《Earth Critical Zone》：Biochar Effects on Soil Moisture and Soybean Yield in Claypan Soils
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本研究针对美国中西部黏磐土地区生物炭对土壤水文过程影响研究不足的问题，通过为期两年的田间试验，系统评估了两种施用剂量（2.7与5.4 Mg ha-1）的生物炭对土壤体积含水量（VWC%）及大豆产量的影响。结果表明，高剂量生物炭能显著提升10-20 cm深层土壤的持水能力，但此水文改善并未转化为大豆产量增益。研究揭示了在黏磐土中，水分有效性提升与作物产量响应之间存在非线性关系，强调了优化生物炭施用策略需考虑水分时空分布与作物需水关键期的匹配性，为干旱地区农业水分管理提供了重要科学依据。
在气候变化加剧水资源短缺的背景下，如何提高农业系统的抗旱能力成为全球关注的焦点。土壤作为作物生长的基石，其水分保持和利用效率直接决定了农业生产的可持续性。生物炭（Biochar），这种由生物质在缺氧条件下热解产生的富碳材料，因其多孔结构和巨大比表面积，被广泛认为能够改善土壤结构、增强保水能力，从而有望成为提升农业水资源利用效率的“神奇材料”。然而，生物炭的实际效果却如同一个“黑箱”，在不同土壤类型和气候条件下表现出巨大的差异，尤其是在美国中西部广泛分布但研究尚不充分的黏磐土（Claypan Soils）中，其真实效应更是迷雾重重。
黏磐土并非普通的黏土，其最显著的特征是在地表以下存在一个致密、高黏粒含量的“黏磐”层。这层“磐石”般的障碍，极大地阻碍了水分的下渗和根系的深扎，导致土壤排水不畅、渗透性极差，雨季易发生地表径流和养分流失，旱季则因浅层储水不足而使作物面临干旱威胁。在这种独特的土壤中，生物炭能否发挥其预期的改良作用？它改善的土壤水分，是否真能被作物有效利用并最终转化为产量的提升？为了解开这些谜团，由Jamshid Ansari、Sidath S. Mendis、Morgan P. Davis、Miguel Salceda-Gonzalez、Biyensa Gurmessa和Ranjith P. Udawatta组成的研究团队，在密苏里大学布拉德福德研究农场开展了一项为期两年（2022-2023）的田间实验，其研究成果发表在《Earth Critical Zone》上。
研究人员在位于美国密苏里州布恩县的试验场，选择墨西哥粉砂壤土（Mexico silt loam）这种典型的黏磐土进行试验。该地区为雨养农业系统，无补充灌溉。试验采用完全随机区组设计，设置了三个处理：不施生物炭的对照（C）、低剂量生物炭（2.7 Mg ha-1, B1）和高剂量生物炭（5.4 Mg ha-1, B2），每个处理3次重复。生物炭在耕作后一天人工施用于0-5 cm表层土壤并混匀。研究团队主要依托两项关键技术手段进行监测：一是利用Water Scout SM100土壤水分传感器，在5、10、20 cm深度以15分钟间隔持续监测土壤体积含水量（Volumetric Water Content, VWC%），历时57周；二是使用配备VantageHD数据采集系统和Seed Spector LRX的小区收割机，精确测量大豆产量和籽粒含水量。数据分析采用主成分分析（PCA）、线性混合模型（Linear Mixed Model）和方差分析（ANOVA）等统计方法，以评估处理和深度等因素对VWC%和产量的影响。
3.1. 土壤水分动态
土壤水分随时间变化呈现出明显的季节性波动，与降水和温度变化一致。表层（5 cm）水分变化最为剧烈，深层（20 cm）相对稳定。主成分分析显示，在5 cm和10 cm深度，各处理的95%置信椭圆重叠严重，表明生物炭处理在浅层未能形成显著差异的水分状况；而在20 cm深度，处理间（特别是B2与B1）出现了清晰的分离，说明管理措施在深层产生了不同的水分保持效果。-1 (B1) and 5.4 Mg ha-1(B2), and a control (C) plot. Panels represent data at three depth intervals: (A) 5 cm, (B) 10 cm, and (C) 20 cm. The analytical basis for the PCA consists of mean weekly soil moisture values recorded throughout the experimental period.">
线性混合模型结果进一步量化了各因素的影响。深度、处理及其交互作用均对VWC%有极显著影响。高剂量生物炭处理在10 cm和20 cm深度能持续显著地维持更高的VWC%。具体而言，在2022年，B1处理在5 cm深度的VWC%显著高于对照和B2处理；而在整个研究期间，B2处理在10 cm和20 cm深度的VWC%均极显著高于对照。这表明生物炭，特别是高剂量施用，能有效改善黏磐土深层的水分保持能力，这种效应在干旱期尤为明显。-1 (B1), and 5.4 Mg ha-1(B2), and a control (C) plot in three depth intervals (5, 10, and 20 cm) for 2022 (left panel) and 2023 (right panel) over the study period. Bars are error bars and letters represent significant differences between treatments at p<0.05.">
3.2. 大豆产量对土壤水分的响应
尽管生物炭（尤其是B2）显著改善了土壤水分状况，但相关分析表明，VWC%与大豆产量之间并未建立起统计学上显著的相关性。无论是2022年、2023年还是两年数据合并分析，在所有处理和深度上，均未观察到显著关系。描述性趋势显示，在2022年，所有处理（B1, B2, C）的VWC%与产量均呈负相关；而在2023年，唯独对照处理呈现出正相关趋势（尽管不显著）。最重要的是，两个生物炭处理（B1和B2）的大豆产量与对照相比均无显著差异。这意味着生物炭带来的水分改善并未转化为最终的产量增益，出现了“水文效益”与“农学效益”的脱钩。
研究人员对这种现象进行了深入探讨。他们认为，产量未能提升的可能原因包括：首先，在黏磐土中，生物炭增加的水分可能更多是以作物难以利用的形态被保持，特别是在排水本已不畅的条件下，可能导致土壤接近饱和状态的时间延长，反而影响根系通气。其次，生物炭在施入初期可能通过吸附或促进微生物固定化作用暂时降低了土壤中氮素等养分的有效性，抵消了水分改善带来的潜在好处。第三，也是最关键的一点，水分改善的时机与作物需水关键期不匹配。分析发现，在大豆水分需求最大的R4（满荚期）至R6（满粒期）阶段，对照处理在2023年保持了最高的平均VWC%（27%），这可能为产量形成提供了最适宜的水分条件，而生物炭处理在此期间的水分状况相对较差。这表明，单纯提高土壤总持水量并不足以保证增产，水分必须在作物最需要的时候（生理需水关键期）以适宜的量（避免过湿导致渍害）有效可用才行。
本研究得出结论，在黏磐土中，5.4 Mg ha-1剂量的生物炭施用能有效改善10-20 cm深层土壤的水分保持能力，证明了其对土壤水文性质的积极调控作用。然而，这种水文效益并未在两年内转化为大豆产量的提升。研究揭示了土壤水分动态与作物产量响应之间复杂的、非线性的关系，这种关系强烈依赖于作物生长阶段的水分需求 timing。生物炭在黏磐土农业系统中的主要价值可能不在于短期的直接增产，而在于其提升土壤韧性、增强抗旱能力、促进碳固存等长期的生态系统服务功能。未来研究应侧重于长期监测，结合更全面的土壤理化性质（如容重、孔隙度、养分有效性、微生物活性）表征，以阐明生物炭作用的内在机制，并探索优化施用策略（如与肥料配施、考虑生物炭老化效应），使水分改善的效益能在作物需水关键期得以充分发挥，最终实现农业水资源高效管理和可持续发展的目标。
