《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Biochar-based amendments reduce yield variability and enhance economic benefits in maize and cotton under smallholder farming in northern Benin
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在撒哈拉以南非洲（sub-Saharan Africa），玉米和棉花对于粮食安全与经济发展至关重要，然而其生产力仍受土壤肥力低下和气候变异性制约。本研究评估了生物炭基改良剂对贝宁北部小农经营条件下玉米和棉花产量变异性、稳定性及盈利能力的影响。研究人员于2020
在撒哈拉以南非洲（sub-Saharan Africa），玉米和棉花对于粮食安全与经济发展至关重要，然而其生产力仍受土壤肥力低下和气候变异性制约。本研究评估了生物炭基改良剂对贝宁北部小农经营条件下玉米和棉花产量变异性、稳定性及盈利能力的影响。研究人员于2020年和2021年在两个农业生态区（Ina Gando和Padé）开展示范试验，采用随机区组设计，设7个处理：对照；生物炭（玉米234 kg ha?1，棉花271 kg ha?1）；堆肥（玉米1,325.5 kg ha?1，棉花1,536 kg ha?1）；推荐矿物肥（玉米150 kg ha?1 NPK + 50 kg ha?1尿素，棉花200 kg ha?1 NPK + 50 kg ha?1尿素）；生物炭+肥料（BF）；生物炭+堆肥（BC）；生物炭+堆肥+肥料（BCF）。与对照相比，生物炭基处理使玉米籽粒产量显著提高95.5%–227.0%，籽棉产量提高109%–190%。在降雨较多的年份（降雨量1,505 mm），Ina Gando点观测到较高的玉米秸秆产量和千粒重，而Padé点在较干旱年份（降雨量950 mm）相应指标较低。经济分析表明，肥料（F）和BF处理的净利润和效益成本比最高。生物炭基处理还表现出较低的产量变异性（CV < 10%）和较高的产量稳定性。总体而言，将生物炭与矿物肥或堆肥结合施用，是提高西非苏丹-萨瓦纳地区生产力、盈利能力和恢复力的一种有前景的策略。
在撒哈拉以南非洲（Sub-Saharan Africa, SSA），玉米和棉花对粮食安全与经济发展至关重要。玉米提供该区域逾30%的热量摄入，棉花则约占西非和中非出口的30%及国内生产总值（GDP）的7%。然而，由于土壤肥力低下、土地退化、化肥成本上升和降雨变异等因素，玉米和棉花产量远未达到潜力水平，分别存在约2.8 t ha
?1和3.4 t ha
?1的产量差。传统的有机肥和化肥方案各有局限：有机肥养分释放慢且量不足，化肥价格高且长期施用可能损害土壤健康。因此，亟需探索适合小农条件且能维持土壤生产力、满足作物营养需求的替代途径。生物炭（biochar）与堆肥（compost）等自然基改良剂被广泛认为具有改善土壤性质、提高产量的潜力，但以往研究多关注短期产量效应，对产量稳定性、年际变异和农户经济风险的分析不足。为弥补这一空白，研究人员在贝宁北部开展了为期两年的农户田间试验，系统评估生物炭基改良剂对玉米和棉花产量变异性、稳定性及盈利性的影响。该研究发表于《Frontiers in Sustainable Food Systems》。
研究采用随机完全区组设计，在Ina Gando和Padé两个农业生态区、每村5个农户田块中进行。供试作物为玉米（品种EVDT 97 STR）和棉花（品种OKP 768）。7个处理包括：对照（Ck）、单施生物炭（B）、推荐化肥（F）、生物炭+50%化肥（BF）、单施堆肥（C）、生物炭+堆肥（BC）、生物炭+堆肥+化肥（BCF）。生物炭由玉米穗轴在本地窑炉中热解制备，堆肥来自当地妇女组织。试验测定了产量及构成要素，计算了氮肥农学效率（AE-N）；采用变异系数（CV）、可持续产量指数（SYI）和百分位距（P90-P10）评价产量变异性与稳定性；基于投入产出价格计算净利润和效益成本比（BCR）。
### 试验点特征
2020年降雨量总体高于2021年，Ina Gando较Padé湿润；降雨的季节分布和总量在年份和地点间存在明显差异，为评估不同水分条件下的处理效应提供了环境背景。
### 生物炭基改良剂对玉米和棉花产量及产量构成的影响
与对照相比，BF、BC和BCF处理使玉米籽粒产量提高95.5%–227.0%，籽棉产量提高109%–190%；单施生物炭或堆肥的增产幅度较低。在Ina Gando湿润年份（1,505 mm）观测到的玉米秸秆产量和千粒重数值高于Padé干旱年份（950 mm），但差异不显著。AE-N在F和BF处理中最高，BCF处理最低。
### 生物炭基改良剂对产量变异性、稳定性和可持续性的影响
基于两季数据计算CV和SYI，结果显示，BF、BC和BCF处理使CV低于10%，SYI较高（玉米0.74–0.88，棉花0.70–0.92），说明产量稳定性增强；而对照和单施生物炭处理的CV较高，产量波动大。此外，玉米和棉花的产量响应与对照田产量呈负相关，其中BC和BCF处理的R
2为0.43–0.45（玉米）和0.18–0.20（棉花），表明在基础产量较低时生物炭组合的增产效果更明显。
### 生物炭基改良剂对经济效益的影响
年份、处理及处理与地点互作对净利润和BCR有显著影响。F和BF处理的净利润最高，BCR达2.0以上；B、C、BC和BCF处理的BCR常低于1.0，经济可行性较差。尽管BCF农艺产量高，但高投入成本导致盈利不如BF。
讨论指出，生物炭与化肥或堆肥组合的增产机制可能与其提高养分有效性、促进微生物活性和增强养分持留有关。BF处理因化肥养分速效且成本相对可控，经济效益最优；生物炭单施或与堆肥/化肥复配（BC、BCF）因初始成本高或养分释放缓慢而盈利受限。生物炭组合处理降低产量变异性的原因在于其多孔结构改善了土壤保水保肥能力，缓冲了环境波动。研究也指出，由于缺少试验前土壤本底数据，对地点及年份交互效应的机制解释存在局限。未来应推广分散式农户主导的生物炭生产，并探索生物炭与豆科覆盖作物、定点施用等农艺措施结合，以降低成本并提升土壤健康。
结论：本研究评估了贝宁北部小农系统中生物炭基改良剂对玉米和棉花生产力、产量稳定性和盈利能力的影响。结果表明，将生物炭与化肥（BF）或与堆肥和化肥（BCF）结合使用，可使玉米产量较对照提高高达133%，棉花产量提高177%。这些组合还降低了产量变异性，表明作物表现更稳定、更具韧性。生物炭+堆肥+化肥（BCF）处理和生物炭+化肥（BF）处理持续带来最高的农艺和经济回报。对于棉花，生物炭+堆肥（BC）处理也增强了产量稳定性，但其盈利能力低于BF和BCF。相比之下，单施生物炭（B）和对照（Ck）产量较低且变异性较大，突显了生物炭与补充性养分来源结合的重要性。尽管具有潜力，生物炭基改良剂的采用仍受高初始生产成本和农户缺乏技术知识限制。推广以当地可得生物质为原料的分散式、农户主导的生物炭生产，是未来研究和政策支持的有前景方向，同时还应探索定点施用及与豆科覆盖作物配合，以增强养分循环并降低投入成本。
