在中国各地的农田中，通过添加生物炭来提高土壤有机碳的固存效率：从颗粒有机碳和矿物相关有机碳的角度进行分析

《Environmental Research》：Soil organic carbon sequestration efficiency with biochar addition across the croplands of China: a perspective from particulate and mineral-associated organic carbon

本研究系统评估了生物炭添加对中国农田土壤中POC、MAOC及SOC的有机碳固存效率（OC_se），通过整合多区域实验数据并运用机器学习算法生成高分辨率空间分布图。结果表明：OC_se均值分别为POC 81.2%（8.5%-443.0%）、MAOC 64.1%(-12.4%-424.4%）、SOC 136.4%（17.8%-791.3%）；空间异质性显著，高OC_se区域集中于南方、温暖气候区、粘土土壤、水稻田及中等耕作强度。该研究为可持续生物炭管理提供了科学依据。

　　

刘子怡|徐培东|杨翠玉|赵炳权|高杰|史磊|董宽虎|赵翔|刘芬武|徐明刚

中国山西省农业大学草地科学学院草地生态保护与本土草种创新重点实验室，太原030031

摘要

土壤有机碳（SOC）通常分为颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MAOC）。生物炭被广泛用于提高土壤肥力、作物产量和碳封存效率。有机碳封存效率（OC_se）是指将外源性有机碳转化为SOC的能力的指标。然而，在全国范围内，添加生物炭后POC、MAOC和SOC的OC_se仍缺乏定量研究。本文汇编了一组数据，以评估、解释并预测中国各地农田中添加生物炭后POC、MAOC和SOC的OC_se变化。添加生物炭对POC、MAOC和SOC的OC_se具有积极影响，且POC的OC_se高于MAOC。多种因素控制着添加生物炭后POC、MAOC和SOC的OC_se，包括气候条件、土壤性质、实验操作和农艺管理。通过机器学习算法，成功生成了中国农田表层土壤中POC、MAOC和SOC的高分辨率OC_se分布图。全国范围内，POC、MAOC和SOC的OC_se平均值分别为81.2%（8.5%-443.0%）、64.1%（-12.4%-424.4%）和136.4%（17.8%-791.3%）。POC、MAOC和SOC的OC_se在地理区域、气候带、土壤质地、土地类型和种植强度上存在空间异质性。具体而言，南部地区、温带-热带气候、粘土质地土壤、稻田以及中等种植强度条件下，POC、MAOC和SOC的OC_se较高。总体而言，本研究揭示了土壤碳封存的机制，并为可持续生物炭管理提供了宝贵指导。

引言

土壤有机碳（SOC）是地球上最大的碳库，在土壤健康、作物生产和气候变化中起着关键作用。根据大小或密度，SOC可分为颗粒有机碳（POC）和矿物相关有机碳（MAOC）（Cotrufo等，2019；Lavallee等，2020；Yu等，2022；Zhou等，2024；Liu等，2025）。POC主要来源于植物物质，缺乏物理保护，因此由于易被微生物分解，其平均停留时间较短（Witzgall等，2021；Lavallee等，2020）。相比之下，MAOC主要来源于根系分泌物和微生物化合物，并通过有机-矿物相互作用在土壤基质中稳定（Georgiou等，2022；Lavallee等，2020）。因此，POC和MAOC之间的动态关系决定了SOC的含量、功能和稳定性。

生物炭是在缺氧条件下有机材料热解的产物（Han等，2020），被认为是一种能提高农业生产和土壤碳封存能力的有效土壤改良剂（Chagas等，2022；Han等，2023）。因此，生物炭在中国各地的农田中得到了广泛应用（Xu等，2024）。个别研究表明，添加生物炭后POC或MAOC有所增加（Cheng等，2024）、减少（Qiu等，2025）或变化不大（Giannetta等，2024）。POC和MAOC随生物炭添加的变化可能受多种因素影响，如气候条件、土壤性质、实验操作和农艺管理。例如，较高的湿度可通过促进根系生长、扩散和相互作用来增加MAOC的含量和持久性（Heckman等，2023）。背景有机碳（BOC）含量高的土壤可能提供的矿物基质较少，不利于MAOC的形成（Bramble等，2023）。增加生物炭的添加量可以直接增加有机碳积累（Chagas等，2022）。高种植强度可能由于频繁的干扰而降低有机碳含量和稳定性（Xu等，2024）。因此，单个研究难以完全揭示生物炭效应的复杂性，需要综合分析来阐明生物炭添加后土壤生态系统中POC和MAOC的动态变化。

有机碳封存效率（OC_se）是指外源性有机碳转化为SOC的百分比，是评估SOC封存能力的关键指标（Ren等，2024；Yin等，2024；Xu等，2026）。提高土壤OC_se对于保障粮食安全、缓解气候变化和促进可持续发展具有重要意义。一项元分析评估了生物炭对整体土壤OC_se的影响（Li等，2024a），但未涉及添加生物炭后POC和MAOC的OC_se研究。此外，控制POC和MAOC OC_se的因素仍是一个知识空白，尤其是它们与气候条件、土壤性质、实验操作和农艺管理的关系。OC_se的空间制图是应对区域特定挑战的重要工具，但目前缺乏全国范围内的POC和MAOC添加后的OC_se地图。传统的基于野外调查的方法往往因劳动密集和成本高昂而无法满足大规模和高效率的需求。如今，许多研究采用机器学习技术来预测土壤属性的空间分布（Jia等，2024；Ren和Cai，2025；Wang等，2025）。机器学习技术为土壤属性的空间预测提供了强大工具，并生成高分辨率地图，从而解决了传统方法的局限性。

我们整理并分析了同行评审研究的数据，以量化生物炭添加对POC、MAOC和SOC OC_se的影响。我们的目标是：（1）确定添加生物炭后POC、MAOC和SOC的OC_se变化；（2）评估影响POC、MAOC和SOC OC_se的因素；（3）绘制添加生物炭后POC、MAOC和SOC的OC_se分布图。

数据来源与整理

文献检索范围为2024年11月之前的中国国家知识基础设施和Web of Science。使用的关键词包括：“生物炭” AND (“颗粒有机碳” OR “POC” OR “颗粒有机物” OR “POM”) AND (“矿物相关有机碳” OR “MAOC” OR “矿物相关有机物” OR “MAOM”）。文献需符合以下标准：（1）包含在农田中进行的野外观察数据，不包括实验室实验数据。

添加生物炭后POC、MAOC和SOC的OC_se变化

添加生物炭后，POC、MAOC和SOC的OC_se分别为92.1%、71.4%和158.5%（图2a）。生物炭添加分别提高了POC（65.8%）、MAOC（18.3%）和SOC（30.0%）的含量（图2b）。添加生物炭后，POC、MAOC和SOC的储存量分别增加了61.2%、15.0%和26.5%（图2c）。在土壤碳封存过程中，POC的作用大于MAOC（图2）。

控制POC、MAOC和SOC OC_se的因素

MAT和MAP总体上表现出积极影响

生物炭添加促进了POC、MAOC和SOC的OC_se

添加生物炭对POC、MAOC和SOC的OC_se有积极影响（图2a）。其机制如下：首先，生物炭是一种外源性有机物质，直接为土壤提供有机碳；其次，生物炭含有耐降解成分（如芳香结构），有助于稳定和保留土壤中的有机碳（Liu等，2022；Xu等，2024）；第三，生物炭具有发达的多孔结构，添加生物炭后可以减少

结论

本研究揭示了生物炭添加对中国各地农田土壤中POC、MAOC和SOC OC_se影响的机制（图7）。与MAOC相比，POC的OC_se增加更为显著。多种因素影响了添加生物炭后POC、MAOC和SOC的OC_se变化。中国各地农田中POC、MAOC和SOC的OC_se分布存在显著异质性。POC、MAOC和SOC的高OC_se主要出现在

作者贡献声明

高杰：数据整理。赵炳权：数据整理。董宽虎：撰写、审稿与编辑、资金获取。史磊：数据整理。赵翔：撰写、审稿与编辑。徐明刚：撰写、审稿与编辑。刘芬武：撰写、审稿与编辑。刘子怡：撰写、初稿撰写、可视化、软件使用、方法论设计、数据分析。杨翠玉：数据整理。徐培东：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、项目管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山西省土壤健康实验室（项目编号SHL2025IP07）、中国海南省热带作物营养重点实验室（项目编号24KLTCN02）、国家自然科学基金（项目编号U22A20576）、山西农业大学科技创新基金（项目编号2021BQ62）以及山西省基础研究计划（项目编号202103021223128）的支持。