优化生物炭施用策略以改善盐渍化耕地的土壤性质与作物产量：基于全球元分析与机器学习的证据

《Agricultural Systems》：Optimizing biochar application strategies to improve soil properties and crop productivity in salt-affected croplands: Evidence from a global meta-analysis and machine learning approach

　　摘要• 生物炭显著改善了盐渍化耕地的土壤质量和作物产量。• 土壤有机碳和作物产量分别增加了38.4%和28.9%。• 生物炭的效果受气候、土壤、管理和生物炭特性的共同调控。引言盐渍化土壤是粮食安全、生态保护和可持续发展的关键制约因素（Edrisnia等，2025）。长期过量施肥、精耕细作和咸水灌溉是土壤盐渍化和碱化的主要驱动因素（Gómez-Flores等，2025；Zhang等，2026b, Zhang等，2026c, Zhang等，2026d, Zhang等，2026e）。土壤盐渍化会引发一系列不利影响，包括土壤有机碳库的枯竭、作物生长受到抑制以及作物产量下降（Han等，2025；Meng等，2026）。据估计，目前全球盐渍化土壤面积约为10亿公顷，占全球陆地面积的近7%，并且每年以约200万公顷的速度扩展（Zhang等，2026b；Zhang等，2026c）。如果不及时采取有效的缓解措施，预计到50%的耕地将受到盐渍化的影响（Du等，2023）。同时，随着全球人口增长，农业需求也在持续上升。全球盐渍化土地利用率的增加1%相当于全球粮食产量额外增加5000万吨（Mao等，2026）。因此，盐渍化土壤的改良不仅对于提高作物生产率和保障粮食安全至关重要，而且对于提高土地利用效率和促进可持续农业生产也必不可少。生物炭是在高温厌氧或限氧条件下由生物质产生的黑色富碳固体，常见的原料包括木屑、秸秆、粪便、工业有机废物、藻类和市政污泥（Cui等，2025；Zhu等，2026）。由于其比表面积大、孔隙结构发达以及含有丰富的含氧官能团（Liu等，2020），生物炭作为土壤改良剂在盐渍化土壤改良中具有相当大的潜力（Miao等，2024）。例如，Wang等（2024a, 2024b）在盆栽试验中证明，在盐碱土中施用稻壳生物炭降低了土壤pH值、电导率和可溶性离子，同时增加了土壤养分有效性和有机质含量，从而显著改善了土壤质量。同样，Cui等（2022）进行的一项为期三年的田间试验表明，与未施用生物炭的对照组相比，施用生物炭使土壤有机质增加了14.7–139.6%，并将可溶性盐含量降低了15.9–42.2%。在盐碱土中，施用15 t ha?1生物炭增加了0–40 cm土层的硝酸盐氮、有机碳和全氮含量，促进了玉米生长和干物质积累，并显著提高了玉米产量；然而，施用22.5 t ha?1生物炭则降低了土壤储水效率和硝酸盐氮含量，导致盐分积累（Ren等，2025）。相比之下，另一项研究报告称，在盐碱土中施用生物炭降低了土壤容重并增加了土壤孔隙度，当生物炭施用量为40 t ha?1时，玉米总干物质和产量分别增加了33.96%和21.66%（Wang等，2022）。盐渍化土壤中土壤特性和作物产量对生物炭施用呈现出不一致的反应，这可能是由于土壤盐渍化程度、生物炭特性、施用率和作物类型的差异所致（Li等，2023；Su等，2024）。因此，对不同条件下生物炭对土壤特性和作物生产力的影响进行全面评估，对于在全球尺度上得出广泛适用的结论至关重要。生物炭在改善盐渍化耕地的土壤特性和提高作物生产力方面发挥着关键作用。尽管许多荟萃分析已经对盐渍化土壤的改良进行了系统评估，但大多数主要集中于对改良剂类型进行分类以评估其总体改良效果（Li等，2026, Li等，2025；Zhang等，2026b, Zhang等，2026c, Zhang等，2026d, Zhang等，2026e）。其他研究仅考虑了基本的生物炭施用因素，如施用量、原料和热解温度（Huang等，2025a, Huang等，2025b；Wang等，2024a, Wang等，2024b），而未能充分考虑到环境驱动因素、土壤特性以及热解后生物炭特性（包括碳含量、全氮、阳离子交换量和灰分含量）对盐渍化耕地土壤特性和作物产量的综合影响。迄今为止，仍缺乏将荟萃分析与随机森林建模相结合以评估生物炭施用对全球盐渍化耕地土壤特性和作物生产力影响的综合研究。因此，对生物炭介导的改良进行全面评估对于改善土壤质量、维持作物生产以及推进农业系统的生态可持续性至关重要。在本研究中，我们进行了一项全球荟萃分析，利用来自78项已发表研究的831组配对比较数据，评估了生物炭施用对盐渍化耕地土壤特性和作物产量的影响，涵盖了广泛的潜在影响因素。具体而言，本研究旨在：(i) 量化全球盐渍化耕地中生物炭施用对土壤特性和作物产量的影响；(ii) 确定控制土壤和产量对生物炭添加响应的主要因素；以及(iii) 确定盐渍化土壤改良的最佳生物炭施用策略。本研究的结果为在盐渍化耕地的改良和可持续管理中合理利用生物炭提供了科学依据。章节片段数据收集本研究检索了2010年1月1日至2026年3月31日期间在Web of Science（https://www.webofscience.com/）和中国知网（CNKI，https://www.cnki.net/）数据库中发表的文献，使用的关键词包括：“盐碱地”、“盐渍土”、“碱化土”、“盐渍化土壤”、“生物炭”、“木炭”、“BC”、“产量”、“作物生产”和“土壤特性”。检索到的研究随后根据以下标准进行筛选：(1) 该研究采样点的空间分布本研究包括的实验地点主要分布在亚洲具有代表性的盐渍化农业区，少数位于北非，共同覆盖了东亚、南亚、东南亚、中亚和西亚（图1）。在空间上，采样点主要集中于东经60°-130°和北纬10°-50°之间。中国的观测密度最高，特别是在北方和东北地区的盐渍化耕地中，讨论与先前的研究相比，本研究提供了几个重要的进展。首先，早期关于盐渍化土壤改良的研究往往集中于单一的改良方法（Rivas-Aratoma等，2025；Song等，2025；Yu等，2025a, 2025b），而本研究使用荟萃分析框架，从气候区、气候条件、农业管理实践和土壤结论本研究采用荟萃分析方法系统地评估了生物炭施用对盐渍化耕地土壤特性和作物产量的影响。结果表明，与未施用生物炭相比，生物炭使土壤容重（BD）、电导率（EC）、pH值和盐度分别降低了8.2%、30.7%、0.5%和13.7%，同时使土壤有机碳（SOC）和作物产量分别显著增加了38.4%和28.9%。这些发现表明CRediT作者贡献声明Xiaofan Pan：软件。Guang Li：资金获取，写作 – 审阅与编辑。Bin Mu：监督。Rang Xiao：概念化。Zheyuan Xiao：形式分析。Wei Pan：可视化。Qinli Wang：概念化。Haoliang Deng：写作 – 原稿。利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些情况可能被视为影响本文报告的工作。致谢我们要感谢甘肃省重点研发计划项目专项资金（编号：25YFNG001）、甘肃省青年人才个人项目（编号：2025QNGR11）、中国科学院兰州化学物理研究所甘肃省黏土矿物重点实验室（CMAR-2024-02）以及河西学院校长科研基金（编号：CXTD2025003）。Haoliang Deng|Xiaofan Pan|Guang Li|Bin Mu|Rang Xiao|Zheyuan Xiao|Wei Pan|Qinli Wang