设施栽培在蔬菜和花果等的反季节、跨区域种植中发挥着重要作用^[1]，到2012年我国设施农业面积已占世界总面积的85.0%以上，且设施栽培的产量是露天种植的3.5倍^[2]。随着人们对生活品质的要求不断提高，绿色蔬菜花果的供应需求不断增大，如何保障设施大棚的平稳增产显得尤为重要。

设施大棚作为一种特殊的农业旱地生态系统，具有气温高、湿度大、灌溉频率高、复种指数高和施肥量大等特点^[3]。尽管通过设施栽培可获得较高的果蔬产量和经济效益，但由于设施环境的封闭性以及农户为追求高产而采取不当管理措施 (如过量投入化肥，施用鸡粪、猪粪等未经过熟化处理的有机肥等) 导致的土壤酸化、盐渍化、养分失衡及土壤板结等问题突出^[4–5]，使得设施土壤难以持续耕作，作物出现生理性干旱、死苗率上升和产量下降等一系列问题^[6]。

生物质炭 (biochar) 是生物质在缺氧条件下通过热化学转化得到的固体产物，它可以单独或者作为添加剂使用，能够改良土壤、提高资源利用效率、改善或者避免特定的环境污染^[7]。2013年4月18日，全球著名的专业信息提供商Thomson Reuters旗下知识产权与科技事业部发布《2013年研究前沿：自然科学与社会科学的100个学科领域》中，“生物质炭施用技术及其效应” (biochar amendment techniques effects) 被列为十大领先研究领域中的100大重要研究前沿之一。至今，已有大量研究表明生物质炭施入土壤后不仅可以增强土壤固碳效果^[8–9]，还可有效改善土壤理化性状与结构^[10]，提高土壤质量和肥力、提升作物产量^[11–12]。以往生物质炭的研究侧重于投入农田后的增产减排效果^[13–15]，本研究收集了国内外有关设施大棚生物质炭施用的研究数据，利用整合分析 (Meta-analysis) 方法，量化和评估了生物质炭对设施大棚土壤性质和果蔬产量的作用效果及其影响程度，旨在为设施大棚的绿色生产与生物质炭应用提供科学依据。

本研究收集的数据来自中国知网和Web of Science文献数据库。检索主要关键词：“生物质炭 (biochar)”、“土壤性质 (soil properties)”、“产量 (yield)”和“设施大棚 (greenhouse facilities)”等，筛选2007—2015年符合以下基本要求的文献：1) 设施大棚试验，排除田间试验、露天盆栽试验等；2) 试验处理组必须为施用生物质炭，对照组为不施用生物质炭，且处理组和对照组除生物质炭外，其他试验条件严格一致；3) 试验处理重复数必须大于或等于3^[16]。最终得到214组有效匹配数据。

对收集到的独立试验数据，按照施用生物质炭 (试验组) 与不施用生物质炭 (对照组) 处理，提取每篇文献中各个指标的平均值 (试验 ${\overline x _{\rm{B}}}$ 和对照组 ${\overline x _{\rm{C}}}$ )、标准差 (s_B和s_C) 和样本数 (N_B和N_C)，通过图展示的文献，利用GetData Graph Digitizer 2.24 软件获取数据。

数据收集指标包括生物质炭施用量，生物质炭特性 (制备原料、制备温度、生物质炭pH值、C/N比等)，土壤理化性质 (有机碳、全氮含量，有效态氮、磷，pH值等)，作物产量等。由于设施栽培规模不一致，生物质炭施用比例表示方法包括采用质量百分比 (%) 和质量/土壤面积 (如t/hm²) 两种形式。在本研究整合分析中将生物质炭施用比例统一为质量/土壤面积 (t/hm²)。如果是室内盆栽试验，以每亩耕层土壤重30万斤来进行单位换算^[17]，以便统一产量单位 (t/hm²)。如果没有相关说明则将土层厚度设定为一般耕作层厚度20 cm^[18]。对于土壤pH，如果试验中pH是采用CaCl₂溶液法，那么使用公式转换，即pH (H₂O) = 1.65 + 0.86 pH (CaCl₂)^[18]。根据文献，将生物质炭原材料大致分为畜禽粪便类 (猪粪、牛粪、羊粪等)，秸秆类 (花生秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、高粱秸秆和油菜秸秆等)，木材类 (树皮、木片、剪枝、树干和树枝等) 以及壳渣类 (坚果壳、燕麦壳、核桃壳、花生壳和甘蔗渣等) 等4种类型进行整合分析。关于生物质炭制备温度，如果文献给出的是温度区间，则取其平均值，并将生物质炭热解温度划分为4个区间：低温 (≤ 400℃)、中温 (401～500℃)、中高温 (501～600℃)、高温 (≥ 600℃)。生物质炭碳氮含量比值 (C/N值) 划分为5个水平：< 20、20～50、50～100、100～300、≥ 300。生物质炭pH分为 ≤ 7、7～8、8～9、9～10和 ≥ 105个水平。生物质炭施用量分为4个水平：< 10.0、10.0～40.0、40.0～80.0、≥ 80.0 t/hm²。生物质炭施用时间按月分为4个水平：< 3、3.0～6.0、6.0～12.0和 ≥ 12.0。

整合分析方法适用于对照试验的综合研究，目的是判断试验处理对试验对象产生正效应或负效应、效应大小、同一主题下不同独立试验的结果是否一致及变异程度等问题^[19]。参照Gurevitch等^[20]的方法对文献中有关生物质炭对作物产量的影响结果进行标准化处理。试验中的产量值采用自然对数的反应比 (response ratio，RR) 作为效应量：

式中： ${\overline x _{{B}}}$ 代表生物质炭试验组的处理值； ${\overline x _{{C}}}$ 代表对照组的处理值。如果 ${\overline x _{{B}}}$ 和 ${\overline x _{{C}}}$ 均为正态分布且 ${\overline x _{{C}}}$ 不等于零时，lnRR也为近似正态分布，其方差为：

式中：s_B和s_C分别为试验组和对照组的标准差；N_B和N_C分别为试验组和对照组的样本数。

效应量的变异系数用各组处理的标准偏差和试验重复数来计算。效应量的权重采用变异系数的倒数表示^[21]，最终获得的相关数据通过MetaWin 2.1软件进行处理。处理前，纳入的各研究结果须进行异质性检验，若P > 0.1，表明多个研究具有同质性，此时选择固定效应模型进行分析 (fixed effect model，FEM)；若 P ≤ 0.1，则多个研究不具有同质性，此时选择随机效应模型 (random effect model，REM)。效应量的标准差越小，分配的权重越大，权重响应比 (weighted response ratio，RR₊₊) 即处理相对于对照增减的百分数及其95%的置信区间 (95% CI) 通过 ( ${\rm e}^{\rm {RR}_{++}}$ – 1) × 100%来转化。如果95% CI包含零值表明该变量中处理与对照没有显著差异 (P > 0.05) ^[22]。

如图1所示，本研究所收集数据中，设施大棚果蔬产量和土壤pH值均符合正态分布 (图1，P < 0.01)。图2分析表明，施用生物质炭后，土壤有机碳 (SOC)、全氮 (TN)、全磷 (TP)、有效磷 (Olsen-P) 和阳离子交换量 (CEC) 分别提高140.9%、66.8%、103.1%、80.7%和18.4%。土壤铵态氮 (NH₄⁺-N) 的含量有所降低，对硝态氮 (NO₃^–-N) 的影响并不显著 (P > 0.05)。

图1(Fig. 1)

图1 设施大棚果蔬产量 (a) 及土壤pH值 (b) 的样本分布频率 Fig. 1 Data distribution of fruit and vegetables’ yields (a) and soil pH (b) in greenhouse [注（Note）：RR++和SE分别代表权重响应比和标准误；曲线代表数据的高斯分布；P < 0.01达显著水平。RR++ and SE denote the weighted response ratio and standard errors, respectively; The curve is a Gaussian distribution fitted to frequency data; P < 0.01 reached a significant level.]

图2(Fig. 2)

图2 施用生物质炭对设施土壤性质的影响 Fig. 2 Effects of biochar characteristics on soils properties in greenhouse [注（Note）：括号内数字为样本数Digitals in parentheses are the number of samples.]

生物质炭的施用量对设施土壤pH提升程度存在差异。如图3所示，当生物质炭施用量低于10.0 t/hm²时，对设施土壤pH影响不显著，超过10.0 t/hm²时，设施土壤pH值均显著提高，且pH值增幅随着施用量的提高而增加。低于80.0 t/hm²时，土壤pH值提高3.3%～3.7%；超过80.0 t/hm²时可提高6.5%。生物质炭的施用时间对设施土壤pH值也有一定的影响。少于3个月时，土壤pH可显著提高3.2%，3～6个月时，提升幅度最显著，高达15.3%，是少于3个月效果的4.8倍。施用生物质炭6～12个月时，对土壤pH的提升效果相比前6个月有所降低。

图3(Fig. 3)

图3 施用生物质炭对设施大棚土壤pH值的影响 Fig. 3 Effect of biochar application on soil pH in greenhouse [注（Note）：括号内数字为样本数Digitals in parentheses are the number of samples.]

整合分析结果表明，施用生物质炭能显著提升设施大棚内各类果蔬的产量 (图4)，可增产粮食作物8.8%，观赏草类13.6%，对叶菜类、块茎类和果菜类等的增产效果更为明显，分别为23.9%、43.3%和60.6%，对于豆类 (主要包括豌豆和汤用豆类等)增产高达79.5%。

生物质炭施用量对大棚果蔬的增产效果存在差异 (图4)。当生物质炭的施用量低于10.0 t/hm²时，大棚果蔬平均增产30.8%，施用量为10.0～40.0 t/hm²时，增产幅度降至14.0%，当施用量超过40.0 t/hm²后，增产幅度有所提升，但与低施用量无显著差异。

由图4可知，生物质炭对大棚设施果蔬的增产作用有一定的时间效应。施用生物质炭3个月显著增产17.4%；6个月时增产效果达到顶峰，为30.4%，是初期增产效果的1.7倍；6个月后，与不施用生物质炭相比，果蔬产量无显著差异 (P > 0.05)。

图4(Fig. 4)

图4 设施大棚生物质炭施用对主要果蔬产量的影响 Fig. 4 Effects of biochar application on yields of main fruit and vegetables in greenhouse [注（Note）：括号内数字为样本数Digitals in parentheses are the number of samples.]

总体而言，施用生物质炭可平均提高大棚果蔬产量22.1%，但不同的生物质炭制备原料对设施大棚果蔬的增产效应也存在差异 (图5)。畜禽粪便类因富含养分，其增产效果最好，可高达66.4%；秸秆类次之，为31.2%，碳氮比较高的木材类可增产19.0%，壳渣类生物质炭增产效果不显著 (P > 0.05)。

生物质炭的制备温度也是影响生物质炭增产效果的一个重要因素。分析结果表明，相对于高温制备，低、中温度制备的生物质炭有利于设施大棚果蔬的增产 (图5)。当制备温度低于400℃时，大棚果蔬可增产20.4%；制备温度在401～500℃时，增产效应提高至36.5%；制备温度继续升高，增产效应开始下降，制备温度为501～600℃时，增产22.8%；超过600℃，施用生物质炭与不施用生物质炭相比，设施大棚果蔬产量无显著差异 (P > 0.05)。

生物质炭的C/N由于制备原料的差异而有所不同，分析结果表明，随着生物质炭C/N值的提高，施用生物质炭对大棚果蔬的增产效应逐渐降低 (图5)。C/N值 < 20时可增产49.1%，是C/N值 ≥ 300时增产效果 (3.0%) 的16.4倍。此外，C/N值分别在20～50、50～100时，分别增产46.0%、19.3%，C/N值 > 100时，无显著增产作用。

施用碱性生物质炭能显著增产 (P < 0.05)，施用酸性生物质炭则会引起设施大棚作物减产。如 图5所示，当生物质炭的pH < 7时，大棚果蔬减产17.5%。pH值在9～10时，可增产39.1%，远高于其他pH值范围的生物质炭的增产效果。但当pH过高，增产效果会降低，当生物质炭pH ≥ 10时，仅增产14.1%。生物质炭pH值介于7～8或8～9时，可分别增产22.4%和21.6%。

图5(Fig. 5)

图5 生物质炭特性对设施大棚果蔬产量的影响 Fig. 5 Effects of biochar characteristics on yields of main fruit and vegetables in greenhouse [注（Note）：括号内数字为样本数Digitals in parentheses are the number of samples.]

生物质炭的制备原料来源广泛，性质差异明显，是影响生物质炭特性的主要因素之一。本研究结果表明，不同生物质炭特性对设施土壤肥力的影响存在差异。生物质炭虽然经历了破碎和热解，但仍保持原材料的基本形貌，并在化学组成上与原材料的元素配比相似^[18]。Keri等^[24]研究表明，畜禽粪便生物质炭含大量稳定的芳香族结构及丰富的无机矿物质，并浓缩了非挥发的矿物质如磷、钾等元素。因此，畜禽粪便类生物质炭相比用木材、秸秆等原材料制备的生物质炭而言，保留了畜禽粪便养分含量高的特点^[25]，而且因其具有较高的pH，是良好的土壤调理剂和有机肥生产辅料^[26]，增产效果也最佳。

生物质炭施用后可有效提高土壤养分含量，特别是对于土壤速效磷含量，提高幅度可达80.7%。可能的原因，一方面是生物质炭本身灰分含量高^[27]，矿质营养丰富，提高了土壤养分总量；另一方面是生物质炭巨大的比表面积对磷具有较强的吸附作用，能有效固持养分，减缓磷在土壤中的固定，增强土壤的供磷能力^[28]。此外，由于生物质炭本身的C/N高，生物质炭的输入通常也会导致土壤体系C/N值的改变，从而对土壤微生物的代谢活动和种群数量以及群落结构等产生一系列深远影响^[29]。何玉亭等^[30]在研究两种不同生物质炭对微生物群落丰度的影响时发现，施用4%的烟杆生物质炭与桑条生物质炭，微生物群落最丰富，当施用量提高到6%时，土壤真菌、放线菌及细菌数量均显著增加，主要原因是生物质炭施入土壤后，导致土壤表面积增加，且其多孔结构为微生物提供活动场所，使得土壤生态功能得到改善，微生物的繁殖能力增强^[31]。且土壤固氮菌、纤维素分解菌数量的增加，可增强土壤有机氮的矿化，进而提高土壤养分有效性^[32]。

生物质炭由于含有矿物元素形成的碳酸盐，其表面富含酸性基团，但一般呈碱性，有利于改良土壤酸性^[14]，因此，生物质炭的施用具有明显的石灰效应。设施土壤由于连续种植，土壤还存在盐碱化问题，施用生物质炭后，不仅可改良土壤酸性状况，继续施用富含K⁺、Ca⁺ 和Mg⁺ 的生物质炭还可以有效改善设施土壤盐基饱和度^[33]，从而调节土壤pH和降低土壤盐渍化程度。CEC也是衡量土壤质量的重要指标，高CEC可使土壤淋溶性降低，对养分的固定能力增强。本研究表明生物质炭施用后可显著提高土壤CEC，这主要是由于生物质炭表面含有大量的 –COOH和 –OH等含氧活性基团，这些基团使得生物质炭表面带有负电荷，使其具有较高的CEC^[27]。

从整合分析结果可以看出，生物质炭低量施用条件下对设施栽培果蔬增产效果显著。其主要原因是生物质炭主要通过改善土壤理化性质以及养分供应状况来影响果蔬的产量。一方面，生物质炭因其本身含有多种作物生长所必需的营养元素，如C、N、P、Ca、K、Mg等可直接提升土壤肥力，从而促进作物生长；另一方面，可通过显著提升土壤pH，改善土壤酸性，来实现果蔬增产^[34–35]。本研究发现，随着生物质炭pH值的提高，果蔬产量提高幅度先增后减，这可能与设施土壤本身的酸碱度有关^[36]。当生物质炭pH值过高，施入土壤后会导致部分营养元素活性降低^[37]，抑制植物生长；此外，土壤pH也是影响土壤氮转化的重要因素，一般认为土壤pH越高，土壤氨挥发越剧烈^[38]，而土壤氮损失会影响作物增产。杨帆等^[39]研究发现，添加生物质炭后，红壤pH值升高，引起氨挥发增加，使得土壤NH₄⁺-N含量减少13.0%。张登晓等^[40]研究结果也表明，与对照相比，添加生物质炭分别降低土壤中NH₄⁺-N和NO₃^–-N 60.0%和77.0%。可能原因是生物质炭在土壤中释放的有机物质抑制亚硝酸氧化，硝化作用没有进行完全^[41]，因此产物主要是亚硝氮，导致土壤中NO₃^–-N浓度下降。另外，增产效应也由于生物质炭施用后土壤孔隙度的增大而提高。Singh等^[42]在探究生物质炭输入对不同土质碳氮损失的实验中发现，生物质炭的多孔性改善了土壤通气状况，抑制了厌氧条件下氮素转化过程中微生物的反硝化作用，进而使得土壤全氮储量相对增加。

生物质炭的施用量对作物的增产效应也具有一定的影响。本研究表明，生物质炭能有效提高作物产量，但生物质炭的增产效果随着施用时间延长而下降，这主要是因为，相比新鲜生物质炭，风化炭中的Ca、Mg、K等营养元素含量降低^[18]，且风化过程改变生物质炭输入对土壤生态系统的影响程度^[20]。因此随着时间推移，生物质炭的增产效果会逐渐下降。本研究发现，生物质炭施入后提高了土壤CEC，增强了土壤对养分元素的固持能力^[27]。特别是砂质土壤，对养分的固持能力较差，导致施入的肥料等易从土壤中淋洗出，造成养分的损失，而生物质炭的添加，可将土壤矿物颗粒黏结，形成大的土壤团聚体，在保护生物质炭不被微生物快速分解的同时，还可调节土壤中水分和氧气含量。在黏质土壤中，添加生物质炭后有利于土壤团聚体的形成，也同样有助于土壤结构的改善，从而促进作物的生长^[43]。牛亚茹等^[44]研究发现施用不同量生物质炭对黄瓜产量和茎叶干重均没有影响，因其所选试验地土壤肥力较高，黄瓜种植过程中施肥量也较大，这些因素可能削弱了生物质炭的增产效应。而沈盟等^[45]也发现3种不同施用量均可提高番茄产量，其中以低施用量的增产效果最好，高施用量因生物质炭的施加增加大量成本导致最终亏损。

生物质炭类型及施用量是影响设施土壤肥力与果蔬产量的关键因素。合理施用生物质炭能显著提高设施土壤pH，改善土壤养分供应状况，从而对果蔬具有显著的增产效果。综合考虑生物质炭制备原料与工艺，以畜禽粪便类为原料，在400～500℃下热解、获得C/N值低于50的生物质炭，在提高设施果蔬产量方面具有更好的应用前景。生物质炭的施用会增加土壤碱度，引发设施土壤生态环境的改变，包括对土壤微生物结构、作物生长、金属离子活性甚至农药等污染物间接方面的影响及其作用机理机制，仍有待进一步深入研究。