在粮食安全威胁及气候变暖背景下，旱区农田土壤提质增效及固碳减排的需求日趋增加，亟需采取有效措施提升旱地土壤肥力和固碳能力。广阔的产业化发展前景使生物炭成为当今农业、生态、环境与能源等领域的研究热点，然而生物炭能否提升旱地土壤质量同时降低土壤碳排放等问题亟待解决。本文以典型旱作农田为研究对象，采用室内土柱和培养试验、野外盆栽试验和田间定位试验相结合的方法，系统研究生物炭在旱作农田生态系统中的生态环境效应，以期明确提升旱地土壤水力特性和缓解无机氮淋滤的生物炭施用方法，明确生物炭在不同水氮条件下对冬小麦生长发育的影响，揭示生物炭与氮肥互作对土壤养分循环、氮素有效性、无机氮迁移和土壤碳排放的影响及其驱动机制。获得的主要研究结果如下：

  （1）向耕层土壤（0-20 cm）添加较高用量（4%；w/w）生物炭或向底层土壤（10-20 cm）添加适量（2%）生物炭可有效提升粉黏土水分入渗能力。生物炭施用方式能够平衡氮素淋滤和土壤导水力之间的动态关系。2%生物炭用量处理均能显著降低氮素淋滤，但只有向下层土壤（10-20 cm）添加2%用量生物炭能够提升土壤导水能力。因此推荐向下层土壤添加2%用量生物炭来提升粉黏土壤水力特性同时降低氮素淋滤风险。

    （2）生物炭对冬小麦产量的影响受生物炭用量、氮肥水平和水分条件的共同制约。与单施氮肥相比，1%和2%用量物炭与氮肥配施能够显著提高小麦产量，增产幅度达7.40%-12.00%，但干旱胁迫抑制生物炭与氮肥的协同增产作用。高用量生物炭（4%-6%）与氮肥联合施用则会造成显著减产，减产幅度为6.25%-21.83%。在特定的水氮条件下，1%和2%用量生物炭处理拥有较高的NO₃^-和有效磷含量，有助于提高产量。较高用量生物炭（>4%）吸附大量的NO₃^-同时形成较高的土壤碳氮比，这是导致小麦减产的主要原因之一。

    （3）在无植物土壤系统中，土壤有机碳和微生物量碳随生物炭添加量的增加而增加。在高氮和低氮土壤中，1%用量生物炭降低了土壤碳矿化速率，而2%和4%用量生物炭均会促进土壤碳排放。生物炭增加了碱性磷酸酶活性和微生物生物量P的含量，而土壤碳氮循环过程相关酶的活性受到生物炭添加量和土壤氮水平的共同制约。

  （4）在旱地小麦生态系统中，与单施氮肥相比，20 t ha^-1生物炭与氮肥联合施用不仅使小麦地上生物量增加12.2%-13.8%，而且使底层土NO₃^-残留量显著减少13.2%-74.7%。长期以240 kg N ha^-1用量施用氮肥并没有显著增加作物干物质积累，但会导致大量的NO₃^-残留。生物炭以20 t ha^-1用量配施120 kg N ha^-1氮肥能够有效增加氮素利用率同时减少无机氮（NO₃^-为主）向下层土壤迁移，减少淋滤风险，是实现双重目标的最优施肥策略。

    （5）三年田间试验表明生物炭单独施用或与氮肥联合施用均能有效提高土壤有机碳含量，同时改善土壤理化特性。生物炭与120 kg N ha^-1氮肥配施可以显著降低土壤呼吸速率，而与高水平氮肥（240 kg N ha^-1）配施则会促进土壤CO₂的排放。20 t ha^-1用量生物炭配施120 kg N ha^-1氮肥处理有利于提高微生物碳利用效率同时降低有机碳分解种群的相对丰度。较高用量生物炭或氮肥均会严重扰动土壤微生物生态系统平衡，不利于土壤固碳潜力的提升。最终建议应用20 t ha^-1生物炭配施120 kg N ha^-1氮肥来改善旱作农田土壤质量同时提高其固碳潜力。