生物質炭特性及施用管理措施對作物產量影響的整合分析

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境工程學院，武漢 430070；2中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；3上海市園林科學規劃研究院，上海 200232）

生物質炭特性及施用管理措施對作物產量影響的整合分析

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境工程學院，武漢 430070；2中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；3上海市園林科學規劃研究院，上海 200232）

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

生物質炭；作物產量；增產效應；土壤質地；管理措施；施用量；施用時長；整合分析

0 引言

【研究意義】生物質炭（biochar）是生物質在缺氧條件下通過熱化學轉化得到的固體產物，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，農業是生物質炭應用最廣泛的領域，而進一步特殊加工形成的生物質炭產品在退化耕地、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，生物質炭施入土壤生態系統后，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構及理化性狀，提高土壤養分有效性、團聚體穩定性等[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育，表現出良好的提高土壤質量和肥力、提升作物產量的作用[6-7]。因此，在生物質炭應用越來越廣泛的今天，深入研究生物質炭特性及其施用管理，從大尺度范圍評估其在農業生產中的應用價值，對于農業可持續發展具有重要的理論和實踐意義。【前人研究進展】近年來，關于生物質炭施用對作物生長及其產量的影響，已成為農業增產研究的熱門領域[8-9]。有研究表明，在相同的環境條件下，同一種生物質炭施用于不同作物，對產量的影響不同[10]。張娜等[11]通過大田試驗研究發現，與不施用生物質炭相比，生物質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、葉綠素含量以及凈光合速率，進而提高干物質積累以及玉米穗粒數；還有研究表明，生物質炭與肥料混合施用較單施生物質炭顯著提高肥料利用率，從而改善水稻產量性狀，提高水稻產量[12]；也有一些研究發現，生物質炭對作物生長或產量的影響與土壤類型有關[13]，UZOMA等[14]將生物質炭應用于砂質土壤的玉米中，結果發現 15.0 t·hm-2施用量處理的產量高于 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，作物產量隨生物質炭施用量的增加而增加，由于生物質炭的屬性、施用量、土壤肥力、土壤質地等因素的差異，導致其應用效果的研究結果并不完全一致[16]。早期的研究結果大部分基于盆栽或溫室培養試驗，其結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炭的施用管理對于作物產量的影響。例如，LIU 等[22]研究生物質炭不同添加量（2.5、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0 t·hm-2）對紅壤番茄產量的影響，結果發現40.0 t·hm-2的生物質炭施用量增產效應最顯著，可增產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，發現生物質炭施用后的第一年水稻增產13.5%，第二年增產6.1%，即生物質炭施用對作物產量的影響程度也存在時效性。基于人們對于無論是盆栽、溫室培養或是大田實驗結果的假設機制認可程度的差異，以及不同特性生物質炭應用的適宜性，學者開始嘗試采用整合分析來評價生物質炭施用的效果和效應。如JEFFERY等[20]在2011年對16篇已發表文獻進行整合分析，得出生物質炭的施用可平均增產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，且隨著生物質炭制備原料與制備工藝發展，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田實際地域環境條件。【擬解決的關鍵問題】本研究基于以上問題，在前人工作的基礎上，繼續擴大樣本容量和更新樣本數據，增加文獻數據收集的限制條件，對不同生產條件下形成的具備不同特性的生物質炭，施用后作物產量的變化進行分析。采用數據整合分析（Meta-analysis）方法，比較施用不同制備原料與制備溫度的生物質炭，以及不同施用管理對作物產量的影響及其差異，為生物質炭的選擇性應用與促進作物增產的長期效應提供科學參考。

1 研究方法

1.1 數據來源

本研究基于中國知網、萬方、ScienceDirect、Springer link和Wiley-Blackwell 5個文獻數據庫，對生物質炭施用與作物產量的相關文獻進行檢索。設置檢索主要關鍵詞包括“生物質炭（biochar or biomass charcoal）”和“產量（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炭處理，對照組為不施用生物質炭處理；（2）處理組和對照組除生物質炭處理外，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必須≥3[24]。所收錄文獻出版時間截止到2016年3月。

1.2 數據庫建立與數據分類

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

在數據提取過程中，對文獻中提取的數據進行標準化處理[16]，將生物質炭施用量單位統一為 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]，將產量單位統一為 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，那么使用公式轉換，即 pH(H2O)=1.65+0.86 pH(CaCl2)[27]。根據相關文獻中的研究情況，將生物質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。關于生物質炭制備溫度，如果文獻給出的是溫度區間，則取其平均值。將生物質炭的熱解溫度劃分為4個區間：低溫（≤400℃）、中溫（401—500℃）、中高溫（501—600℃）和高溫（≥600℃）。生物質炭碳氮含量比值（C/N值）劃分為5個水平：＜20、20—50、50—100、100—300、≥300。生物質炭pH分為≤7、7—8、8—9、9—10和≥10等5個水平。根據文獻中提供的砂粒（0.05—2 mm）、粉粒（0.002—0.05 mm）、黏粒（＜0.002 mm）的相對含量將質地類型分為黏質、壤質和砂質。同時根據《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 數據分析

圖1 發文的時間分布Fig. 1 Distribution of publications in time sequence

本研究收集的數據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炭對作物產量產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炭對作物產量的影響結果進行標準化處理。每組數據分為對照組（不施用生物質炭）和添加生物質炭的試驗組，試驗中的作物產量采用自然對數的響應比（response ratio，RR）作為效應量，即增產效應：

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

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

效應量的變異系數用各組處理的標準偏差和試驗重復數來計算。效應量的權重采用變異系數的倒數表示[30]，最終獲得的相關數據通過MetaWin 2.1軟件進行處理。處理時，納入的各研究結果須進行異質性檢驗，若P＞0.1，表明多個研究具有同質性，此時選擇固定效應模型進行分析（fixed effect model，FEM）；若P≤0.1，則多個研究不具有同質性，此時選擇隨機效應模型（random effect model，REM）。效應量的標準差越小，分配的權重越大，權重響應比（weighted response ration，RR++）即處理相對于對照增減的百分數及其95%的置信區間（95% CI）可以通過(eRR++-1) ×100%來轉化。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 結果

2.1 生物質炭對不同類型作物產量的影響

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

如圖2所示，與不施生物質炭相比，施用生物質炭能使不同類型作物的產量均得到顯著提高，平均增產14.8%。其中，施用生物質炭對經濟作物產量的平均提高幅度（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，增產效應分別達到了13.2%、9.3%和8.5%，經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濟作物施用生物質炭后的增產幅度最為顯著，約為糧食作物的5.6倍。

2.2 生物質炭特性對作物產量的影響

不同原料制備的生物質炭，對作物產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效應值達到 16.5%，高于其他類型原料制備的生物質炭。秸稈類和木材類（主要包括木材、樹皮、剪枝和木屑等）生物質炭對作物的增產效應也相對較高，分別為 15.2%和 15.6%，殼渣類生物質炭的增產效應相對較低，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），是生物質炭化工藝的重要參數之一，也是評價生物質炭穩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量，且隨著熱解溫度的上升，作物的增產幅度呈減緩趨勢，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℃，作物產量反而降低，為-22.1%。

圖3 生物質炭特性對作物產量的影響Fig. 3 Effect of biochar characteristics on crop yield

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

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

2.3 生物質炭對種植在不同屬性土壤上作物產量的影響

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

圖4 生物質炭對不同質地(a)和酸堿度(b)土壤作物產量的影響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，生物質炭施用于不同酸堿度的土壤中均能顯著提高作物產量（P＜0.05）。在酸性土壤（pH ＜5.5）中的產量增幅（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，產量增幅為18.6%，增產效果也明顯優于中性（3.7%）與堿性土壤（11.7%）。總體而言，生物質炭應用于酸性或弱酸性土壤中，增產優勢更顯著。

2.4 人為管理措施對作物產量的影響

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

分析結果表明，隨著生物質炭施用量增加，作物產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，對作物產量的提升幅度降低至13.7%。超過 80.0 t·hm-2對作物的增產效應與對照組無顯著差異。總之，施用生物質炭均能達到增產效果。

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

圖5 生物質炭施用量(a)和施用時間(b)對作物產量的影響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果表明，與不施用生物質炭相比，生物質炭的施用使作物產量平均提高 15.0%（增產范圍為 14.8%—16.8%），此結果略高于JEFFERY等[20]和 LIU等[21]關于生物質炭的應用對作物產量的增產效應（分別為 10.0%和 11.0%），可能是由于生物質炭施用年限的增加，土壤結構與理化性質得到改善，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炭施用的響應存在顯著差異。生物質炭施用對經濟作物產量提高幅度（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濟作物生長。在糧食作物當中，生物質炭對玉米和小麥的增產效應又遠高于水稻，可能是生物質炭施用于旱地土壤，能夠保持土壤充足水分，從而促進作物生長，而對于稻田環境，生物質炭不存在這一作用[33]。所以生物質炭的施用更有利于旱地作物增產。

生物質炭自身的特性是其對作物產量產生影響的根本原因。原材料和熱解溫度是生物質炭特性形成的“先天因素”，元素含量和酸堿度等物理化學指標是生物質炭特性的“外在表現形式”[26]。這些因素不僅共同構成生物質炭不同于其他含碳物質形式的鮮明特征，且對土壤生態系統作物產量的提升發揮著極大作用。本研究表明不同類型的原材料均表現出對作物的增產效應，除殼渣類原材料制備的生物質炭的增產效應（11.9%）低于平均增產效應（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炭的增產效應均高于平均增產效應。其中畜禽糞便類原料制備的生物質炭的增產效應最高（16.5%），這與黃婷等[34]的研究結果一致。生物質炭雖然經歷了破碎和熱解過程，但仍在物理結構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]，其物理結構和化學組成決定著生物質炭對土壤生態系統作物產量影響的潛能。因此，以畜禽糞便為原料制備的生物質炭在作物增產方面潛力巨大，具有較好的應用前景。

本研究表明熱解溫度低于 400℃的生物質炭平均會增加 18.7%的作物產量，而隨著熱解溫度的提升，生物質炭對作物增產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℃）制備的生物質炭的礦化特征的結果也表明，添加生物質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，不僅生物質炭的產率降低，碳保留量也隨著溫度的升高而降低；此外，生物質炭的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作用的發揮。

生物質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量及群落結構產生一系列深遠影響[40-41]。生物質炭絕大多數情況下呈堿性，其表面含氧官能團（如羧基和酚羥基等）與礦物沉積物（如碳酸鹽和結晶態碳酸鹽等）是生物質炭堿性的表現形式[42]。本研究發現隨著生物質炭pH的增大，作物產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。

生物質炭的施用，主要是通過改善土壤的物理性質及結構從而達到增產效果。本研究表明砂質土壤和黏質土壤施用生物質炭具有顯著增產效果（17.1%和17.4%），而壤質土壤中施用生物質炭對作物沒有顯著增產（1.5%）。原因可能是砂質土壤結構松散，易于生物質炭進入，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，吸附更多養分離子，避免養分流失，有效提高土壤肥力和肥料利用效率[43]；而黏質土壤常呈緊實黏結狀態，利于固持生物質炭，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，促進土壤養分轉化，從而顯著提高作物產量；但是壤質土壤多由粉粒和黏粒組成，可能會填充生物質炭孔隙造成土壤和生物質炭接觸面積堵塞，影響土壤通氣性的改善，甚至形成“閉合區域”，限制了生物質炭發揮作用[26]。

土壤酸堿度對土壤微生物多樣性、數量及生物活性有重要影響。生物質炭大部分呈堿性，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+結合，并顯著增加土壤微生物量[45]，更有利于作物增產。而對堿性土壤或者有機質含量高的土壤的pH，生物質炭對其提升并不顯著[46]。

生物質炭的施用量是影響其增產效應的一個重要因素。李中陽等[47]研究發現施用生物質炭對冬小麥的有效穗數、穗粒數、千粒質量和產量的提高均有促進作用，其中以40.0 t·hm-2的處理增產最多，但隨著生物質炭施用量的增加（＞50.0 t·hm-2），產量反而有所降低，但仍然高于對照處理。這與本研究結果相一致，原因可能是生物質炭礦質養分含量低而含碳量較高，加上生物質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養分較少，從而降低土壤養分尤其是氮素有效性[48]，使產量提高幅度有所降低。

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

由于生物質炭的復雜多樣，本研究沒有探討其與化肥或其他有機肥的協同增產效應，也沒有考慮試驗條件如盆栽、大田等的影響，部分試驗結果有一定的條件適用性。盡管如此，本研究的定量化分析結果也能為今后評價生物質炭的增產效益和環境效益提供科學依據。今后，隨著科技不斷發展，有關生物質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 結論

本研究重點探討不同生物質炭特性與施用管理措施對作物產量的影響程度。整合分析結果表明，生物質炭的施用可以持續促進農經作物產量的提升。生物質炭施用不僅能有效提高糧食作物產量，對經濟作物如草木類和果蔬類的產量提升效果更佳。此外，因畜禽糞便類養分含量豐富，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炭對于作物的增產效果更佳。生物質炭的制備溫度及產生的相應的特性（如pH）對作物的產量提升具有顯著影響。制備溫度≤400℃的生物質炭能更顯著地提高作物產量，而因生物質炭巨大的比表面積與吸附性能可提高砂質土壤陽離子交換量與固持的養分含量，因此生物質炭更有助于黏質、砂質土壤與酸性、弱酸性土壤上作物的增產。本研究還表明，過量施用生物質炭時，增產效果降低，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）可節約成本并達到持續增產的目的。

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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