《沈阳农业大学学报》最新研究:生物炭对中国水稻产量与氮肥利用效率的影响
作者及机构
本研究由沈阳农业大学农学院/水稻所/国家生物炭研究院的孙媛媛、顾闻琦、吴迪、修立群、唐亮、张伟明*、陈温福*团队完成,发表于《沈阳农业大学学报》2025年第56卷第3期,网络首发于2025年5月28日。
学术背景
中国是全球水稻生产与消费大国,但高强度耕作、过量施肥及环境问题威胁水稻稳产。生物炭(biochar)作为一种农业废弃物转化产物,近年被广泛研究其在改良土壤、提升养分利用效率中的作用。然而,生物炭对水稻产量和氮肥利用效率(nitrogen use efficiency, NUE)的影响存在显著差异,且缺乏系统性定量分析。本研究旨在通过整合分析(meta-analysis)明确生物炭在中国水稻生产中的实际效果,揭示其关键影响因素及调控途径,为水稻低碳可持续发展提供理论依据。
研究流程与方法
1. 文献检索与筛选
团队以“生物炭”“水稻”“产量”“氮肥”为关键词,检索Web of Science和CNKI数据库(截至2024年1月1日),筛选出49篇符合条件的研究文献。筛选标准包括:中国境内的田间试验、明确的对照组与生物炭处理组、至少3次重复、报告产量及氮肥施用量数据。
数据分类与提取
效应值计算与模型分析
主要结果
1. 整体效应
生物炭使中国水稻产量平均提高9.70%,氮肥利用效率提升12.00%。效应值呈正态分布(P<0.01),表明结果稳健。
关键影响因素
机器学习分析
随机森林模型显示,对产量影响的因子贡献排序为:土壤pH值(23.1%)>生物炭C/N(16.4%)>施用量(14.12%);对NUE的影响以土壤pH值(25.37%)和生物炭C/N(22.55%)为主导。XGBoost模型进一步验证土壤质地和稻作区的重要性。
结论与价值
1. 科学价值:
- 首次系统量化生物炭在中国水稻生产中的增产和提效作用,明确了土壤性质(pH值、质地)为最关键调控因子。
- 揭示了生物炭“剂量-时间”效应:高施用量(>10 t·hm⁻²)短期(年)效果最佳,但长期效应递减,为优化施用策略提供依据。
研究亮点
1. 方法创新:结合传统整合分析与机器学习(XGBoost、随机森林),量化多因子交互作用,突破传统统计模型的局限性。
2. 实践指导性:提出“因地选炭”策略,例如酸性/碱性土壤需针对性选择生物炭pH值,细质土壤优先施用高孔隙度生物炭。
3. 跨学科意义:将环境科学(生物炭特性)、土壤学(pH/质地)与农艺学(水分/施肥)深度融合,推动农业精准化管理。
其他发现
生物炭通过“开源节流”机制提升NUE:
- 开源:缓慢释放氮素、促进微生物固氮;
- 节流:吸附铵态氮、减少淋溶损失。
这一机制在高氮投入系统中尤为显著,为减少面源污染提供新思路。
参考文献
研究引用49篇文献,包括Xia等(2023)关于生物炭与硅肥协同效应、Joseph等(2021)关于生物炭老化机制的综述,数据支撑扎实。