生物炭在可持续和气候适应性农业中的应用：3P方法

气候变化与资源短缺威胁农业可持续性，生物炭（BC）通过改善土壤结构、增强微生物活性、调节水分和养分循环等特性，在提升作物产量、修复退化土壤及固碳方面展现潜力，但其应用受原料类型、热解条件、土壤特性及经济效益制约，需进一步研究规模化应用的技术路径与政策支持。

阿卜杜勒·拉希姆·琼乔（Abdul Rahim Junejo）| 刘金瑞（Jinrui Liu）| 陈可月（Keyue Chen）| 萨哈扎德·侯赛因·达赫里（Shahzad Hussain Dahri）| 亚斯明·琼乔（Yasmin Junejo）| 李浩（Hao Li）

中国农业科学院农田灌溉研究所，中国新乡，453002

摘要

气候变化、水资源短缺和土壤退化共同威胁着大多数农业国家的农业可持续性。在不断变化的气候条件和日益减少的资源背景下，创新性地提高农业生产率是现代农业的迫切需求。生物炭是通过生物质的热处理制备而成的富含碳的材料，具有独特的物理、化学和生物特性，使其在农业生态系统中具有多种应用价值。本文综述了生物炭在可持续农业中的作用，重点介绍了其性质、作用机制以及其在促进土壤微生物过程、养分循环、水资源管理、作物生长和退化土壤修复方面的应用。生物炭工程的最新进展、与化肥和有机肥料的结合以及其在碳市场中的潜力，为生物炭的创新应用和广泛使用带来了机遇。尽管在农业领域的应用仍面临性能波动、高生产成本和缺乏长期田间研究等挑战，但生物炭的发展势头正在逐渐增强。本文通过不同领域的评论和批评，强调了生物炭在支持气候适应型和资源高效型农业方面的潜力，并概述了实现可持续农业所需的研究、政策和创新方向。

引言

21世纪，农业面临着由气候变化（CC）、土壤退化和淡水短缺带来的前所未有的挑战[1]。不断增长的人口对提高生产力以满足当前对食物、饲料和纤维的需求提出了压力。传统农业做法虽然在绿色革命期间成功提高了产量，但往往以牺牲土壤健康、水质和长期环境可持续性为代价。新兴的可持续技术结合精心设计的管理策略，能够同时提高作物生产力、恢复生态系统功能并减少温室气体（GHG）排放，这对于发展多抗性农业系统至关重要[[2],[3],[4]]。

生物炭（BC）是一种通过有机生物质热解获得的稳定且富含碳（C）的材料。其独特的物理、化学和生物特性使其成为多种农业和环境功能的综合投入材料[5,6]。这些特性包括提高土壤肥力、增强水分和养分保持能力、固定污染物以及提供长期碳封存[7,8]。除了作为土壤改良剂外，生物炭的生产还能产生可再生能源副产品，从而通过将农业废弃物转化为有价值的产品来促进循环经济[9,10]。

过去二十年里，相关研究和文献数量迅速增加，显示出生物炭在实现可持续农业产出方面的潜力（图1(a和b)）。许多实验和田间研究报道了生物炭的有益效果，但其结果存在很大差异。这些差异受原料类型、热解条件、土壤特性和种植系统的影响[[11],[12],[13],[14]]。生物炭-土壤-植物相互作用的复杂性以及农业环境的多样性，使得难以建立一致的原则或最佳实践指南。同时，关于生物炭的讨论已经超越了农艺性能的范畴，扩展到了政策框架、经济可行性以及生物炭工程创新等更广泛的可持续性维度[[15],[16],[17]]。由于这些独特的性质和益处，过去十年中生物炭相关研究显著增加（图1(c)）。

鉴于这一趋势，进行全面的综述既及时又必要。本文综合评估了生物炭的性质、其对土壤和作物系统的影响途径，以及将其作为可持续农业和气候适应工具的应用前景。通过整合现有知识、识别不足之处并明确未来发展方向，本文旨在为研究人员提供参考，同时为从事可持续农业发展的实践者和政策制定者提供指导。

生物炭的性质

要评估生物炭作为多抗性农业投入材料的性能，需要对其性质有全面的了解。这些特性主要取决于原料类型、热解条件，以及这些性质如何影响其在土壤中的反应以及作物可利用的养分。生物炭的应用效果基于其物理、化学和生物特性。

生物炭的作用途径

作为一种环保的土壤改良剂，生物炭在改善土壤特性和促进植物生长方面具有多种优势（图3）。其有效性源于其独特的物理化学性质。然而，其效果并不遵循固定标准，例如效果受原材料（1）、热解条件（2）、颗粒大小（3）、施用量（4）、土壤特性（5）、气候条件（6）和农业管理方式（7）的影响。

根系与生物炭的相互作用

生物炭作为长期土壤改良剂的可持续性主要归功于其极高的抗侵蚀性和化学稳定性，这使得它能够在土壤中长期存在，并支持稳定的碳封存和长期养分保持[161,162,163]。这些特性对根系与生物炭之间的相互作用有显著影响，生物炭能促进根系形态发育，平均使根长增加52%，根系表面积增加39%

规模化应用与经济效益

尽管有大量实验证据支持，但由于成本考虑、物流挑战以及不同应用环境下的效益差异，生物炭的大规模应用仍受到限制。生物炭的生产经济效益取决于原料的可获得性、热解技术以及能否产生生物油和合成气等副产品。生命周期评估（LCAs）一致显示生物炭系统具有净正碳平衡，但经济可行性因地区而异。一个关键障碍是确保足够的

结论

生物炭已被证明是一种多功能改良剂，能够提高土壤肥力、改善水资源管理和作物生产力。其在农业中的应用有助于长期碳封存和环境效益，进一步平衡自然生态系统。其发展前景取决于解决土壤性质变化、潜在风险和高生产成本等问题，同时需要加强相关政策、认证标准和农民的采纳度。

CRediT作者贡献声明

阿卜杜勒·拉希姆·琼乔（Abdul Rahim Junejo）：撰写——审稿与编辑；撰写——初稿；可视化；概念构思。刘金瑞（Jinrui Liu）：撰写——审稿与编辑。陈可月（Keyue Chen）：撰写——审稿与编辑。萨哈扎德·侯赛因·达赫里（Shahzad Hussain Dahri）：撰写——审稿与编辑。亚斯明·琼乔（Yasmin Junejo）：撰写——审稿与编辑。李浩（Hao Li）：监督；资金筹集；正式分析。

伦理审查

不适用。

出版同意

所有作者同意发表该手稿。

资金支持

本研究得到了中国农业科学院农业科学技术创新计划的支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

第一作者衷心感谢导师李浩博士提供的研究奖学金，这有助于他的研究、发展和完成这项工作。同时，也非常感谢中国农业科学院研究生院通过GSCAAS奖学金提供的财政支持，使得这项研究成为可能。此外，所有作者也感谢Biorender（www.biorender.com）在图形制作方面的协助。