颜晓元团队在PNAS发文揭示“生物炭长期施用对粮食安全及气候变化应对的持续效益”
作者：常熟站 更新时间：2026-01-19
生物炭因其独特的多孔结构、丰富的表面官能团和高稳定性，在提升土壤肥力、保障粮食安全和缓解气候变化方面展现出广阔前景。然而，现有研究多基于短期田间试验（≤3年），其长期施用对粮食产量和温室气体减排的持续性效应尚不明确，尤其是连续施用可能带来土壤pH升高、农药有效性降低及微生物活性抑制等潜在风险。
针对这一科学问题，中国科学院南京土壤研究所颜晓元研究员团队联合中国农业大学、沈阳农业大学、英国埃克塞特大学、阿伯丁大学等16家国内外研究机构，基于全球29个长期定位试验点观测数据，结合荟萃分析方法，系统研究了生物炭长期施用对作物产量、温室气体排放和土壤有机碳变化的综合影响及其机制，并揭示了不同土壤—气候—管理条件下的响应规律。研究发现，长期连续施用生物炭可平均提高作物产量10.8%，降低CH₄和N₂O排放13.5%和21.4%，大幅提高土壤有机碳含量52.5%。相比之下，一次性大剂量施用的效果随生物炭老化逐渐衰退，该结论在长期试验中获得验证。
生物炭在低肥力旱地、温带气候区及高氮肥输入环境下具有更显著的增产效果；在酸性稻田土壤和高氮背景下，其可通过调控产甲烷菌与甲烷氧化菌的丰度比例，显著增强CH₄减排能力；在旱地、黏质土壤及温带气候条件下，对N₂O排放的抑制效应尤为突出。然而，在亚热带区域，因高温高湿环境加速生物炭的老化与分解，导致其固碳和温室气体减排效益下降。
研究还评估了生物炭在全球农田中大规模应用的潜力。结果显示，若将全球70%作物秸秆转化为生物炭并还田，每年可增产粮食约1.9亿吨，相当于2018–2021年中国年均粮食总产量的30%，与此同时每年可减少净二氧化碳(CO2)当量排放18.4亿吨，相当于抵消4.6%的全球化石燃料的CO2排放。成本收益分析表明，其增产与固碳减排效益可覆盖81%的生产成本。未来应通过完善碳交易市场、建立农业碳信用机制，并基于土壤-气候-作物系统优化生物炭施用策略，以提升其长期的农业生态环境效益。
该研究为生物炭在农业可持续发展和气候减缓中的科学应用提供了关键依据，成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。南京土壤研究所博士生研究生杨靖睿与夏龙龙研究员为论文第一作者，夏龙龙研究员与颜晓元研究员为通讯作者。研究获中国科学院先导专项、国家重点研发计划、江苏省双碳科技创新专项资金及国家自然科学基金等资助。
