有机材料的作用：提高作物产量和土壤碳封存能力，但同时增加了温室气体排放的风险

《Journal of Environmental Management》：Organic materials return: Enhanced crop yields and soil carbon sequestration but increased risk of greenhouse gas emissions

作物产量与土壤固碳协同提升但温室气体排放增加，生物炭减排效果显著，需结合气候与土壤条件优化应用。

　　

张光新|吕玉峰|鲍立群|焦亚楠|张燕|赵德浩|文晓霞|韩娟|廖云成

山西农业大学农学院，太原，030801，中国

摘要

在农田中利用有机物质以协同提升粮食安全和减缓气候变化是一个关键的研究领域。然而，关于这些物质对作物产量、土壤碳封存和温室气体排放的总体影响，目前尚缺乏明确的共识，这导致了对此做法的广泛讨论。因此，本研究通过整合668项全球研究中的4624个田间观测数据，运用元分析和随机森林建模方法，系统地量化了四种有机物质（秸秆、粪肥、生物肥料和生物炭）的效应及其潜在机制。结果表明，有机改良剂平均使作物产量增加了16%，土壤有机碳增加了25%。其中，生物肥料和粪肥对产量的提升效果最为显著（分别增加了34%和27%），而生物炭在碳封存方面表现最佳（增加了35%）。甲烷和二氧化碳排放量分别增加了16%和7%，但一氧化二氮排放量减少了19.67%。重要的是，生物炭使全球变暖潜力降低了16.72%，而粪肥、生物肥料和秸秆则分别使全球变暖潜力增加了42%、33%和36%。气候、土壤和管理措施显著影响了这些效应。预测模型显示存在地区差异：虽然全球范围内作物产量和土壤碳收益普遍存在，但显著的温室气体减排仅发生在欧洲和北美。我们的发现强调了针对不同地区进行优化的重要性——例如优先使用生物炭并调整氮肥投入量，以实现更高的产量、碳储存和减排目标。本研究提供的见解为高效利用资源和可持续农业发展提供了科学依据。

引言

在全球气候危机和粮食安全挑战日益严重的背景下，农业生产系统受到资源可用性和生态承载能力的限制（Newell等人，2021年）。预计到2050年，由于全球人口超过80亿以及人们饮食结构向高蛋白转变，全球粮食需求将激增60%。特别令人担忧的是，传统的增产模式高度依赖大量能源和资源的消耗（Chowdhuri和Pal，2025年；Fang等人，2023年）。此外，这些模式引发了系统的生态反馈，表现为耕地碳封存能力下降和温室气体（GHG）排放持续增加（Fernández-Ortega等人，2024年；Liu等人，2025a,b年），这严重威胁到了农业的可持续性。为解决粮食安全、资源稀缺和环境退化这三个问题，迫切需要在国家和全球层面建立农业与能源的协同机制（Ginigaddara和Kodithuwakku，2024年；K?stner等人，2014年）。这种方法对于同时提高产量、增强碳封存和减少温室气体排放至关重要，从而确保粮食安全并促进生态的协同发展。

农业生产过程中通常会产生大量废弃物，包括秸秆以及畜禽粪便。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，全球每年产生的农业有机废弃物超过120亿吨。这些废弃物是一种宝贵的生物质资源，具有巨大的能源潜力（Coudard等人，2024年；Rinehart和Hawlena，2022年）。然而，由于管理不善，实际的农业废弃物利用率低于50%（FAO，2022年），这导致资源严重浪费并加剧了环境风险，例如燃烧作物残余物会导致PM2.5浓度急剧上升，未经处理的粪便堆积会引发水体富营养化（Handique等人，2023年；Lan等人，2022年）。因此，合理利用农业废弃物被认为是缓解农业资源限制和减轻相关环境危害的关键策略，也是农业研究的重要焦点。

将农业废弃物直接或间接转化为有机物质并返回农田是资源利用的最可行方法之一，当以适当的方式应用时，可以促进农田生态系统的能量循环（Liang等人，2023年；Palsaniya等人，2024年）。目前的做法通常包括直接施用秸秆和粪肥，或经过处理后间接施用，如堆肥生产有机肥料或热解制备生物炭（Gu等人，2023年；Pan等人，2025年）。这些改良剂因其固有的特性（如高营养成分和富含碳的多孔结构）而被广泛认为能够改善土壤健康。特别是，研究表明，返回有机物质可以增加水稳聚体的比例，从而改善土壤结构并提高保水能力（Huang等人，2024年；Tanhua等人，2024年）。此外，这种做法还能增加土壤有机质含量，调节土壤pH值，增强养分缓冲能力，提高养分有效性（Liu等人，2020年；Magid等人，2025年），同时增加微生物多样性和稳定性，增强土壤酶活性，提高养分循环效率（Lewis等人，2022年；Peng等人，2024年）。这些土壤环境的变化对作物产量、土壤碳封存和温室气体排放有显著影响，但以往的相关研究结果并不一致。一些研究发现施用有机改良剂后作物产量和土壤有机碳（SOC）含量显著增加，温室气体排放量减少（Aluoch等人，2022年；Asai等人，2025年；Ma等人，2023年，2024年；Zhang等人，2025a,b年），而另一些研究则未观察到显著效果（McClelland等人，2025年；Salehi等人，2025年；Wu等人，2015年），甚至得出相反的结论（Fan等人，2023年；Sobhi Gollo等人，2025年；Wang等人，2024a,b年）。这些不同的结果可能归因于所施用改良剂的固有特性，以及区域气候、土壤特性和管理措施之间的复杂相互作用，导致研究间的高度异质性。然而，对这些复杂相互作用的具体评估和量化较少，由此产生的不确定性使得农业从业者对有机物质返回策略的有效性持怀疑态度（Bonetti等人，2023年；Jeewani等人，2025年）。因此，进行关键性的重新评估对于更合理和高效地利用宝贵的生物质资源至关重要。

元分析是一种统计技术，旨在综合多项研究的结果，以得出更普遍和全面的结论（Liu等人，2025a,b年）。近年来，元分析被广泛用于优化和评估大规模农业生产技术的适应性（Amirahmadi等人，2025年；Deng等人，2025年）。一些研究评估了特定类型有机物质对作物产量、SOC或温室气体排放的影响（álvaro-Fuentes等人，2025年；Gao等人，2025年），但尚未对这些方面进行全面分析，尤其是不同类型有机物质的比较评估。为解决这一问题，我们进行了元分析，以全面量化全球范围内有机物质添加对作物产量、SOC和温室气体排放的影响，并确定与这些效应相关的关键因素。本研究的结果有望为优化有机物质返回实践提供重要启示，从而促进资源的有效利用和可持续农业发展。

数据收集

我们遵循PRISMA指南（图S1）进行了系统文献回顾，以全面识别有关有机物质改良的相关研究。我们重点关注了四种最常用的有机物质：作物秸秆、粪肥、有机肥料和生物炭。这四种改良剂的来源材料和制备方法详见表S1。

总体效应

总体研究结果表明，返回有机物质显著影响了作物产量、SOC、累积温室气体排放和GWP（图2；P < 0.05）。具体而言，作物籽粒产量和SOC分别增加了16%（95%置信区间：15–17%）和25%（95%置信区间：23–27%），而累积CH₄和CO₂排放量分别增加了16%（95%置信区间：7–25%）和7%（95%置信区间：3–12%），累积N₂O排放量减少了19%（95%置信区间：27%至?12%）。

不同因素对作物产量响应的影响

在本研究中，我们系统评估了返回有机物质对作物产量增加的影响（89%的情况下具有积极效果），并发现这些效应受到有机物质类型、作物种类、环境条件和管理措施的显著影响，这突显了优化有机物质返回土地策略的必要性。在不同有机物质中，生物肥料（35%）和粪肥（28%）的效果最为显著

结论

这项全球元分析揭示了有机改良剂使用中的一个关键权衡：虽然有机改良剂一致性地提高了作物产量（16%）和土壤碳封存（25%），但在全球范围内却增加了净温室气体排放（5% GWP）。然而，这一结果受到所施用物质类型的决定性影响。生物炭作为一种协同选项，既能提高产量和SOC，又能降低GWP（?17%）。相比之下，粪肥、有机肥料和秸秆虽然提高了生产力，但

作者贡献声明

张光新：撰写——原始草稿、方法论、调查、概念构思。吕玉峰：撰写——审阅与编辑、数据分析。鲍立群：撰写——审阅与编辑、数据分析。焦亚楠：撰写——审阅与编辑、数据分析。张燕：撰写——审阅与编辑、数据分析。赵德浩：撰写——审阅与编辑、数据分析。文晓霞：验证、数据分析、概念构思。韩娟：撰写——审阅与编辑、验证。

利益冲突声明

作者之间不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32502058）、中国博士后科学基金（2024M761891）和山西省科技重大专项计划项目（202301140601014）的支持。