近年来,鉴于农业生态系统在实现粮食安全和减轻温室气体排放方面的重要作用,其相关研究越来越受到学者们的重视。大量研究表明:不同的碳源及其施入模式可提高土壤生产力,与此同时,针对中国半干旱地区农业生态系统开展的温室气体排放及其机制的研究亟待加强。本研究依托设置在甘肃农业大学定西试验站（35°28’N,104°44’E,海拔1971m）的定位试验,研究不同碳添加量和模式对春小麦农田N₂O,CH₄和CO₂排放,以及土壤性质和作物生产力的影响。试验处理为秸秆、生物质碳和无碳处理的单独应用或与氮肥(50和100 kg N ha^-1)的组合。其中添加秸秆的模式分为:传统耕作（T）,免耕（NT）,免耕秸秆覆盖（NTS）和传统耕作结合秸秆还田（TS）。主要研究结论如下:研究期内,所有处理均为N₂O的源,CH₄的汇。N₂O,CH₄和CO₂通量随季节变化的趋势明显:当土壤温度和土壤水分较高时,温室气体排放量也较高。其中二氧化碳（CO₂）排放量随着氮肥施用量的增加而减少;N₂O排放和CH₄吸收的最高值均出现在100 kg N ha^-1氮肥的处理。生物炭处理的土壤产生最低累积N₂O和CO₂排放量和最大的CH₄汇。生物炭和秸秆处理平均累积N₂O排放分别为1.83 kg ha^-1和2.03 kg ha^-1,与无碳添加处理相比显著减少32.44%和19.57%。生物炭处理表现为较低的CO₂累积排放量(2538 kg ha^-1),其次是无碳添加的处理(2805kg ha^-1)和秸秆处理(2928 kg ha^-1)。与土壤无碳添加的处理相比(3.06和2.14 kg ha^-1)相比,生物炭的应用显著增加CH₄汇。免耕较传统耕作显著降低了N₂O的和CO₂排放,同时显著提高了CH₄的吸收。但是对秸秆处理的地块的影响才是最大的。与传统耕作不覆盖地(2.64 kg ha^-1)和(3257 kg ha^-1)相比,免耕秸秆覆盖地(2.01 kg ha^-1)公顷)和(2696 kg ha^-1)当中的N₂O和CO₂通量平均累积量较低。与传统耕作不覆盖相比,免耕秸秆覆盖地中CH₄汇增加了25.71%。研究表明,免耕结合秸秆还田和生物炭修复过的每公顷含100 kg N ha^-1氮的土壤均有较低的全球变暖潜力和温室气体的强度,温室气体的强度表明表他们减轻气候变化的潜力。在所有碳源中,每公顷含100 kg N ha^-1的实验地中有机碳、容重和饱和导水率较高,同时温度较低。生物炭和秸秆处理土壤两者最小容重（0-5厘米）是1.15克每立方厘米,无碳土壤最高容重是1.20 g cm^-3。无碳土壤中土壤有机碳和全氮含量是最低的,其次是秸秆处理土壤和最大的生物炭处理土壤。在深度为1-10cm的土层中发现,生物炭修复后得到土壤中土壤碳含量较高（每千克13.1克）,这与无碳修复的土壤和秸秆处理的土壤相比,碳含量分别增长了26.87%（10.25克/公斤）和17.14%（11.10克/公斤）。0-10cm土层中,秸秆覆盖土壤容重(1.19 g cm^-3)比没有秸秆覆盖的土壤容重(1.30 g cm^-3)低,并且耕作土壤中容重更高。此外,秸秆还田处理对增加土壤有机碳和微生物量碳的贡献更高。与传统耕作不覆盖相比,在1-10cm土层中,传统耕作下秸秆覆盖和传统耕作结合秸秆还田显著增加了土壤有机碳,分别增加了20.81%和10.60%。N₂O、CH₄和CO₂累积排放量均与土壤温度是正相关,与土壤微生物量和土壤有机碳呈负相关。这些数据表明,土壤温度、土壤容重、饱和导水率与土壤有机碳对温室气体排放具有重要作用。生物炭、秸秆还田和无碳土壤中氮的施肥率为100kg/公顷时作物收成达到最大。并且生物炭修复土壤效果最明显,生物炭修复土壤最大生产量是1906 kg ha^-1,其次是秸秆处理土壤生产量是1643 kg ha^-1,无碳土壤生产量最低,1553 kg ha^-1。生物炭土壤中作物产量增加说明碳投入较多(7764 kg ha^-1·年^-1),其次碳投入较多的是秸秆处理土壤(5678 kg ha^-1·年^-1),无碳土壤中最低,1068 kg ha^-1·年^-1。实验表明,生物炭处理土壤中得到低碳输出和高碳输入与土壤碳平衡具有显著正相关关系。与秸秆不覆盖地相比,秸秆还田地和少量秸秆还田地对作物产量、碳投入和土壤碳平衡的贡献更大。与传统耕作不覆盖实验地和免耕不覆盖实验地作物产量(1280 kg ha^-1·年^-1和1337 kg ha^-1·年^-1)相比,免耕秸秆覆盖实验地作物产量最大,平均达到1809 kg ha^-1·年^-1。免耕和传统耕作下秸秆还田处理表现出显著碳汇效应,且以免耕土壤最优。而无秸秆还田处理则因为较低的碳输入和较高的碳输出表现为碳源。与其他处理相比,生物质炭和秸秆施用的处理改善了土壤条件,很大程度上降低了土壤容重,增加了土壤有机碳含量,也证实了外源碳的输入以及减少土壤搅动,有助于营造良好土壤环境。生物质炭及免耕秸秆覆盖处理减少了N₂O和CO₂累积排放量,同时增加了CH₄吸收量,从而降低了农田生态系统碳的排放,同时具有降低全球变暖的潜力。另一方面,这些措施极大地改善了土壤的理化性状,增加了作物产量。一般而言,100 kg N ha^-1的生物炭和免耕秸秆还田土壤结合使用能不断增加作物产量,提高土壤肥力和减少温室气体排放,此耕种方法是一种适宜于西北半干旱地区的农业实践。