生物炭的施用在提升粮食安全和减缓气候变化方面具有显著潜力。然而，大多数研究证据来自持续时间较短（≤3年）的田间实验，因此其长期可持续性仍存在不确定性，尤其是在连续多年施用生物炭的情况下。

2025 年 8 月 11 日，中国科学院南京土壤研究所颜晓元和夏龙龙共同通讯在PNAS（IF=9.4）在线发表题为：Sustained benefits of long-term biochar application for food security and climate change mitigation的研究论文。该研究分析了来自全球的438项研究（3,229条观测数据），发现长期连续施用生物炭（≥4年）不仅能够维持其效益，还常常增强这些效益，包括作物产量提高（+10.8%）、甲烷（CH4）排放减少（–13.5%）、氧化亚氮（N2O）排放降低（–21.4%）以及土壤有机碳含量增加（+52.5%）。

相比之下，单次施用生物炭的效益随着时间推移往往会因生物炭老化而减弱。来自29个全球长期实验（4至12年）的结果进一步证实了生物炭在提升作物产量和减排温室气体方面的长期效益，尽管效应的大小受土壤性质、气候条件和管理措施影响。为了最大化生物炭对全球粮食安全和气候变化缓解的长期作用，有必要制定可行的施用策略，例如每隔若干年施用生物炭，同时结合当地土壤、气候和作物种植条件进行优化管理。

生物炭施用被认为是应对粮食安全和气候变化的重要管理手段。短期田间实验（≤3年）显示，生物炭可改善土壤肥力和作物产量、减少温室气体（如CH4和N2O）排放、增加土壤有机碳（SOC）固定。例如，研究表明整合生物炭管理可实现碳中性粮食生产，同时提高产量并降低环境污染。然而，连续多年施用生物炭的长期可持续性仍存在不确定性。长期施用可能引发不利效应，如土壤pH升高、农药效率下降以及土壤生物活性受抑制，高孔隙度的生物炭可能降低农药效果，过量施用甚至会降低粘土土壤中的水分可用性，进而影响作物产量。

相比之下，单次施用通常通过一次较大剂量实现，无需后续添加，可降低潜在负效应和成本，但其积极效应会随着生物炭逐渐分解和老化而减弱。例如，单次施用后的作物增产通常仅持续1–2年，而温室气体减排效应也难以长期维持。

生物炭效应不仅受施用方式影响，还受土壤性质和管理措施调控。在贫瘠、结构较差的土壤（如沙土）上施用生物炭可显著改善作物产量和SOC积累，但长期连续施用可能因C/N比失衡而削弱效益，除非合理施用氮肥。此外，施用生物炭和氮肥对CH4和N2O排放的影响还会因土壤类型（旱地或水田）、微生物活性及气候条件而有所不同 。

模式机理图（图片源自PNAS）

为填补这些知识空白， 作者整合了全球438项研究（共3,229条观测数据），包括29个长期田间实验（4–12年），覆盖水稻、小麦和玉米等主要粮食作物。结果显示，长期连续施用生物炭（≥4年）能够维持甚至增强其效益，包括作物产量增加、SOC储量提升以及CH4和N2O排放降低，而单次施用的效益则随时间逐渐减弱。这些发现为优化生物炭施用策略、实现长期农业增产和温室气体减排提供了重要依据。

https://doi.org/10.1073/pnas.2509237122