环境科学  2023, Vol. 44 Issue (1): 520-530   PDF    
引用本文
于滨杭, 姬建梅, 王丽学, 刘静, 高欢, 刘丹. 中国主粮作物生物炭产量效应的Meta分析[J]. 环境科学, 2023, 44(1): 520-530.
YU Bin-hang, JI Jian-mei, WANG Li-xue, LIU Jing, GAO Huan, LIU Dan. Meta Analysis on Yield Effect of Biochar for Staple Crops in China[J]. Environmental Science, 2023, 44(1): 520-530.
中国主粮作物生物炭产量效应的Meta分析
于滨杭, 姬建梅, 王丽学, 刘静, 高欢, 刘丹     
沈阳农业大学水利学院, 沈阳 110866
收稿日期: 2022-03-11; 修订日期: 2022-04-21
基金项目: 辽宁省自然科学基金项目(2019-ZD-0705)
作者简介: 于滨杭(1997~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为北方寒区绿色高效用水, E-mail: 627462097@qq.com
通信作者: 王丽学, E-mail: 1987500010@syau.edu.cn
摘要: 为定量评估生物炭对主粮作物产量的影响, 收集了公开发表的116篇相关文献, 共866对数据, 采用Meta分析法定量分析了生物炭对我国主粮作物产量的影响及其影响因子, 同时构建结构方程模型(SEM)进一步解释了因子间的交互关系.结果表明, 与不施用生物炭相比, 生物炭施用后可改善主粮田土壤理化性质, 提高主粮作物产量, 平均增产率为8.77%.其中, 当生物炭pH为7~8时, 平均增产率最大, 可达26.49%; 其C/N＜60时, 平均增产率为13.73%, 显著高于C/N≥60的平均增产率.将生物炭施入酸性或中性土壤中, 更能发挥其增产效应.当施炭量为10~20 t ·hm-2时, 小麦和玉米的平均增产率最大; 施炭量为15~25 t ·hm-2时, 水稻平均增产率最大.但是, 不同施炭水平的水稻增产率相近, 可考虑损失部分产量, 适当减施以兼顾经济效益.此外, 生物炭增产效应会随施用年限增加而不断减弱, 一般3 a后增产不显著.SEM表明生物炭施用量不仅直接影响主粮作物产量, 还通过改善土壤肥力间接影响主粮作物产量, 而生物炭C/N和pH仅通过改善土壤肥力影响主粮作物产量.因此, 今后在生物炭的应用中, 优先考虑将其施于低肥力的酸性或中性土, 其C/N和pH分别控制在60以下和7~8, 并综合考虑土壤条件、生物炭特性和田间管理措施以使主粮作物产量最大化.研究可为生物炭的推广与合理应用提供科学依据与理论基础.
关键词: 生物炭      产量      Meta分析      主粮作物      中国     
Meta Analysis on Yield Effect of Biochar for Staple Crops in China
YU Bin-hang , JI Jian-mei , WANG Li-xue , LIU Jing , GAO Huan , LIU Dan     
College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China
Abstract: In order to quantitatively evaluate the impact of biochar on the yield of staple crops in China, a total of 866 pairs of data from 116 published studies were collected. Meta analysis was used to quantitatively analyze the impact of biochar on the yield of staple crops in China and its influencing factors. Meanwhile, a structural equation model (SEM) was constructed to further explain the interaction among the factors. The results showed that compared with no biochar application, biochar application could improve the physical and chemical properties of the soil in the main grain fields and increase the yield of the main grain crops, with an average yield increase rate of 8.77%. Among them, when the pH of biochar was 7-8, the average yield increase rate was the highest, reaching 26.49%. When C/N < 60, the average yield increase rate was 13.73%, which was significantly higher than that of C/N≥60. Applying biochar to acidic or neutral soil could give full play to its yield-increasing effect. When the amount of carbon applied was 10-20 t·hm-2, the average yield increase rate of wheat and corn was the highest. The average yield of rice was the highest when the amount of carbon was 15-25 t·hm-2. However, the yield-increasing rates of rice with different carbon application levels were similar, so it is possible to consider losing part of the yield and give consideration to the economic benefits by appropriate reduction. In addition, the yield-increasing effect of biochar decreased with the increase in application years, and generally the yield-increasing effect was not significant after three years. The SEM showed that the application amount of biochar not only directly affected the yield of staple crops but also indirectly affected the yield of staple crops by improving soil fertility, whereas biochar C/N and pH only affected the yield of staple crops by improving soil fertility. Therefore, in the future application of biochar, priority should be given to applying it to acidic or neutral soil with low fertility, and its C/N and pH should be controlled below 60 and 7-8, respectively. Soil conditions, biochar characteristics, and field management measures should be comprehensively considered to maximize the yield of staple crops. This research can provide scientific basis and theoretical basis for the popularization and rational application of biochar.
Key words: biochar      yield      Meta analysis      staple crops      China     

玉米、小麦和水稻是我国三大主粮作物, 占我国农田总面积的近70%[1], 其稳步增产对我国农业生产和粮食安全具有重要意义.然而, 在粮食供需“紧平衡”仍将持续的态势下, 我国粮食安全基础并不稳固[2].近年来, 主粮作物年均产量保持在6.1亿t左右, 近5年增长趋势基本陷入停滞状态[3].随着城市化进程加快, 预计到2050年, 世界人口将比当前提高34%, 约70%为城市人口, 人口增长主要集中在发展中国家[4].为了养活这些人口, 未来粮食需求将持续增加.作为发展中国家, 我国迫切需要新的农业技术手段解决粮食安全问题, 突破产量增长瓶颈.

生物炭是一种富含碳的固态难溶有机物[5], 在缺氧或无氧条件下200~1 200℃热解形成[6].作为土壤改良剂, 它可改善土壤理化性质[7], 减缓气候变化[8], 提高肥料利用效率[9], 增加作物产量[10].随着粮食安全和生态环境问题日益严峻, 生物炭在农业生产中已引起广泛关注.生物炭产量效应很大程度受到土壤条件、生物炭自身特性和管理措施等因素的影响, 从而导致生物炭对产量影响的个案试验结果不一致.例如, Kätterer等[11]在肯尼亚粉质黏土中将生物炭一次施用后发现连续10 a增加了玉米大豆轮作的土壤肥力和产量, 而Borchard等[12]则发现生物炭施用在温带砂质和粉质土壤中均未能提高玉米产量.Wei等[13]则认为生物炭对作物产量的影响主要取决于施肥量.目前, 我国生物炭的应用研究不断深入, 但研究结果仅对特定条件下的生产实践具有指导意义.不同土壤条件、生物炭特性和管理措施等因素对主粮作物生物炭产量效应影响的差异尚不明确, 缺少定量研究来评估其农业应用价值.

Meta分析是一种定量统计方法, 可以对多个同类研究结果进行合并汇总分析, 将涉及同一主题的独立研究项目进行系统评价[14], 弥补单个研究的不足, 提高效应大小的总体估计能力[15].目前, 文献[16~19]运用Meta分析进行了全球尺度的生物炭施用后产量变化的定量评估, 刘成等[20]和肖婧等[21]对我国农田作物和大棚果蔬的产量及土壤性状进行了定量评估, 但生物炭影响我国田间主粮作物产量的整合分析仍鲜见报道, 需要科学统计方法对资料数据进行量化评估.此外, 前人的研究没有将土壤理化性质和作物产量结合起来, 也未深入解释各指标直接或间接的因果结构关系.结构方程模型(SEM)是一种多变量分析模型, 用于量化和确定变量和变量之间的因果关系, 并已应用于环境和农业领域的许多研究[22].因此, 本研究收集已发表的生物炭对中国主粮作物产量及土壤理化性质影响的文献数据, 采用Meta分析法定量评估生物炭对我国主粮作物产量的直接和间接影响, 运用SEM, 分析不同变量之间的内在关系, 解释生物炭施用对主粮作物产量影响的内在机制, 以期为生物炭推广应用, 突破主粮作物增产瓶颈提供科学依据.

1 材料与方法 1.1 数据收集与筛选

本研究收集的已发表文献截至2021年10月, 在中国知网、万方数据、Web of Science和Science Direct等国内外数据库中, 设置主要关键词: “生物炭” “生物质炭” “黑炭” “biochar” “产量” “yield” “土壤理化性质”和“soil physical and chemical properties ”等进行搜索.文献筛选标准为[23]：①试验为中国范围内田间试验, 试验时间及地点明确; ②试验中必须有严格的处理组与对照组, 处理组为施用生物炭(不包括生物炭基肥), 对照组为不施用生物炭, 其他因素(如肥料用量、作物品种、土壤性质、生物炭用量等)必须一致; ③1篇文献出现多个独立试验时, 每个试验视为1个独立研究; ④试验处理重复次数≥3次, 提供作物产量的平均值(Mean)、标准差(SD)、样本数(n); ⑤研究对象为小麦、玉米或水稻; ⑥不包括评价类、综述类学术论文及相关主题的学位论文.基于以上标准, 最终获得116篇文献, 其中报道作物产量87篇, 报道土壤理化性质29篇, 共匹配出866对数据.

1.2 数据分类

考虑到生物炭产量效应受其他直接或间接因素的影响, 通过亚组分析在文献中提取相关试验信息, 根据所界定的土壤条件、生物炭特性和田间管理措施进行分组处理.①土壤pH分为：< 6.5、6.5~7.5、7.5~8.5和＞8.5; ②土壤质地分为：黏土(砂质黏土、粉质黏土、黏土)、壤土(砂质黏壤土、壤土、黏壤土、粉质黏壤土)和砂土(砂、壤质砂、砂壤土); ③土壤全氮含量(g·kg-1)分为：＜1、1~2和＞2; ④土壤碱解氮含量(mg·kg-1)分为：＜50、50~100、和100; ⑤土壤速效磷含量(mg·kg-1)分为＜10、10~20、20~40和＞40; ⑥生物炭原材料分为：秸秆和木材; ⑦热解温度(℃)分为：＜400、400~600和＞600; ⑧生物炭pH分为：7~8、8~9、9~10和＞10; ⑨生物炭C/N分为：≥60、＜60; ⑩生物炭施用量(t·hm-2)分为：≤10、10~25、25~40和＞40; B11生物炭施用年限(a)分为: 1、2、3和＞3; B12施氮量(kg·hm-2)分为：0、0~200和＞200.土壤理化性质作为影响产量的间接因素, 包含土壤全氮、土壤pH、土壤有机碳、铵态氮、硝态氮、土壤有效磷、土壤速效钾、土壤容重和阳离子交换量.研究生物炭对产量效应的影响时采用试验前的土壤理化性质数据, 研究生物炭对土壤理化性质的影响时采用试验前后土壤理化性质的数据.

1.3 Meta分析

本研究选用Meta分析法分析了生物炭对产量的影响及其影响因素, 具体步骤如下.

(1) 采用生态学中常用的对数响应比lnR作为效应值[24]：

(1)

式中, XE为处理组试验观测的平均值, XC为对照观测的平均值.

本研究采用随机效应模型的参数化方法研究生物炭对产量的影响.假设同一个分组中的各个独立研究之间有不同取样误差和随机变量, 如果95%置信区间＞0, 则认为生物炭有促进作用; 如果95%置信区间＜0, 则认为有抑制作用; 如果95%置信区间包含0, 则认为无明显作用.为直观表达生物炭的促进或抑制作用, 利用式(2)将效应值转化为百分比的形式.

(2)

式中, I为变化率, R为响应比.

(2) 通过组间异质性, 检验同一指标的效应量在不同亚组之间的差异, 分析各分组的组间异质性.如果P＜0.05, 则认为组间异质性显著, 反之则不显著[25].如果异质性检验显著, 则引入解释变量分析异质性来源[26].本研究的组间异质性显著的同时, 组内异质性不显著.

(3) 进行亚组分析进一步明确生物炭对主粮作物产量效应的影响因素.亚组分析要求每一个亚组不少于10条研究, 如果少于10条研究则该亚组至少来自3篇不同的文献[27].

(4) 对Meta分析进行偏倚性检验.本研究运用图形分析法绘制频率分布直方图检验收集数据是否符合正态性.采用罗森博格(Roseberg's method)失安全数(N)法检验文献是否偏倚[28]：若N＞5n+10(N为失安全数, n为样本量), 则认为研究不存在文献偏倚.

1.4 结构方程模型

根据前人的理论和研究结果, SEM基于最大似然法的模型参数估计方法构建了一组变量之间的因果关系假设[29].模型的初始假设是观测数据的方差协方差矩阵与模型预测的方差协方差矩阵相匹配, 所以只有当卡方检验的P值大于0.05时(无法拒绝初始假设), 模型适配是可接受的.采用优度拟合指数(GFI)、相对配适指数(CFI)、近似误差平方根(RMSEA)来评价模型的拟合是否成功.GFI和CFI越接近1, 模型拟合度越好; RMSEA小于0.06时, 模型拟合较好[30].

1.5 数据处理

本研究采用GetData Graph Digitizer 2.24软件提取以图片形式展现的部分数据, Microsoft Excel 2010软件建立数据库, MetaWin 2.1软件分析数据, OriginPro 2018软件绘图, R语言lavaan程序包构建结构方程模型.

2 结果与分析 2.1 Meta文献偏倚检验

本研究数据通过正态性分布检验(图 1), 失安全数(N)大于最低阈值(表 1和表 2), 不存在文献偏倚, 即研究数据可靠.

RR++和SE分别表示权重响应比和标准误; 曲线表示数据的高斯分布; P＜0.01达显著水平 图 1 主粮作物产量的样本分布频率 Fig. 1 Data distribution of staple crops yield

表 1 生物炭对主粮作物产量影响的组间异质性分析及文献偏倚检验1) Table 1 Impacts of biochar input on between-group heterogenicity for yield from staple crops and literature bias test

表 2 生物炭施用后对主粮农田土壤理化性质的异质性分析及文献偏倚检验1) Table 2 Impacts of biochar input on heterogenicity for soil physical and chemical properties of main grain farmland and literature bias test

2.2 生物炭特性对主粮作物生物炭产量效应的影响

生物炭特性对主粮作物产量有显著影响(图 2).其中, 当pH为7~8时, 作物产量平均增产率最大, 可达26.49%; 当pH逐渐增加时, 平均增产率随之不断降低, 最低降至略高于6%.当高C/N(≥60)生物炭施用后, 主粮作物产量的平均增产率为4.68%, 而低C/N(＜60)的平均增产率为13.73%.另外, 木质材料制备的生物炭施用后, 主粮作物产量平均增产率为22.04%, 显著高于秸秆生物炭.除此外, 热解温度＞600℃的生物炭施加可使主粮作物平均增产率达到14.89%, 其次是＜400℃的生物炭, 400~600℃生物炭的增产率最低, 为7.49%.

正方形和误差线分别表示平均值和95% 置信区间袁括号内的数值表示样本数/ 变化率(%), 下同 图 2 生物炭特性对主粮作物生物炭增产效应的影响 Fig. 2 Yield-increase effect of staple crops to biochar application affected by biochar properties

2.3 田间管理措施对主粮作物生物炭产量效应的影响

田间管理措施的差异导致主粮作物生物炭产量效应的不同(图 3).例如, 施氮肥和不施氮肥对产量效应存在显著差异：施氮肥(施氮量＞200 kg·hm-2和0~200 kg·hm-2)的增产效应均高于不施氮肥, 且在高施氮量农田生物炭的增产效应低于低施氮量.此外, 施炭量的不同也影响生物炭的增产效应：随着施炭量的增加, 增产效应呈现先升高后降低的趋势.当施用生物炭量为10~25 t·hm-2时, 可使主粮作物平均增产率达11.08%, 当施用量＜10 t·hm-2或25~40 t·hm-2时, 平均增产率分别为6.22%和10.17%, ＞40 t·hm-2时增产效果不显著.本研究中, 生物炭增产效应的可持续时间随施用年限的增加而逐年减弱, 1 a增产可达10.55%, 2 a和3 a则降至8.07%和7.35%, 施用3 a后的增产效果不显著.

图 3 田间管理措施对主粮作物生物炭增产效应的影响 Fig. 3 Yield-increase effect of staple crops to biochar application affected by field managements

2.4 土壤条件对主粮作物生物炭产量效应的影响

不同土壤条件对主粮作物生物炭产量效应影响显著(图 4).土壤pH为6.5~7.5更能发挥生物炭的增产效应, 平均增产率可达12.20%; pH＜6.5次之, 且比pH为7.5~8.5高3.22%; pH＞8.5的生物炭增产效应不明显.从土壤质地来看, 生物炭施入壤土中, 主粮作物平均增产率为10.46%, 比砂土高6.14个百分点, 而施入黏土后, 主粮作物增产效应不显著.生物炭施入全氮含量高的土壤增产效果最显著：当全氮含量＞2 g·kg-1时, 平均增产率可达26.00%; 全氮含量1~2 g·kg-1平均增产率为9.98%; 全氮含量＜1 g·kg-1的土壤增产最低.土壤碱解氮含量与生物炭的增产效应呈负相关：当碱解氮含量＜50 mg·kg-1时, 平均增产率最大, 为12.12%; 随着土壤碱解氮含量增大, 增产率降低, 最低为6.08%.土壤有效磷含量影响生物炭的产量效应, 影响趋势与土壤碱解氮相似：当有效磷含量＜10 mg·kg-1时, 平均增产率高达12.22%; 随着土壤有效磷含量的升高, 增产效应降低, 最低为5.22%.

图 4 土壤条件对主粮作物生物炭增产效应的影响 Fig. 4 Yield-increase effect of staple crops to biochar application affected by soil properties

2.5 生物炭对主粮农田土壤理化性质的影响

与不施生物炭相比, 施用生物炭后, 我国主粮田土壤理化性质发生了改变(图 5).土壤全氮含量、pH、有机碳含量、硝态氮(NO3-)、有效磷含量、速效钾含量和阳离子交换量均有提高.其中, 有机碳含量提高最大, 为36.08%, 速效钾含量次之, pH最小(2.5%).而铵态氮(NH4+)含量和土壤容重则分别降低了19.44%和4.21%.

图 5 施用生物炭对主粮农田土壤理化性质的影响 Fig. 5 Effects of biochar application on soil physical and chemical properties

2.6 施炭后的土壤理化性质与主粮作物产量的关联分析

线性回归分析显示, 图 6(a)、6(b)、6(c)、6(e)、6(f)、6(g)和6(i)呈正相关, 图 6(d)和6(h)呈负相关.这表明生物炭施入土壤后, 土壤中全氮、有机碳、pH、硝态氮、有效磷、速效钾和阳离子交换量增加, 容重和铵态氮降低, 促进了主粮作物产量的提高.

*、**和***分别表示通过P＜0.05、P＜0.01和P＜0.001水平的显著性检验 图 6 产量的效应值(lnR)与土壤理化性质之间的关系 Fig. 6 Relationship between yield effect value (lnR) and soil physical and chemical properties

构建SEM表征主粮生物炭、土壤肥力和主粮作物产量之间的关系(图 7).生物炭施用量可以直接影响主粮作物产量, 直接效应为0.578; 也可以通过土壤肥力进而间接影响主粮作物产量, 间接效应为0.124.因此, 生物炭施用量对产量的总效应为0.702, 即它解释了70.2%的产量变化.生物炭C/N和pH对主粮作物产量的直接路径关系并不显著, 仅通过影响土壤肥力间接影响主粮作物产量, 间接效应为0.097.土壤肥力对产量的直接效应为0.335, 小于生物炭施用量的总效应.综上, 尽管土壤肥力、生物炭施用量和生物炭自身特性是影响主粮作物产量的3个重要因素, 但生物炭施用量是主粮作物生物炭产量效应诸影响因素中最重要的因子.

P=0.27>0.05, GFI=0.98, CFI=0.98, RMSEA=0.05; 箭头上方的数字是标准化路径系数, 实线表示影响显著, 虚线表示影响不显著, *、**和***分别表示通过P＜0.05、P＜0.01和P＜0.001水平的显著性检验, R2表示可由结构方程模型中的相应变量解释的方差比例 图 7 生物炭对主粮产量影响的结构方程模型 Fig. 7 Structural equation model of the effect of carbon on the yield of staple crops

3 讨论 3.1 土壤条件对生物炭增产效应的影响

作物产量很大程度受土壤自身条件影响[31].生物炭施入土壤后, 其富含的营养成分和不稳定的有机碳会释放到土壤中, 可改善土壤养分, 增加土壤有机碳含量, 进而提高作物产量[32~34].生物炭具有多孔结构, 密度一般低于农田土壤, 表面易氧化形成丰富的官能团, 可增强土壤阳离子的吸附能力, 降低土壤容重, 使土壤总孔隙度增加, 进而增大土壤通气状况, 改善水分入渗速率[35].另外, 土壤阳离子交换能力强, 更容易吸附NH4+、K+、Ca2+和Mg2+, 从而提高土壤中养分的利用率, 减少养分流失[36].土壤存在硝化作用, 生物炭施用后矿化产生的NH4+很快被转化为NO3-, 可增加土壤氮素截留, 提高肥料利用率[37].生物炭大多为碱性, 施入酸性土壤后, 土壤pH增加, 提高土壤养分利用[38], 有效改良酸性土壤中的铝毒性, 从而提高作物产量[39].但是, 在pH过高的碱性土壤中施用时, 土壤酶活性和微生物有效性受抑制, 使作物增产不明显[40, 41].同样地, 生物炭施入黏土后, 由于黏土持水性高、通气性差等因素导致生物炭短期改良不明显[42], 作物增产也不显著.土壤C/N是评价土壤氮素矿化能力的指标, 低C/N可以加快土壤微生物分解和氮的矿化速率, 高C/N则有抑制作用[43].因此, 土壤全氮含量高, 生物炭施入后作物增产更明显.本研究中, 生物炭的增产效应随着土壤碱解氮和有效磷含量的升高而减弱, 可能因为土壤碱解氮和有效磷含量较高的数据大多在我国东北地区及华北平原, 这些地区土壤较肥沃, 而生物炭在肥力较高的土壤中增产作用不明显[44].

3.2 生物炭特性对生物炭增产效应的影响

生物炭的有效性和应用依赖于生物质原料及其生产条件, 不同原料制备的生物炭对作物增产差异显著[45].由于畜禽粪便类生物炭样本量不足, 本研究仅涉及果木枝条、竹子等木质生物炭和秸秆生物炭, 前者对作物的增产效应显著高于后者.这是因为木质生物炭虽然自身营养素较少, 但其孔隙结构更发达, 可以将肥料中额外营养素浸渍并随后造粒, 最终以较慢速度控制营养素释放, 从而减少营养素损失[46].热解温度是生物炭炭化工艺的重要参数之一, 也是评价生物炭稳定性的一项重要指标.400~600℃裂解的生物炭增产效应低于400℃以下, 但高于600℃的增产效应, 这与Liu等[17]结论不一致.一方面, 可能因为研究数据中的高温裂解生物炭中竹炭等木质生物炭占了绝大多数, 提高了高温裂解生物炭亚组的增产效应; 另一方面, 可能是秸秆亚组中玉米秸秆的C含量随热解温度的升高而降低造成的[47].本研究中, 生物炭自身pH大小与产量呈负相关关系.当pH过高的生物炭施入土壤后, 会导致土壤碱度过大[48], 进而抑制作物生长.

3.3 田间管理措施对生物炭增产效应的影响

本研究中, 生物炭不配施氮肥也能提高作物产量, 这与刘成等[20]的研究结果一致, 配施氮肥后增产更显著.这是因为当外源养分吸附在生物炭上, 生物炭可以作为一种缓释肥料来提供养分[49].生物炭与肥料配施存在协同或互补的关系：肥料消除了生物炭养分含量低的缺陷, 生物炭的吸附性发挥作用又赋予肥料养分缓释性能[50].随着生物炭施用量的增加, 主粮作物的增产效应先增加后减少, 在10~25 t·hm-2时达到最大; ＞40 t·hm-2后, 增产不显著.一方面过量生物炭会提高土壤C/N, 进而抑制作物生长; 另一方面过量的生物炭输入提高土壤pH而降低养分有效性.生物炭施用后, 增产效应随时间推移而减弱, 一般3 a后增产不明显.例如, 荣飞龙等[51]在5 a大田试验中, 得出酸性稻田添加生物炭改善水稻群体质量, 进而促进水稻增产, 但仅增产3 a.这是由于生物炭增产效应更多来自于新鲜生物炭的石灰效应提升碱度和土壤中所含养分的直接添加, 生物炭表面颗粒的老化与氧化可产生酸性物质, 却会降低生物炭提高土壤pH的能力[52], 长期的养分淋溶也会降低土壤养分对生物炭增产效应的影响.也有相关研究认为, 生物炭一次施入数年后对作物产量无明显影响[53], 但仍可长期改变环境效应如增加氮素利用效率和减少N2O排放等[54].因此, 生物炭一次施入后的长期效应仍需深入研究.

由于本研究各亚组的组内异质性都不显著, 在已有亚组分析上再进行分组结果变化不大.但考虑到目前生物炭价格还相对较高, 较小的生物炭施用量变化都会造成较大的经济差异.因此将生物炭施用量分作物再进行探讨以减少成本(图 8).结果表明, 生物炭增产效应仍随生物炭施用量的增加呈现先增加后减少趋势, 但小麦和玉米的生物炭最佳施用量为10~20 t·hm-2, 水稻的生物炭最佳施用量为15~25 t·hm-2, 且最大增产率低于小麦和玉米.在水稻生长过程中, 大多数时间保持淹灌管理, 限制了生物炭对土壤结构和土壤水分条件的影响[55], 而其对土壤理化性质的改善被土壤保水能力的降低所抵消[56], 进而导致生物炭常见的土壤改良在淹灌情况下并不显著[18], 平均增产率也略低于小麦和玉米.本研究发现, 不同施炭量均显著提高水稻产量, 但增产率相差不大.例如, Cui等[57]的研究发现, 在稻田土壤中施用2 t·hm-2和40 t·hm-2生物炭后, 水稻增产无显著差异. Huang等[58]的研究认为, 生物炭仅改变稻田土壤环境, 对水稻产量无影响, 这与本研究的结果不一致.可能原因是他们仅参考了6篇文献, 且试验地点均在我国南方, 数据量有限.本研究认为, 稻田实际生产中可以考虑损失部分产量, 适宜减施, 在保证增产的同时兼顾经济效益.

图 8 不同作物类型对生物炭施用量的增产效应 Fig. 8 Yield-increasing effects of different crop species on biochar application rates

4 结论

(1) 与不施生物炭相比, 施生物炭可改善主粮田土壤理化性质, 提高主粮作物产量.建议优先将生物炭施用在低肥力的酸性或中性土中, 并将生物炭C/N控制在60以下, 生物炭pH控制在7~8.

(2) 随着生物炭施用量的提高, 主粮作物增产率先增加后降低.其中, 不同施炭水平的水稻增产率相近, 实际生产中可考虑损失部分产量, 适当减施, 在保证增产的同时兼顾经济效益.

(3) 生物炭一次施入主粮农田中, 一般3 a后增产不显著, 生物炭的长期效应有待进一步研究.

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