎叶发生期地下部折干率达最大值，不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面处理分别为38.24%、40.16%、40.48%，覆盖全厢面和覆盖苓子显著高于不覆盖稻草；二次茎叶发生期至收获期地下部折干率先降低后增加；收获期地下部折干率不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面处理分别为32.67%、33.09%、32.70%，差异不显著(图2D)。
2.5 稻草覆盖量对川芎产量的影响
覆盖全厢面产量最高，达5 576.40 kg/hm2，分别比覆盖苓子和不覆盖稻草高16.6%和41.6%，覆盖全厢面产量与不覆盖稻草差异显著，表明覆盖稻草可有效提高川芎产量(图3)。
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图 3 稻草覆盖量对川芎产量的影响柱子上不同小写字母不同表示处理间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)Figure 3. Effect of straw cover amount on Ligusticum chuanxiong yieldDifferent lowercase letters in the columns indicate significant differences among different treatments (P<0.05, Duncan’s method)2.6 稻草覆盖量对川芎各生育期品质指标的影响
2.6.1 阿魏酸含量
阿魏酸含量(w)在茎叶发生期最低，不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面处理分别为0.054%、0.048%、0.073%，覆盖全厢面显著高于不覆盖稻草和覆盖苓子；从茎叶发生期到二次茎叶发生期阿魏酸含量(w)呈线性增加，二次茎叶发生期后开始下降，抽茎期到收获期再次增加，倒苗期、二次茎叶发生期和抽茎期各处理间差异均不显著；收获期阿魏酸含量(w)达到顶峰，不覆盖稻草、覆盖苓子、覆盖全厢面分别为0.103%、0.110%、0.105%，各处理间差异不显著(图4A)。
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图 4 稻草覆盖量对川芎各生育期品质指标的影响各小图中相同生育期不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05，Duncan’s法）Figure 4. Effect of straw cover amount on quality of Ligusticum chuanxiong during different growth periodsDifferent lowercase letters in the same growth stage indicate significant differences among different treatments (P<0.05, Duncan’s method)2.6.2 洋川芎内酯A含量
各时期不覆盖稻草和覆盖苓子洋川芎内酯A含量(w)整体呈下降趋势；茎叶发生期最高，不覆盖稻草和覆盖苓子分别为0.76%和0.86%，两组间差异不显著；收获期最低，不覆盖稻草和覆盖苓子分别为0.51%和0.45%，两组间差异不显著(图4B)。覆盖全厢面处理的洋川芎内酯A含量(w)整体先下降后上升，茎叶发生期最高，达0.85%，与不覆盖稻草和覆盖苓子差异不显著；二次茎叶发生期最低，仅0.58%；收获期为0.72%，与不覆盖稻草和覆盖苓子均差异显著(图4B)。
2.6.3 藁本内酯含量
3个处理组藁本内酯含量(w)整体呈上升趋势。不覆盖稻草处理在倒苗期最低(0.52%)，抽茎期最高(0.88%)；覆盖苓子的藁本内酯含量(w)在倒苗期最低(0.59%)，收获期最高(0.92%)；覆盖全厢面处理藁本内酯含量(w)在茎叶发生期最低(0.58%)，收获期最高(0.89%)。所有时期各组间藁本内酯含量(w)差异均不显著(图4C)。
2.6.4 总苯酞含量
本文将洋川芎内酯A和藁本内酯含量之和称为总苯酞含量。不覆盖稻草处理总苯酞含量(w)在收获期最低(1.25%)，抽茎期最高(1.45%)；覆盖苓子的总苯酞含量(w)在倒苗期最低(1.28%)，抽茎期最高(1.48%)；覆盖全厢面的总苯酞含量(w)在倒苗期最低(1.28%)，收获期最高(1.61%)。各组总苯酞含量(w)在倒苗期、二次茎叶发生期和抽茎期差异均不显著；茎叶发生期和收获期覆盖全厢面总苯酞含量(w)最高，不覆盖稻草最低，覆盖全厢面与不覆盖稻草差异显著，与覆盖苓子差异不显著(图4D)。
由以上结果可知，对川芎种植厢面进行稻草覆盖处理可以提高植株阿魏酸、洋川芎内酯A、藁本内酯和总苯酞含量(w)，从而提高其药用价值和药材品质，覆盖全厢面处理效果优于覆盖苓子。
2.7 稻草覆盖量对川芎经济效益的影响
表3为稻草覆盖量对川芎经济效益的影响。随着稻草覆盖量的增加，稻草和人工盖草的投资增加；覆盖稻草后田间杂草生长减少，除杂的投资减少，因此总投资成本较接近。进行稻草覆盖处理后，川芎产量增加，销售收入随之上升，覆盖全厢面和覆盖苓子净收益分别比不覆盖稻草高68.3%和35.3%。总体来说，对川芎进行稻草覆盖处理可带来更大的经济效益，覆盖全厢面处理收益更高。
表 3 稻草覆盖量对川芎经济效益的影响1)Table 3. Effect of straw cover amount on economic benefit of Ligusticum chuanxiong处理
Treatment投资项目/(元·hm−2) Investment project 稻草
Straw苓子
Lingzi肥料
Fertilizer耕地
Tillage盖草
Covering straw施肥
Fertilization除杂
Weeding不覆盖稻草 No straw cover 0 3 450 4 500 1 500 0 1 350 13 500 覆盖苓子 Covering Lingzi 900 3 450 4 500 1 500 2 250 1 350 10 500 覆盖全厢面Covering whole ridge 1 800 3 450 4 500 1 500 4 500 1 350 7 500 处理
Treatment投资成本/
(元·hm−2)
Cost of investment产量/
(kg·hm−2)
Yield售价/
(元·kg−1)
Selling price销售收入/
(元·hm−2)
Sale revenue净收益/
(元·hm−2)
Net income不覆盖稻草 No straw cover 24 300 3 938.25 15.50 61 042.88 36 742.88 覆盖苓子 Covering Lingzi 24 450 4 784.25 15.50 74 155.88 49 705.88 覆盖全厢面 Covering whole ridge 24 600 5 576.40 15.50 86 434.20 61 834.20 1)稻草0.35元·kg−1，覆盖苓子用草约2 580 kg·hm−2，覆盖全厢面用草约5 160 kg·hm−2；除杂费用每人每天100.00元；2018年8月苓子10.00元·kg−1，需345 kg·hm−2；2019年8月川芎售价15.50元·kg−1
1)Straw was about 0.35 yuan·kg−1, covering Lingzi needed about 2 580 kg·hm−2 straw, covering whole ridge needed about 5 160 kg·hm−2 straw; The cost of cleaning weeds was 100.00 yuan per person per day; In August 2018, the price of Lingzi was about 10.00 yuan·kg−1, and the experiment needed 345 kg·hm−2 Lingzi; In August 2019, Chuanxiong was sold for 15.50 yuan·kg−13. 讨论与结论
覆盖稻草提高了川芎的出苗率，可能是由于稻草覆盖厢面处理有利于土壤水分和温度的保持[15]，使土壤干湿均匀，降低气温变化对出苗的影响，更有利于川芎出苗。同时覆盖稻草对川芎各生育期的生长状况、干物质积累和折干率也有一定影响。除倒苗期外各生育期稻草覆盖处理地上部干质量均高于不覆盖稻草，除收获期外地上部折干率均低于不覆盖稻草，地下部干质量和折干率多高于不覆盖稻草，表明覆盖稻草有利于川芎的生长和干物质积累。覆盖稻草提高了川芎产量和经济效益，覆盖全厢面处理产量比覆盖苓子和不覆盖稻草分别高16.6%和41.6%，经济效益分别高24.4%和68.3%，表明全覆盖处理效果优于传统半覆盖处理。覆盖全厢面效果更为明显的原因可能是全覆盖处理所需的稻草还田量比半覆盖约多一倍，稻草还田量大，腐解后生成的有机质更多[8]，土壤有机质含量增加，补偿土壤肥力消耗；覆盖全厢面可以更多地抑制田间杂草生长，有利于川芎的生长和干物质积累。研究发现稻草覆盖显著影响水稻的株高[16]，水稻秸秆适量还田有效促进油菜植株的生长发育[17]，有效促进小麦干物质积累和提高产量[18]。本研究与其结果一致。
覆盖稻草处理也提高了川芎阿魏酸、洋川芎内酯A、藁本内酯和总苯酞含量。本研究发现川芎生长发育期间洋川芎内酯A和藁本内酯的积累呈相反趋势，有文献指出洋川芎内酯A是藁本内酯的降解产物[19]，这可能是洋川芎内酯A含量高的时期藁本内酯含量反而低的原因。银玲等[20]研究指出有机质和速效钾是影响川芎有效成分的主要土壤因素，因此可能是覆盖全厢面处理稻草还田量大，腐解后生成更多有机质，使土壤有机质含量增加，从而影响川芎阿魏酸、洋川芎内酯A、藁本内酯和总苯酞含量，但具体作用机制还需进一步研究。
对川芎种植厢面进行稻草覆盖处理有利于促进川芎生长发育、干物质积累，提高产量、品质和经济效益，覆盖全厢面处理效果优于仅覆盖苓子的传统处理方法。该方法在实际生产过程中具有容易推广、方便操作等优点，可以合理回收利用稻草秸秆，减少秸秆焚烧和废弃所造成的环境污染，是农业可持续发展的有效措施，对川芎实际生产具有一定的指导意义。
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图 1 生物炭基渗融尿素肥(BIUF)的制备流程
Figure 1. The flow chart of biochar-based infiltrated urea fertilizer (BIUF) preparation
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图 2 生物炭基渗融尿素肥(BIUF)与尿素的缓释性能
PNBF：松子壳炭基渗融尿素肥；PBF：花生壳炭基渗融尿素肥；OTBF：油茶壳炭基渗融尿素肥；Urea：纯尿素颗粒；HBF：稻壳炭基渗融尿素肥
Figure 2. The slow-release performances of biochar-based infiltrated urea fertilizer (BIUF) and urea
PNBF: Pine nut biochar-based infiltrated urea fertilizer; PBF: Peanut biochar-based infiltrated urea fertilizer; OTBF: Oil-tea biochar-based infiltrated urea fertilizer; Urea: Pure urea particles; HBF: Husk biochar-based infiltrated urea fertilizer
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图 3 生物炭基渗融尿素肥(BIUF)的抗破碎性能
PBF：花生壳炭基渗融尿素肥；OTBF：油茶壳炭基渗融尿素肥；PNBF：松子壳炭基渗融尿素肥；HBF：稻壳炭基渗融尿素肥
Figure 3. Crushing resistance of biochar-based infiltrated urea fertilizer (BIUF)
PBF: Peanut biochar-based infiltrated urea fertilizer; OTBF: Oil-tea biochar-based infiltrated urea fertilizer; PNBF: Pine nut biochar-based infiltrated urea fertilizer; HBF: Husk biochar-based infiltrated urea fertilizer
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图 4 生物炭和生物炭基渗融尿素肥的表观形貌
a：花生壳炭(PB)；b：松子壳炭(PNB)；c：油茶壳炭(OTB)；d：稻壳炭(HB)；e：花生壳炭基渗融尿素肥(PBF)；f：松子壳炭基渗融尿素肥(PNBF)；g：油茶壳炭基渗融尿素肥(OTBF)；h：稻壳炭基渗融尿素肥(HBF)
Figure 4. The apparent morphology of biochar and biochar-based infiltrated urea fertilizer
a: Peanut biochar (PB); b: Pine nut biochar (PNB); c: Oil-tea biochar (OTB); d: Husk biochar (HB); e: Peanut biochar-based infiltrated urea fertilizer (PBF); f: Pine nut biochar-based infiltraed urea fertilizer (PNBF); g: Oil-tea biochar-based infiltrated urea fertilizer (OTBF); h: Husk biochar-based infiltrated urea fertilizer (HBF)
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图 5 生物炭(a、c)和生物炭基渗融尿素肥(b、d)的热稳定性分析
图a、c中，HB：稻壳炭，PB：花生壳炭，PNB：松子壳炭，OTB：油茶壳炭；图b、d中，PNBF：松子壳炭基渗融尿素肥，HBF：稻壳炭基渗融尿素肥，OTBF：油茶壳炭基渗融尿素肥，PBF：花生壳炭基渗融尿素肥，Urea：纯尿素颗粒
Figure 5. The thermal stability analyses of biochar (a, c) and biochar-based infiltrated urea fertilizer (b, d)
In figure a and c, HB: Husk biochar, PB: Peanut biocharr, PNB: Pine nut biochar, OTB: Oil-tea biochar; In figure b and d, PNBF: Pine nut biochar-based infiltrated urea fertilizer, HBF: Husk biochar-based infiltrated urea fertilizer, OTBF: Oil-tea biochar-based infiltrated urea fertilizer, PBF: Peanut biochar-based infiltrated urea fertilizer; Urea: Pure urea particles
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图 6 生物炭(a)和生物炭基渗融尿素肥(b)的红外分析
图a中，HB：稻壳炭，PNB：松子壳炭，OTB：油茶壳炭，PB：花生壳炭；图b中，Urea：纯尿素颗粒，HBF：稻壳炭基渗融尿素肥，PNBF：松子壳炭基渗融尿素肥，OTBF：油茶壳炭基渗融尿素肥，PBF：花生壳炭基渗融尿素肥
Figure 6. The FTIR analyses of biochar (a) and biochar-based infiltrated urea fertilizer (b)
In figure a, HB: Husk biochar, PNB: Pine nut biochar, OTB: Oil-tea biochar, PB: Peanut biocharr; In figure b, Urea: Pure urea particles, HBF: Husk biochar-based infiltrated urea fertilize, PNBF: Pine nut biochar-based infiltrated urea fertilizer, OTBF: Oil-tea biochar-based infiltrated urea fertilizer, PBF: Peanut biochar-based infiltrated urea fertilizer
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