黄土高原水土流失严重,导致部分土壤养分和质量明显下降。生物质炭在土壤改良方面被广泛应用,施入土壤中的生物质炭在短期内能提高作物产量和土壤生物活性。然而,生物质炭长期施入土壤是否能够减缓土壤温室气体排放、改善土壤养分和有机氮组分的结构及含量尚不清楚。本研究以陇中黄土高原旱作春小麦农田为研究对象,依托2015年布设于甘肃农业大学旱作农业综合试验站的长期定位试验;设置6个生物质炭添加水平(CK:0 t·hm-2、BC1:10 t·hm-2、BC2:20 t·hm-2、BC3:30 t·hm-2、BC4:40 t·hm-2、BC5:50 t·hm-2)。通过测定0-5 cm、5-10 cm和10-30 cm土层土壤微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）、酶活性、土壤养分、有机氮组分、作物产量和土壤温室气体（CO2、N2O）的排放规律和环境因子,结合方差分析和相关性分析,探讨不同生物质炭添加水平与土壤性质及温室气体排放之间的关系,为陇中黄土高原旱作农业区减少温室气体排放、提高土壤质量和环境保护提供理论依据。主要研究结果如下:1.添加生物质炭提高土壤有机质（SOM）和全氮（TN）含量,BC4处理时土壤0-5 cm和5-10 cm土层SOM含量最高,分别较CK显著增加45.73%和31.47%（P<0.05）,10-30 cm土层土壤SOM含量无显著变化。BC5处理时土壤TN含量最高,0-5 cm、5-10 cm和10-30 cm土层土壤TN含量分别较CK显著提高10.94%、10.25%和6.52%。BC2处理时5-10 cm土层土壤全磷（TP）含量最高,较CK显著提高31.56%。BC3处理时土壤速效钾（AK）含量在0-5 cm土壤中最高,较CK显著增加25.78%。生物质炭对各土层土壤全钾（TK）和速效磷（AP）含量均无显著变化。2.添加生物质炭提高土壤MBC含量,BC5处理时土壤MBC含量最高。在0-5 cm、5-10 cm和10-30 cm土层中,BC5处理时土壤MBC含量分别较CK显著提高89.89%、68.63%和139.74%（P<0.05）;生物质炭处理对土壤MBN含量无显著变化。生物质炭提高土壤硝酸还原酶（NR）活性,BC5处理土壤NR活性最大。在0-5 cm、5-10 cm和10-30 cm土层,BC5处理时土壤NR活性分别较CK显著提高1027.17%、255.565%和111.33%;BC2处理时,过氧化氢酶（CAT）活性在0-5 cm土层较CK显著增加7.15%,蔗糖酶（INV）活性在5-10 cm土层较CK显著增加12.18%,二者在其他土层、处理间均无显著差异。生物质炭处理对各土层土壤碱性磷酸酶（ALP）和脲酶（UR）活性均无显著影响。3.添加生物质炭提高土壤酸解总氮（TAN）、氨基酸态氮（AAN）、酸解铵态氮（AMN）和氨基糖态氮（ASN）含量。BC3处理时10-30 cm土壤TAN、AMN和ASN含量最高,分别较CK增加107.55%、91.91%和99.74%（P<0.05）,仅BC5处理时AMN含量显著降低。BC5处理时土壤AAN含量最高,在0-5 cm、5-10 cm和10-30 cm土层中分别较CK显著增加81.51%、77.27%和71.04%。随生物质炭添加量增加,土壤酸解未知态氮（UAN）含量呈降低趋势,BC5处理时含量最低,在0-5 cm、5-10 cm和10-30 cm土层中分别较CK显著降低89.57%、78.34%和57.42%。通过相关分析可知,土壤TN和SOM是影响有机氮组分差异的主要因素,与AAN、AMN和非酸解氮（AIN）间呈显著正相关,与UAN间呈显著负相关;MBC次之,与AAN和AIN间呈极显著正相关,与UAN间呈极显著负相关。4.BC1和BC4处理能提高土壤CO2的累积排放量,而BC2、BC3和BC5处理能够降低土壤CO2的累积排放量,其中BC3处理CO2的累积排放量最低,较CK显著降低32.32%（P<0.05）。添加生物质炭能够显著降低N2O的累积排放量,BC3处理N2O的累积排放量最低。生物质炭处理土壤温室气体CO2与N2O的综合增温潜势效应表现为:BC1>CK>BC4>BC5>BC2>BC3。在旱作农田中,土壤温度、气温在各土层中均与温室气体排放通量呈极显著正相关,土壤水分含量仅在10-30 cm土层中与温室气体排放通量呈极显著负相关。综上所述,添加生物质炭能够影响黄土高原旱作农田土壤养分含量,调节土壤有机氮组分分配比例,改善土壤质量,减小土壤温室气体排放量。并且在BC3处理时,小麦产量最高,对温室气体排放的抑制效果最佳。因此,从经济和环保的角度考虑,在陇中黄土高原旱作农业区小麦农田土壤改良中,本研究推荐的生物质炭添加量以30t·hm-2为宜。