肖婧，徐虎，蔡岸冬，黃敏，張琪，孫楠，張文菊，徐明崗

（1武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海 200232）

生物質(zhì)炭特性及施用管理措施對(duì)作物產(chǎn)量影響的整合分析

肖婧1,2，徐虎2，蔡岸冬2，黃敏1，張琪3，孫楠2，張文菊2，徐明崗2

（1武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海 200232）

【目的】大量研究表明農(nóng)田施用具有特殊理化性質(zhì)的生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量具有顯著影響，采用大樣本統(tǒng)計(jì)方法量化生物質(zhì)炭自身特性及施用管理措施對(duì)作物產(chǎn)量的影響程度。【方法】通過(guò)收集全球范圍內(nèi)公開發(fā)表的97篇生物質(zhì)炭施用與土壤改良、作物生長(zhǎng)有關(guān)的相對(duì)獨(dú)立研究，共獲得匹配數(shù)據(jù)819組。運(yùn)用數(shù)據(jù)整合分析方法（Meta-analysis）量化生物質(zhì)炭自身特性（原料、制備溫度、C/N、pH）在人為施用管理（施用量與施用時(shí)長(zhǎng)）、土壤屬性（質(zhì)地和酸堿度）等條件下對(duì)作物產(chǎn)量變化的影響?！窘Y(jié)果】統(tǒng)計(jì)分析表明，與不施用生物質(zhì)炭相比，施用生物質(zhì)炭具有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)，作物平均增產(chǎn) 15.0%。生物質(zhì)炭施用的增產(chǎn)效果在不同作物上存在顯著差異，經(jīng)濟(jì)作物平均增產(chǎn) 25.3%，顯著高于糧食作物（10.0%）。生物質(zhì)炭自身特性對(duì)作物產(chǎn)量影響顯著，當(dāng)制備溫度＜600℃、pH＞7、C/N值介于20—300時(shí)，均具有顯著的增產(chǎn)效果，增產(chǎn)范圍為9.2%—26.6%，且增產(chǎn)幅度隨著制備溫度和其自身C/N值的增加而下降。對(duì)于不同質(zhì)地和酸堿度的土壤而言，施用生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果表現(xiàn)為黏質(zhì)土壤＞砂質(zhì)土壤＞壤質(zhì)土壤；施用于酸性土壤可增產(chǎn)29.2%，分別是中性及堿性土壤的7.9和2.5倍。人為管理?xiàng)l件下，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量＜10.0 t·hm-2時(shí)，可顯著提高作物產(chǎn)量，達(dá)到18.0%，施用量＞80.0 t·hm-2后增產(chǎn)效果不顯著。施用生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效果隨著施用時(shí)間的增加而呈下降趨勢(shì)，施用半年至兩年內(nèi)可增產(chǎn)13.4%—17.5%，超過(guò)兩年，增產(chǎn)效應(yīng)降至 9.6%?！窘Y(jié)論】生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應(yīng)隨著生物質(zhì)炭的屬性、施用量和施用時(shí)長(zhǎng)的不同有所差異。根據(jù)作物類型與土壤屬性選擇適宜特性的生物質(zhì)炭，適時(shí)酌情間斷性施用，不僅可以達(dá)到持續(xù)增產(chǎn)的目的，也降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，可以作為現(xiàn)代可持續(xù)農(nóng)業(yè)管理措施的選擇。

生物質(zhì)炭；作物產(chǎn)量；增產(chǎn)效應(yīng)；土壤質(zhì)地；管理措施；施用量；施用時(shí)長(zhǎng)；整合分析

0 引言

【研究意義】生物質(zhì)炭（biochar）是生物質(zhì)在缺氧條件下通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化得到的固體產(chǎn)物，單獨(dú)或者作為添加劑在改良土壤、提高資源利用效率、降低或減緩環(huán)境污染，以及作為溫室氣體減排的有效措施上被廣泛應(yīng)用[1]。其中，農(nóng)業(yè)是生物質(zhì)炭應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域，而進(jìn)一步特殊加工形成的生物質(zhì)炭產(chǎn)品在退化耕地、退化草原、退化果園及新墾土地等障礙用地的生態(tài)修復(fù)與重建方面也具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。已有大量研究表明，生物質(zhì)炭施入土壤生態(tài)系統(tǒng)后，不僅可以達(dá)到增強(qiáng)土壤碳匯功能的目的，還可以明顯改善土壤結(jié)構(gòu)及理化性狀，提高土壤養(yǎng)分有效性、團(tuán)聚體穩(wěn)定性等[4]，而且通過(guò)增強(qiáng)及改善土壤微生物活動(dòng)與活性[5]等間接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)出良好的提高土壤質(zhì)量和肥力、提升作物產(chǎn)量的作用[6-7]。因此，在生物質(zhì)炭應(yīng)用越來(lái)越廣泛的今天，深入研究生物質(zhì)炭特性及其施用管理，從大尺度范圍評(píng)估其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來(lái)，關(guān)于生物質(zhì)炭施用對(duì)作物生長(zhǎng)及其產(chǎn)量的影響，已成為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)研究的熱門領(lǐng)域[8-9]。有研究表明，在相同的環(huán)境條件下，同一種生物質(zhì)炭施用于不同作物，對(duì)產(chǎn)量的影響不同[10]。張娜等[11]通過(guò)大田試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與不施用生物質(zhì)炭相比，生物質(zhì)炭的施用有利于提高夏玉米生育期尤其是前中期葉片葉面積指數(shù)、葉綠素含量以及凈光合速率，進(jìn)而提高干物質(zhì)積累以及玉米穗粒數(shù)；還有研究表明，生物質(zhì)炭與肥料混合施用較單施生物質(zhì)炭顯著提高肥料利用率，從而改善水稻產(chǎn)量性狀，提高水稻產(chǎn)量[12]；也有一些研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭對(duì)作物生長(zhǎng)或產(chǎn)量的影響與土壤類型有關(guān)[13]，UZOMA等[14]將生物質(zhì)炭應(yīng)用于砂質(zhì)土壤的玉米中，結(jié)果發(fā)現(xiàn) 15.0 t·hm-2施用量處理的產(chǎn)量高于 20.0 t·hm-2處理，而唐光木等[15]在新疆灰漠土上的研究表明，作物產(chǎn)量隨生物質(zhì)炭施用量的增加而增加，由于生物質(zhì)炭的屬性、施用量、土壤肥力、土壤質(zhì)地等因素的差異，導(dǎo)致其應(yīng)用效果的研究結(jié)果并不完全一致[16]。早期的研究結(jié)果大部分基于盆栽或溫室培養(yǎng)試驗(yàn)，其結(jié)果的差異解釋更多依賴于控制實(shí)驗(yàn)的假設(shè)和條件[17-18]，正因如此，生物質(zhì)炭越來(lái)越多的應(yīng)用于大田的長(zhǎng)期試驗(yàn)[19]。除此之外，更多學(xué)者也開始關(guān)注生物質(zhì)炭的施用管理對(duì)于作物產(chǎn)量的影響。例如，LIU 等[22]研究生物質(zhì)炭不同添加量（2.5、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0 t·hm-2）對(duì)紅壤番茄產(chǎn)量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)40.0 t·hm-2的生物質(zhì)炭施用量增產(chǎn)效應(yīng)最顯著，可增產(chǎn)53.8%，低劑量效果并不明顯；此外，DONG等[23]通過(guò)兩年的田間試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用后的第一年水稻增產(chǎn)13.5%，第二年增產(chǎn)6.1%，即生物質(zhì)炭施用對(duì)作物產(chǎn)量的影響程度也存在時(shí)效性。基于人們對(duì)于無(wú)論是盆栽、溫室培養(yǎng)或是大田實(shí)驗(yàn)結(jié)果的假設(shè)機(jī)制認(rèn)可程度的差異，以及不同特性生物質(zhì)炭應(yīng)用的適宜性，學(xué)者開始嘗試采用整合分析來(lái)評(píng)價(jià)生物質(zhì)炭施用的效果和效應(yīng)。如JEFFERY等[20]在2011年對(duì)16篇已發(fā)表文獻(xiàn)進(jìn)行整合分析，得出生物質(zhì)炭的施用可平均增產(chǎn)10.0%。2013年，LIU等[21]采用相同方法擴(kuò)充樣本量進(jìn)行評(píng)估，也得出了相似結(jié)果?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近些年來(lái)，生物炭的研究及其應(yīng)用備受關(guān)注，且隨著生物質(zhì)炭制備原料與制備工藝發(fā)展，以及人為施用管理的精細(xì)化，單一因素的影響分析已不能滿足農(nóng)田實(shí)際地域環(huán)境條件?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究基于以上問(wèn)題，在前人工作的基礎(chǔ)上，繼續(xù)擴(kuò)大樣本容量和更新樣本數(shù)據(jù)，增加文獻(xiàn)數(shù)據(jù)收集的限制條件，對(duì)不同生產(chǎn)條件下形成的具備不同特性的生物質(zhì)炭，施用后作物產(chǎn)量的變化進(jìn)行分析。采用數(shù)據(jù)整合分析（Meta-analysis）方法，比較施用不同制備原料與制備溫度的生物質(zhì)炭，以及不同施用管理對(duì)作物產(chǎn)量的影響及其差異，為生物質(zhì)炭的選擇性應(yīng)用與促進(jìn)作物增產(chǎn)的長(zhǎng)期效應(yīng)提供科學(xué)參考。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究基于中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、ScienceDirect、Springer link和Wiley-Blackwell 5個(gè)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)生物質(zhì)炭施用與作物產(chǎn)量的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索。設(shè)置檢索主要關(guān)鍵詞包括“生物質(zhì)炭（biochar or biomass charcoal）”和“產(chǎn)量（yield）”。篩選文獻(xiàn)基本要求包括：（1）試驗(yàn)中必須有嚴(yán)格的處理和對(duì)照，處理組為施用生物質(zhì)炭處理，對(duì)照組為不施用生物質(zhì)炭處理；（2）處理組和對(duì)照組除生物質(zhì)炭處理外，其他試驗(yàn)條件一致；（3）文獻(xiàn)研究中每一個(gè)試驗(yàn)處理的重復(fù)數(shù)必須≥3[24]。所收錄文獻(xiàn)出版時(shí)間截止到2016年3月。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)建立與數(shù)據(jù)分類

根據(jù)以上條件，最終獲得97篇有效文獻(xiàn)，具體發(fā)表時(shí)間分布如圖 1。其中，2010年之前發(fā)表的有 11篇，2010—2013年發(fā)表的有40篇，2013年至2016 年3月發(fā)表的有46篇。采用Excel 2013軟件建立生物質(zhì)炭與作物產(chǎn)量關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)，主要包括作者、題目、試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)時(shí)間、土壤質(zhì)地、作物類型和施用生物質(zhì)炭處理等。在建庫(kù)過(guò)程中，針對(duì)圖類，利用GetData Graph Digitizer 2.24 軟件來(lái)轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)。共獲得匹配數(shù)據(jù)819組，每組數(shù)據(jù)均包含相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差（SD），如果文獻(xiàn)中是標(biāo)準(zhǔn)誤（SE），則根據(jù)下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

在數(shù)據(jù)提取過(guò)程中，對(duì)文獻(xiàn)中提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[16]，將生物質(zhì)炭施用量單位統(tǒng)一為 t·hm-2。如果是盆栽試驗(yàn)，以每畝耕層土壤重30萬(wàn)斤來(lái)進(jìn)行單位換算[25]，將產(chǎn)量單位統(tǒng)一為 t·hm-2。如果沒(méi)有相關(guān)報(bào)道則將土層厚度設(shè)定為一般耕作層厚度20 cm[26]。對(duì)于土壤pH，如果試驗(yàn)采用的是CaCl2溶液方法得出的 pH，那么使用公式轉(zhuǎn)換，即 pH(H2O)=1.65+0.86 pH(CaCl2)[27]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中的研究情況，將生物質(zhì)炭原材料大致分為殼渣類（堅(jiān)果殼、燕麥殼、核桃殼、花生殼和甘蔗渣等）廢棄物、秸稈類（花生秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈、高粱秸稈和油菜秸稈等）廢棄物、木材類（樹皮、木片、剪枝、樹干和樹枝等）廢棄物以及畜禽糞便類（豬糞、牛糞、羊糞等）廢棄物等 4種類型進(jìn)行整合分析研究。關(guān)于生物質(zhì)炭制備溫度，如果文獻(xiàn)給出的是溫度區(qū)間，則取其平均值。將生物質(zhì)炭的熱解溫度劃分為4個(gè)區(qū)間：低溫（≤400℃）、中溫（401—500℃）、中高溫（501—600℃）和高溫（≥600℃）。生物質(zhì)炭碳氮含量比值（C/N值）劃分為5個(gè)水平：＜20、20—50、50—100、100—300、≥300。生物質(zhì)炭pH分為≤7、7—8、8—9、9—10和≥10等5個(gè)水平。根據(jù)文獻(xiàn)中提供的砂粒（0.05—2 mm）、粉粒（0.002—0.05 mm）、黏粒（＜0.002 mm）的相對(duì)含量將質(zhì)地類型分為黏質(zhì)、壤質(zhì)和砂質(zhì)。同時(shí)根據(jù)《中國(guó)土壤》對(duì)土壤pH進(jìn)行分類，分別為酸性土壤（pH＜5.5）、弱酸性土壤（5.5＜pH＜6.5）、中性土壤（6.5＜pH＜7.5）、和堿性土壤（pH＞7.5）。生物質(zhì)炭施用量大小分為4個(gè)水平，分別為＜10.0、10.0—40.0、40.0—80.0、≥80.0 t·hm-2。生物質(zhì)炭施用時(shí)間分為 4個(gè)水平，為＜0.5、0.5—1.0、1.0—2.0和＞2.0年。

1.3 數(shù)據(jù)分析

圖1 發(fā)文的時(shí)間分布Fig. 1 Distribution of publications in time sequence

本研究收集的數(shù)據(jù)均來(lái)自于相對(duì)獨(dú)立的研究，可以采用整合分析來(lái)判斷施用生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生的正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)以及效應(yīng)大小[28]。參照ROSENBERG 等[29]的方法對(duì)文獻(xiàn)中有關(guān)生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。每組數(shù)據(jù)分為對(duì)照組（不施用生物質(zhì)炭）和添加生物質(zhì)炭的試驗(yàn)組，試驗(yàn)中的作物產(chǎn)量采用自然對(duì)數(shù)的響應(yīng)比（response ratio，RR）作為效應(yīng)量，即增產(chǎn)效應(yīng)：

式中，XB代表生物質(zhì)炭試驗(yàn)組的處理值，XC代表對(duì)照組的處理值。如果XB和XC均為正態(tài)分布且XC不等于零時(shí)，lnRR也為近似正態(tài)分布，其方差為：

式中，SDB和SDC分別為添加生物質(zhì)炭組和對(duì)照組的標(biāo)準(zhǔn)差，NB和NC分別為添加生物質(zhì)炭組和對(duì)照組的樣本數(shù)。

效應(yīng)量的變異系數(shù)用各組處理的標(biāo)準(zhǔn)偏差和試驗(yàn)重復(fù)數(shù)來(lái)計(jì)算。效應(yīng)量的權(quán)重采用變異系數(shù)的倒數(shù)表示[30]，最終獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)MetaWin 2.1軟件進(jìn)行處理。處理時(shí)，納入的各研究結(jié)果須進(jìn)行異質(zhì)性檢驗(yàn)，若P＞0.1，表明多個(gè)研究具有同質(zhì)性，此時(shí)選擇固定效應(yīng)模型進(jìn)行分析（fixed effect model，F(xiàn)EM）；若P≤0.1，則多個(gè)研究不具有同質(zhì)性，此時(shí)選擇隨機(jī)效應(yīng)模型（random effect model，REM）。效應(yīng)量的標(biāo)準(zhǔn)差越小，分配的權(quán)重越大，權(quán)重響應(yīng)比（weighted response ration，RR++）即處理相對(duì)于對(duì)照增減的百分?jǐn)?shù)及其95%的置信區(qū)間（95% CI）可以通過(guò)(eRR++-1) ×100%來(lái)轉(zhuǎn)化。如果95% CI包含零值表明該變量中處理與對(duì)照沒(méi)有顯著差異（P＞0.05）[31]。

2 結(jié)果

2.1 生物質(zhì)炭對(duì)不同類型作物產(chǎn)量的影響

圖2 生物質(zhì)炭對(duì)不同作物類型產(chǎn)量的影響Fig. 2 Effects of biochar on the yield of different crop types

如圖2所示，與不施生物質(zhì)炭相比，施用生物質(zhì)炭能使不同類型作物的產(chǎn)量均得到顯著提高，平均增產(chǎn)14.8%。其中，施用生物質(zhì)炭對(duì)經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量的平均提高幅度（25.3%）顯著高于糧食作物（10.0%）；糧食作物主要包括玉米、小麥和水稻，增產(chǎn)效應(yīng)分別達(dá)到了13.2%、9.3%和8.5%，經(jīng)濟(jì)作物主要包括黑麥草（ryegrass）、芒草（miscanthus）和車前草（plantain）等草木類、果蔬類（白菜、菠菜和西紅柿等）、油料作物（花生和油菜）、豆類以及煙草等其他類作物，增產(chǎn)效應(yīng)分別為9.9%、21.9%、31.4%、54.9%和55.6%。其中以煙草等其他類經(jīng)濟(jì)作物施用生物質(zhì)炭后的增產(chǎn)幅度最為顯著，約為糧食作物的5.6倍。

2.2 生物質(zhì)炭特性對(duì)作物產(chǎn)量的影響

不同原料制備的生物質(zhì)炭，對(duì)作物產(chǎn)量的提升也存在顯著差異（圖3）（P＜0.05）。其中畜禽糞便類廢棄物的平均增產(chǎn)效應(yīng)值達(dá)到 16.5%，高于其他類型原料制備的生物質(zhì)炭。秸稈類和木材類（主要包括木材、樹皮、剪枝和木屑等）生物質(zhì)炭對(duì)作物的增產(chǎn)效應(yīng)也相對(duì)較高，分別為 15.2%和 15.6%，殼渣類生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應(yīng)相對(duì)較低，為11.9%。

熱解溫度，指的是熱解炭化制備過(guò)程中的最高反應(yīng)溫度（peak temperature），是生物質(zhì)炭化工藝的重要參數(shù)之一，也是評(píng)價(jià)生物質(zhì)炭穩(wěn)定性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。由圖3可見(jiàn)，不同熱解溫度范圍存在明顯差異。當(dāng)熱解溫度低于 600℃時(shí)可顯著提升作物產(chǎn)量，且隨著熱解溫度的上升，作物的增產(chǎn)幅度呈減緩趨勢(shì)，分別為低溫（≤400℃）18.7%、中溫（401—500℃）15.1%和中高溫（501—600℃）9.2%，當(dāng)熱解溫度高于 600℃，作物產(chǎn)量反而降低，為-22.1%。

圖3 生物質(zhì)炭特性對(duì)作物產(chǎn)量的影響Fig. 3 Effect of biochar characteristics on crop yield

生物質(zhì)炭的輸入將會(huì)改變土壤體系的C/N值。當(dāng)生物質(zhì)炭的C/N值過(guò)低或者過(guò)高時(shí)，與不施用生物質(zhì)炭相比，均無(wú)顯著性差異（P＞0.05）（圖3）。當(dāng)C/N值在20—300內(nèi)，生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量的提升幅度隨著C/N值的增大反而逐漸降低，C/N值在100—300內(nèi)，增產(chǎn)效應(yīng)降至11.2%，C/N值在20—50內(nèi)，對(duì)作物的增產(chǎn)效應(yīng)為26.6%，此時(shí)增產(chǎn)最顯著，是高C/N值（100—300）增產(chǎn)效應(yīng)的2.4倍。

生物質(zhì)炭絕大多數(shù)呈堿性，其改良酸性土壤的作用被稱為“石灰效應(yīng)”。結(jié)果如圖 3，當(dāng)生物質(zhì)炭呈酸性（pH＜7）時(shí)，作物產(chǎn)量降低（-20.4%）；當(dāng)生物質(zhì)炭呈堿性（pH＞7）時(shí)，能顯著提升作物產(chǎn)量，其中當(dāng)生物質(zhì)炭pH為7—8時(shí)，增產(chǎn)效應(yīng)為12.0%，相對(duì)其他水平pH而言，增產(chǎn)幅度小，pH在8—9、9 —10和≥10范圍時(shí)分別增產(chǎn)20.8%、17.6%和14.4%，且作物產(chǎn)量增加趨勢(shì)隨pH逐漸增大而有所降低，pH 為8—9時(shí)，增產(chǎn)幅度最顯著（P＜0.05）。

2.3 生物質(zhì)炭對(duì)種植在不同屬性土壤上作物產(chǎn)量的影響

土壤質(zhì)地是土壤十分穩(wěn)定的自然屬性，能夠反映母質(zhì)來(lái)源及成土過(guò)程特性。生物質(zhì)炭應(yīng)用于不同土壤質(zhì)地，對(duì)作物的增產(chǎn)效應(yīng)也存在明顯差異（圖4-a）。生物質(zhì)炭應(yīng)用于黏質(zhì)土壤和砂質(zhì)土壤，能顯著提高作物產(chǎn)量（P＜0.05），提高幅度可達(dá)17.4%和17.1%，遠(yuǎn)高于壤質(zhì)土壤的增產(chǎn)效應(yīng)值（1.5%），且生物質(zhì)炭施用于壤質(zhì)土壤與不施用生物質(zhì)炭相比，增產(chǎn)不顯著（P＞0.05）。

圖4 生物質(zhì)炭對(duì)不同質(zhì)地(a)和酸堿度(b)土壤作物產(chǎn)量的影響Fig. 4 Effects of biochar on crop yield of different soil textures (a) and different soil pH (b)

土壤酸堿度是影響土壤微生物代謝的重要因素。如圖4-b 所示，生物質(zhì)炭施用于不同酸堿度的土壤中均能顯著提高作物產(chǎn)量（P＜0.05）。在酸性土壤（pH ＜5.5）中的產(chǎn)量增幅（29.2%）遠(yuǎn)高于中性土壤（6.5 ＜pH＜7.5）與堿性土壤（pH＞7.5），分別是其 7.9 和2.5倍。弱酸性土壤（5.5＜pH＜6.5）中，產(chǎn)量增幅為18.6%，增產(chǎn)效果也明顯優(yōu)于中性（3.7%）與堿性土壤（11.7%）?？傮w而言，生物質(zhì)炭應(yīng)用于酸性或弱酸性土壤中，增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)更顯著。

2.4 人為管理措施對(duì)作物產(chǎn)量的影響

人為因素是除生物質(zhì)炭與土壤特性之外的第三方要素，如生物質(zhì)炭的施用量和施用時(shí)間。

分析結(jié)果表明，隨著生物質(zhì)炭施用量增加，作物產(chǎn)量提升的幅度逐漸降低（圖5-a）。其中，低施用量（不超過(guò)10.0 t·hm-2）對(duì)作物產(chǎn)量的提升幅度（18.0%）是高施用量（超過(guò)80.0 t·hm-2）的6.2倍。當(dāng)施用量達(dá)到40—80 t·hm-2時(shí)，對(duì)作物產(chǎn)量的提升幅度降低至13.7%。超過(guò) 80.0 t·hm-2對(duì)作物的增產(chǎn)效應(yīng)與對(duì)照組無(wú)顯著差異。總之，施用生物質(zhì)炭均能達(dá)到增產(chǎn)效果。

如圖5-b所示，隨著生物質(zhì)炭施用時(shí)間（年）的變化，增產(chǎn)效果也在不斷變化。施用0.5年內(nèi)，增產(chǎn)效果顯著（17.3%），作物產(chǎn)量提高幅度在 0.5—1.0年期間達(dá)到頂峰（17.5%），之后增產(chǎn)趨勢(shì)逐漸減緩，當(dāng)超過(guò)2.0年時(shí)，增產(chǎn)效應(yīng)降至9.6%，但依然增產(chǎn)顯著（P＜0.05），且0.5—1.0 年時(shí)的增產(chǎn)效應(yīng)超過(guò)2.0年時(shí)的1.8倍。

圖5 生物質(zhì)炭施用量(a)和施用時(shí)間(b)對(duì)作物產(chǎn)量的影響Fig. 5 Effects of biochar amendment rates (a) and application time (b) on crop yield

3 討論

本研究中的整合分析結(jié)果表明，與不施用生物質(zhì)炭相比，生物質(zhì)炭的施用使作物產(chǎn)量平均提高 15.0%（增產(chǎn)范圍為 14.8%—16.8%），此結(jié)果略高于JEFFERY等[20]和 LIU等[21]關(guān)于生物質(zhì)炭的應(yīng)用對(duì)作物產(chǎn)量的增產(chǎn)效應(yīng)（分別為 10.0%和 11.0%），可能是由于生物質(zhì)炭施用年限的增加，土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)得到改善，土壤肥力相比過(guò)去得到提升的緣故。

不同作物類型對(duì)生物質(zhì)炭施用的響應(yīng)存在顯著差異。生物質(zhì)炭施用對(duì)經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)量提高幅度（25.3%）遠(yuǎn)高于玉米、小麥和水稻這三大糧食作物。這可能是由于生物質(zhì)炭的大量施用，使得土壤疏松，容重降低[32]，有利于花生、馬鈴薯、蘿卜等食用部分位于地下的經(jīng)濟(jì)作物生長(zhǎng)。在糧食作物當(dāng)中，生物質(zhì)炭對(duì)玉米和小麥的增產(chǎn)效應(yīng)又遠(yuǎn)高于水稻，可能是生物質(zhì)炭施用于旱地土壤，能夠保持土壤充足水分，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)，而對(duì)于稻田環(huán)境，生物質(zhì)炭不存在這一作用[33]。所以生物質(zhì)炭的施用更有利于旱地作物增產(chǎn)。

生物質(zhì)炭自身的特性是其對(duì)作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響的根本原因。原材料和熱解溫度是生物質(zhì)炭特性形成的“先天因素”，元素含量和酸堿度等物理化學(xué)指標(biāo)是生物質(zhì)炭特性的“外在表現(xiàn)形式”[26]。這些因素不僅共同構(gòu)成生物質(zhì)炭不同于其他含碳物質(zhì)形式的鮮明特征，且對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)作物產(chǎn)量的提升發(fā)揮著極大作用。本研究表明不同類型的原材料均表現(xiàn)出對(duì)作物的增產(chǎn)效應(yīng)，除殼渣類原材料制備的生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應(yīng)（11.9%）低于平均增產(chǎn)效應(yīng)（14.9%）外，秸稈類、木材類和畜禽糞便類這3類原材料制備所得的生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應(yīng)均高于平均增產(chǎn)效應(yīng)。其中畜禽糞便類原料制備的生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效應(yīng)最高（16.5%），這與黃婷等[34]的研究結(jié)果一致。生物質(zhì)炭雖然經(jīng)歷了破碎和熱解過(guò)程，但仍在物理結(jié)構(gòu)上保持了原材料的基本形貌，而且在化學(xué)組成上也繼承了原材料的元素配比特點(diǎn)[35]，其物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成決定著生物質(zhì)炭對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)作物產(chǎn)量影響的潛能。因此，以畜禽糞便為原料制備的生物質(zhì)炭在作物增產(chǎn)方面潛力巨大，具有較好的應(yīng)用前景。

本研究表明熱解溫度低于 400℃的生物質(zhì)炭平均會(huì)增加 18.7%的作物產(chǎn)量，而隨著熱解溫度的提升，生物質(zhì)炭對(duì)作物增產(chǎn)的促進(jìn)效應(yīng)逐漸減弱。趙世翔等[36]研究不同溫度（300、400、500和600℃）制備的生物質(zhì)炭的礦化特征的結(jié)果也表明，添加生物質(zhì)炭可以增加土壤呼吸速率、微生物生物量碳（MBC）及可溶性有機(jī)碳（DOC）的含量，但隨著熱解溫度的升高而降低[37-38]。因此，當(dāng)熱解溫度過(guò)高，不僅生物質(zhì)炭的產(chǎn)率降低，碳保留量也隨著溫度的升高而降低；此外，生物質(zhì)炭的H/C和O/C隨著溫度增加而減少[39]，導(dǎo)致其酸堿特性和元素?fù)p失而不利于其增產(chǎn)作用的發(fā)揮。

生物質(zhì)炭具有較高的碳氮比值，一般情況下高于土壤的背景值。生物質(zhì)炭的輸入導(dǎo)致土壤體系C/N值的改變，從而對(duì)土壤微生物的代謝活動(dòng)和種群數(shù)量及群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列深遠(yuǎn)影響[40-41]。生物質(zhì)炭絕大多數(shù)情況下呈堿性，其表面含氧官能團(tuán)（如羧基和酚羥基等）與礦物沉積物（如碳酸鹽和結(jié)晶態(tài)碳酸鹽等）是生物質(zhì)炭堿性的表現(xiàn)形式[42]。本研究發(fā)現(xiàn)隨著生物質(zhì)炭pH的增大，作物產(chǎn)量提高幅度先增后減，導(dǎo)致這種趨勢(shì)可能與種植作物土壤本身的酸堿度有一定的關(guān)系。

生物質(zhì)炭的施用，主要是通過(guò)改善土壤的物理性質(zhì)及結(jié)構(gòu)從而達(dá)到增產(chǎn)效果。本研究表明砂質(zhì)土壤和黏質(zhì)土壤施用生物質(zhì)炭具有顯著增產(chǎn)效果（17.1%和17.4%），而壤質(zhì)土壤中施用生物質(zhì)炭對(duì)作物沒(méi)有顯著增產(chǎn)（1.5%）。原因可能是砂質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)松散，易于生物質(zhì)炭進(jìn)入，從而利用其表面豐富的官能團(tuán)和較大的比表面積，提高土壤陽(yáng)離子交換量，吸附更多養(yǎng)分離子，避免養(yǎng)分流失，有效提高土壤肥力和肥料利用效率[43]；而黏質(zhì)土壤常呈緊實(shí)黏結(jié)狀態(tài)，利于固持生物質(zhì)炭，增加土壤孔隙度與通氣量，從而增加土壤生物活性，提高土壤的微生物豐度及土壤酶活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，從而顯著提高作物產(chǎn)量；但是壤質(zhì)土壤多由粉粒和黏粒組成，可能會(huì)填充生物質(zhì)炭孔隙造成土壤和生物質(zhì)炭接觸面積堵塞，影響土壤通氣性的改善，甚至形成“閉合區(qū)域”，限制了生物質(zhì)炭發(fā)揮作用[26]。

土壤酸堿度對(duì)土壤微生物多樣性、數(shù)量及生物活性有重要影響。生物質(zhì)炭大部分呈堿性，可有效改善土壤酸度，特別是酸性土壤酸度。一方面，生物質(zhì)炭表面富含帶有負(fù)電荷的官能團(tuán)（酚基、羧基和羥基），可吸附土壤溶液中的H+[44]；另一方面，生物質(zhì)炭中的鹽基離子（硅酸鹽、硝酸鹽和碳酸氫鹽等）可與土壤溶液中的H+結(jié)合，并顯著增加土壤微生物量[45]，更有利于作物增產(chǎn)。而對(duì)堿性土壤或者有機(jī)質(zhì)含量高的土壤的pH，生物質(zhì)炭對(duì)其提升并不顯著[46]。

生物質(zhì)炭的施用量是影響其增產(chǎn)效應(yīng)的一個(gè)重要因素。李中陽(yáng)等[47]研究發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭對(duì)冬小麥的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量和產(chǎn)量的提高均有促進(jìn)作用，其中以40.0 t·hm-2的處理增產(chǎn)最多，但隨著生物質(zhì)炭施用量的增加（＞50.0 t·hm-2），產(chǎn)量反而有所降低，但仍然高于對(duì)照處理。這與本研究結(jié)果相一致，原因可能是生物質(zhì)炭礦質(zhì)養(yǎng)分含量低而含碳量較高，加上生物質(zhì)炭具有較好的吸附性能，超量施入土壤后可能導(dǎo)致供作物吸收利用的有效態(tài)養(yǎng)分較少，從而降低土壤養(yǎng)分尤其是氮素有效性[48]，使產(chǎn)量提高幅度有所降低。

生物質(zhì)炭雖然高度穩(wěn)定，但也存在自身的分解與礦化過(guò)程，隨著生物質(zhì)炭人為輸入土壤的時(shí)間推移，也在不斷被土壤生態(tài)系統(tǒng)同化。本研究發(fā)現(xiàn)，作物增產(chǎn)效應(yīng)在 0.5—1.0年期間達(dá)到最大值（17.5%），而超過(guò)2.0年時(shí)雖然增產(chǎn)效果顯著，但是增產(chǎn)效應(yīng)值降低至9.6%。這主要是由于生物質(zhì)炭具有較高的生物化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，生物質(zhì)炭在輸入土壤的初期會(huì)發(fā)生迅速降解[49]，隨后表現(xiàn)為一段時(shí)期內(nèi)難以被微生物降解，在土壤中存留時(shí)間長(zhǎng)，因而施入土壤后持續(xù)改善土壤理化性狀的作用有限[25]。YAO等[50]發(fā)現(xiàn)相比新鮮生物質(zhì)炭，風(fēng)化炭中的Ca、Mg、K等營(yíng)養(yǎng)元素含量降低，且老化過(guò)程極大改變了生物質(zhì)炭輸入對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響[51]。所以隨著時(shí)間增長(zhǎng)，生物質(zhì)炭的增產(chǎn)能力也會(huì)下降。

由于生物質(zhì)炭的復(fù)雜多樣，本研究沒(méi)有探討其與化肥或其他有機(jī)肥的協(xié)同增產(chǎn)效應(yīng)，也沒(méi)有考慮試驗(yàn)條件如盆栽、大田等的影響，部分試驗(yàn)結(jié)果有一定的條件適用性。盡管如此，本研究的定量化分析結(jié)果也能為今后評(píng)價(jià)生物質(zhì)炭的增產(chǎn)效益和環(huán)境效益提供科學(xué)依據(jù)。今后，隨著科技不斷發(fā)展，有關(guān)生物質(zhì)炭與其他管理措施的綜合效應(yīng)與交互作用，仍有待進(jìn)一步的深入研究。

4 結(jié)論

本研究重點(diǎn)探討不同生物質(zhì)炭特性與施用管理措施對(duì)作物產(chǎn)量的影響程度。整合分析結(jié)果表明，生物質(zhì)炭的施用可以持續(xù)促進(jìn)農(nóng)經(jīng)作物產(chǎn)量的提升。生物質(zhì)炭施用不僅能有效提高糧食作物產(chǎn)量，對(duì)經(jīng)濟(jì)作物如草木類和果蔬類的產(chǎn)量提升效果更佳。此外，因畜禽糞便類養(yǎng)分含量豐富，其輸入可有效提高土壤肥力水平，因此，來(lái)源于畜禽糞便的生物質(zhì)炭對(duì)于作物的增產(chǎn)效果更佳。生物質(zhì)炭的制備溫度及產(chǎn)生的相應(yīng)的特性（如pH）對(duì)作物的產(chǎn)量提升具有顯著影響。制備溫度≤400℃的生物質(zhì)炭能更顯著地提高作物產(chǎn)量，而因生物質(zhì)炭巨大的比表面積與吸附性能可提高砂質(zhì)土壤陽(yáng)離子交換量與固持的養(yǎng)分含量，因此生物質(zhì)炭更有助于黏質(zhì)、砂質(zhì)土壤與酸性、弱酸性土壤上作物的增產(chǎn)。本研究還表明，過(guò)量施用生物質(zhì)炭時(shí)，增產(chǎn)效果降低，成本增加，建議施用量控制在40 t·hm-2及以下，且適時(shí)追施（每隔2年）可節(jié)約成本并達(dá)到持續(xù)增產(chǎn)的目的。

[1] IBI. Standardized product definition and product testing guidelines for biochar that is used in soil. International Biochar Initiative, IBI-STD-01, 2012.

[2] LIANG B, LEHMANN J, SOLOMON D, KINYANGI J, GROSSMAN J,O′NEILL B, SKJEMSTAD J O, THIES J, LUIZ?O F J, PETERSEN J, NEVES E G. Black carbon increases cation exchange capacity in soils. Soil Science Society of America Journal, 2006, 70(5): 1719-1730.

[3] AGEGNEHU G, BASS A M, NELSON P N, MUIRHEAD B, WRIGHT G, BIRD M I. Biochar and biochar-compost as soil amendments: Effects on peanut yield, soil properties and greenhouse gas emissions in tropical North Queensland, Australia. Agriculture Ecosystems & Environment, 2015, 213: 72-85.

[4] GLASER B, LEHMANN, ZECH W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal: A review. Biology and Fertility of Soils, 2002, 35(4): 219-230.

[5] ATKINSON C J, FITZGERALD J D, HIPPS N A. Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils: A review. Plant and Soil, 2010, 337(1/2): 1-18.

[6] CHAN K Y, VAN Z L, MESZAROS I, DOWNIE A, JOSEPH S. Using poultry litter biochars as soil amendments. Australian Journal of Soil Research, 2008, 46(5): 437-444.

[7] ZWIETEN L V, KIMBER S, DOWNIE A, MORRIS S, PETTY S, RUST J, CHAN K Y. A glasshouse study on the interaction of low mineral ash biochar with nitrogen in a sandy soil. Australian Journal of Soil Research, 2010, 48(6): 569-576.

[8] HOSSAIN M K, STREZOV V, CHAN K Y, NELSON P F. Agronomic properties of wastewater sludge biochar and bioavailability of metals in production of cherry tomato (Lycopersicon esculentum). Chemosphere, 2010, 78(9): 1167-1171.

[9] 高敬堯, 王宏燕, 許毛毛, 代琳, 馮露, 袁佳慧, 徐紅濤, 孫巖, 吳艷偉. 生物炭施入對(duì)農(nóng)田土壤及作物生長(zhǎng)影響的研究進(jìn)展. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 44(10): 10-15. GAO J Y, WANG H Y, XU M M, DAI L, FENG L, YUAN J H, XU H T, SUN Y, WU Y W. Research progress on the effect of biochar application on soil and crop growth in farmland. Journal of Jiangsu Agricultural Sciences, 2016, 44(10): 10-15. (in Chinese)

[10] BARONTI S, ALBERTI G, GENESIO L, GENNARO F D, LIU J, MIGLIETTA F, PERESSOTTI A, VACCARI F P. The Italian Biochar Initiative: Effects on soil fertility and on crops production//2nd International Biochar Conference-IBI. Newcastle, 2008.

[11] 張娜, 李佳, 劉學(xué)歡, 劉楊, 王永平, 梁海燕, 廖允成. 生物炭對(duì)夏玉米生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 33(8): 1569-1574. ZHANG N, LI J, LIU X H, LIU Y, WANG Y P, LIANG H Y, LIAO Y C. Effects of biochar on growth and yield of summer maize. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(8): 1569-1574. (in Chinese)

[12] STEINER C, ZECH W. Long term effects of manure, charcoal and mineral fertilization on crop production and fertility on a highly weathered Central Amazonian upland soil. Plant and Soil, 2007, 291(1): 275-290.

[13] 吳崇書, 邱志騰, 章明奎. 施用生物質(zhì)炭對(duì)不同類型土壤物理性狀的影響. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014(10): 1617-1619. WU C S, QIU Z T, ZHANG M K. Effects of biochar application on soil physical properties. Journal of Zhejiang Agricultural Sciences, 2014(10): 1617-1619. (in Chinese)

[14] UZOMA K C, INOUE M, ANDRY H, FUJIMAKI H, ZAHOOR A, NISHIHARA E. Effect of cow manure biochar on maize productivity under sandy soil condition. Soil Use and Management, 2011, 27(2): 205-212.

[15] 唐光木, 葛春輝, 徐萬(wàn)里, 王西和, 鄭金偉, 李戀卿, 潘根興. 施用生物黑炭對(duì)新疆灰漠土肥力與玉米生長(zhǎng)的影響. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 30(9): 1797-1802. TANG G M, GE C H, XU W L, WANG X H, ZHENG J W, LI L Q, PAN G X. Effect of applying biochar on the quality of grey desert soil and maize cropping in Xinjiang, China. Journal of Agro-Environment Science, 2011, 30(9): 1797-1802. (in Chinese)

[16] 卜曉莉, 薛建輝. 生物炭對(duì)土壤生境及植物生長(zhǎng)影響的研究進(jìn)展.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(3): 535-540. BU X L, XUE J H. Biochar effects on soil habitat and plant growth: A review. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(3): 535-540. (in Chinese)

[17] VACCARI F P, BARONTI S, LUGATO E, GENESIO L, CASTALDI S, FORNASIER F, MIGLIETTA F. Biochar as a strategy to sequester carbon and increase yield in durum wheat. European Journal of Agronomy, 2011, 34(4): 231-238.

[18] MAJOR J, RONDON M, MOLINA D, RIHA S J, LEHMANN J. Maize yield and nutrition during 4 years after biochar application to a Colombian savanna oxisol. Plant and Soil, 2010, 333(1): 117-128.

[19] YANG Y, MA S, ZHAO Y, JING M, XU Y Q, CHEN J W. A field experiment on enhancement of crop yield by rice straw and corn stalk-derived biochar in northern China. Sustainability, 2015, 7(10): 13713-13725.

[20] JEFFERY S, VERHEIJEN F G A, VELDE M V D, BASTOS A C. A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis. Agriculture Ecosystems & Environment, 2011, 144(1): 175-187.

[21] LIU X, ZHANG A, JI C, JOSEPH S, BIAN R, LI L Q, PAN G X, PAZ-FERREIRO J. Biochar’s effect on crop productivity and the dependence on experimental conditions—a meta-analysis of literature data. Plant and Soil, 2013, 373(1): 583-594.

[22] LIU Z, CHEN X, JING Y, LI Q, ZHANG J. Effects of biocharamendment on rapeseed and sweet potato yields and water stable aggregate in upland red soil. Catena, 2014, 123: 45-51.

[23] DONG D, YANG M, WANG C, WANG H, LI Y, LUO J. Responses of methane emissions and rice yield to applications of biochar and straw in a paddy field. Journal of Soils & Sediments, 2013, 13(8): 1450-1460.

[24] 郭明, 李新. Meta分析及其在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域研究中的應(yīng)用. 中國(guó)沙漠, 2009, 29(5): 911-919. GUO M, LI X. Meta-analysis: A new quantitative research approach in eco-environmental sciences. Journal of Desert Research, 2009, 29(5): 911-919. (in Chinese)

[25] 孫向陽(yáng). 土壤學(xué). 北京: 中國(guó)林業(yè)出版社, 2005. SUN X Y. Soil Science. Beijing: China Forestry Publishing House, 2005. (in Chinese)

[26] 吳偉祥, 孫雪, 董達(dá), 王海龍. 生物質(zhì)炭土壤環(huán)境效應(yīng). 北京: 科學(xué)出版社, 2015: 100-143. WU W X, SUN X, DONG D, WANG H L. Environmental Effects of Biochar in Soil. Beijing: Science Press, 2015: 100-143. (in Chinese)

[27] BIEDERMAN L A, HARPOLE W S. Biochar and its effects on plant productivity and nutrient cycling: A meta-analysis. Global Change Biology Bioenergy, 2013, 5(2): 202-214.

[28] 彭少麟, 鄭鳳英. Meta分析及 MetaWin軟件. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 1999(4): 295-299. PENG S L, ZHENG F Y. Introduction of Meta Win software. Ecology and Environmental Sciences, 1999(4): 295-299. (in Chinese)

[29] ROSENBERG M S, ADAMS D C, GUREVITCH J. MetaWin: Statistical software for meta-analysis version 2.0. Sunderland: Sinaver Associates, 2000.

[30] ADAMS D C, GUREVITCH J, ROSENBERG M S. Resampling tests foe meta-analysis of ecological data. Ecology, 1997, 78(4): 1277-1283.

[31] 蔡岸冬, 張文菊, 楊品品, 韓天富, 徐明崗. 基于Meta-Analysis研究施肥對(duì)中國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳及其組分的影響. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 48(15): 2995-3004. CAI A D, ZHANG W J, YANG P P, HAN T F, XU M G. Effect degree of fertilization practices on soil organic carbon and fraction of croplands in China—based on Meta-analysis. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(15): 2995-3004. (in Chinese)

[32] 李秋霞, 陳效民, 靳澤文, 黃欠如, 張佳寶, 朱泊靜, 張譽(yù)譯, 沈曉姝. 生物質(zhì)炭對(duì)旱地紅壤理化性狀和作物產(chǎn)量的持續(xù)效應(yīng). 水土保持學(xué)報(bào), 2015, 29(3): 208-213. LI Q X, CHEN X M, JI Z W, HUANG Q R, ZHANG J B, ZHU B J, ZHANG Y Y, SHEN X S. Persistent effects of biochar on soil physicochemical properties and crop yields in upland red soil. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(3): 208-213. (in Chinese)

[33] 劉曉雨. 施用有機(jī)物料對(duì)農(nóng)田固碳減排及生產(chǎn)力的影響: 田間試驗(yàn)及整合研究[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013. LIU X Y. Effects of soil organic amendment on productivity and greenhouse gas mitigation of croplands: Filed studies and synthetic analysis[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2013. (in Chinese)

[34] 黃婷, 倪杰強(qiáng), 許文霞, 翟勇, 冶軍, 侯振安. 三種生物質(zhì)炭對(duì)北疆棉田土壤氮素平衡及棉花產(chǎn)量的影響. 棉花學(xué)報(bào), 2015, 27(6): 595-600. HUANG T, NI J Q, XU W X, ZHAI Y, YE J, HOU Z A. Effects of addition of three types of biochar on the soil nitrogen balance and cotton yield. Cotton Science, 2015, 27(6): 595-600. (in Chinese)

[35] ALEXIS M A, RASSE D P, RUMPEL C, BARDOUX G, PéCHOT N, SCHMALZER P, DRAKE B, MARIOTTI A. Fire impact on C and N losses and charcoal production in a scrub oak ecosystem. Biogeochemistry, 2007, 82(2): 201-216.

[36] 趙世翔, 姬強(qiáng), 李忠徽, 王旭東. 熱解溫度對(duì)生物質(zhì)炭性質(zhì)及其在土壤中礦化的影響. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(6): 183-192. ZHAO S X, JI Q, LI Z H, WANG X D. Characteristics and mineralization in soil of apple-derived biochar producecd at different temperatures. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2015, 46(6): 183-192. (in Chinese)

[37] HMID A, MONDELLI D, FIORE S, FANIZZI F P, CHAMI Z A, DUMONTET S. Production and characterization of biochar from three-phase olive mill waste through slow pyrolysis. Biomass & Bioenergy, 2014, 71: 330-339.

[38] AHMAD M, LEE S S, DOU X M, MOHAN D, SUNG J K, YANG J E. Effects of pyrolysis temperature on soybean stover- and peanut shell-derived biochar properties and TCE adsorption in water. Bioresource Technology, 2012, 118(8): 536-544.

[39] 李飛躍, 汪建飛, 謝越, 李賀, 李孝良, 李粉茹. 熱解溫度對(duì)生物質(zhì)炭碳保留量及穩(wěn)定性的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(4): 266-271. LI F Y, WANG J F, XIE Y, LI H, LI X L, LI F R. Effects of pyrolysis temperature on carbon retention and stability of biochar. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(4): 266-271. (in Chinese)

[40] ANGST T E, PATTERSON C J, REAY D S, ANDERSON P, PESHKUR T A, SOHI S P. Biochar diminishes nitrous oxide and nitrate leaching from diverse nutrient sources. Journal of Environmental Quality, 2013, 42(3): 672-682.

[41] AMELOOT N, NEVE S D, JEGAJEEVAGAN K, YILDIZ G,BUCHAN D, FUNKUIN Y N, PRINS W, BOUCHAERT L, SLEUTEL S. Short-term CO2and N2O emissions and microbial properties of biochar amended sandy loam soils. Soil Biology & Biochemistry, 2013, 57(3): 401-410.

[42] YUAN J H, XU R K, ZHANG H. The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures. Bioresource Technology, 2011, 102(3): 3488-3497.

[43] 勾芒芒, 屈忠義, 楊曉, 張棟梁. 生物質(zhì)炭對(duì)砂壤土節(jié)水保肥及番茄產(chǎn)量的影響研究. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014, 45(1): 136-142. GOU M M, QU Z Y, YANG X, ZHANG D L. Study on the effects of biochar on saving water, preserving fertility and tomato yield. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2014, 45(1): 136-142. (in Chinese)

[44] 饒霜, 盧陽(yáng), 黃飛, 蔡一霞, 蔡昆爭(zhēng). 生物炭對(duì)土壤微生物的影響研究進(jìn)展. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2016, 32(1): 53-59. RAO S, LU Y, HUANG F, CAI Y X, CAI K Z. A review of researches on effects of biochars on soil microorganisms. Journal of Ecology and Rural Environment, 2016, 32(1): 53-59. (in Chinese)

[45] GUL S, WHALEN J K, THOMAS B W, SACHDEVA V, DENG H G. Physico-chemical properties and microbial responses in biocharamended soils: Mechanisms and future directions. Agriculture Ecosystems & Environment, 2015, 206: 46-59.

[46] STEWART C E, ZHENG J Y, BOTTE J, COTRUFO M F. Cogenerated fast pyrolysis biochar mitigates green-house gas emissions and increases carbon sequestration in temperate soils. Global Change Biology Bioenergy, 2013, 5(2): 153-164.

[47] 李中陽(yáng), 齊學(xué)斌, 樊向陽(yáng), 吳海卿. 生物質(zhì)炭對(duì)冬小麥產(chǎn)量、水分利用效率及根系形態(tài)的影響. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015(12): 119-124. LI Z Y, QI X B, FAN X Y, WU H Q. Influences of biochars on growth, yield, water use efficiency and root morphology of winter wheat. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(12): 119-124. (in Chinese)

[48] KHAN M A, KIM K W, WANG M, LIM B K, LEE W H, LEE J Y. Nutrient-impregnated charcoal: An environmentally friendly, slowrelease fertilizer. Environment Systems and Decisions, 2008, 28(3): 231-235.

[49] HAMER U, MARSCHNER B, BRODOWSKI S, AMELUN G W. Interactive priming of black carbon and glucose mineralisation. Organic Geochemistry, 2004, 35(7): 823-830.

[50] YAO F X, ARBESTAIN M C, VIRGEL S, BLANCO F, AROSTEGUI J, MACIá-AGULLó J A, MACíAS F. Simulated geochemical weathering of a mineral ash-rich biochar in a modified Soxlet reactor. Chemosphere, 2010, 80(7): 724-732.

[51] SPOKAS K A. Impact of biochar field aging on laboratory greenhouse gas production potentials. Global Change Biology Bioenergy, 2013, 5(2): 165-176.

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

A Meta-Analysis of Effects of Biochar Properties and Management Practices on Crop Yield

XIAO Jing1,2, XU Hu2, CAI AnDong2, HUANG Min1, ZHANG Qi3, SUN Nan2, ZHANG WenJu2, XU MingGang2
(1School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070;2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;3Shanghai Academy of Landscape Architecture Science and Planning, Shanghai 200232)

【Objective】A large number of studies have indicated that application of biochar in cropland has significant effects on crop yield due to its unique physical and chemical properties. It is of important significance to quantify the effects of management practices and biochar quality on crop yield by statistical analysis of large sample numbers.【Method】By collecting global relevant published literatures, 97 relative independent studies with 819 paired datasets on biochar’s effects of crop growth were selected. A meta-analysis was undertaken to quantify the effect of biochar characteristics (e.g., raw material, pyrolysis temperature, C/N, pH etc.)and artificial application management practices (e.g., application amount and duration), soil properties (soil texture and pH) on the crop yield improvement.【Result】Results showed that biochar could improve crop yield significantly by 15.0% in average compared with the control. As for crop types, the effect of biochar on crop yield was significantly different: The yield increase of cash crops (25.3%) was significantly higher than that of grain crops (10.0%). The characteristics of biochar had a significant impact on crop yield. Biochar produced with pyrolysis temperature lower than 600℃, pH over 7, and C/N value between 20-300, obtained significant increase in crop yield ranging from 9.2% to 26.6%. Moreover, the improved percentage of crop yield decreased with increase in pyrolysis temperature and biochar C/N. As for different soil textures and acidities, the order of yield-improving effect was clay soil ＞ sandy soil ＞ loamy soil. The yield-improving effect of biochar application for acid soil (29.2%) was 7.9 and 2.5 times of that for neutral and alkaline soil. Under the condition of management practices, biochar application increased crop yield significantly (by 18.0%) at rates less than 10.0 t·hm-2. However, there was no significant effect on crop yield when the application rate was more than 80.0 t·hm-2. The response ratio of biochar application on crop yield decreased with increase in the application duration. Six months to two years after biochar application increased crop yield by about 13.4%-17.5%, whereas after more than 2 years, the response ratio reduced to 9.6%.【Conclusion】The effect of biochar on crop yield varied according to variation in biochar quality and application rate and duration. Choosing biochar in specific quality for application can not only achieve sustainable improvement in crop production, but also minimalize the cost and improve economic efficiency according to crop types and soil texture. This result would provide an option for the development of sustainable agricultural management practices.

biochar; crop yield; improving effect; soil texture; management; application rate; application duration; meta-analysis

2016-10-20；接受日期：2017-03-27

國(guó)家“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2014BAD14B02，2014BAD14B03）、國(guó)家自然科學(xué)基金（41101210）、上海市綠化和市容管理局項(xiàng)目（G160202）

聯(lián)系方式：肖婧，E-mail：xiao_jing06@163.com。通信作者黃敏，E-mail：huangmin@whut.edu.cn。通信作者張文菊，E-mail：zhangwenju01@caas.cn