生物質(zhì)炭特性及施用管理措施對作物產(chǎn)量影響的整合分析

肖婧，徐虎，蔡岸冬，黃敏，張琪，孫楠，張文菊，徐明崗

（1武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，武漢 430070；2中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3上海市園林科學規(guī)劃研究院，上海 200232）

生物質(zhì)炭特性及施用管理措施對作物產(chǎn)量影響的整合分析

肖婧1,2，徐虎2，蔡岸冬2，黃敏1，張琪3，孫楠2，張文菊2，徐明崗2

（1武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，武漢 430070；2中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3上海市園林科學規(guī)劃研究院，上海 200232）

【目的】大量研究表明農(nóng)田施用具有特殊理化性質(zhì)的生物質(zhì)炭對作物產(chǎn)量具有顯著影響，采用大樣本統(tǒng)計方法量化生物質(zhì)炭自身特性及施用管理措施對作物產(chǎn)量的影響程度。【方法】通過收集全球范圍內(nèi)公開發(fā)表的97篇生物質(zhì)炭施用與土壤改良、作物生長有關的相對獨立研究，共獲得匹配數(shù)據(jù)819組。運用數(shù)據(jù)整合分析方法（Meta-analysis）量化生物質(zhì)炭自身特性（原料、制備溫度、C/N、pH）在人為施用管理（施用量與施用時長）、土壤屬性（質(zhì)地和酸堿度）等條件下對作物產(chǎn)量變化的影響?！窘Y(jié)果】統(tǒng)計分析表明，與不施用生物質(zhì)炭相比，施用生物質(zhì)炭具有顯著的增產(chǎn)效應，作物平均增產(chǎn) 15.0%。生物質(zhì)炭施用的增產(chǎn)效果在不同作物上存在顯著差異，經(jīng)濟作物平均增產(chǎn) 25.3%，顯著高于糧食作物（10.0%）。生物質(zhì)炭自身特性對作物產(chǎn)量影響顯著，當制備溫度＜600℃、pH＞7、C/N值介于20—300時，均具有顯著的增產(chǎn)效果，增產(chǎn)范圍為9.2%—26.6%，且增產(chǎn)幅度隨著制備溫度和其自身C/N值的增加而下降。對于不同質(zhì)地和酸堿度的土壤而言，施用生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果表現(xiàn)為黏質(zhì)土壤＞砂質(zhì)土壤＞壤質(zhì)土壤；施用于酸性土壤可增產(chǎn)29.2%，分別是中性及堿性土壤的7.9和2.5倍。人為管理條件下，當生物質(zhì)炭施用量＜10.0 t·hm-2時，可顯著提高作物產(chǎn)量，達到18.0%，施用量＞80.0 t·hm-2后增產(chǎn)效果不顯著。施用生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果隨著施用時間的增加而呈下降趨勢，施用半年至兩年內(nèi)可增產(chǎn)13.4%—17.5%，超過兩年，增產(chǎn)效應降至 9.6%。【結(jié)論】生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應隨著生物質(zhì)炭的屬性、施用量和施用時長的不同有所差異。根據(jù)作物類型與土壤屬性選擇適宜特性的生物質(zhì)炭，適時酌情間斷性施用，不僅可以達到持續(xù)增產(chǎn)的目的，也降低成本，提高經(jīng)濟效益，可以作為現(xiàn)代可持續(xù)農(nóng)業(yè)管理措施的選擇。

生物質(zhì)炭；作物產(chǎn)量；增產(chǎn)效應；土壤質(zhì)地；管理措施；施用量；施用時長；整合分析

0 引言

【研究意義】生物質(zhì)炭（biochar）是生物質(zhì)在缺氧條件下通過熱化學轉(zhuǎn)化得到的固體產(chǎn)物，單獨或者作為添加劑在改良土壤、提高資源利用效率、降低或減緩環(huán)境污染，以及作為溫室氣體減排的有效措施上被廣泛應用[1]。其中，農(nóng)業(yè)是生物質(zhì)炭應用最廣泛的領域，而進一步特殊加工形成的生物質(zhì)炭產(chǎn)品在退化耕地、退化草原、退化果園及新墾土地等障礙用地的生態(tài)修復與重建方面也具有廣闊的應用前景[2-3]。已有大量研究表明，生物質(zhì)炭施入土壤生態(tài)系統(tǒng)后，不僅可以達到增強土壤碳匯功能的目的，還可以明顯改善土壤結(jié)構(gòu)及理化性狀，提高土壤養(yǎng)分有效性、團聚體穩(wěn)定性等[4]，而且通過增強及改善土壤微生物活動與活性[5]等間接影響作物的生長發(fā)育，表現(xiàn)出良好的提高土壤質(zhì)量和肥力、提升作物產(chǎn)量的作用[6-7]。因此，在生物質(zhì)炭應用越來越廣泛的今天，深入研究生物質(zhì)炭特性及其施用管理，從大尺度范圍評估其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用價值，對于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實踐意義。【前人研究進展】近年來，關于生物質(zhì)炭施用對作物生長及其產(chǎn)量的影響，已成為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)研究的熱門領域[8-9]。有研究表明，在相同的環(huán)境條件下，同一種生物質(zhì)炭施用于不同作物，對產(chǎn)量的影響不同[10]。張娜等[11]通過大田試驗研究發(fā)現(xiàn)，與不施用生物質(zhì)炭相比，生物質(zhì)炭的施用有利于提高夏玉米生育期尤其是前中期葉片葉面積指數(shù)、葉綠素含量以及凈光合速率，進而提高干物質(zhì)積累以及玉米穗粒數(shù)；還有研究表明，生物質(zhì)炭與肥料混合施用較單施生物質(zhì)炭顯著提高肥料利用率，從而改善水稻產(chǎn)量性狀，提高水稻產(chǎn)量[12]；也有一些研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭對作物生長或產(chǎn)量的影響與土壤類型有關[13]，UZOMA等[14]將生物質(zhì)炭應用于砂質(zhì)土壤的玉米中，結(jié)果發(fā)現(xiàn) 15.0 t·hm-2施用量處理的產(chǎn)量高于 20.0 t·hm-2處理，而唐光木等[15]在新疆灰漠土上的研究表明，作物產(chǎn)量隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增加，由于生物質(zhì)炭的屬性、施用量、土壤肥力、土壤質(zhì)地等因素的差異，導致其應用效果的研究結(jié)果并不完全一致[16]。早期的研究結(jié)果大部分基于盆栽或溫室培養(yǎng)試驗，其結(jié)果的差異解釋更多依賴于控制實驗的假設和條件[17-18]，正因如此，生物質(zhì)炭越來越多的應用于大田的長期試驗[19]。除此之外，更多學者也開始關注生物質(zhì)炭的施用管理對于作物產(chǎn)量的影響。例如，LIU 等[22]研究生物質(zhì)炭不同添加量（2.5、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0 t·hm-2）對紅壤番茄產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)40.0 t·hm-2的生物質(zhì)炭施用量增產(chǎn)效應最顯著，可增產(chǎn)53.8%，低劑量效果并不明顯；此外，DONG等[23]通過兩年的田間試驗研究，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用后的第一年水稻增產(chǎn)13.5%，第二年增產(chǎn)6.1%，即生物質(zhì)炭施用對作物產(chǎn)量的影響程度也存在時效性?；谌藗儗τ跓o論是盆栽、溫室培養(yǎng)或是大田實驗結(jié)果的假設機制認可程度的差異，以及不同特性生物質(zhì)炭應用的適宜性，學者開始嘗試采用整合分析來評價生物質(zhì)炭施用的效果和效應。如JEFFERY等[20]在2011年對16篇已發(fā)表文獻進行整合分析，得出生物質(zhì)炭的施用可平均增產(chǎn)10.0%。2013年，LIU等[21]采用相同方法擴充樣本量進行評估，也得出了相似結(jié)果。【本研究切入點】近些年來，生物炭的研究及其應用備受關注，且隨著生物質(zhì)炭制備原料與制備工藝發(fā)展，以及人為施用管理的精細化，單一因素的影響分析已不能滿足農(nóng)田實際地域環(huán)境條件?！緮M解決的關鍵問題】本研究基于以上問題，在前人工作的基礎上，繼續(xù)擴大樣本容量和更新樣本數(shù)據(jù)，增加文獻數(shù)據(jù)收集的限制條件，對不同生產(chǎn)條件下形成的具備不同特性的生物質(zhì)炭，施用后作物產(chǎn)量的變化進行分析。采用數(shù)據(jù)整合分析（Meta-analysis）方法，比較施用不同制備原料與制備溫度的生物質(zhì)炭，以及不同施用管理對作物產(chǎn)量的影響及其差異，為生物質(zhì)炭的選擇性應用與促進作物增產(chǎn)的長期效應提供科學參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究基于中國知網(wǎng)、萬方、ScienceDirect、Springer link和Wiley-Blackwell 5個文獻數(shù)據(jù)庫，對生物質(zhì)炭施用與作物產(chǎn)量的相關文獻進行檢索。設置檢索主要關鍵詞包括“生物質(zhì)炭（biochar or biomass charcoal）”和“產(chǎn)量（yield）”。篩選文獻基本要求包括：（1）試驗中必須有嚴格的處理和對照，處理組為施用生物質(zhì)炭處理，對照組為不施用生物質(zhì)炭處理；（2）處理組和對照組除生物質(zhì)炭處理外，其他試驗條件一致；（3）文獻研究中每一個試驗處理的重復數(shù)必須≥3[24]。所收錄文獻出版時間截止到2016年3月。

1.2 數(shù)據(jù)庫建立與數(shù)據(jù)分類

根據(jù)以上條件，最終獲得97篇有效文獻，具體發(fā)表時間分布如圖 1。其中，2010年之前發(fā)表的有 11篇，2010—2013年發(fā)表的有40篇，2013年至2016 年3月發(fā)表的有46篇。采用Excel 2013軟件建立生物質(zhì)炭與作物產(chǎn)量關系的數(shù)據(jù)庫，主要包括作者、題目、試驗地點、試驗時間、土壤質(zhì)地、作物類型和施用生物質(zhì)炭處理等。在建庫過程中，針對圖類，利用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件來轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)。共獲得匹配數(shù)據(jù)819組，每組數(shù)據(jù)均包含相應的標準差（SD），如果文獻中是標準誤（SE），則根據(jù)下式進行轉(zhuǎn)換：

在數(shù)據(jù)提取過程中，對文獻中提取的數(shù)據(jù)進行標準化處理[16]，將生物質(zhì)炭施用量單位統(tǒng)一為 t·hm-2。如果是盆栽試驗，以每畝耕層土壤重30萬斤來進行單位換算[25]，將產(chǎn)量單位統(tǒng)一為 t·hm-2。如果沒有相關報道則將土層厚度設定為一般耕作層厚度20 cm[26]。對于土壤pH，如果試驗采用的是CaCl2溶液方法得出的 pH，那么使用公式轉(zhuǎn)換，即 pH(H2O)=1.65+0.86 pH(CaCl2)[27]。根據(jù)相關文獻中的研究情況，將生物質(zhì)炭原材料大致分為殼渣類（堅果殼、燕麥殼、核桃殼、花生殼和甘蔗渣等）廢棄物、秸稈類（花生秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈、高粱秸稈和油菜秸稈等）廢棄物、木材類（樹皮、木片、剪枝、樹干和樹枝等）廢棄物以及畜禽糞便類（豬糞、牛糞、羊糞等）廢棄物等 4種類型進行整合分析研究。關于生物質(zhì)炭制備溫度，如果文獻給出的是溫度區(qū)間，則取其平均值。將生物質(zhì)炭的熱解溫度劃分為4個區(qū)間：低溫（≤400℃）、中溫（401—500℃）、中高溫（501—600℃）和高溫（≥600℃）。生物質(zhì)炭碳氮含量比值（C/N值）劃分為5個水平：＜20、20—50、50—100、100—300、≥300。生物質(zhì)炭pH分為≤7、7—8、8—9、9—10和≥10等5個水平。根據(jù)文獻中提供的砂粒（0.05—2 mm）、粉粒（0.002—0.05 mm）、黏粒（＜0.002 mm）的相對含量將質(zhì)地類型分為黏質(zhì)、壤質(zhì)和砂質(zhì)。同時根據(jù)《中國土壤》對土壤pH進行分類，分別為酸性土壤（pH＜5.5）、弱酸性土壤（5.5＜pH＜6.5）、中性土壤（6.5＜pH＜7.5）、和堿性土壤（pH＞7.5）。生物質(zhì)炭施用量大小分為4個水平，分別為＜10.0、10.0—40.0、40.0—80.0、≥80.0 t·hm-2。生物質(zhì)炭施用時間分為 4個水平，為＜0.5、0.5—1.0、1.0—2.0和＞2.0年。

1.3 數(shù)據(jù)分析

圖1 發(fā)文的時間分布Fig. 1 Distribution of publications in time sequence

本研究收集的數(shù)據(jù)均來自于相對獨立的研究，可以采用整合分析來判斷施用生物質(zhì)炭對作物產(chǎn)量產(chǎn)生的正效應或負效應以及效應大小[28]。參照ROSENBERG 等[29]的方法對文獻中有關生物質(zhì)炭對作物產(chǎn)量的影響結(jié)果進行標準化處理。每組數(shù)據(jù)分為對照組（不施用生物質(zhì)炭）和添加生物質(zhì)炭的試驗組，試驗中的作物產(chǎn)量采用自然對數(shù)的響應比（response ratio，RR）作為效應量，即增產(chǎn)效應：

式中，XB代表生物質(zhì)炭試驗組的處理值，XC代表對照組的處理值。如果XB和XC均為正態(tài)分布且XC不等于零時，lnRR也為近似正態(tài)分布，其方差為：

式中，SDB和SDC分別為添加生物質(zhì)炭組和對照組的標準差，NB和NC分別為添加生物質(zhì)炭組和對照組的樣本數(shù)。

效應量的變異系數(shù)用各組處理的標準偏差和試驗重復數(shù)來計算。效應量的權(quán)重采用變異系數(shù)的倒數(shù)表示[30]，最終獲得的相關數(shù)據(jù)通過MetaWin 2.1軟件進行處理。處理時，納入的各研究結(jié)果須進行異質(zhì)性檢驗，若P＞0.1，表明多個研究具有同質(zhì)性，此時選擇固定效應模型進行分析（fixed effect model，F(xiàn)EM）；若P≤0.1，則多個研究不具有同質(zhì)性，此時選擇隨機效應模型（random effect model，REM）。效應量的標準差越小，分配的權(quán)重越大，權(quán)重響應比（weighted response ration，RR++）即處理相對于對照增減的百分數(shù)及其95%的置信區(qū)間（95% CI）可以通過(eRR++-1) ×100%來轉(zhuǎn)化。如果95% CI包含零值表明該變量中處理與對照沒有顯著差異（P＞0.05）[31]。

2 結(jié)果

2.1 生物質(zhì)炭對不同類型作物產(chǎn)量的影響

圖2 生物質(zhì)炭對不同作物類型產(chǎn)量的影響Fig. 2 Effects of biochar on the yield of different crop types

如圖2所示，與不施生物質(zhì)炭相比，施用生物質(zhì)炭能使不同類型作物的產(chǎn)量均得到顯著提高，平均增產(chǎn)14.8%。其中，施用生物質(zhì)炭對經(jīng)濟作物產(chǎn)量的平均提高幅度（25.3%）顯著高于糧食作物（10.0%）；糧食作物主要包括玉米、小麥和水稻，增產(chǎn)效應分別達到了13.2%、9.3%和8.5%，經(jīng)濟作物主要包括黑麥草（ryegrass）、芒草（miscanthus）和車前草（plantain）等草木類、果蔬類（白菜、菠菜和西紅柿等）、油料作物（花生和油菜）、豆類以及煙草等其他類作物，增產(chǎn)效應分別為9.9%、21.9%、31.4%、54.9%和55.6%。其中以煙草等其他類經(jīng)濟作物施用生物質(zhì)炭后的增產(chǎn)幅度最為顯著，約為糧食作物的5.6倍。

2.2 生物質(zhì)炭特性對作物產(chǎn)量的影響

不同原料制備的生物質(zhì)炭，對作物產(chǎn)量的提升也存在顯著差異（圖3）（P＜0.05）。其中畜禽糞便類廢棄物的平均增產(chǎn)效應值達到 16.5%，高于其他類型原料制備的生物質(zhì)炭。秸稈類和木材類（主要包括木材、樹皮、剪枝和木屑等）生物質(zhì)炭對作物的增產(chǎn)效應也相對較高，分別為 15.2%和 15.6%，殼渣類生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應相對較低，為11.9%。

熱解溫度，指的是熱解炭化制備過程中的最高反應溫度（peak temperature），是生物質(zhì)炭化工藝的重要參數(shù)之一，也是評價生物質(zhì)炭穩(wěn)定性的一項重要指標。由圖3可見，不同熱解溫度范圍存在明顯差異。當熱解溫度低于 600℃時可顯著提升作物產(chǎn)量，且隨著熱解溫度的上升，作物的增產(chǎn)幅度呈減緩趨勢，分別為低溫（≤400℃）18.7%、中溫（401—500℃）15.1%和中高溫（501—600℃）9.2%，當熱解溫度高于 600℃，作物產(chǎn)量反而降低，為-22.1%。

圖3 生物質(zhì)炭特性對作物產(chǎn)量的影響Fig. 3 Effect of biochar characteristics on crop yield

生物質(zhì)炭的輸入將會改變土壤體系的C/N值。當生物質(zhì)炭的C/N值過低或者過高時，與不施用生物質(zhì)炭相比，均無顯著性差異（P＞0.05）（圖3）。當C/N值在20—300內(nèi)，生物質(zhì)炭對作物產(chǎn)量的提升幅度隨著C/N值的增大反而逐漸降低，C/N值在100—300內(nèi)，增產(chǎn)效應降至11.2%，C/N值在20—50內(nèi)，對作物的增產(chǎn)效應為26.6%，此時增產(chǎn)最顯著，是高C/N值（100—300）增產(chǎn)效應的2.4倍。

生物質(zhì)炭絕大多數(shù)呈堿性，其改良酸性土壤的作用被稱為“石灰效應”。結(jié)果如圖 3，當生物質(zhì)炭呈酸性（pH＜7）時，作物產(chǎn)量降低（-20.4%）；當生物質(zhì)炭呈堿性（pH＞7）時，能顯著提升作物產(chǎn)量，其中當生物質(zhì)炭pH為7—8時，增產(chǎn)效應為12.0%，相對其他水平pH而言，增產(chǎn)幅度小，pH在8—9、9 —10和≥10范圍時分別增產(chǎn)20.8%、17.6%和14.4%，且作物產(chǎn)量增加趨勢隨pH逐漸增大而有所降低，pH 為8—9時，增產(chǎn)幅度最顯著（P＜0.05）。

2.3 生物質(zhì)炭對種植在不同屬性土壤上作物產(chǎn)量的影響

土壤質(zhì)地是土壤十分穩(wěn)定的自然屬性，能夠反映母質(zhì)來源及成土過程特性。生物質(zhì)炭應用于不同土壤質(zhì)地，對作物的增產(chǎn)效應也存在明顯差異（圖4-a）。生物質(zhì)炭應用于黏質(zhì)土壤和砂質(zhì)土壤，能顯著提高作物產(chǎn)量（P＜0.05），提高幅度可達17.4%和17.1%，遠高于壤質(zhì)土壤的增產(chǎn)效應值（1.5%），且生物質(zhì)炭施用于壤質(zhì)土壤與不施用生物質(zhì)炭相比，增產(chǎn)不顯著（P＞0.05）。

圖4 生物質(zhì)炭對不同質(zhì)地(a)和酸堿度(b)土壤作物產(chǎn)量的影響Fig. 4 Effects of biochar on crop yield of different soil textures (a) and different soil pH (b)

土壤酸堿度是影響土壤微生物代謝的重要因素。如圖4-b 所示，生物質(zhì)炭施用于不同酸堿度的土壤中均能顯著提高作物產(chǎn)量（P＜0.05）。在酸性土壤（pH ＜5.5）中的產(chǎn)量增幅（29.2%）遠高于中性土壤（6.5 ＜pH＜7.5）與堿性土壤（pH＞7.5），分別是其 7.9 和2.5倍。弱酸性土壤（5.5＜pH＜6.5）中，產(chǎn)量增幅為18.6%，增產(chǎn)效果也明顯優(yōu)于中性（3.7%）與堿性土壤（11.7%）?？傮w而言，生物質(zhì)炭應用于酸性或弱酸性土壤中，增產(chǎn)優(yōu)勢更顯著。

2.4 人為管理措施對作物產(chǎn)量的影響

人為因素是除生物質(zhì)炭與土壤特性之外的第三方要素，如生物質(zhì)炭的施用量和施用時間。

分析結(jié)果表明，隨著生物質(zhì)炭施用量增加，作物產(chǎn)量提升的幅度逐漸降低（圖5-a）。其中，低施用量（不超過10.0 t·hm-2）對作物產(chǎn)量的提升幅度（18.0%）是高施用量（超過80.0 t·hm-2）的6.2倍。當施用量達到40—80 t·hm-2時，對作物產(chǎn)量的提升幅度降低至13.7%。超過 80.0 t·hm-2對作物的增產(chǎn)效應與對照組無顯著差異?？傊?，施用生物質(zhì)炭均能達到增產(chǎn)效果。

如圖5-b所示，隨著生物質(zhì)炭施用時間（年）的變化，增產(chǎn)效果也在不斷變化。施用0.5年內(nèi)，增產(chǎn)效果顯著（17.3%），作物產(chǎn)量提高幅度在 0.5—1.0年期間達到頂峰（17.5%），之后增產(chǎn)趨勢逐漸減緩，當超過2.0年時，增產(chǎn)效應降至9.6%，但依然增產(chǎn)顯著（P＜0.05），且0.5—1.0 年時的增產(chǎn)效應超過2.0年時的1.8倍。

圖5 生物質(zhì)炭施用量(a)和施用時間(b)對作物產(chǎn)量的影響Fig. 5 Effects of biochar amendment rates (a) and application time (b) on crop yield

3 討論

本研究中的整合分析結(jié)果表明，與不施用生物質(zhì)炭相比，生物質(zhì)炭的施用使作物產(chǎn)量平均提高 15.0%（增產(chǎn)范圍為 14.8%—16.8%），此結(jié)果略高于JEFFERY等[20]和 LIU等[21]關于生物質(zhì)炭的應用對作物產(chǎn)量的增產(chǎn)效應（分別為 10.0%和 11.0%），可能是由于生物質(zhì)炭施用年限的增加，土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)得到改善，土壤肥力相比過去得到提升的緣故。

不同作物類型對生物質(zhì)炭施用的響應存在顯著差異。生物質(zhì)炭施用對經(jīng)濟作物產(chǎn)量提高幅度（25.3%）遠高于玉米、小麥和水稻這三大糧食作物。這可能是由于生物質(zhì)炭的大量施用，使得土壤疏松，容重降低[32]，有利于花生、馬鈴薯、蘿卜等食用部分位于地下的經(jīng)濟作物生長。在糧食作物當中，生物質(zhì)炭對玉米和小麥的增產(chǎn)效應又遠高于水稻，可能是生物質(zhì)炭施用于旱地土壤，能夠保持土壤充足水分，從而促進作物生長，而對于稻田環(huán)境，生物質(zhì)炭不存在這一作用[33]。所以生物質(zhì)炭的施用更有利于旱地作物增產(chǎn)。

生物質(zhì)炭自身的特性是其對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響的根本原因。原材料和熱解溫度是生物質(zhì)炭特性形成的“先天因素”，元素含量和酸堿度等物理化學指標是生物質(zhì)炭特性的“外在表現(xiàn)形式”[26]。這些因素不僅共同構(gòu)成生物質(zhì)炭不同于其他含碳物質(zhì)形式的鮮明特征，且對土壤生態(tài)系統(tǒng)作物產(chǎn)量的提升發(fā)揮著極大作用。本研究表明不同類型的原材料均表現(xiàn)出對作物的增產(chǎn)效應，除殼渣類原材料制備的生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應（11.9%）低于平均增產(chǎn)效應（14.9%）外，秸稈類、木材類和畜禽糞便類這3類原材料制備所得的生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應均高于平均增產(chǎn)效應。其中畜禽糞便類原料制備的生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應最高（16.5%），這與黃婷等[34]的研究結(jié)果一致。生物質(zhì)炭雖然經(jīng)歷了破碎和熱解過程，但仍在物理結(jié)構(gòu)上保持了原材料的基本形貌，而且在化學組成上也繼承了原材料的元素配比特點[35]，其物理結(jié)構(gòu)和化學組成決定著生物質(zhì)炭對土壤生態(tài)系統(tǒng)作物產(chǎn)量影響的潛能。因此，以畜禽糞便為原料制備的生物質(zhì)炭在作物增產(chǎn)方面潛力巨大，具有較好的應用前景。

本研究表明熱解溫度低于 400℃的生物質(zhì)炭平均會增加 18.7%的作物產(chǎn)量，而隨著熱解溫度的提升，生物質(zhì)炭對作物增產(chǎn)的促進效應逐漸減弱。趙世翔等[36]研究不同溫度（300、400、500和600℃）制備的生物質(zhì)炭的礦化特征的結(jié)果也表明，添加生物質(zhì)炭可以增加土壤呼吸速率、微生物生物量碳（MBC）及可溶性有機碳（DOC）的含量，但隨著熱解溫度的升高而降低[37-38]。因此，當熱解溫度過高，不僅生物質(zhì)炭的產(chǎn)率降低，碳保留量也隨著溫度的升高而降低；此外，生物質(zhì)炭的H/C和O/C隨著溫度增加而減少[39]，導致其酸堿特性和元素損失而不利于其增產(chǎn)作用的發(fā)揮。

生物質(zhì)炭具有較高的碳氮比值，一般情況下高于土壤的背景值。生物質(zhì)炭的輸入導致土壤體系C/N值的改變，從而對土壤微生物的代謝活動和種群數(shù)量及群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列深遠影響[40-41]。生物質(zhì)炭絕大多數(shù)情況下呈堿性，其表面含氧官能團（如羧基和酚羥基等）與礦物沉積物（如碳酸鹽和結(jié)晶態(tài)碳酸鹽等）是生物質(zhì)炭堿性的表現(xiàn)形式[42]。本研究發(fā)現(xiàn)隨著生物質(zhì)炭pH的增大，作物產(chǎn)量提高幅度先增后減，導致這種趨勢可能與種植作物土壤本身的酸堿度有一定的關系。

生物質(zhì)炭的施用，主要是通過改善土壤的物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)從而達到增產(chǎn)效果。本研究表明砂質(zhì)土壤和黏質(zhì)土壤施用生物質(zhì)炭具有顯著增產(chǎn)效果（17.1%和17.4%），而壤質(zhì)土壤中施用生物質(zhì)炭對作物沒有顯著增產(chǎn)（1.5%）。原因可能是砂質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)松散，易于生物質(zhì)炭進入，從而利用其表面豐富的官能團和較大的比表面積，提高土壤陽離子交換量，吸附更多養(yǎng)分離子，避免養(yǎng)分流失，有效提高土壤肥力和肥料利用效率[43]；而黏質(zhì)土壤常呈緊實黏結(jié)狀態(tài)，利于固持生物質(zhì)炭，增加土壤孔隙度與通氣量，從而增加土壤生物活性，提高土壤的微生物豐度及土壤酶活性，促進土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，從而顯著提高作物產(chǎn)量；但是壤質(zhì)土壤多由粉粒和黏粒組成，可能會填充生物質(zhì)炭孔隙造成土壤和生物質(zhì)炭接觸面積堵塞，影響土壤通氣性的改善，甚至形成“閉合區(qū)域”，限制了生物質(zhì)炭發(fā)揮作用[26]。

土壤酸堿度對土壤微生物多樣性、數(shù)量及生物活性有重要影響。生物質(zhì)炭大部分呈堿性，可有效改善土壤酸度，特別是酸性土壤酸度。一方面，生物質(zhì)炭表面富含帶有負電荷的官能團（酚基、羧基和羥基），可吸附土壤溶液中的H+[44]；另一方面，生物質(zhì)炭中的鹽基離子（硅酸鹽、硝酸鹽和碳酸氫鹽等）可與土壤溶液中的H+結(jié)合，并顯著增加土壤微生物量[45]，更有利于作物增產(chǎn)。而對堿性土壤或者有機質(zhì)含量高的土壤的pH，生物質(zhì)炭對其提升并不顯著[46]。

生物質(zhì)炭的施用量是影響其增產(chǎn)效應的一個重要因素。李中陽等[47]研究發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭對冬小麥的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量的提高均有促進作用，其中以40.0 t·hm-2的處理增產(chǎn)最多，但隨著生物質(zhì)炭施用量的增加（＞50.0 t·hm-2），產(chǎn)量反而有所降低，但仍然高于對照處理。這與本研究結(jié)果相一致，原因可能是生物質(zhì)炭礦質(zhì)養(yǎng)分含量低而含碳量較高，加上生物質(zhì)炭具有較好的吸附性能，超量施入土壤后可能導致供作物吸收利用的有效態(tài)養(yǎng)分較少，從而降低土壤養(yǎng)分尤其是氮素有效性[48]，使產(chǎn)量提高幅度有所降低。

生物質(zhì)炭雖然高度穩(wěn)定，但也存在自身的分解與礦化過程，隨著生物質(zhì)炭人為輸入土壤的時間推移，也在不斷被土壤生態(tài)系統(tǒng)同化。本研究發(fā)現(xiàn)，作物增產(chǎn)效應在 0.5—1.0年期間達到最大值（17.5%），而超過2.0年時雖然增產(chǎn)效果顯著，但是增產(chǎn)效應值降低至9.6%。這主要是由于生物質(zhì)炭具有較高的生物化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，生物質(zhì)炭在輸入土壤的初期會發(fā)生迅速降解[49]，隨后表現(xiàn)為一段時期內(nèi)難以被微生物降解，在土壤中存留時間長，因而施入土壤后持續(xù)改善土壤理化性狀的作用有限[25]。YAO等[50]發(fā)現(xiàn)相比新鮮生物質(zhì)炭，風化炭中的Ca、Mg、K等營養(yǎng)元素含量降低，且老化過程極大改變了生物質(zhì)炭輸入對土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響[51]。所以隨著時間增長，生物質(zhì)炭的增產(chǎn)能力也會下降。

由于生物質(zhì)炭的復雜多樣，本研究沒有探討其與化肥或其他有機肥的協(xié)同增產(chǎn)效應，也沒有考慮試驗條件如盆栽、大田等的影響，部分試驗結(jié)果有一定的條件適用性。盡管如此，本研究的定量化分析結(jié)果也能為今后評價生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效益和環(huán)境效益提供科學依據(jù)。今后，隨著科技不斷發(fā)展，有關生物質(zhì)炭與其他管理措施的綜合效應與交互作用，仍有待進一步的深入研究。

4 結(jié)論

本研究重點探討不同生物質(zhì)炭特性與施用管理措施對作物產(chǎn)量的影響程度。整合分析結(jié)果表明，生物質(zhì)炭的施用可以持續(xù)促進農(nóng)經(jīng)作物產(chǎn)量的提升。生物質(zhì)炭施用不僅能有效提高糧食作物產(chǎn)量，對經(jīng)濟作物如草木類和果蔬類的產(chǎn)量提升效果更佳。此外，因畜禽糞便類養(yǎng)分含量豐富，其輸入可有效提高土壤肥力水平，因此，來源于畜禽糞便的生物質(zhì)炭對于作物的增產(chǎn)效果更佳。生物質(zhì)炭的制備溫度及產(chǎn)生的相應的特性（如pH）對作物的產(chǎn)量提升具有顯著影響。制備溫度≤400℃的生物質(zhì)炭能更顯著地提高作物產(chǎn)量，而因生物質(zhì)炭巨大的比表面積與吸附性能可提高砂質(zhì)土壤陽離子交換量與固持的養(yǎng)分含量，因此生物質(zhì)炭更有助于黏質(zhì)、砂質(zhì)土壤與酸性、弱酸性土壤上作物的增產(chǎn)。本研究還表明，過量施用生物質(zhì)炭時，增產(chǎn)效果降低，成本增加，建議施用量控制在40 t·hm-2及以下，且適時追施（每隔2年）可節(jié)約成本并達到持續(xù)增產(chǎn)的目的。

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（責任編輯 楊鑫浩）

A Meta-Analysis of Effects of Biochar Properties and Management Practices on Crop Yield

XIAO Jing1,2, XU Hu2, CAI AnDong2, HUANG Min1, ZHANG Qi3, SUN Nan2, ZHANG WenJu2, XU MingGang2
(1School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;3Shanghai Academy of Landscape Architecture Science and Planning, Shanghai 200232)

【Objective】A large number of studies have indicated that application of biochar in cropland has significant effects on crop yield due to its unique physical and chemical properties. It is of important significance to quantify the effects of management practices and biochar quality on crop yield by statistical analysis of large sample numbers.【Method】By collecting global relevant published literatures, 97 relative independent studies with 819 paired datasets on biochar’s effects of crop growth were selected. A meta-analysis was undertaken to quantify the effect of biochar characteristics (e.g., raw material, pyrolysis temperature, C/N, pH etc.)and artificial application management practices (e.g., application amount and duration), soil properties (soil texture and pH) on the crop yield improvement.【Result】Results showed that biochar could improve crop yield significantly by 15.0% in average compared with the control. As for crop types, the effect of biochar on crop yield was significantly different: The yield increase of cash crops (25.3%) was significantly higher than that of grain crops (10.0%). The characteristics of biochar had a significant impact on crop yield. Biochar produced with pyrolysis temperature lower than 600℃, pH over 7, and C/N value between 20-300, obtained significant increase in crop yield ranging from 9.2% to 26.6%. Moreover, the improved percentage of crop yield decreased with increase in pyrolysis temperature and biochar C/N. As for different soil textures and acidities, the order of yield-improving effect was clay soil ＞ sandy soil ＞ loamy soil. The yield-improving effect of biochar application for acid soil (29.2%) was 7.9 and 2.5 times of that for neutral and alkaline soil. Under the condition of management practices, biochar application increased crop yield significantly (by 18.0%) at rates less than 10.0 t·hm-2. However, there was no significant effect on crop yield when the application rate was more than 80.0 t·hm-2. The response ratio of biochar application on crop yield decreased with increase in the application duration. Six months to two years after biochar application increased crop yield by about 13.4%-17.5%, whereas after more than 2 years, the response ratio reduced to 9.6%.【Conclusion】The effect of biochar on crop yield varied according to variation in biochar quality and application rate and duration. Choosing biochar in specific quality for application can not only achieve sustainable improvement in crop production, but also minimalize the cost and improve economic efficiency according to crop types and soil texture. This result would provide an option for the development of sustainable agricultural management practices.

biochar; crop yield; improving effect; soil texture; management; application rate; application duration; meta-analysis

2016-10-20；接受日期：2017-03-27

國家“十二五”國家科技支撐計劃（2014BAD14B02，2014BAD14B03）、國家自然科學基金（41101210）、上海市綠化和市容管理局項目（G160202）

聯(lián)系方式：肖婧，E-mail：xiao_jing06@163.com。通信作者黃敏，E-mail：huangmin@whut.edu.cn。通信作者張文菊，E-mail：zhangwenju01@caas.cn