Evaluation of greenhouse gas emission reduction and net environmental and economic benefits from biochar application in paddy fields

通过对Web of Science、中国知网文献数据库进行全面检索，筛选发表于1995—2025年的文献。检索关键词包括：“生物炭”“生物质炭”“温室气体排放”“作物产量”“土壤有机碳固存速率(SOCSR)”。纳入研究的变量包括施氮量、土壤有机碳质量分数、生物质炭基底类型和生物质炭施用量。研究应符合以下准则：①研究对象为中国范围内的稻田，排除建模仿真结果和实验室数据；②实验设计必须包含添加生物质炭的处理组和不添加生物质炭的对照组；③必须报道了CH₄排放量、N₂O排放量、SOCSR和作物产量四者之一；④应报道基本的土壤特性及施肥策略。

数据直接从所选文献的表格及文字描述中提取，对于图像中的数据点，通过GetData Graph Digitizer (Version 2.26.0.20)进行提取。对于未提供标准差(SD)和标准误(SE)的研究，不纳入本研究，而对于仅提供标准误的数据点，可通过式(1)计算标准差。

式(1)中：S_D表示标准差，S_E表示标准误，n表示实验重复次数。

最终，筛选稻田CH₄排放量(26篇)、N₂O排放量(24篇)、SOCSR (20篇)和作物产量(45篇)的文献，分别提取到90个(CH₄)、77个(N₂O)、49个(SOCSR)、247个(产量)的观测值，同时包含添加生物质炭的处理组和不添加生物质炭的对照组。这些研究的实验地点分布于中国各地，其中大部分分布于长江三角洲和东北等地。纳入的解释变量包括各种生物质炭基底类型(花生Arachis hypogaea壳基、木薯Manihot esculenta秸秆基、水稻秸秆基、小麦Triticum aestivum秸秆基、玉米Zea mays秸秆基、竹子Phyllostachys edulis基)、生物质炭施用量(kg·hm⁻²)、土壤有机碳质量分数(g·kg⁻¹)和施氮量(kg·hm⁻²)。

生物质炭对稻田CH₄、N₂O、SOCSR和作物产量的影响通过效应值(y_i)来评估，效应值被定义为自然对数响应比(lnR)，通过式(2)计算：

式(2)中：Y_t和Y_c分别表示处理组和对照组的指标均值。

自然对数响应比(lnR)对应的研究内方差(v_i)通过式(3)计算:

式(3)中：S_t²和S_c²分别指处理组和对照组的标准差；N_t和N_c分别表示处理组和对照组的实验重复次数。

分析采用混合效应模型，累积效应量通过加权平均各独立研究的效应量获得。权重(w_i)同时考虑研究内方差(v_i)和研究间方差(τ²)，计算公式为：

整个建模过程使用R软件中的Metafor包完成。首先计算添加生物质炭对稻田指标的累积响应；随后通过引入解释变量构建混合效应模型并进行回归分析。在Meta分析过程中，纳入的不同研究之间可能存在大量的发表偏倚和较高的组间异质性，因此需要通过一些方法来评估本研究所得到的结论是否可靠。对于失安全系数(Nfs)和漏斗图，若Nfs远大于5k+10 (k为观测值个数)，漏斗图分布对称且Egger检验的P＞0.05，则认为该研究结果可靠^[17]。

通常将净环境经济效益(NEEB)作为对稻田净环境经济效益分析的主要指标。NEEB考虑了收益、成本和环境损耗，其核心计算公式为：

式(5)中：N为净环境经济效益值；b_c为作物产量所得收益；b_e为稻田的环境效益；c_i为农业活动投入成本；c_e为稻田的环境损失。在计算NEEB值时，应根据不同的研究侧重点对上述公式进行细化和拆解。在本研究中，作物产量收益计算应同时考虑大米价值和水稻秸秆价值，所纳入的环境污染指标包括温室气体(CH₄和N₂O)排放和土壤氮流失(NH₃挥发、氮淋失和氮径流)，农业活动投入成本应考虑氮磷钾肥成本、有机肥成本、生物质炭成本、农药成本、耕作和灌溉等设备成本^[18]。因此，b_c、b_e和c_e的计算如式(6)：

式(6)中：b_r为大米收益；b_s为水稻秸秆收益。环境效益和损失的计算，应同时考虑温室气体排放和氮流失，将减排量或排放量统一为二氧化碳(CO₂)当量，计算公式为：

式(7)中：N₁、N₂、L、R、C分别为N₂O、NH₃、氮淋失、氮径流、CH₄的排放量(b_e)或减排量(c_e)。

如图1所示：在稻田种植过程中添加生物质炭能使SOCSR提高30.5%，能为作物增产12.8%，说明添加生物质炭对SOCSR和产量的提高作用显著(P＜0.001)；而对温室气体的排放却无显著影响(CH₄：P=0.230，N₂O：P=0.070)，但总体也呈现减排趋势。因此，后续的亚组分析及回归分析主要针对SOCSR和作物产量这2个指标进行。

Figure 1.  Overall effects of biochar addition on CH₄, N₂O emissions, SOCSR, and yield in paddy fields

生物质炭的种类是生物质炭投入过程中的重要变量，因此对6种不同生物质炭的效应差异进行亚组分析，结果见图2。如图2所示：生物质炭种类对作物产量和SOCSR均具有显著影响(P＜0.001)，其异质性检验指标(Q_m)分别为33.17和42.34。其中，花生壳基、木薯秸秆基和小麦秸秆基分别能使稻田增产15.4%、16.1%和7.1%。同时，它们也能显著增加SOCSR (P＜0.001，P=0.003)，分别增加了50.7%、51.7%和43.5%。而水稻秸秆基对SOCSR也有一定促进作用(P=0.047)，提高了15.1%。因此，花生壳基、木薯秸秆基和小麦秸秆基更有利于提高作物产量和土壤有机碳的固定，其中，木薯秸秆基的效果最优。

Figure 2.  Subgroup analysis of biochar types on SOCSR and yield effects in paddy fields

在添加生物质炭的条件下纳入了常见的土壤和田间管理变量进行亚组分析，包括有机肥投入、土壤pH、土壤总氮、翻耕、灌溉和残留物管理，结果如图3所示。可见，有机肥投入能显著提高稻田的作物产量 (增加10.1%)和SOCSR (增加10.1%)；中性或弱酸弱碱的土壤 (5＜pH≤8)对产量和SOCSR均有一定的提升作用，分别提高了10.9%和8.7%；过高的土壤总氮(土壤总氮＞2 g·kg⁻¹)使稻田增产9.5%，而适中的土壤总氮(1 g·kg⁻¹＜土壤总氮≤2 g·kg⁻¹)增加了12.7%的SOCSR；翻耕有利于作物产量提高(提高24.5%)，却不利于SOCSR的提高，不翻耕使SOCSR提高了12.7%；灌溉对作物产量和SOCSR均有正向影响，分别提高了7.6%和5.5%，秸秆还田处理可协同提升作物产量(提高14.1%)与SOCSR(提高10.7%)。

Figure 3.  Subgroup analysis of soil and field management variables on SOCSR and yield effects in paddy fields

从稻田的生物质炭添加、土壤特性、施肥措施方面分别选取对产量和SOCSR具有重要作用的变量(生物质炭施用量、土壤有机碳质量分数和施氮量)进行Meta回归分析。如图4所示：生物质炭施用量、土壤有机碳质量分数与作物产量和SOCSR均呈正相关(P＜0.001)。施氮量对作物产量和SOCSR也有显著作用(P＜0.001)，在施氮量为0~200 kg·hm⁻²时，施氮量与作物产量呈正相关，而高施氮量却会降低SOCSR。其中，施氮量对产量的影响可能并非简单的线性关系，过量施氮可能会引起作物减产，不同作物的适宜施氮量有所差异。

Figure 4.  Relationships between key continuous variables and crop yield/SOCSR

对所得结果进行发表偏倚检验结果(表1)表明：作物产量和SOCSR的失安全系数(Nfs)均远大于5k+10，这代表现有研究结论的稳定性在添加很多不稳定因素后依然很难被破坏。从漏斗图(图5)和其对应的Egger检测(表1)可以看出：作物产量和SOCSR漏斗图的散点均呈现对称分布，Egger检验中作物产量和SOCSR的P均大于0.05。表明本研究所得到的结论是可靠且稳定的，不具有明显的发表偏倚，案例的组间异质性较小。

Figure 5.  Funnel plots to test publication bias

在已有研究中选择同时报道了CH₄、N₂O和NH₃排放量，氮淋失和氮径流量的文献(6篇研究23对观测点)，这6篇文献的田间实验均发生在2016—2018年。在计算成本或效益时，取3 a的平均价格，如表2所示。通过式(5)、式(6)、式(7)分别计算23组数据点对应的无生物质炭投入的对照组和有生物质炭投入的处理组的NEEB值。与NEEB计算相关的产量、投入量等信息均取自所选的6篇文献中。

由图6可以看出：有生物质炭投入的NEEB值(6 302 元·hm⁻²·a⁻¹)要明显高于无生物质炭投入(2 927 元·hm⁻²·a⁻¹)，这说明在稻田耕作过程中添加生物质炭有利于提高收益，降低温室气体和氮流失造成的损耗，从而提高综合净环境经济效益。

Figure 6.  Net environmental and economic benefits (NEEB) values with and without biochar application

本研究结果显示：在稻田中添加生物质炭对作物增产和土壤固碳作用显著，而对温室气体(N₂O和CH₄)排放有减排的趋势。生物质炭对稻田土壤有机碳储量和作物产量的提升作用可归因于其稳定的碳结构对土壤肥力的改良效应。生物质炭的高度芳香化碳能够延缓土壤矿化速率，长期提升SOCSR，其多孔特性和表面官能团可吸附养分、改善土壤持水性、促进水稻根系发育与养分吸收，最终提高产量；并且生物质炭为稻田添加了有机质，为微生物提供更丰富的养分从而提高其活性，进一步提高了作物的氮素利用率，影响产量和土壤固碳能力^[21]。而对于CH₄和N₂O排放，生物质炭通过改善土壤通气性，抑制甲烷菌活性，其吸附铵根离子(${\mathrm{NH}}_4^+ $)的能力可能减少硝化-反硝化过程的氮损失，从而间接降低N₂O生成潜力，但这一过程需要相对较长的周期才会有较为明显的作用^[22]。

对于生物质炭种类，花生壳具有较高的全磷含量(≥1.0%)，其灰分中的磷元素可直接补充土壤速效磷，促进作物养分吸收。木薯秸秆的木质素含量较高，高温裂解后形成稳定的芳香化碳结构，延缓有机碳矿化，提高土壤微生物活性，从而显著提升SOCSR和产量。小麦秸秆在500~700 ℃制备时，比表面积显著增加，增强了对氮钾等养分的吸附能力，改善了土壤持水性和通气性，进而提高了作物产量^[23]。总的来说，花生壳、木薯秸秆和小麦秸秆是较为优质的生物质炭基，更有利于作物的养分吸收和土壤固碳。

有机肥投入可以增加土壤有机质，促进微生物活性和酶分泌，从而加速碳氮磷的矿化-腐殖化循环^[24]；中性至弱酸性土壤(5＜pH＜8)是大多数土壤微生物最适宜的生存范围，其酶活性比强酸/强碱土壤高30%~60%。此范围内，淋失减少，磷、钙、镁的有效性显著提升(如有效磷质量分数增加5~20 mg·kg⁻¹)；灌溉通过维持土壤含水量，促进有机质分解与腐殖质形成。研究表明：灌溉条件下的碳固存效率可提高12%~18%，因水分促进了微生物-有机质相互作用^[25]；秸秆还田每年可向土壤输入有机碳2~4 t·hm⁻²，其纤维素和木质素经微生物分解后形成腐殖酸，直接提升SCOSR。秸秆还田还能增加土壤大团聚体比例，改善通气性^[26]。上述变量均能通过直接或间接的方式提高作物产量，加快碳的固存速率。与此同时，生物质炭施用量、土壤有机碳质量分数和施氮量均与稻田产量存在正相关关系，这是因为碳和氮是作物生长的关键营养元素，适宜的碳氮比(25~35)通过促进微生物-植物协同代谢来提升养分利用效率。过高的施氮量或过低的碳投入会使土壤碳氮比降低，引发微生物代谢策略转变，改变了土壤特性(如pH降低等)，降低了微生物活性和养分利用效率，从而破坏了微生物和作物的平衡关系，直接导致SOCSR下降^[27]。

本研究结果表明：投入生物质炭后稻田的总体效益显著高于无生物质炭投入。添加生物质炭虽然提高了农业成本，但对作物产量的提升和对环境问题的修复价值则更为显著。如江苏省稻麦轮作区连续11 a施用生物质炭，使作物抗灾能力提高，从而增产23.5%~29.4%；对蔬菜大棚添加秸秆生物质炭改善了土壤性质及微生物活性，产量增加了19.5%^[28]。

根据研究结论，对种植稻田的农户提出以下优化策略：①在稻田种植中投入适量的生物质炭并控制肥料施氮量，维持适宜的土壤碳氮比(25~35)，从而实现生物质炭-氮肥协同管理和保产减排。②生物质炭种类在产区附近择优，若稻田附近存在花生、木薯和小麦种植，则尽量以附近种植的作物作为生物质炭基底；若没有则选取水稻秸秆。③应强化财政补贴支持，以提高农户实践积极性，即对符合绿色农业政策的商品(如生物质炭和有机肥)进行适当的补贴，采取碳汇导向的动态奖励机制。针对土壤碳封存量达3 t·hm⁻²的农户进行奖励，若施氮量高于220 kg·hm⁻²则不予奖励。④在水稻主产区建立“生物质炭-控氮”集成示范区，配套村级炭化站，从而实现生物质炭推广。

本研究显示：添加生物质炭对提高作物产量和土壤有机碳固存速率有显著影响，对温室气体也有一定的减排趋势，这种趋势可能在长期的田间监测中会有更明显的体现。与此同时，多个田间变量也对生物质炭的效应有不同程度的影响，特定的生物质炭种类、有机肥的投入、适宜的施氮量、合理的翻耕和灌溉以及秸秆还田都对促进生物质炭投入的作用有正向的影响。