Meta分析生物炭對(duì)我國(guó)農(nóng)田土壤的増匯減排效應(yīng)

摘要：生物炭作為一種土壤改良劑，對(duì)土壤碳匯功能也有著重要影響，在農(nóng)業(yè)和生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。為系統(tǒng)評(píng)估生物炭對(duì)農(nóng)田土壤碳匯和溫室效應(yīng)的影響，本研究采用Meta分析整合了中國(guó)知網(wǎng)中204篇（1079個(gè)試驗(yàn)組）關(guān)于生物炭施入農(nóng)田土壤后土壤有機(jī)碳（SOC）及溫室氣體排放相關(guān)指標(biāo)變化的文獻(xiàn)研究結(jié)果。結(jié)果表明，生物炭施入土壤后顯著增強(qiáng)了土壤碳匯功能，SOC及其不同碳組分均顯著增加，SOC增幅達(dá)47.97%，可溶性有機(jī)碳和微生物量碳分別增加17.99%和27.45%，不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量增幅介于13.63%～62.41%，其中< 0.053 mm團(tuán)聚體的增幅最高。其次，生物炭施入農(nóng)田土壤后有明顯的減排效應(yīng)，土壤氧化亞氮和甲烷排放量分別降低了23.7%和21.27%，雖然二氧化碳排放量增加了20.28%，但土壤溫室氣體排放全球增溫潛勢(shì)降低了9.7%，此外，土壤有機(jī)碳累積礦化速率也顯著降低?？傊?，生物炭施用可顯著促進(jìn)農(nóng)田土壤的增匯減排作用，其廣泛應(yīng)用不僅有利于農(nóng)田土壤的改良，更有利于“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：生物炭；土壤固碳；溫室氣體排放；Meta分析

中圖分類(lèi)號(hào)：X144 文章標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1001-2443（2024）05-0422-08

引言

生物炭或生物質(zhì)炭 （以下統(tǒng)稱(chēng)“生物炭”） 是黑碳的一種，通常是指以自然界廣泛存在的生物質(zhì)資源為基礎(chǔ)，利用特定的炭化技術(shù)，由生物質(zhì)在缺氧條件下不完全燃燒所產(chǎn)生的炭質(zhì)［1］。生物炭研究起源于南美洲巴西亞馬遜河流域一種富含黑色物質(zhì)的土壤 （Terra Preta），考古學(xué)家對(duì)這些土壤成分分析后發(fā)現(xiàn)其中含有人類(lèi)燒毀的木材和制陶的含碳?xì)堄辔?、農(nóng)作物殘余以及各種動(dòng)物的骨頭殘?jiān)取Ｄ咎恐泻谏奶急徽J(rèn)為是組成Terra Preta的重要成分，它可以在土壤中存在1000年或者更長(zhǎng)時(shí)間，且它的孔洞結(jié)構(gòu)十分容易聚集營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和有益微生物，從而使土壤變得肥沃［2］。Terra Preta的發(fā)現(xiàn)吸引了大量學(xué)者的研究，生物炭開(kāi)始出現(xiàn)在大眾的視野，其研究與應(yīng)用也變得越來(lái)越廣泛。將作物秸稈、畜禽糞便、樹(shù)木枝條等農(nóng)林廢棄物經(jīng)高溫炭化裂解技術(shù)制成生物炭，以返還農(nóng)田提升耕地質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)碳封存，成為生物質(zhì)廢棄物主要應(yīng)用方向之一［3］。已有研究證實(shí)，生物質(zhì)炭施用能夠顯著改善土壤肥力、增加作物產(chǎn)量［4-7］，同時(shí)降低農(nóng)田溫室氣體排放［8-9］。因此，生物炭還田在提高土壤質(zhì)量、增加糧食產(chǎn)量以及應(yīng)對(duì)全球氣候變化等方面具有重要作用。

近年來(lái)，生物炭已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。生物炭具有含碳量高、不易于分解、疏松多孔等特性，使其施入土壤后對(duì)土壤容重、含水量、孔隙度、陽(yáng)離子交換量、養(yǎng)分含量等產(chǎn)生一定影響，從而直接或間接地影響土壤微生態(tài)環(huán)境。生物炭施用于農(nóng)田土壤，在有效改良土壤的同時(shí)，也可以增強(qiáng)土壤的碳匯功能。高尚志等［10］對(duì)種植大豆暗棕壤施用三種劑量的生物炭，發(fā)現(xiàn)與未添加生物炭處理相比，施用生物炭提高土壤有機(jī)碳（SOC）含量16.5%～32.4%。此前多項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)生物炭施用可顯著提高土壤SOC含量［4-6］。此外，生物炭施用后土壤中 > 2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和 <0.053 mm團(tuán)聚體中的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳分別顯著提高14.68%～15.96%、11.51%～17.59%、9.80%～20.55%和16.56%～64.21%［10］。生物炭可以改善土壤微生物的基本活動(dòng)，改變土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)及團(tuán)聚體穩(wěn)定性，進(jìn)而提高土壤肥沃度，增加作物產(chǎn)量質(zhì)量。于衷浦等［11］通過(guò)研究化肥減量配施生物炭基肥對(duì)玉米產(chǎn)量及土壤溫室氣體排放特征的影響，發(fā)現(xiàn)化肥減量20%配施生物炭基肥可降低溫室氣體累計(jì)排放量、綜合增溫潛勢(shì)和溫室氣體排放強(qiáng)度，同時(shí)增加玉米產(chǎn)量。生物炭單獨(dú)或和其他物質(zhì)混在一起進(jìn)行土壤改良，被廣泛用于緩解環(huán)境污染、減少溫室氣體排放等方面。稻田是甲烷（CH4）的主要排放源之一，一些研究證實(shí)生物炭輸入對(duì)稻田甲烷的吸收有明顯的促進(jìn)作用［9，12-13］。此外，農(nóng)田生物炭的輸入對(duì)氧化亞氮（N2O）排放的影響在不同研究中也表現(xiàn)出較大的變異性［12-14］。但也有部分研究發(fā)現(xiàn)生物炭施用加劇了土壤溫室氣體排放［7］。我國(guó)幅員遼闊，在經(jīng)緯度、海拔、土壤等因素的影響下，不同地區(qū)的生物炭施用造成的土壤碳庫(kù)和溫室氣體排放變化必然有所不同。因此，準(zhǔn)確評(píng)估生物炭施用對(duì)我國(guó)土壤碳庫(kù)和減排潛力的影響，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。目前對(duì)生物炭影響農(nóng)田溫室氣體排放的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)道較多，但綜合定量考慮生物炭對(duì)土壤增匯減排效應(yīng)的影響鮮有報(bào)道。

Meta分析是用于比較和綜合針對(duì)同一科學(xué)問(wèn)題研究結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，起源于醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。通過(guò)整合所有相關(guān)研究，Meta分析可更準(zhǔn)確地評(píng)估研究處理的效果，且有利于分析不同研究結(jié)果的一致性及研究間的差異。1998年，彭少麟和唐小焱在國(guó)內(nèi)首次將Meta分析引入生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，隨后，Meta分析被越來(lái)越多地用于解決各種生態(tài)學(xué)問(wèn)題［15-16］，尤其在研究對(duì)土壤有機(jī)碳的影響方面，被認(rèn)為是最好的數(shù)量綜合方法［17］。目前國(guó)內(nèi)已有研究運(yùn)用Meta分析調(diào)查生物炭理化性質(zhì)等因素對(duì)作物產(chǎn)量及溫室氣體減排的影響［18-19］，但相關(guān)研究或僅關(guān)注土壤碳匯，或僅關(guān)注溫室氣體排放方面的影響，對(duì)其增匯減排效應(yīng)的系統(tǒng)、綜合調(diào)查仍未見(jiàn)報(bào)道。此外，盡管多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭可顯著增加土壤碳匯，但也有研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭導(dǎo)致二氧化碳（CO2）排放顯著增加［7］，其綜合的固碳減排效應(yīng)仍有待全面深入的分析。由此，為全面了解生物炭對(duì)土壤增匯減排效應(yīng)的影響，本研究運(yùn)用Meta分析方法，綜合分析生物炭對(duì)土壤碳匯和溫室氣體排放相關(guān)的研究結(jié)果，包括其對(duì)土壤有機(jī)碳及其不同組分，不同溫室氣體排放量，土壤碳礦化速率等的影響，旨在科學(xué)、準(zhǔn)確地揭示生物炭在增加土壤碳匯及降低溫室效應(yīng)等方面的作用，評(píng)估生物炭在固碳減排方面應(yīng)用潛力，為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的雙碳目標(biāo)及我國(guó)生物炭產(chǎn)業(yè)化及其合理應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

通過(guò)檢索中國(guó)知網(wǎng)收錄的相關(guān)中文期刊論文并進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集，文獻(xiàn)檢索于2022年4月14日進(jìn)行，期刊來(lái)源為EI來(lái)源期刊、CSCD期刊和北大核心期刊，非上述數(shù)據(jù)庫(kù)收錄的期刊和碩博論文等其他形式的文獻(xiàn)未納入研究范圍。依照“主題”進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，檢索關(guān)鍵詞為“生物質(zhì)炭”或“生物炭”“土壤”“碳”或“溫室氣體”。共檢索到464篇目標(biāo)文獻(xiàn)。

根據(jù)Meta分析及研究基本要求，對(duì)目標(biāo)文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，文獻(xiàn)納入標(biāo)準(zhǔn)包括：（1） 實(shí)驗(yàn)中必須有嚴(yán)格的處理和對(duì)照，處理組為施用生物炭處理，對(duì)照組為不施生物炭處理；（2） 文獻(xiàn)中清楚詳細(xì)地描述了試驗(yàn)設(shè)計(jì)、生物炭施用量等基本信息；（3） 處理組和對(duì)照組除生物炭處理外，其他試驗(yàn)條件一致；（4） 文獻(xiàn)研究中每一個(gè)試驗(yàn)處理的重復(fù)數(shù)必須大于2；（5） 必須報(bào)道了標(biāo)準(zhǔn)誤 （SE）、標(biāo)準(zhǔn)差 （SD） 或置信區(qū)間。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建立與數(shù)據(jù)分類(lèi)

根據(jù)以上條件進(jìn)行文獻(xiàn)篩選后，最終獲得204篇有效文獻(xiàn)，從所得文獻(xiàn)中逐一提取以下數(shù)據(jù)：

（1） 試驗(yàn)前后土壤碳庫(kù)指標(biāo)：SOC含量、可溶性有機(jī)碳（DOC）含量、微生物量碳（MBC）及土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。

（2） 試驗(yàn)前后土壤有機(jī)碳礦化程度指標(biāo)：土壤有機(jī)碳累積礦化量、土壤有機(jī)碳累積礦化率。

（3） 溫室效應(yīng)相關(guān)指標(biāo)：CO2排放、CH4排放、N2O排放、全球增溫潛勢(shì) （GWP）。

（4） 生物炭的相關(guān)指標(biāo)：生產(chǎn)原料、炭化溫度、施用量、施用年限、制備方法等。

在數(shù)據(jù)提取過(guò)程中，圖表類(lèi)數(shù)據(jù)利用 Get Data Graph Digitizer （v2.24） 軟件轉(zhuǎn)化。共獲得有效數(shù)據(jù)1079對(duì)，每組數(shù)據(jù)均包含相應(yīng)的SD。如果文獻(xiàn)中給出的是SE，則根據(jù)下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換 （樣本量為n）。

[SD=SEn]

如果文獻(xiàn)中未標(biāo)注SD和SE，只報(bào)道了置信區(qū)間，則根據(jù)下式將置信區(qū)間轉(zhuǎn)化成SD （以95%置信區(qū)間為例）：（[區(qū)間上限-區(qū)間下限）×n/（1.96×2]）。

數(shù)據(jù)提取過(guò)程中，對(duì)文獻(xiàn)中提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將SOC和團(tuán)聚體有機(jī)碳單位統(tǒng)一為g/kg，將溫室氣體排放單位統(tǒng)一為g/m2/d，如果文獻(xiàn)以重量標(biāo)準(zhǔn)衡量溫室氣體，以土壤容重1.5 g/cm3計(jì)算，1 kg土壤轉(zhuǎn)化為20 cm的土壤面積為1/300 m2，DOC、MBC和土壤總有機(jī)碳累計(jì)礦化量單位統(tǒng)一為mg/kg。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體為采用濕篩法測(cè)定的數(shù)據(jù)，分為4種粒徑類(lèi)型，分別是> 2 mm、0.25～2 mm、0.25～0.053 mm和< 0.053 mm的土壤團(tuán)聚體。

1.3 全球增溫潛勢(shì)的計(jì)算

采用 GWP （全球增溫潛勢(shì)，glocal warming potential）來(lái)評(píng)價(jià)生物炭的施用對(duì)CO2、CH4和N2O排放的綜合影響。根據(jù)IPCC第六次報(bào)告，100年的時(shí)間尺度下，CH4和N2O的增溫潛勢(shì)分別是CO2的 27 倍和 273 倍［21］。對(duì)于未直接報(bào)道GWP數(shù)據(jù)，但報(bào)道了上述三種主要溫室氣體排放量數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)，采用上述系數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)的增溫潛勢(shì)及GWP。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究的原始數(shù)據(jù)均來(lái)自檢索文獻(xiàn)，不同研究之間具有獨(dú)立性，符合整合分析的要求。每組數(shù)據(jù)分為對(duì)照組CK （不施用生物炭） 和試驗(yàn)組TR （施用生物炭），采用自然對(duì)數(shù)的響應(yīng)比 （response ration，簡(jiǎn)寫(xiě)為R） 作為統(tǒng)計(jì)效應(yīng)量，比較各指標(biāo)在生物炭施用前后變化。

lnR=lnTR/CK （2）

如果TR和CK均為正態(tài)分布且CK不等于零時(shí)，lnR也為近似正態(tài)分布，其方差為

[θ=S2TRnTRTR+S2CKnCKCK] （3）

式中：STR和SCK分別表示處理組和對(duì)照組的標(biāo)準(zhǔn)差；nTR和nCK分別表示處理組和對(duì)照組的樣本量。本文研究采用R語(yǔ)言 （v4.1.3） 的metafor包進(jìn)行Meta分析［22-23］。

Meta分析的結(jié)果用施加生物炭相對(duì)于不施生物炭的變化量即百分比，即 （eR-1） × 100%來(lái)表示［24］。負(fù)值代表施加生物炭后該指標(biāo)降低，正值代表施加生物炭后該指標(biāo)增加，同時(shí)，分析結(jié)果給出了相應(yīng)指標(biāo)變化量的95%置信區(qū)間。Meta分析采用隨機(jī)效應(yīng)模型，如果異質(zhì)性檢驗(yàn)（Q檢驗(yàn)）對(duì)應(yīng)的p值小于0.05，則認(rèn)為所分析數(shù)據(jù)組內(nèi)有顯著差異，有必要進(jìn)一步開(kāi)展亞組分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭的研究趨勢(shì)

對(duì)檢索到的464篇相關(guān)期刊論文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出我國(guó)學(xué)者在生物炭增匯減排方面發(fā)表的期刊論文數(shù)量變化如圖1所示。相關(guān)期刊論文發(fā)文量在2009年和2010年僅1篇，至2016年達(dá)62篇，呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)，隨后保持穩(wěn)定，2021年發(fā)文量為63篇。這說(shuō)明在生物炭被認(rèn)識(shí)和研究之初，學(xué)者們對(duì)于生物炭的研究熱度迅速上升，并在之后一直保持著高度關(guān)注的狀態(tài)。

2.2 施用生物炭對(duì)土壤碳庫(kù)的影響

已有研究證明了土壤中施加生物炭會(huì)增加土壤碳含量，起到固碳增匯的作用。本研究進(jìn)一步從土壤碳庫(kù)的SOC、DOC和MBC含量三方面，對(duì)前人的研究結(jié)果進(jìn)行匯總分析，獲得有關(guān)SOC、DOC和MBC的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別為716組，140組和345組，分別涉及121篇，37篇和59篇文獻(xiàn)，其中，SOC、DOC和MBC的總樣本量分別為2470、558和1113個(gè)。

在716組SOC相關(guān)數(shù)據(jù)中，僅有43組數(shù)據(jù)表明施用生物炭后SOC降低，其余673組數(shù)據(jù)均表明施用生物炭可增加SOC含量。與不施用生物炭相比，施用生物炭平均可增加SOC達(dá)47.97% （43.80%～52.27%，p < 0.0001）。在有關(guān)DOC的140組數(shù)據(jù)中，有106組數(shù)據(jù)表明施用生物炭可增加DOC含量，僅有34組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)DOC降低，Meta分析結(jié)果表明施用生物炭可使DOC增加17.99% （13.19%～23.00%，p < 0.0001）。有關(guān)MBC的345組數(shù)據(jù)中，有297組數(shù)據(jù)表明施用生物炭可增加MBC，48組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與此相反，施用生物炭后MBC可增加27.45% （23.17%～31.87%，p < 0.0001）。

2.3 施用生物炭對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的影響

本研究共收集到團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)57組，共有177個(gè)樣本，涉及6篇文獻(xiàn)。57組試驗(yàn)中有56組發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體有機(jī)碳在施加生物炭后增加，僅1組降低。與不施生物炭相比，添加生物炭處理的各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均顯著增加，其中 > 2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增加22.32% （12.88%～32.54%，p < 0.0001），0.25～2 mm團(tuán)聚體增加13.63% （9.01%～18.46%，p < 0.0001），0.053～0.25 mm團(tuán)聚體增加42.97% （22.36%～67.06%，p < 0.0001），< 0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增幅最大，增加62.41% （21.91%～116.36%，p = 0.0009）。

2.4 施加生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳累積礦化量和礦化率的影響

共9篇文獻(xiàn)報(bào)道了生物炭施用后土壤有機(jī)碳礦化情況的相關(guān)數(shù)據(jù)，共提取到數(shù)據(jù)結(jié)果74組，241個(gè)樣本，其中有26組數(shù)據(jù)表明施加生物炭后土壤有機(jī)碳累積礦化量和礦化速率增加，而48組表明土壤有機(jī)碳累積礦化量和礦化速率降低（圖4）。與不加生物炭相比，施加生物炭的土壤有機(jī)碳累積礦化量降低1.42% （-8.22%～5.87%，p = 0.69），變化不顯著，而累積礦化速率顯著降低，降幅19.68% （-31.68%～-5.56%，p = 0.008）。

2.5 施加生物炭對(duì)土壤溫室氣體排放及全球增溫潛勢(shì)的影響

通過(guò)收集生物炭影響溫室氣體CO2、CH4和N2O排放以及GWP的文章數(shù)據(jù)，運(yùn)用Meta分析方法對(duì)施加生物炭前后溫室氣體排放和GWP的變化量進(jìn)行了研究 （圖5）。

共檢索到涉及CO2的研究文獻(xiàn)24篇，提取到試驗(yàn)數(shù)據(jù)109組，共521個(gè)樣本，其中有80組數(shù)據(jù)表明施加生物炭后CO2排放量增加，29組數(shù)據(jù)CO2排放量降低。Meta分析結(jié)果表明施加生物炭之后，CO2的排放量顯著增加20.28% （p = 0.0002） （圖5） 。

有29篇文獻(xiàn)報(bào)道了CH4相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，共提取到112組數(shù)據(jù)，樣本量達(dá)535個(gè)，其中有30組數(shù)據(jù)表明施加生物炭后CH4的排放量增加，82組數(shù)據(jù)表明CH4排放量降低。Meta分析表明施加生物炭降低了CH4的排放量，降低幅度為21.27% （p = 0.0011）。

從提取到的有關(guān)N2O排放量的147組數(shù)據(jù) （644個(gè)樣本） 來(lái)看，有28組數(shù)據(jù)表明土壤施加生物炭后N2O排放量升高，119組N2O排放量降低。Meta分析結(jié)果表明生物炭施加后N2O排放量顯著降低，降低幅度為23.70% （p < 0.0001）。

共收集到GWP相關(guān)數(shù)據(jù)29組，277個(gè)樣本，其中有6組數(shù)據(jù)表明施加生物炭之后GWP增加，23組數(shù)據(jù)GWP降低。Meta分析表明生物炭施用導(dǎo)致GWP降低9.7% （p = 0.0044）。

3 討論

3.1 生物炭對(duì)土壤碳庫(kù)及其組分的影響

本研究表明，生物炭添加能夠提高土壤中SOC、DOC和MBC含量，這與生物炭本身含有一定量的有機(jī)碳有關(guān)［25］，生物炭施入農(nóng)田土壤后，可直接提高SOC含量，而且生物炭自身性質(zhì)穩(wěn)定，不易被礦化［26］，可有效提升SOC含量。此外，生物炭與SOC結(jié)合后可以降低有機(jī)碳的生物活性，提高其氧化穩(wěn)定性。生物炭表面有大量的孔隙，可以吸附土壤中原有的有機(jī)碳，從而把微生物和有機(jī)物分離開(kāi)，形成物理隔離，這樣就降低了微生物對(duì)有機(jī)碳的分解利用，這些作用都有利于SOC的積累［27］。

土壤中DOC的增加可能與生物炭施用后SOC含量增加有關(guān)，SOC含量升高后，其水溶性成分自然增多，已有許多研究觀察到土壤中的DOC含量隨SOC升高而升高［28-29］。施加生物炭后土壤中MBC含量的增加可能有以下兩點(diǎn)原因：1） 生物炭較大的孔隙結(jié)構(gòu)及其施入土壤后對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善，為微生物生長(zhǎng)提供了養(yǎng)分和生存空間，促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)繁殖，提高土壤中微生物量。2） 生物炭施用后對(duì)土壤的改良作用促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)，例如生物炭作為一種內(nèi)、外表面積極大和具有豐富官能團(tuán)的堿性物質(zhì)，能夠中和土壤中的酸性離子，提高土壤pH［12］，降低土壤中吸附態(tài)金屬的解吸量和重金屬的利用率，為植物提供良好的生存環(huán)境。這可能會(huì)增加作物的總根長(zhǎng)和總表面積［30］，導(dǎo)致作物的根系分泌物或殘留于土壤中的根系增加，為土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而提高M(jìn)BC含量。

土壤團(tuán)聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)單位，決定著土壤的諸多性質(zhì)。生物炭的施加可改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，降低土壤密度以及容重等。Meta分析結(jié)果表明，生物炭的施加對(duì)各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的增加均有促進(jìn)作用。各粒級(jí)團(tuán)聚體的數(shù)量分布和空間排列方式?jīng)Q定了土壤孔隙的分布和連續(xù)性，進(jìn)而決定了土壤的水力性質(zhì)和通透性能，并影響土壤生物的活動(dòng)和養(yǎng)分的保持與供應(yīng)［31-32］。本研究中微團(tuán)聚體的SOC含量增加最為顯著，這可能是由于生物炭較土壤中的其他有機(jī)碳組分更易嵌入土壤微團(tuán)聚體中，從而提升其有機(jī)碳含量［33］。另外，生物炭中芳香族碳含量較高，且易于與原生有機(jī)質(zhì)結(jié)合，這有利于增強(qiáng)有機(jī)質(zhì)的惰性，提高土壤團(tuán)聚體的凝聚作用［34］。

土壤有機(jī)碳礦化是土壤微生物為獲取化學(xué)能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，滿足自身新陳代謝和生長(zhǎng)繁殖等需求的結(jié)果，是SOC周轉(zhuǎn)的重要過(guò)程和土壤溫室氣體排放的主要來(lái)源。土壤有機(jī)碳的礦化作用變化也能很好的說(shuō)明生物炭施用后對(duì)土壤碳庫(kù)的影響。生物炭的施用不僅改善了土壤的理化性質(zhì)，其特有的復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的表面形態(tài)特征能夠包裹和吸附土壤中的有機(jī)碳，提高有機(jī)碳對(duì)微生物降解的抵抗能力，對(duì)土壤本底有機(jī)碳的礦化起到抑制作用［26］，從而降低了土壤有機(jī)碳礦化量。此外，生物炭也可吸附土壤中的酶和有機(jī)物，這些有機(jī)物進(jìn)入生物炭孔隙中被保護(hù)起來(lái)，外界微生物不易進(jìn)入分解，進(jìn)而使土壤有機(jī)碳礦化受到抑制。

3.2 生物炭對(duì)溫室氣體排放的影響分析

CO2、CH4和N2O作為最重要的溫室氣體，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率占了近80%［35］。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施用后對(duì)土壤中不同溫室氣體排放的影響效應(yīng)不一，主要表現(xiàn)為CO2的排放量增加，而N2O和CH4排放量降低。盡管生物炭對(duì)其影響效應(yīng)不一，但通過(guò)分析生物炭對(duì)GWP的影響可以判斷其溫室效應(yīng)究竟如何，本研究發(fā)現(xiàn)生物炭的施加顯著降低了GWP，對(duì)溫室氣體減排有積極作用，這與前述的有機(jī)碳含量增加和礦化速率降低的結(jié)果一致，說(shuō)明生物炭總體上是有利于土壤增匯減排的。生物炭施用后不同溫室氣體的變化趨勢(shì)差異主要是由于生物炭對(duì)其影響機(jī)制存在明顯差異。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物炭還田對(duì)CO2排放的影響還未形成統(tǒng)一結(jié)論。本研究表明，生物炭的施加使CO2的排放增加了約20.28%，生物炭還田引起CO2排放的效果為正效應(yīng)，其原因可能是由于生物炭的施用改善了土壤理化性質(zhì)，為微生物的生長(zhǎng)和有機(jī)物消耗提供了有利條件，從而增加了CO2排放［36］。生物炭還田后，其中一些活性成分會(huì)被微生物分解，從而促進(jìn)CO2排放增加。這與楊世梅等［8］研究發(fā)現(xiàn)生物炭的輸入提高了土壤的呼吸速率，加快了腐殖質(zhì)的分解，促進(jìn)了CO2釋放，以及劉麗君等［14］研究發(fā)現(xiàn)施用玉米秸稈生物炭促進(jìn)了CO2產(chǎn)生的結(jié)果一致。江明華等［36］認(rèn)為低穩(wěn)定性的生物炭，對(duì)CO2的排放具有正激發(fā)效應(yīng)。對(duì)于何種理化性質(zhì)的生物炭以及何種類(lèi)型的土壤性質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)生物炭對(duì)CO2的減排，仍需進(jìn)一步研究。

與CO2排放量變化不同，本研究發(fā)現(xiàn)施加生物炭降低了約21.27%的CH4排放和約23.7%的N2O排放。與對(duì)CO2排放的影響作用類(lèi)似，生物炭對(duì)N2O和CH4排放的影響主要與生物炭性質(zhì)、土壤及其與氮肥的交互作用有關(guān)［37-38］。研究表明，生物炭施入土壤后，可改善土壤物理性狀，尤其是對(duì)田間透氣持水量產(chǎn)生正效應(yīng)，可提高CH4的吸收量，減少CH4的生成。Karhu等［39］發(fā)現(xiàn)生物炭施用后，田間持水量增加了11%，土壤對(duì)CH4的吸收增加了96%，所以生物炭可能通過(guò)調(diào)控土壤水分含量而影響CH4排放量。此外，生物炭施用后破壞了土壤中存在的一些嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，從而破壞了產(chǎn)甲烷菌的生存環(huán)境，導(dǎo)致甲烷氧化菌的多樣性和活性增加，促進(jìn)了土壤中CH4的氧化，進(jìn)而減少CH4的排放［9］。

土壤中N2O產(chǎn)生的來(lái)源具多樣性，而其中大部分都是由微生物硝化、反硝化途徑以及硝酸鹽異化作用貢獻(xiàn)的［37］。生物炭施用后對(duì)田間透氣持水量產(chǎn)生正效應(yīng)，從而影響微生物群落，對(duì)土壤的硝化和反硝化作用產(chǎn)生直接或間接的影響，進(jìn)而降低N2O排放。生物炭中堿性物質(zhì)與土壤中陰離子結(jié)合，提高土壤pH，同時(shí)增加N2O還原酶的活性，減少了N2O/N2的產(chǎn)生比例，降低N2O的產(chǎn)率。此外，生物炭可能促進(jìn)了NH4+-N和NO3--N的固定，王紫君等［12］通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物炭顯著降低了土壤NH4+-N和NO3--N的含量，從而減少了N2O排放。生物炭由于其自身的電子穿梭功能，可促進(jìn)稻田土壤中硝酸鹽異化還原為銨的過(guò)程和相關(guān)微生物功能基因的表達(dá)，進(jìn)而增加稻田土壤中的氮保留，減少N2O排放［40］。

盡管生物炭影響不同溫室氣體排放的機(jī)制不同，但也有部分影響效應(yīng)是統(tǒng)一的。例如生物炭的多孔性會(huì)增強(qiáng)對(duì)溫室氣體的吸附，從而減少其排放量，但這種吸附作用具有時(shí)效性，隨著土壤的動(dòng)態(tài)變化，溫室氣體可能被重新釋放［41］。其次，最新研究發(fā)現(xiàn)生物炭在田間老化后，表面形成有機(jī)-礦物復(fù)合體，從而增強(qiáng)顆粒物理穩(wěn)定性，進(jìn)而形成明顯的“土盔甲”效應(yīng)，可顯著減少土壤溫室氣體的排放，但新鮮生物炭的這種減排效應(yīng)并不明顯［42］。此外，土壤微生物的活動(dòng)驅(qū)動(dòng)著溫室氣體的排放，但目前生物炭對(duì)土壤微生物的影響研究仍十分不足。一方面生物炭施用后土壤理化性質(zhì)的改善和對(duì)植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用，可明顯促進(jìn)土壤微生物活性；另一方面，生物炭對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸附和隔離保護(hù)，減少了部分微生物的可利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外，不同生物炭的屬性差異明顯，也會(huì)對(duì)微生物群落產(chǎn)生不同的影響?？梢悦鞔_的是生物炭必然會(huì)對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，且這一過(guò)程是十分復(fù)雜且受環(huán)境條件顯著影響的，由于不同的溫室氣體排放過(guò)程可能由不同的微生物類(lèi)群主導(dǎo)，所以仍需要針對(duì)具體的生態(tài)過(guò)程開(kāi)展深入研究，尤其是對(duì)具體的功能類(lèi)群及其對(duì)應(yīng)功能變化方面。

3.3 關(guān)于Meta分析

本研究中所有指標(biāo)效應(yīng)量計(jì)算過(guò)程中的異質(zhì)性檢驗(yàn)均顯著，說(shuō)明不同研究中存在明顯的異質(zhì)性，需要進(jìn)行進(jìn)一步的亞組試驗(yàn)以揭示不同研究間產(chǎn)生異質(zhì)性的原因。本研究搜集了生物炭的相關(guān)指標(biāo)，用于對(duì)土壤碳庫(kù)、土壤有機(jī)碳礦化程度和溫室效應(yīng)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行亞組分析，以揭示其在不同研究中結(jié)果存在差異的原因，但采用搜集的所有生物炭相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行亞組分析，均未能發(fā)現(xiàn)不同亞組間相關(guān)指標(biāo)變化量的顯著差異，因此，未能揭示具體的異質(zhì)性原因，結(jié)果部分也未具體展示相關(guān)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。這說(shuō)明不同研究間的異質(zhì)性很可能是由本研究所搜集數(shù)據(jù)之外的其他試驗(yàn)因素差異帶來(lái)的，如土壤類(lèi)型、氣候條件、作物類(lèi)型等。此外，由于部分指標(biāo)搜集到的數(shù)據(jù)量較少，如GWP和水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳，不宜進(jìn)行亞組分析，也一定程度上限制了本研究對(duì)相關(guān)機(jī)制的深入揭示。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)開(kāi)展的關(guān)于生物炭的土壤增匯減排效應(yīng)方面的研究進(jìn)行整合分析發(fā)現(xiàn)，生物炭施加不僅可以提高土壤碳庫(kù)不同組分的含量，增強(qiáng)土壤碳匯功能，還可以有效減少溫室氣體排放，對(duì)緩解全球溫室效應(yīng)有著積極作用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)修復(fù)中合理施用生物炭，充分挖掘其應(yīng)用潛力，對(duì)早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”雙碳目標(biāo)有重大意義。未來(lái)研究應(yīng)進(jìn)一步深入揭示生物炭的增匯減排機(jī)制，為其合理應(yīng)用提供更有力的理論支撐。

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ZHOU Jing-wen， XIANG Qin-pei， XIANG Jin-jin， ZHOU Zi-qing， LI Jia-qi， XU Shang-qi， ZHOU Ji-hai

（Collaborative Innovation Center of Recovery and Reconstruction of Degraded Ecosystem in Wanjiang Basin Co-founded by Anhui Province and Ministry of Education， School of Ecology and Environment， Anhui Normal University， Wuhu 241002， China）

Abstract： Biochar， as a soil amendment， has significant effects on soil carbon sequestration and greenhouse gas emissions， making it has great application prospects in agriculture and ecological restoration. To systematically evaluate the impact of biochar on soil carbon sequestration and greenhouse effects， this study conducted a Meta-analysis by integrating 204 articles （with a total of 1，079 experimental groups） from the China National Knowledge Infrastructure （CNKI） database concerning changes in soil organic carbon （SOC） and related greenhouse gas emission indicators after biochar application. The results indicated that the addition of biochar significantly enhanced soil carbon sequestration， with a significant increase observed in SOC and its carbon components. The increase in SOC was approximately 47.97%， while soluble organic carbon and microbial carbon increased by 17.99% and 27.45%， respectively. The organic carbon content in different particle-size aggregates increased by 13.63% to 62.41%， with the highest increase observed in aggregates <0.053 mm. Moreover， biochar application in farmland resulted in significant emissions reduction， with emissions of nitrous oxide and methane decreasing by 23.7% and 21.27%， respectively. Although carbon dioxide emissions increased by 20.28%， the global warming potential of soil greenhouse gas emissions decreased by 9.47%. Additionally， the rate of soil organic carbon mineralization was significantly reduced. In conclusion， the application of biochar can significantly promote carbon sequestration and emission reduction in farmland soils， thus， its widespread adoption not only benefits soil improvement but also contributes to the achievement of the "carbon peaking and carbon neutrality" goals.

Key words： biochar; soil carbon sequestration; greenhouse gas emission; Meta analysis

（責(zé)任編輯：鞏 劼）