冻融循环是寒区农田作物生境调控的重要途径和必经过程,冻融循环中伴随着土壤能量传递转化、水分相变迁移以及溶质分解扩散等复杂性过程。随着黑土资源开发强度的加大及保护耕作措施的缺失,致使土壤侵蚀流失现象加剧、土壤养分供给失衡,对黑土区粮食产能安全及绿色可持续发展产生威胁。此种背景下,如何通过干预调控,有效发挥冻融过程在漫长的冬季中对作物生境的修整作用,缓解春季涝渍灾害及黑土养分流失对黑龙江省农业生产的影响,对于寒区农业水土资源高效利用及黑土生境保护模式构建具有重要实践意义。以往研究生物炭对农田土壤水土环境的影响常通过室内常温试验模拟或在作物生长季进行,而忽略了土壤的季节性冻融过程,特别是冻融循环作用下土壤结构改善、生物可利用养分释放量、降低养分流失的优化条件等方面。本研究以“土壤冻融环境协同效应-土壤水土环境调节机理-土壤养分循环改良修复”为研究主线,在明晰冻融土壤水热扩散机理以及水盐传动机制的基础之上,阐述变化环境对冻融土壤的互馈关系、冻融土壤水环境转化模式以及冻融土壤养分生成等区域水土资源的转化与再分配过程。本研究以松嫩平原农田土壤为研究载体,将生物炭与土壤视为炭-土复合体,设置了三种生物炭施加量（0%、1%和2%）,以农田土壤冻融过程为边界条件,将室内冻融模拟试验与野外大田原位试验相对照,通过分析土壤环境因子、土壤有效碳氮、土壤微生物量和土壤温室气体的变化特征,探究生物炭对季节性冻土区农田土壤碳氮循环耦合过程及其响应机理。主要研究内容及结论如下:（1）生物炭在冻融条件下对土壤温室气体排放的关键驱动因子和潜在作用机制分析。生物炭处理使得冻融过程中的土壤CO2排放量增加、CH4排放量降低、N2O排放量降低。生物炭中除了大部分稳定的碳组分之外,活性有机碳也以小部分比例存在,进而引起短期的正激发效应。生物炭因其独特的理化性质,施加到土壤中对土壤通气持水程度和氧化还原条件的改善,进而显著减少CH4排放。生物炭可以有效固持养分,降低反应底物和营养基质的生物有效性等,底物中有效氮素含量的下降会限制N2O排放。通过结构方程模型结果可知:ST是决定土壤CO2排放通量的主要环境因子,SM是决定土壤CH4排放通量和N2O排放通量的主要环境因子。此外,土壤有效碳氮和土壤微生物量分别作为土壤生物化学转化的反应底物和主体对土壤碳氮循环转化过程具有重要意义。本研究清晰的阐述了冻融土壤水热特征对养分循环转化的关联效果,提出了土壤碳、氮元素矿化过程动力学原理定量表征方法。（2）生物炭在冻融条件下理化性质变化特征及其对土壤水土环境变化特征的影响分析。生物炭具有很强的稳定性,将其作为修复材料加入土壤后,随着化学及风化作用,其表面形态、微观结构、元素含量等会发生改变。生物炭能够有效调控冻融土壤水热迁移传递及水养互作驱动效应,进而改变土壤微生物呼吸、反应底物和基质的有效性,从而调控土壤温室气体产生和排放效果。生物炭作为稳定化外源介质材料,具有吸附能力强、比表面积大等特点,促进了土壤团聚体的形成,影响土壤水分、温度和养分等能量和物质的迁移和转化。生物炭的添加促进了耕层土壤对外界热量的吸收,打破了土壤原有的水热平衡关系和消融历程,进而影响土壤的机械组成、孔隙特征等物理结构特征。基于碳基材料的性能优势及土壤水热环境调控作用效果在寒区具有一定的适用性,为实现寒区农田水土资源健康利用及黑土低碳生产模式起到强有力的推动作用。（3）生物炭在冻融条件下对农田土壤碳素循环转化过程及响应机理的影响分析。冻融过程中不同形态的土壤碳素随着时间尺度的变化表现出了不同的变化趋势与演变规律。其中,DOC、TOC等有效碳素呈现先增加后减少再增加的趋势;MBC等活性碳素呈现先减少后增加再减少的趋势;q CO2呈现先减少后增加的趋势。土壤有效碳素含量和土壤CO2排放通量随着生物炭含量的增加而增加,土壤CH4排放通量随着生物炭含量的增加而减少。构建不同处理条件下与土壤温室气体排放通量相关的响应传递函数表明,土壤CO2排放通量对于土壤温度和土壤p H的变化更为敏感,土壤CH4排放通量对于土壤液态含水率的变化更为敏感。生物炭处理增强了土壤CO2排放通量与土壤水土环境、土壤微生物量之间的响应关系,同时减弱了其与土壤有效碳素之间的响应关系。生物炭处理减弱了土壤CH4排放通量与土壤水土环境之间的响应关系,同时增强了其与土壤有效碳素、土壤微生物量之间的响应关系。（4）生物炭在冻融条件下对农田土壤氮素循环转化过程及响应机理的影响分析。冻融过程中不同形态的土壤氮素随着时间尺度的变化表现出了不同的变化趋势与演变规律。其中,MN、TN等有效氮素呈现先增加后减少再增加的趋势,MBN等活性氮素呈现先减少后增加的趋势,MBC/MBN呈现M型变化趋势。土壤有效氮素含量随着生物炭含量的增加而增加,MBC/MBN和土壤N2O排放通量随着生物炭含量的增加而减少。构建不同处理条件下与土壤温室气体排放通量相关的响应传递函数表明,土壤N2O排放通量对于土壤液态含水率和土壤脲酶活性的变化更为敏感。生物炭处理增加了下垫面土壤水热相变与养分循环转化的复杂性,通过其本身特殊的理化性质改变了土壤环境因子和土壤微生物量等影响因素,进而间接的影响了土壤氮素循环过程。生物炭处理减弱了土壤N2O排放通量与土壤水土环境、土壤微生物量之间的响应关系,同时增强了与土壤有效氮素之间的响应关系。（5）生物炭在冻融条件下对农田土壤碳氮耦合转化过程及响应机理的影响分析。通过构建不同形式的土壤有效碳氮含量和不同种类的土壤碳氮气体通量之间的响应传递函数,进而阐述不同形式的土壤有效碳氮和不同种类的土壤碳氮气体通量之间的耦合关系。同时,提出了外源介质作用下的土壤有效碳氮和土壤碳氮气体之间信息响应模式的有效诊断方法。土壤CO2排放通量与土壤CH4排放通量之间、土壤N2O排放通量与土壤CO2排放通量之间无显著的相关关系,表现出一种随机关系,机理上不存在任何类型的耦合关系。土壤CH4排放通量与N2O排放通量之间呈正相关关系,但R~2较小,表现出弱消长型的耦合关系。土壤碳素贮存与氮素积累有直接关系,土壤碳氮循环转化过程能够相互影响。生物炭使得土壤水分和养分在土壤中保留更长的时间供植物吸收利用,有利于充分发挥水养碳氮耦合效应,进一步实现增产增效,研究结果可为土壤生物地球化学过程健康有机调控提供理论参考。综上所述,生物炭作为一种稳定化的外源介质材料,增加了下垫面土壤水热碳氮的复杂性,冻融过程中生物炭增强了土壤对水分的固持能力,增强了炭-土复合体的吸热能力进而影响土壤热量传递,进而改变土壤水热环境因子、土壤通气持水程度和氧化还原条件。生物炭能够有效调控土壤碳氮元素循环,进而改变土壤微生物呼吸、反应的底物和基质的有效性,从而调控土壤温室气体的产生和排放效果。研究结果可为季节性冻土区农田水土环境保护、土壤水热资源高效利用、农田土壤养分调控及土壤生态环境效应提供理论依据和技术支撑。