《European Journal of Agronomy》：Plastic film mulching amplifies biochar-driven yield gains but attenuates soil organic carbon accumulation: A global meta-analysis and machine learning approach
编辑推荐：
•塑料薄膜覆膜（PM）可以提高由生物炭驱动的产量，但限制了土壤有机碳（SOC）的积累。•生物炭的施用量（BIR）对SOC的影响最大，尤其是在不使用塑料薄膜覆盖（NPM）的情况下。•在不使用塑料薄膜覆盖的情况下，影响产量的因素是土壤pH值；而在使用塑料薄膜覆盖的情况下，这一因素转变
- •
塑料薄膜覆膜（PM）可以提高由生物炭驱动的产量，但限制了土壤有机碳（SOC）的积累。
- •
生物炭的施用量（BIR）对SOC的影响最大，尤其是在不使用塑料薄膜覆盖（NPM）的情况下。
- •
在不使用塑料薄膜覆盖的情况下，影响产量的因素是土壤pH值；而在使用塑料薄膜覆盖的情况下，这一因素转变为生物炭的施用量。
- •
相比不使用塑料薄膜覆盖，使用塑料薄膜覆盖的生物炭系统会引发产量与SOC之间的权衡。
引言
土壤健康和粮食生产是共同的全球目标，土壤碳库的稳定性在维持农田生态系统稳定和提高粮食产量方面起着关键作用（Kan等人，2025年；Ling等人，2025b年；Xu等人，2025年）。然而，近年来，全球变暖导致土壤微生物代谢活动增加，土壤有机碳（SOC）矿化加速，从而导致全球碳储量持续下降（Wang等人，2026b年）。这一过程加剧了大气中二氧化碳浓度的升高，并降低了土壤肥力，最终严重威胁到全球粮食安全（Ahmad等人，2025年；Li等人，2025年）。在农业生产中，实施适当的农田管理措施可以提高作物产量，同时增加土壤碳库含量，从而实现改善土壤健康和提高粮食产量的协同目标（Adhikari等人，2025年；Yu等人，2025年；Zhuang等人，2025年）。因此，迫切需要找到能够同时提高SOC和作物产量的合适农田管理方法。
生物炭可以直接增加SOC，因为其高度芳香的结构和多孔性有助于土壤中碳的保留（Peng等人，2026年；Yang等人，2022年）。此外，生物炭还可以促进土壤团聚体的形成，调节土壤pH值，并提高养分保持能力和持水能力，从而通过多种途径增加SOC的积累（Liang等人，2025年；Ma等人，2026年）。因此，生物炭可能主要通过其稳定的化学性质和多孔结构来改善作物根际环境，为作物生长和SOC积累奠定基础（Ma等人，2026年）。然而，多项研究表明，生物炭对SOC的影响也受到气候、土壤、管理方法和生物炭本身特性的影响（Amirahmadi等人，2025年；Yang等人，2025年；Zhang等人，2025b年）。先前的研究表明，在裸地条件下，生物炭使SOC含量增加了34.5%（从11.42克/千克增加到15.36克/千克），而在使用塑料薄膜覆盖的情况下，SOC含量仅增加了13.4%（从7.92克/千克增加到8.98克/千克）（Pang等人，2023年；Wang等人，2025c年）。这种差异表明塑料薄膜覆盖可能会削弱生物炭对SOC的影响，尽管其背后的机制和关键因素尚不清楚。研究这一问题将有助于更有针对性地应用生物炭来提高SOC含量。
生物炭通过增加SOC提供生态效益，并可能对碳封存产生积极影响，同时还能提高作物产量（Li等人，2024b年）。与生物炭对SOC的影响类似，其对产量的提升也显著受到环境条件和管理方法的影响（Zhu等人，2026年）。一项先前的研究表明，在华北平原地区，不使用塑料薄膜覆盖的情况下，生物炭应用使作物产量增加了25.3%（Xiang等人，2025年）。在黄土高原的旱地农田中，生物炭应用仅使产量增加了9.9%（Chang等人，2025年），但在同一地区使用塑料薄膜覆盖的情况下，生物炭应用使产量增加了14.0%（Li等人，2023b年），这可能是因为水分限制了生物炭的增产效果，表明生物炭的这一效果也受环境因素的影响（Dong等人，2025年）。政府间气候变化专门委员会（IPCC）的评估报告指出，世界上许多主要地区面临日益严重的干旱风险（IPCC，2022年），特别是在中国，尤其是黄土高原地区（Liu等人，2026年）。塑料薄膜有助于提高土壤温度和保持土壤湿度。鉴于水分可用性是作物生产力和生物炭效果的主要限制因素，最近的研究越来越多地关注将生物炭与塑料薄膜覆盖结合使用是否能够产生协同效益。研究表明，将生物炭与塑料薄膜覆盖结合使用可以在SOC积累和作物生产力方面产生协同效益。与单独使用这两种方法相比，它们的联合应用能够改善土壤的热湿条件，促进土壤碳封存，调节微生物碳转化，并在水资源有限的情况下进一步提高作物产量（Gao等人，2025年；Liu等人，2022b年；Wang等人，2024年；Zhang等人，2024年）。研究表明，在干旱和半干旱地区，塑料薄膜覆盖可以使作物产量增加79.4%，尤其是在降水量较少的地区（Ma等人，2018年）。因此，塑料薄膜覆盖已成为在干旱和半干旱地区有效提高作物产量的最常用技术之一（Wang等人，2025a年）。塑料薄膜覆盖的核心功能是通过创建更适宜和稳定的土壤物理环境来直接缓解作物的水分和温度压力（Zhao等人，2026年）。然而，生物炭在塑料薄膜覆盖条件下对作物产量的提升效果所涉及的内在机制和相关关键因素尚未完全明了。因此，进一步研究这一效果对于优化生物炭的利用以提高作物产量至关重要。
特别是需要解决以下两个问题：生物炭与塑料薄膜覆盖的结合如何共同调节SOC积累和作物产量？这些效应的关键机制是什么？从机制上讲，塑料薄膜覆盖可以通过改善土壤的热湿条件、增加土壤水分可用性和缓解水分胁迫来增强生物炭对作物生长的积极作用。然而，塑料薄膜覆盖创造的温暖湿润的土壤环境也可能刺激微生物活动，加速土壤碳的转化，从而可能部分抵消生物炭应用带来的SOC积累效果。因此，生物炭应用与塑料薄膜覆盖之间的相互作用可能会差异性地调节作物生产力和土壤碳封存。我们假设塑料薄膜覆盖会放大生物炭的增产效果，但会减弱其对SOC积累的效果。我们进一步假设这种放大或减弱的效果受到气候条件（如温度和降水量）、土壤特性、管理措施和生物炭特性的调节。本次全球元分析的主要目标是：（1）量化生物炭在不使用塑料薄膜覆盖（NPM）和使用塑料薄膜覆盖（PM）两种处理下对SOC和产量的不同影响；（2）确定气候、土壤、管理措施和生物炭特性对这些差异的影响，并阐明生物炭与塑料薄膜覆盖联合应用所产生协同或拮抗效应的关键因素；（3）全面了解生物炭在NPM和PM条件下对SOC和产量的影响。为了比较生物炭在PM和NPM下的效果，我们汇总了来自全球185项研究的777组SOC数据点和504组产量数据点进行元分析。我们的发现为优化生物炭应用以实现作物产量和SOC的协同提升提供了坚实的理论基础。
部分摘录
数据收集
我们检索了2024年10月之前发表的文献，并系统地收集了关于在NPM和PM条件下进行生物炭应用的研究，包括田间试验、盆栽试验和土壤培养试验。我们编译了两个数据集：一个以裸地为对照，生物炭应用但不使用塑料薄膜覆盖作为处理；另一个以塑料薄膜覆盖为对照，生物炭应用并在塑料薄膜覆盖条件下作为处理。
数据集
生物炭增加了SOC，但塑料薄膜覆盖削弱了其对SOC积累的效果
塑料薄膜覆盖削弱了生物炭对SOC的积极影响，在NPM条件下添加生物炭使SOC含量分别增加了47.3%和25.8%（图2b）。基于在中国进行的研究和田间试验的敏感性分析得出的响应模式与主要分析结果一致（图S5a，图S6a），支持了观察到的SOC响应的稳健性。
随机森林分析表明，生物炭的施用量（BIR）是SOC的主要预测因子
讨论
元分析结果显示，塑料薄膜覆盖增强了生物炭的增产效果，但削弱了其对SOC的积极影响。各子组之间存在显著差异，这可能是由于气候特征、土壤特性、田间管理措施和生物炭特性的综合效应（Mak-Mensah等人，2021年；Zhu等人，2023年）。
结论
我们的全球元分析结合机器学习方法表明，生物炭应用可以提高作物产量和SOC，但这些效果似乎受到塑料薄膜覆盖的强烈调节。在NPM条件下，生物炭应用使作物产量增加了16.3%；而在PM条件下，这一效果可能更大，达到22.0%。相比之下，在覆盖系统中，SOC积累减少，从47.3%下降到25.8%，这表明在某些情况下，产量增益可能与SOC积累之间存在权衡
CRediT作者贡献声明
余金玉：撰写——初稿，软件开发，正式分析，数据整理。张志辉：数据整理。黄华：数据整理。王勤和：数据整理。孔凡勇：数据整理。张亚飞：数据整理。刘恩克：撰写——审稿与编辑。张鹏：撰写——审稿与编辑。蔡铁：撰写——审稿与编辑。高志强：撰写——审稿与编辑。吴鹏：撰写——审稿与编辑，可视化，验证，监督，资源管理，项目协调
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了以下机构的支持：国家自然科学基金（32401970，32572456），山西农业大学青年领军人才培养计划（2025QNLJ204），山西省高校青年教师科研创新能力支持项目（2025Q009），国家重点研发计划（2023YFD1900503），以及其他专项支持
余金玉|张志辉|黄华|王勤和|孔凡勇|张亚飞|刘恩克|张鹏|蔡铁|高志强|吴鹏
