综述：富硅生物炭用于通过增强植物抗性和多营养级相互作用进行生态害虫管理的综述

《Discover Agriculture》：A review of silicon-rich biochar for ecological insect pest management through enhanced plant resistance and multi-trophic interactions

　　

富硅生物炭（Sichar）正被越来越多地评估为可持续农业中的一种功能性选择，通过将碳储存途径与生态害虫管理框架相结合。本综述综合了研究人员探究的Sichar在不同生态系统中改变植物对昆虫食草动物防御的机制。当源自高硅生物质时，Sichar施用可增加土壤溶液中可利用硅酸（silicic acid）的浓度，这通常与植物营养组织内结构蛋白石硅屏障的沉积相关，以物理阻碍特定的咀嚼式和刺吸式害虫。除了作为机械屏障外，土壤施用的Sichar已被证明能通过调节内源性植物激素信号通路（特别是由茉莉酸（jasmonic acid, JA）和水杨酸（salicylic acid, SA）介导的通路）来改变系统防御，可能上调特定防御相关次生代谢物的生物合成。这些生化变化影响宿主植物抗性性状，并可能同时通过改变介导三营养级相互作用的挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）排放来影响天敌的招募。此外，Sichar改良剂能改变土壤理化性质和养分循环，创造有利于有益土壤微生物群落并维持基础植物活力指标的根际环境。尽管Sichar通过表面吸附或微生物介导的降解途径有助于管理特定的合成农药残留，但其对非目标有益生物和局部土壤水分动态的差异性影响仍需系统评估。优化热解参数和田间施用策略可使Sichar成为符合循环经济原则的综合害虫管理框架的组成部分。本综述为未来旨在量化和验证Sichar在多样化种植系统中保护参数的实证研究建立了循证框架。

引言部分指出，健康土壤是复杂生物群落的基础，而土壤健康下降常导致害虫爆发。富硅生物炭（Sichar）作为根际改良剂，可通过增强宿主植物抗性并影响多营养级相互作用，在特定条件下提高某些害虫的死亡率并降低其繁殖能力。可持续农业和综合害虫管理（IPM）范式因能提高资源效率、改善土壤肥力并减少环境污染而受到关注。Sichar的历史可追溯至古代亚马逊的“黑土”实践，现代研究则聚焦于富硅热解基质在抑制昆虫种群中的作用。在水稻（*Oryza sativa* L.）生态系统中，Sichar通过增加硅吸收和沉积结构蛋白石硅屏障，阻碍褐飞虱（*Nilaparvata lugens*）和二化螟（*Scirpophaga incertulas*）等害虫的取食效率，并调节茉莉酸（JA）和水杨酸（SA）激素信号通路以启动系统防御。Sichar还可通过干扰幼虫地下移动、改变土壤化学特性抑制产卵，以及通过诱导系统获得性抗性（SAR）和增强虫害诱导植物挥发物（HIPVs）的释放来招募天敌。本综述聚焦于昆虫害虫，系统分析了Sichar通过土壤化学、植物生理和直接机械相互作用三重途径调节害虫性能的机制，并利用局部证据映射框架和AI分析工具评估了昆虫学影响，同时探讨了根际农药降解动态及田间风险与多营养级权衡。

方法部分描述了文献检索策略与数据来源，覆盖1976–2026年的同行评审文献，检索数据库包括Web of Science、Elsevier ScienceDirect、Google Scholar、Scopus和ProQuest，使用了包含“silicon-rich biochar”、“insect”、“plant resistance”等关键词的布尔字符串。筛选过程分为四个阶段：初始识别642条记录，去重后保留427条，标题/摘要筛选排除188条，最终纳入180篇文献，要求明确报告生物炭原料和热解温度、硅含量或生物可利用性以及经验验证的昆虫学指标。证据映射框架基于关键实证研究，涵盖实验室、田间、储存和综合环境，涉及多种经济作物（豇豆、茄子、玉米、水稻、番茄、小麦）和害虫类群（刺吸式、咀嚼式、储粮害虫和土壤昆虫）。原料包括作物残留物、农业废弃物、木材和鸡粪。总结了四大害虫抑制机制：改善植物营养（提高硅和钾吸收、降低氮奢侈消耗）、增强内源防御化合物、直接机械毒性或物理干扰、以及招募有益捕食者和寄生蜂。主要结果包括减少取食、存活、繁殖和生长，降低害虫种群，增加天敌丰度，减少作物损害。但文献存在短期评估、地理和作物多样性有限、缺乏长期田间剂量响应试验等局限性。

关于“什么是富硅生物炭？”部分指出，Sichar是通过热化学分解（热解）在250–800°C缺氧环境中产生的固体碳质化合物，与燃料级木炭的区别在于其农业和环境用途。来源于高硅原料（如稻壳或稻草）的Sichar可作为缓释生物可利用硅酸源，用于水稻等作物，通过强化表皮层抑制褐飞虱和稻纵卷叶螟（*Cnaphalocrocis medinalis*）等害虫。在多样化种植系统中，高硅生物可利用性可抑制土壤害虫和叶面害虫，如改变鳞翅目幼虫化蛹或影响粉虱（*Bemisia tabaci*）的挥发性有机物排放。

“硅介导生物炭的组成与性质”部分描述了Sichar主要由碳（>65%）、氢、氧以及少量氮和硫组成，分子层面包含石墨烯和氧化石墨烯层，边缘碳带有羧基（-COOH）、羟基（-OH）和环氧基（-O-）等官能团，有助于结合二氧化碳（CO₂）和碳封存。物理上具有多孔性和大表面积，能吸附水和养分并缓慢释放，同时为有益微生物提供栖息地。化学上呈碱性，可改良酸性土壤，表面官能团能与重金属和农药反应。其性质受原料、挥发物停留时间和热解温度影响。对水稻害虫管理而言，Sichar中的生物可利用硅可增强组织硬度，抵抗褐飞虱等害虫；碱性可改变淹水稻田的微环境，影响稻水象甲（*Lissorhoptrus oryzophilus*）等土壤阶段害虫。对多种昆虫，Sichar能通过吸附蜡质层、磨损表皮或堵塞气门导致脱水和呼吸障碍，还能吸附鳞翅目害虫（如草地贪夜蛾*Spodoptera frugiperda*）用于定位的挥发性有机物，并改善土壤养分有效性以支持植物合成次生防御代谢物。

“富硅生物炭作为根际条件改良剂”部分指出，Sichar可增加土壤持水能力、提供缓冲pH的石灰效应、吸附植物毒性有机物，并影响养分循环和土壤结构稳定性。在微生物层面，能刺激有益微生物活性并抑制某些土传病原菌，这与其孔隙度、吸附能力、氧化还原特性及改变土壤物理结构相关。

“影响动物生物群的土壤因子”部分讨论了土壤物理、化学和生物特性对节肢动物多样性、丰度和功能的影响。例如，植被覆盖、土壤pH和质地影响原尾虫等种群波动；土壤湿度影响稻水象甲和双翅目幼虫的羽化；土壤酸化或重金属沉积可改变摇蚊科等双翅目群落结构。对鳞翅目（如草地贪夜蛾），幼虫在土壤湿度25–50%时化蛹成功率更高；对膜翅目蚂蚁，干扰和湿度影响分布，干旱和植被减少导致蚂蚁数量下降；对半翅目蚜虫，富氮土壤使宿主植物更具吸引力。

“土壤条件对地下动物生物群的影响”部分阐述了下层土壤环境对地下节肢动物的影响。物理胁迫（湿度降低、温度升高、容重增加）改变等翅目活动；土壤pH升高可减少倍足纲（马陆）的活动密度，但可能增加其他群落的活动；甲壳纲（蜈蚣）受pH和湿度波动影响。Sichar的碱性和高持水能力可改变幼虫消化道环境，影响养分吸收；通过改变养分有效性、有机质和质地，直接或间接影响节肢动物生长和发育。在水稻生态系统中，Sichar可干扰稻水象甲幼虫在根区的移动，并改变pH影响捕食性多足类。在蔬菜和阔叶作物系统中，土壤条件影响鳞翅目害虫（如玉米穗虫*Helicoverpa zea*、地老虎*Agrotis* spp.）的化蛹和越冬，Sichar改变的温度和湿度可影响蛹死亡率或成虫羽化同步性。

“富硅生物炭改良剂与相关植物生理参数”部分指出，Sichar通过改变栽培基质的物理和化学特性，影响植物活力和生产力。例如，用城市生物炭替代椰糠可改变pH、碳氮比、养分含量和孔隙度。Sichar能改善土壤结构、养分保留和生物有效性，与有机种植和碳封存策略相关，有助于减少常规农业的负效应（土壤酸化、硝化、荒漠化、重金属污染）。Sichar可影响光合作用，因为害虫取食会抑制光合作用。全球荟萃分析表明，生物炭改良剂可使光合速率、蒸腾速率和水分利用效率平均提高约27%，气孔导度提高20%，叶绿素浓度提高16%，生物量增加25%，且对C3植物效果更显著。

“富硅生物炭对昆虫害虫的影响”部分系统总结了Sichar对害虫的影响机制。Sichar通过改变土壤物理、化学和生物特性来调节植物系统抗性：其多孔结构促进健康土壤微生物组，碱性pH提高养分有效性。Sichar在碳封存中的作用间接影响害虫管理，因为CO₂浓度变化影响昆虫生态和种群密度。Sichar通过提高硅有效性，使水稻吸收硅并在表皮沉积蛋白石植硅体，增加组织硬度，减少咀嚼式害虫（如二化螟）的取食效率，并导致刺吸式害虫（如褐飞虱）口针穿透受阻。对阔叶和园艺作物，Sichar的物理机制包括吸收水分导致土壤阶段害虫脱水、磨损表皮导致失水、堵塞气门阻碍呼吸。这些机制对鳞翅目幼虫和土壤甲虫均有影响。

“硅诱导的生化防御机制”部分描述了两种主要诱导抗性：诱导系统抗性（ISR）依赖乙烯（ET）和JA，系统获得性抗性（SAR）依赖SA。硅与JA和SA相互作用，激活JA通路促进防御酶（过氧化物酶、多酚氧化酶、苯丙氨酸解氨酶）的生成，并上调编码蛋白酶抑制剂（半胱氨酸蛋白酶抑制剂和丝氨酸蛋白酶抑制剂）的基因，阻碍昆虫消化。硅介导的信号还可触发吸引天敌的植物挥发物释放。转录组分析表明，Sichar处理可上调番茄中与生长和防御相关的基因，包括磷脂酶、脂氧合酶（LOX）、丙二烯氧化物合酶（AOS）等。在水稻中，Sichar通过降低氮含量、增加硅含量，改变褐飞虱的取食和发育，延长幼虫发育期、增加死亡率、降低成虫寿命。对非谷类作物，Sichar影响弹尾虫（Collembola）的繁殖力，对森林害虫（如松树皮蠹*Ips pini*）和烟草天蛾（*Manduca sexta*）等有直接接触影响，但效果因作物而异。

“富硅生物炭中的化学物质及其作用方式”部分指出，Sichar含有环八硅氧烷等硅化合物，可影响植物-昆虫互作。Sichar能改变刺吸式害虫（如茶黄螨*Polyphagotarsonemus latus*、麦长管蚜*Sitobion avenae*、烟粉虱*Bemisia tabaci*）的种群水平，通过刺激黄酮类、萜类、酚酸等次生代谢物合成，并提高超氧化物歧化酶和苯丙氨酸解氨酶活性。Sichar还能通过调节JA水平影响水稻白背飞虱（*Sogatella furcifera*）和褐飞虱。硅沉积导致茎螟的咀嚼磨损，硅纳米材料可改变细胞壁和木质素合成。Sichar改变根际物种多样性，并通过JA途径改变虫害诱导植物挥发物（HIPVs）组成，影响天敌（如寄生蜂*Trathala flavoorbitalis*）的吸引。在园艺作物中，竹炭处理诱导番茄积累黄酮类物质，改变游离氨基酸、淀粉和可溶性糖含量；硅补充能增加黄瓜中捕食性甲虫*Dicranolaius bellulus*的吸引力，以及玉米中草地贪夜蛾对捕食性花蝽*Orius insidiosus*的吸引。脂肪酸（如n-十六烷酸、角鲨烯）表现出杀虫和生长抑制特性。

“富硅生物炭改良剂与农药分解动态”部分讨论了Sichar通过吸附作用影响农药的环境行为，包括迁移、降解和生物有效性。水稻秸秆Sichar（25 t/ha）可改变氯虫苯甲酰胺（CAP）和氟吡禾灵（HPM）在西兰花和土壤中的降解速率（分别高达39.4%和74.1%），但对小白菜中CAP和茚虫威（IXB）的降解有延缓作用。低温和高温热解生物炭对噻虫啉（THI）的降解影响不同：低温生物炭增加微生物群和腈水合酶（NHase）活性，促进降解；高温生物炭因强吸附作用延缓降解。Sichar还可吸附吡虫啉（IMI）和噻虫胺（CLO）等新烟碱类农药，但灰分影响吸附过程。在温室黄瓜中，紫茎泽兰生物炭改变土壤熏蒸剂甲基异硫氰酸酯的防效，木屑生物炭改变二甲基二硫（DMDS）的排放速率并减少植物对某些农药的吸收。

“已识别的田间风险与农业生态约束”部分指出，Sichar应用可能带来残留有机污染物、物理限制（高浓度在黏土中降低有效含水量，在沙土中增加侵蚀风险）、以及高pH和电导率引起的营养失衡。碱性原料的高施用量可导致短暂局部盐度升高、微量元素缺乏或土壤水分变化，影响有益土壤大型无脊椎动物。未经筛选的原料中的痕量元素可改变养分吸收和光合作用，影响物种适应性。特定生物炭还会影响蚯蚓的繁殖、生长和DNA完整性，并改变根际微生物群落中真菌/细菌比例。

“结论与未来展望”部分总结，Sichar提供植物构建机械屏障的结构材料，通过蛋白石植硅体增加组织硬度，改变咀嚼和刺吸式害虫的取食参数。其应用还通过调节JA和SA信号通路改变内源生化反应，调节次生代谢物和蛋白酶抑制剂浓度，并通过影响虫害诱导植物挥发物的排放影响天敌招募。Sichar通过改变养分保留和提供微生物栖息地，增强作物在害虫胁迫下维持光合作用的能力。未来研究应优化热解参数和原料选择以针对特定害虫复合体，系统评估长期对土壤水分动态和非目标生物的影响，探索与生物防治剂（如昆虫病原真菌、捕食螨）的协同作用。关键研究空白包括：田间尺度下Sichar对成虫嗅觉定位的干扰作用、土壤物理孔隙度变化对地下害虫多季节存活的影响，以及非谷类作物系统中标准剂量响应公式的建立。此外，需管理Sichar的田间风险，避免对非目标有益昆虫（如冠层捕食者、寄生蜂、地面传粉者）的机械损伤。