0 引言
【研究意义】生物质炭（biochar）是生物质在缺氧条件下通过热化学转化得到的固体产物,单独或者作为添加剂在改良土壤、提高资源利用效率、降低或减缓环境污染,以及作为温室气体减排的有效措施上被广泛应用[1]。其中,农业是生物质炭应用最广泛的领域,而进一步特殊加工形成的生物质炭产品在退化耕地、退化草原、退化果园及新垦土地等障碍用地的生态修复与重建方面也具有广阔的应用前景[2-3]。已有大量研究表明,生物质炭施入土壤生态系统后,不仅可以达到增强土壤碳汇功能的目的,还可以明显改善土壤结构及理化性状,提高土壤养分有效性、团聚体稳定性等[4],而且通过增强及改善土壤微生物活动与活性[5]等间接影响作物的生长发育,表现出良好的提高土壤质量和肥力、提升作物产量的作用[6-7]。因此,在生物质炭应用越来越广泛的今天,深入研究生物质炭特性及其施用管理,从大尺度范围评估其在农业生产中的应用价值,对于农业可持续发展具有重要的理论和实践意义。【前人研究进展】近年来,关于生物质炭施用对作物生长及其产量的影响,已成为农业增产研究的热门领域[8-9]。有研究表明,在相同的环境条件下,同一种生物质炭施用于不同作物,对产量的影响不同[10]。张娜等[11]通过大田试验研究发现,与不施用生物质炭相比,生物质炭的施用有利于提高夏玉米生育期尤其是前中期叶片叶面积指数、叶绿素含量以及净光合速率,进而提高干物质积累以及玉米穗粒数;还有研究表明,生物质炭与肥料混合施用较单施生物质炭显著提高肥料利用率,从而改善水稻产量性状,提高水稻产量[12];也有一些研究发现,生物质炭对作物生长或产量的影响与土壤类型有关[13],UZOMA等[14]将生物质炭应用于砂质土壤的玉米中,结果发现15.0 t·hm-2 施用量处理的产量高于20.0 t·hm-2处理,而唐光木等[15]在新疆灰漠土上的研究表明,作物产量随生物质炭施用量的增加而增加,由于生物质炭的属性、施用量、土壤肥力、土壤质地等因素的差异,导致其应用效果的研究结果并不完全一致[16]。早期的研究结果大部分基于盆栽或温室培养试验,其结果的差异解释更多依赖于控制实验的假设和条件[17-18],正因如此,生物质炭越来越多的应用于大田的长期试验[19]。除此之外,更多****也开始关注生物质炭的施用管理对于作物产量的影响。例如,LIU等[22]研究生物质炭不同添加量（2.5、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0 t·hm-2）对红壤番茄产量的影响,结果发现40.0 t·hm-2的生物质炭施用量增产效应最显著,可增产53.8%,低剂量效果并不明显;此外,DONG等[23]通过两年的田间试验研究,发现生物质炭施用后的第一年水稻增产13.5%,第二年增产6.1%,即生物质炭施用对作物产量的影响程度也存在时效性。基于人们对于无论是盆栽、温室培养或是大田实验结果的假设机制认可程度的差异,以及不同特性生物质炭应用的适宜性,****开始尝试采用整合分析来评价生物质炭施用的效果和效应。如JEFFERY等[20]在2011年对16篇已发表文献进行整合分析,得出生物质炭的施用可平均增产10.0%。2013年,LIU等[21]采用相同方法扩充样本量进行评估,也得出了相似结果。【本研究切入点】近些年来,生物炭的研究及其应用备受关注,且随着生物质炭制备原料与制备工艺发展,以及人为施用管理的精细化,单一因素的影响分析已不能满足农田实际地域环境条件。【拟解决的关键问题】本研究基于以上问题,在前人工作的基础上,继续扩大样本容量和更新样本数据,增加文献数据收集的限制条件,对不同生产条件下形成的具备不同特性的生物质炭,施用后作物产量的变化进行分析。采用数据整合分析（Meta-analysis）方法,比较施用不同制备原料与制备温度的生物质炭,以及不同施用管理对作物产量的影响及其差异,为生物质炭的选择性应用与促进作物增产的长期效应提供科学参考。1 研究方法
1.1 数据来源
本研究基于中国知网、万方、ScienceDirect、Springer link和Wiley-Blackwell 5个文献数据库,对生物质炭施用与作物产量的相关文献进行检索。设置检索主要关键词包括“生物质炭（biochar or biomass charcoal）”和“产量（yield）”。筛选文献基本要求包括：（1）试验中必须有严格的处理和对照,处理组为施用生物质炭处理,对照组为不施用生物质炭处理;（2）处理组和对照组除生物质炭处理外,其他试验条件一致;（3）文献研究中每一个试验处理的重复数必须≥3[24]。所收录文献出版时间截止到2016年3月。1.2 数据库建立与数据分类
根据以上条件,最终获得97篇有效文献,具体发表时间分布如图1。其中,2010年之前发表的有11篇,2010—2013年发表的有40篇,2013年至2016年3月发表的有46篇。采用Excel 2013软件建立生物质炭与作物产量关系的数据库,主要包括作者、题目、试验地点、试验时间、土壤质地、作物类型和施用生物质炭处理等。在建库过程中,针对图类,利用GetData Graph Digitizer 2.24 软件来转化数据。共获得匹配数据819组,每组数据均包含相应的标准差（SD）,如果文献中是标准误（SE）,则根据下式进行转换：
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1发文的时间分布
-->Fig. 1Distribution of publications in time sequence
-->
在数据提取过程中,对文献中提取的数据进行标准化处理[16],将生物质炭施用量单位统一为t·hm-2。如果是盆栽试验,以每亩耕层土壤重30万斤来进行单位换算[25],将产量单位统一为t·hm-2。如果没有相关报道则将土层厚度设定为一般耕作层厚度20 cm[26]。对于土壤pH,如果试验采用的是CaCl2溶液方法得出的pH,那么使用公式转换,即pH(H2O)=1.65+0.86 pH(CaCl2)[27]。根据相关文献中的研究情况,将生物质炭原材料大致分为壳渣类（坚果壳、燕麦壳、核桃壳、花生壳和甘蔗渣等）废弃物、秸秆类（花生秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆和油菜秸秆等）废弃物、木材类（树皮、木片、剪枝、树干和树枝等）废弃物以及畜禽粪便类（猪粪、牛粪、羊粪等）废弃物等4种类型进行整合分析研究。关于生物质炭制备温度,如果文献给出的是温度区间,则取其平均值。将生物质炭的热解温度划分为4个区间：低温（≤400℃）、中温（401—500℃）、中高温（501—600℃）和高温（≥600℃）。生物质炭碳氮含量比值（C/N值）划分为5个水平：<20、20—50、50—100、100—300、≥300。生物质炭pH分为≤7、7—8、8—9、9—10和≥10等5个水平。根据文献中提供的砂粒（0.05—2 mm）、粉粒（0.002—0.05 mm）、黏粒（<0.002 mm）的相对含量将质地类型分为黏质、壤质和砂质。同时根据《中国土壤》对土壤pH进行分类,分别为酸性土壤（pH<5.5）、弱酸性土壤（5.5<pH<6.5）、中性土壤（6.5<pH<7.5）、和碱性土壤（pH>7.5）。生物质炭施用量大小分为4个水平,分别为<10.0、10.0—40.0、40.0—80.0、≥80.0 t·hm-2。生物质炭施用时间分为4个水平,为<0.5、0.5—1.0、1.0—2.0和>2.0年。
1.3 数据分析
本研究收集的数据均来自于相对独立的研究,可以采用整合分析来判断施用生物质炭对作物产量产生的正效应或负效应以及效应大小[28]。参照ROSENBERG等[29]的方法对文献中有关生物质炭对作物产量的影响结果进行标准化处理。每组数据分为对照组（不施用生物质炭）和添加生物质炭的试验组,试验中的作物产量采用自然对数的响应比（response ratio,RR）作为效应量,即增产效应：lnRR=ln(XB/XC) （2）
式中,XB代表生物质炭试验组的处理值,XC代表对照组的处理值。如果XB和XC均为正态分布且XC不等于零时,lnRR也为近似正态分布,其方差为：
式中,SDB和SDC分别为添加生物质炭组和对照组的标准差,NB和NC分别为添加生物质炭组和对照组的样本数。
效应量的变异系数用各组处理的标准偏差和试验重复数来计算。效应量的权重采用变异系数的倒数表示[30],最终获得的相关数据通过MetaWin 2.1软件进行处理。处理时,纳入的各研究结果须进行异质性检验,若P>0.1,表明多个研究具有同质性,此时选择固定效应模型进行分析（fixed effect model,FEM）;若P≤0.1,则多个研究不具有同质性,此时选择随机效应模型（random effect model,REM）。效应量的标准差越小,分配的权重越大,权重响应比（weighted response ration,RR++）即处理相对于对照增减的百分数及其95%的置信区间（95% CI）可以通过(eRR++-1)×100%来转化。如果95% CI包含零值表明该变量中处理与对照没有显著差异（P>0.05）[31]。
2 结果
2.1 生物质炭对不同类型作物产量的影响
如图2所示,与不施生物质炭相比,施用生物质炭能使不同类型作物的产量均得到显著提高,平均增产14.8%。其中,施用生物质炭对经济作物产量的平均提高幅度（25.3%）显著高于粮食作物（10.0%）;粮食作物主要包括玉米、小麦和水稻,增产效应分别达到了13.2%、9.3%和8.5%,经济作物主要包括黑麦草（ryegrass）、芒草（miscanthus）和车前草（plantain）等草木类、果蔬类（白菜、菠菜和西红柿等）、油料作物（花生和油菜）、豆类以及烟草等其他类作物,增产效应分别为9.9%、21.9%、31.4%、54.9%和55.6%。其中以烟草等其他类经济作物施用生物质炭后的增产幅度最为显著,约为粮食作物的5.6倍。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2生物质炭对不同作物类型产量的影响
-->Fig. 2Effects of biochar on the yield of different crop types
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2.2 生物质炭特性对作物产量的影响
不同原料制备的生物质炭,对作物产量的提升也存在显著差异（图3）（P<0.05）。其中畜禽粪便类废弃物的平均增产效应值达到16.5%,高于其他类型原料制备的生物质炭。秸秆类和木材类（主要包括木材、树皮、剪枝和木屑等）生物质炭对作物的增产效应也相对较高,分别为15.2%和15.6%,壳渣类生物质炭的增产效应相对较低,为11.9%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3生物质炭特性对作物产量的影响
-->Fig. 3Effect of biochar characteristics on crop yield
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热解温度,指的是热解炭化制备过程中的最高反应温度（peak temperature）,是生物质炭化工艺的重要参数之一,也是评价生物质炭稳定性的一项重要指标。由图3可见,不同热解温度范围存在明显差异。当热解温度低于600℃时可显著提升作物产量,且随着热解温度的上升,作物的增产幅度呈减缓趋势,分别为低温（≤400℃）18.7%、中温（401—500℃）15.1% 和中高温（501—600℃）9.2%,当热解温度高于600℃,作物产量反而降低,为-22.1%。
生物质炭的输入将会改变土壤体系的C/N值。当生物质炭的C/N值过低或者过高时,与不施用生物质炭相比,均无显著性差异（P>0.05）（图3）。当C/N值在20—300内,生物质炭对作物产量的提升幅度随着C/N值的增大反而逐渐降低,C/N值在100—300内,增产效应降至11.2%,C/N值在20—50内,对作物的增产效应为26.6%,此时增产最显著,是高C/N值（100—300）增产效应的2.4倍。
生物质炭绝大多数呈碱性,其改良酸性土壤的作用被称为“石灰效应”。结果如图3,当生物质炭呈酸性（pH<7）时,作物产量降低（-20.4%）;当生物质炭呈碱性（pH>7）时,能显著提升作物产量,其中当生物质炭pH为7—8时,增产效应为12.0%,相对其他水平pH而言,增产幅度小,pH在8—9、9—10和≥10范围时分别增产20.8%、17.6%和14.4%,且作物产量增加趋势随pH逐渐增大而有所降低,pH为8—9时,增产幅度最显著（P<0.05）。
2.3 生物质炭对种植在不同属性土壤上作物产量的影响
土壤质地是土壤十分稳定的自然属性,能够反映母质来源及成土过程特性。生物质炭应用于不同土壤质地,对作物的增产效应也存在明显差异（图4-a）。生物质炭应用于黏质土壤和砂质土壤,能显著提高作物产量（P<0.05）,提高幅度可达17.4%和17.1%,远高于壤质土壤的增产效应值（1.5%）,且生物质炭施用于壤质土壤与不施用生物质炭相比,增产不显著（P>0.05）。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4生物质炭对不同质地(a)和酸碱度(b)土壤作物产量的影响
-->Fig. 4Effects of biochar on crop yield of different soil textures (a) and different soil pH (b)
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土壤酸碱度是影响土壤微生物代谢的重要因素。如图4-b 所示,生物质炭施用于不同酸碱度的土壤中均能显著提高作物产量（P<0.05）。在酸性土壤（pH<5.5）中的产量增幅（29.2%）远高于中性土壤（6.5<pH<7.5）与碱性土壤（pH>7.5）,分别是其7.9和2.5倍。弱酸性土壤（5.5<pH<6.5）中,产量增幅为18.6%,增产效果也明显优于中性（3.7%）与碱性土壤（11.7%）。总体而言,生物质炭应用于酸性或弱酸性土壤中,增产优势更显著。
2.4 人为管理措施对作物产量的影响
人为因素是除生物质炭与土壤特性之外的第三方要素,如生物质炭的施用量和施用时间。分析结果表明,随着生物质炭施用量增加,作物产量提升的幅度逐渐降低（图5-a）。其中,低施用量（不超过10.0 t·hm-2）对作物产量的提升幅度（18.0%）是高施用量（超过80.0 t·hm-2）的6.2倍。当施用量达到40—80 t·hm-2时,对作物产量的提升幅度降低至13.7%。超过80.0 t·hm-2对作物的增产效应与对照组无显著差异。总之,施用生物质炭均能达到增产效果。
如图5-b所示,随着生物质炭施用时间（年）的变化,增产效果也在不断变化。施用0.5年内,增产效果显著（17.3%）,作物产量提高幅度在0.5—1.0年期间达到顶峰（17.5%）,之后增产趋势逐渐减缓,当超过2.0年时,增产效应降至9.6%,但依然增产显著（P<0.05）,且0.5—1.0 年时的增产效应超过2.0 年时的1.8倍。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5生物质炭施用量(a)和施用时间(b)对作物产量的影响
-->Fig. 5Effects of biochar amendment rates (a) and application time (b) on crop yield
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3 讨论
本研究中的整合分析结果表明,与不施用生物质炭相比,生物质炭的施用使作物产量平均提高15.0%（增产范围为14.8%—16.8%）,此结果略高于JEFFERY等[20]和LIU等[21]关于生物质炭的应用对作物产量的增产效应（分别为10.0%和11.0%）,可能是由于生物质炭施用年限的增加,土壤结构与理化性质得到改善,土壤肥力相比过去得到提升的缘故。不同作物类型对生物质炭施用的响应存在显著差异。生物质炭施用对经济作物产量提高幅度（25.3%）远高于玉米、小麦和水稻这三大粮食作物。这可能是由于生物质炭的大量施用,使得土壤疏松,容重降低[32],有利于花生、马铃薯、萝卜等食用部分位于地下的经济作物生长。在粮食作物当中,生物质炭对玉米和小麦的增产效应又远高于水稻,可能是生物质炭施用于旱地土壤,能够保持土壤充足水分,从而促进作物生长,而对于稻田环境,生物质炭不存在这一作用[33]。所以生物质炭的施用更有利于旱地作物增产。
生物质炭自身的特性是其对作物产量产生影响的根本原因。原材料和热解温度是生物质炭特性形成的“先天因素”,元素含量和酸碱度等物理化学指标是生物质炭特性的“外在表现形式”[26]。这些因素不仅共同构成生物质炭不同于其他含碳物质形式的鲜明特征,且对土壤生态系统作物产量的提升发挥着极大作用。本研究表明不同类型的原材料均表现出对作物的增产效应,除壳渣类原材料制备的生物质炭的增产效应（11.9%）低于平均增产效应（14.9%）外,秸秆类、木材类和畜禽粪便类这3类原材料制备所得的生物质炭的增产效应均高于平均增产效应。其中畜禽粪便类原料制备的生物质炭的增产效应最高（16.5%）,这与黄婷等[34]的研究结果一致。生物质炭虽然经历了破碎和热解过程,但仍在物理结构上保持了原材料的基本形貌,而且在化学组成上也继承了原材料的元素配比特点[35],其物理结构和化学组成决定着生物质炭对土壤生态系统作物产量影响的潜能。因此,以畜禽粪便为原料制备的生物质炭在作物增产方面潜力巨大,具有较好的应用前景。
本研究表明热解温度低于400℃的生物质炭平均会增加18.7%的作物产量,而随着热解温度的提升,生物质炭对作物增产的促进效应逐渐减弱。赵世翔等[36]研究不同温度（300、400、500和600℃）制备的生物质炭的矿化特征的结果也表明,添加生物质炭可以增加土壤呼吸速率、微生物生物量碳（MBC）及可溶性有机碳（DOC）的含量,但随着热解温度的升高而降低[37-38]。因此,当热解温度过高,不仅生物质炭的产率降低,碳保留量也随着温度的升高而降低;此外,生物质炭的H/C和O/C随着温度增加而减少[39],导致其酸碱特性和元素损失而不利于其增产作用的发挥。
生物质炭具有较高的碳氮比值,一般情况下高于土壤的背景值。生物质炭的输入导致土壤体系C/N值的改变,从而对土壤微生物的代谢活动和种群数量及群落结构产生一系列深远影响[40-41]。生物质炭绝大多数情况下呈碱性,其表面含氧官能团（如羧基和酚羟基等）与矿物沉积物（如碳酸盐和结晶态碳酸盐等）是生物质炭碱性的表现形式[42]。本研究发现随着生物质炭pH的增大,作物产量提高幅度先增后减,导致这种趋势可能与种植作物土壤本身的酸碱度有一定的关系。
生物质炭的施用,主要是通过改善土壤的物理性质及结构从而达到增产效果。本研究表明砂质土壤和黏质土壤施用生物质炭具有显著增产效果（17.1%和17.4%）,而壤质土壤中施用生物质炭对作物没有显著增产（1.5%）。原因可能是砂质土壤结构松散,易于生物质炭进入,从而利用其表面丰富的官能团和较大的比表面积,提高土壤阳离子交换量,吸附更多养分离子,避免养分流失,有效提高土壤肥力和肥料利用效率[43];而黏质土壤常呈紧实黏结状态,利于固持生物质炭,增加土壤孔隙度与通气量,从而增加土壤生物活性,提高土壤的微生物丰度及土壤酶活性,促进土壤养分转化,从而显著提高作物产量;但是壤质土壤多由粉粒和黏粒组成,可能会填充生物质炭孔隙造成土壤和生物质炭接触面积堵塞,影响土壤通气性的改善,甚至形成“闭合区域”,限制了生物质炭发挥作用[26]。
土壤酸碱度对土壤微生物多样性、数量及生物活性有重要影响。生物质炭大部分呈碱性,可有效改善土壤酸度,特别是酸性土壤酸度。一方面,生物质炭表面富含带有负电荷的官能团（酚基、羧基和羟基）,可吸附土壤溶液中的H+[44];另一方面,生物质炭中的盐基离子（硅酸盐、硝酸盐和碳酸氢盐等）可与土壤溶液中的H+结合,并显著增加土壤微生物量[45],更有利于作物增产。而对碱性土壤或者有机质含量高的土壤的pH,生物质炭对其提升并不显著[46]。
生物质炭的施用量是影响其增产效应的一个重要因素。李中阳等[47]研究发现施用生物质炭对冬小麦的有效穗数、穗粒数、千粒质量和产量的提高均有促进作用,其中以40.0 t·hm-2的处理增产最多,但随着生物质炭施用量的增加（>50.0 t·hm-2）,产量反而有所降低,但仍然高于对照处理。这与本研究结果相一致,原因可能是生物质炭矿质养分含量低而含碳量较高,加上生物质炭具有较好的吸附性能,超量施入土壤后可能导致供作物吸收利用的有效态养分较少,从而降低土壤养分尤其是氮素有效性[48],使产量提高幅度有所降低。
生物质炭虽然高度稳定,但也存在自身的分解与矿化过程,随着生物质炭人为输入土壤的时间推移,也在不断被土壤生态系统同化。本研究发现,作物增产效应在0.5—1.0年期间达到最大值（17.5%）,而超过2.0年时虽然增产效果显著,但是增产效应值降低至9.6%。这主要是由于生物质炭具有较高的生物化学稳定性和热稳定性,生物质炭在输入土壤的初期会发生迅速降解[49],随后表现为一段时期内难以被微生物降解,在土壤中存留时间长,因而施入土壤后持续改善土壤理化性状的作用有限[25]。YAO等[50]发现相比新鲜生物质炭,风化炭中的Ca、Mg、K等营养元素含量降低,且老化过程极大改变了生物质炭输入对土壤生态系统的影响[51]。所以随着时间增长,生物质炭的增产能力也会下降。
由于生物质炭的复杂多样,本研究没有探讨其与化肥或其他有机肥的协同增产效应,也没有考虑试验条件如盆栽、大田等的影响,部分试验结果有一定的条件适用性。尽管如此,本研究的定量化分析结果也能为今后评价生物质炭的增产效益和环境效益提供科学依据。今后,随着科技不断发展,有关生物质炭与其他管理措施的综合效应与交互作用,仍有待进一步的深入研究。
4 结论
本研究重点探讨不同生物质炭特性与施用管理措施对作物产量的影响程度。整合分析结果表明,生物质炭的施用可以持续促进农经作物产量的提升。生物质炭施用不仅能有效提高粮食作物产量,对经济作物如草木类和果蔬类的产量提升效果更佳。此外,因畜禽粪便类养分含量丰富,其输入可有效提高土壤肥力水平,因此,来源于畜禽粪便的生物质炭对于作物的增产效果更佳。生物质炭的制备温度及产生的相应的特性（如pH）对作物的产量提升具有显著影响。制备温度≤400℃的生物质炭能更显著地提高作物产量,而因生物质炭巨大的比表面积与吸附性能可提高砂质土壤阳离子交换量与固持的养分含量,因此生物质炭更有助于黏质、砂质土壤与酸性、弱酸性土壤上作物的增产。本研究还表明,过量施用生物质炭时,增产效果降低,成本增加,建议施用量控制在40 t·hm-2及以下,且适时追施（每隔2年）可节约成本并达到持续增产的目的。The authors have declared that no competing interests exist.
