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生物炭对中国水稻产量与氮肥利用效率的影响

期刊:沈阳农业大学学报

《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。

  1. 数据分类与提取

    • 生物炭性状:施用量(0–10、10–20、>20 t·hm⁻²)、C/N比(30、50、100、200)、pH值(<8.5、8.5–10.0、>10.0)、制备温度(<400℃、400–600℃、>600℃)、原材料(秸秆类、壳类、粪便类、木质类)。
    • 土壤因素:质地(细、中、粗)、pH值(>7.5、6.5–7.5、<6.5)、稻作区(北方、南方)。
    • 农艺措施:氮肥施用量(<150、150–250、>250 kg·hm⁻²)、水分管理(长期淹水、干湿交替)、还田时长(<1年、1–2年、>2年)。
      使用GetData Graph Digitizer 2.24提取图形数据,通过变异系数均值法估算缺失标准差。
  2. 效应值计算与模型分析

    • 采用对数响应比(ln R)量化生物炭对产量和NUE的影响,通过随机效应模型计算95%置信区间。
    • 机器学习分析:应用随机森林(Random Forest)和增强回归树(XGBoost)模型评估各因子的相对贡献,训练集与测试集比例为7:3,优化至R²>0.9。

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。

  1. 关键影响因素

    • 生物炭特性
      • 施用量>10 t·hm⁻²时增产显著(7.25%–19.98%),C/N<100、pH<8.5时效果最佳。
      • 秸秆类和壳类生物炭提升效果最显著(分别增产15.84%和16.15%),制备温度400–600℃时NUE提升最高(>500℃后略降)。
    • 土壤性质
      • 在碱性(pH>7.5)和酸性(pH<6.5)土壤中,产量增幅分别达24.87%和7.5%,细质土壤中NUE提升17.07%。
      • 南方稻作区效果优于北方(产量提升8.9% vs. 不显著)。
    • 农艺措施
      • 干湿交替灌溉下生物炭效应最强(产量提升15.72%),高氮(>250 kg·hm⁻²)条件下NUE提高20.98%。
      • 还田时间年时效果显著,随年限延长而减弱。
  2. 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。

  1. 应用价值
    • 推荐南方稻区优先使用秸秆/壳类生物炭(pH<8.5、400–600℃制备),结合干湿交替灌溉和高氮管理,可实现“增产-节肥”协同。
    • 为水稻绿色生产提供技术路径,助力中国“双碳”目标下农业可持续发展。

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。

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