适宜粒径生物炭增强半干旱地区马铃薯生产与土壤环境对不规则降水的韧性

《Bioresource Technology》：Suitable particle-size biochar enhances resilience of potato production and soil environmental to irregular precipitation in semiarid region

　　

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  降水分布调节产量，而高降雨量会增加 N₂O 排放。
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  添加生物炭对产量的提升作用次要，但主要作用是减少 N₂O 排放。
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  在高降水年份，添加生物炭对 N₂O 排放的减少效果最佳。
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  0.5–2.0 毫米粒径的生物炭能提高产量并减轻不规则降水带来的排放。

引言

降水是农田土壤水分补充的关键途径。其年际总量决定了整个作物生长季内的土壤水分储存量（Jia et al., 2026）。土壤有效水含量的变化调节作物根系生长和分布，从而导致产量差异（Wei et al., 2025）。同时，降水分布影响作物生长阶段的进程（Wang et al., 2026）。关键生长期（如开花和灌浆阶段）降水不足引起的水分胁迫对产量形成产生不可逆的不利影响（Minhas et al., 2020）。此外，降水频率和强度的变化通过引发土壤湿度波动和改变对通气条件敏感的土壤性质，间接调节土壤 N₂O 排放通量（dos Santos et al., 2016, Yang et al., 2025）。因此，分析降水模式的变化及其对作物生产力和田间 N₂O 排放的影响，对于推进我们对农业系统如何响应气候变化的理解至关重要。

中国旱作区占全国总耕地面积的一半以上（Xie et al., 2025）。作为核心旱作区，西北旱作区在保障国家粮食安全方面发挥着关键作用。作为全球第四大重要粮食作物，马铃薯在中国占全球种植面积的 25.0%（FAO, 2024），其中近 50.0% 集中在西北旱作区，使该地区成为中国主要的马铃薯集约化产区（Li et al., 2026）。然而，降水是该地区雨养农业唯一的水源（Chen et al., 2022, Liu et al., 2025）。因此，该地区长期遭受由季节性降水供应与作物生长季水分需求不匹配驱动的动态源库失衡（Minhas et al., 2020; Xu et al., 2026）。随着极端降水事件频率的上升，这种失衡极大地提高了未来农业生产和生态稳定的风险。因此，找到一种能够有效利用降水并改善土壤微环境以应对多变降水条件的土壤管理措施，对于马铃薯的可持续生产至关重要。

由于生物炭具有独特的惰性特性和多孔结构（Bilias et al., 2024），已被广泛应用于农业系统中，同时提高作物生产力和减少 N₂O 排放（Mahmud et al., 2018, Wu et al., 2025），因为它在掺入土壤后能够持久且全面地改善土壤物理（如增强保水性和孔隙度）（Case et al., 2012）、化学（如缓解酸化和固碳）（Nieddu et al., 2026）和生物学（如改善微生物群落结构）性质（Iturbe-Espinoza et al., 2026）。然而，生物炭应用策略的田间表现因环境不同而有很大差异，例如粒径管理。Wu 等人（2025）报告称，粒径小于 2.0 毫米的生物炭应用于砂壤土可刺激土壤水分消耗并显著增加番茄产量。相比之下，在粘土土壤地区进行的研究表明，只有粒径大于 2.0 毫米的生物炭提高了玉米产量，而过小的颗粒（<1.0 毫米）则通过过度保水加剧土壤缺氧，从而降低作物产量（Zhou et al., 2026）。在 incubation 实验中，Deng 等人（2021）观察到，增加生物炭粒径（0.5-10.0 毫米）会降低 NO₃^--N 和 NH₄⁺-N 含量，但提高 N₂O 排放速率，其中粒径为 0.5-2.0 毫米的取得了最佳的减排效果。相比之下，在类似粒径范围（0.25-2.0 毫米）内进行的田间实验观察到 NO₃^--N 含量降低，但 N₂O 排放增加，只有较小的粒径（<0.25 毫米）显示出减排潜力（Kollah et al., 2021）。正如 Mahmud 等人（2018）的模拟研究所示，粒径小于 2.0 毫米的生物炭仅改变了持水能力，而未对 N₂O 减排做出贡献。综上所述，这些研究表明，生物炭粒径必须与当地环境条件适当匹配，才能产生有益的农学效果。因此，确定合适的生物炭粒径并阐明其潜在机制，对于提高中国西北降水多变旱作区马铃薯块茎产量和减少排放至关重要。

因此，我们在中国西北一个代表性的雨养农业区进行了为期三年的生物炭添加不同粒径的田间试验。本研究的目的是（1）调查生物炭粒径如何调节土壤微环境条件（土壤水填充孔隙空间、氧气浓度、温度和无機氮有效性），从而影响马铃薯源库动态；（2）量化不同生物炭粒径在马铃薯块茎产量、资源利用效率和田间 N₂O 排放方面的差异，并进一步阐明粒径与这些性能指标之间的机制联系；（3）评估生物炭粒径和降水模式对马铃薯生产力和田间 N₂O 排放的交互效应。我们假设，合适的生物炭粒径可以通过改变半干旱地区的土壤微环境来实现马铃薯的可持续生产。

章节片段

试验地点

田间试验于 2023 年至 2025 年在位于内蒙古乌兰察布市北部（40°52'09"N, 113°22'04"E; 海拔 1500 米）的华松工业有限公司试验点进行。年平均气温为 4.3°C，年平均降水量为 350 毫米。具体而言，马铃薯生长季期间的总降水模式遵循 2025>2024>2023 的顺序。生长早期（P-S）、中期（S-TS）和晚期（TS-H）的降水模式

土壤无机氮动态

在为期三年的实验期间，浅层土壤 NO₃^?-N 和 NH₄⁺-N 浓度表现出相同的变异模式，均在施肥事件后达到峰值。早期降水事件（2024 年和 2025 年）进一步提高了这些峰值（图 1a-c）。马铃薯 P-E 阶段的土壤 NO₃^?-N 和 NH₄⁺-N 浓度高于 E-H 阶段。添加不同粒径的生物炭显著降低了浅层土壤 NO₃^?

降水模式响应

本研究发现，尽管 2024 年马铃薯生长季的降水量较高，但相应的块茎产量低于 2023 年（表 1）。这主要归因于中期（从幼苗定植到块茎膨大）是马铃薯生长的关键需水阶段（图 4a）。2023 年在这一关键阶段经历了充足的降水，这有效改善了马铃薯的源库活性并促进了

结论

时空降水分布是马铃薯块茎产量形成的关键调节因素，其中从幼苗到块茎膨大阶段的降水补充对产量形成产生最有益的效果。然而，高降水驱动高排放，特别是在从播种到出苗期间的大量降水输入，会显著增加土壤 N₂O 排放。在不同的年际降水模式下，添加生物炭

CRediT 作者贡献声明

李昭洋：写作 – 初稿、可视化、软件、方法论、数据整理。史楠：调查、数据整理。杨智敏：调查、数据整理。曹宇博：调查、数据整理。范诗萌：调查、数据整理。穆萨韦尔·阿巴斯：调查、数据整理。山伟星：资源。安萨巴耶娃·阿西亚：资源。贾智宽：资源。刘恩科：资源。卡丹博特·H·M·西迪克：写作 – 审核与编辑。丁瑞霞：资源。孟玉岭：

竞争性利益声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

本研究得到了 国家重点研发计划（2023YFD2302100）、农业水资源高效利用国家重点实验室开放研究基金（SKLAWR-2025Y-07）、国家自然科学基金（32372236, 32401970, 42407421）、博士后科学基金（2024M751915）、中国 111 计划（编号 B12007）、高校科学基金（2452023081）以及西北农林科技大学博士

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