生物炭在温室气体减排与作物增产中的作用：基于热解条件、施用策略与植物类型的Meta分析

本研究针对生物炭与化肥联用对温室气体(GHG)排放和作物产量的矛盾报道，通过Meta分析系统评估了不同施用策略(B/BCF/BOF)、原料类型、热解温度(400-550°C)、施用量(>20 t ha-1 )等因素对N2 O/CH4 /CO2 排放及产量的影响，发现单独施用生物炭可降低16.3% N2 O和10.1% CH4 排放，而BOF组合在保证产量提升35.1%的同时实现最低温室气体强度(GHGI)，为农业碳中和提供重要依据。

　　

农业作为全球温室气体排放的重要来源，贡献了25-30%的N₂
O和35-50%的CH₄
排放。传统化肥的过度使用不仅加剧温室效应，还导致土壤退化等一系列环境问题。虽然生物炭作为土壤改良剂在碳封存和减排方面展现出潜力，但关于其与化肥联用的效果存在大量矛盾结论。这种不确定性严重制约了生物炭在可持续农业中的精准应用。

为系统评估生物炭的农业价值，研究人员开展了这项涵盖54项研究的Meta分析。研究创新性地构建了六组变量体系：三种施用策略（单独生物炭B、生物炭+化肥BCF、生物炭+有机肥BOF）、原料类型（不稳定型、中等型、抗分解型）、热解温度梯度（<400°C、400-550°C、>550°C）、施用量梯度（<10、10-20、>20 t ha^-1
）、土壤质地（砂质、壤质、粘质）和作物类型（谷物、蔬菜、果园）。通过提取1166组对照-处理数据对，采用响应比(RR)计算效应值，使用随机效应模型分析生物炭对N_{24
、CO2
、全球增温潜势(GWP)和温室气体强度(GHGI)的影响。}

关键技术方法包括：1)系统检索Web of Science等数据库获取680篇文献，筛选54项符合标准的研究；2)建立六组变量分类体系；3)采用自然对数响应比(lnRR)计算效应值；4)通过漏斗图和Fail-safe N检验评估发表偏倚；5)使用SPSS v28进行随机效应模型分析；6)采用Pearson相关分析土壤有机碳(SOC)与GHG排放的关系。

【3.1 生物炭施用策略对GHG排放的影响】
单独施用生物炭(B)使N₂
O和CH₄
分别降低16.3%和10.1%，而BCF组合导致N₂
O激增62.9%。BOF在保证产量提升35.1%的同时，GHGI降低12.1%，展现出最佳减排增效组合。

【3.2 生物炭原料类型的影响】
粪便等不稳定原料生物炭使N₂
O增加83.7%，但显著降低CH₄
排放43.7%。木质原料生物炭虽减排效果中等，但带来最高产量增幅(32.2%)。

【3.3 热解温度的调控作用】
400-550°C制备的生物炭表现出最优综合性能：CH₄
减排12.5%，GHGI降低14.9%。该温度区间形成的微孔结构最利于抑制产甲烷菌活性。

【3.4 施用量的阈值效应】

20 t ha^-1
的高施用量导致GWP增加26.6%，而10-20 t ha^-1
的中等用量实现GHGI降低19.3%，表明"更多未必更好"的剂量效应。

【3.5 土壤质地的调节】
粘质土壤中生物炭使N₂
O降低2.1%，GHGI锐减28.9%，显著优于砂质土壤22.1%的CO₂
增幅，揭示土壤质地是减排效果的关键调节因子。

【3.6 作物类型的差异响应】
蔬菜种植中生物炭使N₂
O增加59.3%但CH₄
降低22.5%，而谷物系统表现出更均衡的减排增产效果，突显作物特异性管理的重要性。

【3.7 变量对作物产量的影响】
BOF组合实现35.1%的产量增幅，显著高于单独生物炭的16.2%。高温热解(>550°C)生物炭产量效应(28.6%)优于低温产品(17.9%)，证实热解工艺对肥效的关键作用。

【3.8 SOC与GHG排放的相关性】
生物炭处理改变了SOC与GWP的关系模式：未处理土壤中二者呈正相关(r=0.54)，而处理后转为弱负相关(r=-0.15)，揭示生物炭可能通过改变碳循环路径实现减排。

讨论部分强调了四个关键发现：首先，生物炭与有机肥联用(BOF)创造了"减排-增产"双赢局面，其机制在于生物炭吸附可溶性有机碳，减缓了有机肥的矿化速率。其次，400-550°C的热解"黄金区间"产生的生物炭具有理想的孔隙结构，既能抑制CH₄
产生菌的活性，又保持足够的阳离子交换容量支持植物生长。第三，粘质土壤中生物炭的卓越表现源于其对NH₄
⁺
的强吸附能力，有效阻断了硝化-反硝化链式反应。最后，蔬菜系统的特殊响应提示需建立作物特异性的生物炭管理策略，特别是对叶菜类需重点调控N₂
O排放。

该研究为生物炭的农业应用提供了三项重要指导原则：1)优先采用BOF组合策略，在20 t ha^-1
以下施用量实现最佳效果；2)选择木质原料在400-550°C制备生物炭；3)粘质土壤中可期待最佳环境效益。这些发现为制定精准农业减排政策提供了量化依据，特别是为平衡"粮食安全-碳中和"双重目标提供了可行路径。未来研究需重点关注生物炭在果园系统的应用优化，以及长期施用对土壤微生物组的调控机制。