生物炭与微生物协同增效作物生长和土壤功能的整合证据：一项元分析

《Agricultural Water Management》：Biochar and microorganisms combined enhance crop growth and soil properties: Evidence from meta-analysis

为应对化学肥料过度使用导致的土壤污染和生态系统不稳定问题，研究人员通过整合103项研究开展元分析，系统评估了生物炭与微生物联合应用（BCM）对作物生理生态和土壤功能的影响。结果表明，BCM显著提升作物生物量（地上部干重增加51.79%）、增强抗氧化酶活性（CAT增加112.02%），并改善土壤有机碳（SOC增加49.38%）和养分有效性（AP增加49.14%），为农业可持续发展提供了量化依据。

　　

随着全球人口增长和粮食需求上升，现代农业高度依赖化学肥料以实现作物高产。然而，化肥的过量使用导致养分利用效率低下，大量未被吸收的养分进入土壤和水体，引发环境污染，并影响作物健康及生态系统稳定性。与此同时，生物炭和微生物作为两种具有潜力的土壤改良剂，近年来受到广泛关注。生物炭因其多孔结构和丰富官能团，可为微生物提供栖息地；微生物则通过分泌代谢产物促进养分循环和作物生长。但以往研究多聚焦于单一改良剂的效果，关于生物炭与微生物联合应用（BCM）对作物和土壤的协同效应缺乏系统评估，且不同研究间结果存在较大异质性。为此，研究人员在《Agricultural Water Management》上发表了整合分析研究，旨在通过量化整合现有证据，明确BCM对作物生理生态和土壤功能的影响，并探索其作用机制与优化策略。

为系统评估BCM的效果，研究团队检索了Web of Science和中国知网数据库中截至2024年12月20日的相关文献，最终纳入103篇符合条件的研究。通过MetaWin 2.1软件进行元分析，以效应量lnR（处理组与对照组比值的自然对数）作为标准化指标，并采用随机效应模型或固定效应模型进行异质性检验和亚组分析。关键方法包括：（1）文献筛选与数据提取，涵盖作物生物量、生理指标、土壤理化性质和微生物多样性等变量；（2）效应量计算与置信区间评估；（3）亚组分析，按实验类型（盆栽/田间）、生物炭原料类型（木质、秸秆、稻壳）、热解温度（≤500°C或>500°C）、微生物功能类群（PGPR、AMF、生防真菌）和初始土壤pH进行分层比较；（4）回归分析探讨生物炭热解温度与效应量的关系；（5）通过Rosenthal失安全数检验发表偏倚。

3.1 作物生长与生理特性

BCM处理显著促进作物生物量积累和形态建成，地上部干重、根干重和叶面积分别增加51.79%、53.10%和38.40%。同时，BCM提升光合作用参数（净光合速率增加19.13%）和叶绿素含量（SPAD增加19.71%），并增强抗氧化酶活性（CAT、POD、SOD分别增加112.02%、81.76%和60.58%），降低膜脂过氧化产物MDA含量18.24%，表明BCM可激活作物抗氧化防御系统，提升抗逆能力。

3.2 土壤质量

BCM显著改善土壤肥力，土壤有机碳（SOC）、有效磷（AP）、铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）分别增加49.38%、49.14%、37.04%和31.39%。土壤酶活性中，脱氢酶活性提升最为显著（121.34%）。BCM对土壤pH的影响与初始pH呈负相关，在强酸性土壤（pH≤5.5）中提升23.23%，而在碱性土壤（pH≥7.5）中降低1.32%。

3.3 土壤微生物多样性

BCM显著提高土壤细菌丰度（71.90%）和多样性指数（Shannon指数增加3.98%），但对真菌群落无显著影响。土壤微生物生物量碳（SMBC）和氮（SMBN）分别增加50.39%和85.18%，反映微生物活性增强。

3.4 实验类型的影响

盆栽实验中BCM对土壤速效钾（AK）、磷酸酶和脲酶活性的提升幅度高于田间实验，但田间条件下作物生物量和SPAD含量增加更显著，表明环境条件对BCM效果具有调节作用。

3.5 生物炭特性的影响

木质生物炭联合微生物对土壤AP和磷酸酶活性的提升效果最优；稻壳生物炭对土壤pH的调节作用最强。低热解温度（≤500°C）生物炭在促进作物形态建成和土壤养分（如AP、AK、SOM）方面优于高温生物炭，且MDA含量降低与热解温度呈负相关。

3.6 微生物种类的影响

从枝菌根真菌（AMF）与生物炭联用对作物生物量的提升效果最显著（地上部干重增加84.29%），而植物根际促生菌（PGPR）组合对土壤AP的改善更明显（38.10%）。生防真菌（BCF）与生物炭的协同效应相对较弱。

本研究通过元分析定量揭示了BCM在提升作物生产力和土壤健康方面的协同效应，并明确了其效果受生物炭特性、微生物种类及环境条件的调控。低热解温度木质生物炭与功能微生物（如AMF或PGPR）组合在酸性土壤中表现尤佳，而高温生物炭可能因自由基积累对微生物群落产生抑制。BCM通过增强土壤养分循环、微生物活性及作物抗逆性，为减少化肥依赖、推动农业可持续发展提供了理论依据和实践方向。未来需加强长期田间试验，深化BCM对土壤真菌群落和养分循环的机制研究，并开展经济性评估以推广应用。