文章信息
期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America
题目：Sustained benefits of long-term biochar application for food security and climate change mitigation
通讯作者：颜晓元研究员、夏龙龙研究员（中国科学院南京土壤研究所）
原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2509237122
发表日期：2025-08-11
研究背景
粮食安全和气候变化是21世纪全球面临的两大挑战。生物炭作为一种土壤改良剂，被认为具有提高土壤肥力、增加作物产量、减少温室气体排放（如CH₄和N₂O）以及促进土壤有机碳（SOC）固存的潜力。然而，目前大多数研究集中在短期（≤3年）田间试验，长期施用生物炭的效果及其可持续性尚不明确。此外，连续施用生物炭可能带来土壤pH值升高、农药有效性降低等负面影响。因此，明确生物炭长期施用的效果对于优化其应用策略至关重要。
研究方案
该研究通过整合全球438项研究（3,229组观测数据），包括29项长期田间试验（4至12年），系统分析了长期（≥4年）连续施用与单次施用生物炭对作物产量、温室气体排放和土壤有机碳的影响。研究采用Meta分析方法，结合环境因子（如气候、土壤性质）和管理措施（如氮肥用量、生物炭施用量），评估了生物炭的长期效益及其驱动机制。
研究结果
作物产量：长期连续生物炭施用平均提高了作物产量10.8%，且这种增产效果随时间持续存在。在不同土壤质地中，沙质土壤的产量提升最为显著，且随着时间推移，增产效果进一步增强。
温室气体排放：长期连续生物炭施用显著降低了稻田中的CH₄ 排放（-13.5%）和所有土壤中的N₂O排放（-21.4%）。CH₄ 减排效果随时间增加，而N₂O减排效果在黏土土壤中最为显著。
土壤有机碳含量：长期连续生物炭施用使土壤有机碳含量平均增加了52.5%，且随着时间推移，这种增加效果更加显著，尤其是在沙质和肥力较低的土壤中。
研究结论
长期连续施用生物炭能够持续提升作物产量、减少温室气体排放并增加土壤有机碳，而单次施用的效果会随时间逐渐减弱。生物炭的最佳施用策略需结合当地土壤、气候和作物条件，例如在多雨热带地区采用高频低量施用，在干旱温带地区采用低频高量施用。为了最大化生物炭对全球粮食安全和气候变化缓解的长期益处，需要开发可行的策略，例如每隔几年施用一次生物炭，并根据当地土壤、气候和种植条件调整实践。