人口增长加剧了对农业和自然资源的压力。预计到2050年全球人口将达到96-97亿，这将对农业和自然资源造成前所未有的压力[1,2]。仅印度就占世界土地面积的2.2%，却需要养活近15亿人[3]。这种人口变化加上饮食结构的改变，预计将导致粮食需求增加70%，全球谷物消费量几乎翻倍[4]。应对这一挑战需要在不破坏土壤和环境健康的前提下实现农业的可持续集约化。
传统农业严重依赖化学肥料和农药[5]，虽然提高了产量，但却导致了土壤退化、养分平衡失调和环境污染。过量使用肥料导致养分利用效率低下，尤其是氮（N）的利用率通常只有15-30%，其余部分通过淋溶、挥发或反硝化作用流失，从而加剧了氧化亚氮（N₂O）的排放[6]。全球农业贡献了10-14%的温室气体排放，其中肥料滥用是主要因素[7]。持续依赖矿物肥料进一步加速了土壤有机质的减少，降低了土壤微生物多样性，在某些地区还导致了土壤和食物链中的重金属积累[8,9]。这些问题凸显了迫切需要寻找对气候具有抵抗力的传统养分管理替代方案。
在众多有前景的解决方案中，生物炭（常被称为“黑金”）受到了广泛关注。生物炭是一种富含碳的稳定材料，通过在缺氧条件下热解生物质（如作物残余物、家禽粪便或城市垃圾）制成[10]。这一过程将有机废物从燃烧或填埋中转移出来，并产生了一种有价值的土壤改良剂。生物炭还有助于缓解气候变化；将其掺入土壤中每年可固定高达7.6吨二氧化碳（CO₂）/公顷[11]，到2100年其全球潜力可达9.5×10⁴吨[12]。生物炭的多功能效益源于其独特的性质，包括高孔隙率、大表面积、低容重和丰富的官能团[13,14]。一旦被掺入土壤，生物炭可以改善团聚体稳定性、持水能力和阳离子交换能力[15]，还能调节土壤酸度、减少养分淋溶并提高养分利用效率。此外，生物炭为微生物提供了栖息地，从而增强了微生物生物量、酶活性和养分循环[16,17]。其耐分解的碳成分可以长期存在，充当持久的碳汇[18]。最新研究证实，生物炭能够恢复土壤微生物生物量并提高碳和氮的可用性[19]。长期试验还表明，将生物炭与氮肥结合使用可以增加土壤有机碳和活性碳含量，并改变微生物群落动态[20]。这些发现支持了综合改良策略可能带来叠加甚至协同增效的土壤质量改善的假设。然而，原料类型和热解条件显著影响生物炭的性质。竹子生长迅速且在印度广泛分布，是一种理想的原料，能产生具有高表面积、矿物质含量和吸附能力的生物炭[21, [22], [23]]。
农林业是一种将树木与作物和/或牲畜巧妙结合的土地利用方式，被认为是一种具有气候适应性和生态合理性的做法，能够提高生物多样性、固碳并增强土壤肥力[24]。此外，农林业系统直接或间接地支持了联合国十七项可持续发展目标中的至少九项[25,26]。尽管前景广阔，但关于生物炭在农林业中应用的证据仍然有限，尤其是在印度喜马拉雅地区的多年生树木系统（如Morus（Morus alba L.）系统中）。大多数研究集中在单一作物种植系统上，对于生物炭在多物种农生态系统中的作用了解不足。
最近的研究强调了生物炭作为土壤改良剂的潜力，它能够改善农林业系统的土壤物理化学性质并提高作物产量。在喜马拉雅咖啡种植系统中应用生物炭已被证明可以改善土壤pH值、有机质和植被生长[27]。类似地，在谷物种植系统中，将生物炭与无机肥料结合使用显著提高了作物产量、养分吸收和系统可持续性[28]。在茶树种植系统中，生物炭的应用也影响了土壤碳动态和温室气体通量，显示了其在气候适应性强的树-作物系统中的潜在作用[29]。然而，尽管有越来越多的证据表明生物炭在农林业和多年生作物系统中有益，但专门评估Morus基农林业系统中生物炭应用效果的研究仍然很少，尤其是在喜马拉雅地区的农生态条件下。Morus alba广泛用于中山地地区的蚕桑生产和饲料生产，但针对竹子生物炭在Morus基多年生系统中的系统评估还不够充分。此外，在不同种植制度下的比较评估也较为有限。为填补这些知识空白，本研究评估了竹子生物炭单独使用或与有机和无机改良剂结合使用对Morus基农林业系统中土壤性质和作物产量的影响。研究选择了两种对比作物：豌豆（Pisum sativum L.，一种固氮豆科植物，能提高土壤肥力）和辣椒（Capsicum annuum L.，一种需肥量大的经济价值高的蔬菜）。它们不同的养分需求、生长习性和根系-土壤相互作用为评估生物炭如何支持资源节约型和资源密集型物种提供了有力模型。研究假设，与对照组相比，应用竹子生物炭将显著提高土壤有机碳（SOC）、养分可用性和微生物数量。此外，预期生物炭与有机和无机改良剂结合使用将在土壤肥力和作物产量方面产生更大的改善效果，并且这些基于生物炭的改良组合将比单一使用方式对Morus基农林业系统的土壤健康和作物产量产生积极影响。
