半干旱农业生态系统中生物炭的综合评述：全球趋势、潜在原料、作物-土壤相互作用与碳活性

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Integrative Review of Biochar in Semi-Arid Agroecosystems: Global Trends, Potential Feedstocks, Crop-Soil Interactions, and Carbon Lability

　　

本整合性综述通过将科学计量学分析与批判性叙述综合相结合，评估了生物炭（biochar）在干旱和半干旱农业生态系统中的研究现状与演变。具体而言，它考察了发表趋势、合作网络和主题演化，同时评估了原料类型、热解条件（pyrolysis conditions）、生物炭性质、土壤-作物相互作用、活性碳组分（labile carbon fractions）、微生物过程以及在水分受限条件下的实际适用性之间的关系。科学计量学部分使用了Web of Science核心合集（Web of Science Core Collection）在2010–2025年期间的数据，并应用了共现分析（co-occurrence）、合著分析（co-authorship）、共被引分析（co-citation）、文献耦合（bibliographic coupling）和主题映射（thematic mapping）来描述该领域的知识结构。叙述综合则纳入了其他经典和近期研究，以解释机制和情境依赖性响应。在研究期间，科学产出显著增加，伴随着日益互联和多极化的研究网络。研究趋势从侧重于原料表征的描述性研究转向涉及土壤肥力、碳封存（carbon sequestration）、养分循环和作物性能的应用型方法。证据表明，在半干旱农业生态系统中，生物炭可以改善土壤功能，特别是在有机质含量低、质地粗、酸性或水分限制制约植物生长的情况下；然而，这些效应的程度和持续性取决于原料、热解温度、土壤性质、施用量、气候和持续时间。生物炭代表了一种有前景但依赖情境的策略，用于改善旱地农业的水分保持、养分有效性、土壤结构、碳稳定化和生物功能。剩余的空白包括长期田间表现、方法标准化、热解过程中的碳平衡评估，以及在真实半干旱条件下生物炭-土壤-微生物组的相互作用。

3 结果与讨论

3.1 生物炭相关研究的趋势、合作网络与主题热点映射

结果显示，2010至2025年间科学产出持续大幅增长，年发文量从2篇增至76篇，增幅达38倍。线性回归模型证实了这一上升趋势（r=0.84），表明产出遵循可预测的持续增长轨迹。地理分布显示科学产出高度集中，中国以98篇领先，其次是巴西（31篇）和美国（30篇），三国合计约占全部记录的48%。国际合作模式同样呈现不对称性，埃及与沙特阿拉伯之间的合作最为密切（13次合作），其次是中国-巴基斯坦和巴基斯坦-沙特阿拉伯（各12次）。在期刊层面，《Agronomy-Basel》发文量最大（38篇），但篇均被引频次（13.8）远低于《PLOS ONE》（100.1）和《Atmospheric Chemistry and Physics》（62.8）。作者分析显示，尽管Ahmed, Osumanu Haruna和Ch'ng, Huck Ywih在发文数量上领先（各7篇），但其篇均被引指数（分别为8.6和11.1）显著低于Lehmann, Johannes（4篇文章，207次被引，指数51.8）。国家层面，中国虽为最大产出国（107篇，2044次被引），但其篇均被引密度（19.1）低于样本平均值（24.3）；而美国、德国和加拿大则表现出更高的科学效率。机构层面，沙特国王大学（King Saud University）在产出量上领先（19篇），但中国科学院（Chinese Academy of Sciences）拥有最高的绝对被引次数（515次）和最高的影响因子（34.3次/篇）。

3.2 干旱与半干旱环境中生物炭生产的原料及作物-土壤相互作用

研究表明，半干旱环境中生物炭的生产主要基于农业和农林业残余物，如牛/羊粪、芒果树枝条修剪物和甘蔗秸秆。报道的热解温度主要集中在300–700°C范围内，这有利于形成高碳含量（约33–74%）和不同氮浓度的生物炭。农艺效应方面，研究一致报告了积极效果，包括作物生产力提高、养分吸收增加、保水能力改善、肥力提升以及水分利用效率增强。所评估的作物种类多样，包括玉米、罗勒、菠菜、豆类、黄瓜和小麦。然而，研究也指出生物炭性能高度依赖于土壤气候条件，而非固有有益。Jeffery等人的荟萃分析表明，产量提升在酸性、粗质地土壤中最为显著；而在肥沃、碱性或高缓冲能力的土壤中，生物炭的响应往往有限或可忽略不计。此外，生物炭与有机或矿物肥料联合施用比单独施用能带来更大的农艺效益。关于碳封存潜力，需要从生命周期角度进行评估，考虑原料生产、热解排放、能源需求以及生物炭在土壤中的长期持久性。Rodrigues等人证明，稳定生物炭的碳封存效率通常在原始原料碳的25%至50%之间，最佳值出现在约500–550°C下热解的植物基原料中。