当前,我国面临土壤退化和作物秸秆资源化利用难两个重要问题。由作物秸秆等农业废弃物制备成的生物质炭返还到农田土壤中已成为一种新的土壤培肥模式。秸杆炭化不仅为秸秆资源利用提供一条新的有效途径,炭化生成的生物质炭还田还被认为是一种快速提高土壤有机碳储量、减缓气候变化、改良土壤的有效措施。此外,生物质炭施用于农田土壤还能提高作物的生产力。但是作物生产力对生物质炭施用的响应,因气候类型、土壤类型、作物类型、施用量、制炭工艺等因素差异存在很大的不确定性。生物质炭的增产机制并不是很清楚。因此,本研究首先通过生物质炭组分分离试验探讨生物质炭中结构和养分对作物生产力影响,探究生物质炭各组分如何协调土壤养分运移与吸收;通过水稻根际土壤性质和根系与地上部生长结合,探究生物质炭在土壤-作物系统中对作物生长影响机制;与此同时,通过田间试验验证生物质炭对作物生产力影响机制及其年际效应。研究结果如下:1)通过将生物质炭本身养分与碳骨架分离试验发现,在同肥力水平土壤生物质炭各组分对小白菜产量无显著影响,但在高肥力土壤,与对照相比,生物质浸提液处理和碳骨架处理具有更高的根冠比。添加生物质炭及不同组分显著降低了小白菜体内硝酸盐含量,但对小白菜地上部分可溶性蛋白和可溶性糖含量无显著影响。生物质炭组分对小白菜VC含量的影响与土壤肥力水平相关。此外,不同肥力土壤小白菜产量差异和土壤氮、磷和钾等营养元素的有效性呈正相关关系,而小白菜中硝酸盐含量与钾含量呈显著负相关关系,而这可能是生物质炭降低小白菜硝酸盐含量的主要原因。2)生物质炭施用对水稻根系形态及根际土壤性质的影响试验表明:对于水稻产量,在低肥力土壤上,施炭处理都显著提高了水稻产量增产幅度62%～63%,但不同施用量间无显著差异;在高肥力土壤上,1%施炭量显著提高了水稻产量,增产幅度达143%,但2%处理无显著增产效果。生物质炭对水稻秸秆和根系生物量与根系形态的影响与土壤本身肥力和生育时期有一定相关性。在高肥力土壤上,分蘖期2%施炭处理显著提高了根和秸秆生物量,在成熟期1%施炭处理显著提高秸秆生物量;在低肥力土壤,分蘖期施炭处理都显著提高了根和秸秆生物量,但是拔节抽穗期,2%处理显著降低了根和秸秆生物量,在成熟期,1%施炭处理又显著提高了秸秆生物量。生物质炭对水稻根系形态影响表现为:分蘖期无显著影响,在拔节抽穗期施炭处理显著抑制了总根长、总表面积和总根尖数,但是在成熟期,1%施炭处理与不施炭相比显著提高。此外,低肥力土壤成熟期根系参数与拔节抽穗期相比出现了抑制作用,这可能与后期养分供应不足有关。生物质炭在增加水稻产量和生物量的同时,由于养分稀释作用,从而降低了氮磷浓度,但是钾浓度显著增加。施炭抑制了水稻分蘖期根系活力,而在拔节抽穗期1%生物质炭处理显著提高了高肥力土壤根系活力。此外,生物质炭施用协调根际养分在根际分布的同时,也增加根际土壤酶活性以及微生物数量。生物质炭对水稻土壤pH影响较小,但显著提高了根际和非根际土壤SOC、全氮、有效磷、速效钾,但各种养分分布与生育期有一定相关性。全氮前期根际土含量高,后期基本一致;速磷含量前期根际土高,后期非根际含量高;而速效钾含量前期非根际土高,后期根际含量高。生物质炭还显著提高了根际土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氩酶酸性磷酸酶、中性磷酸酶活性,与此同时根际和非根际微生物量碳氮也有显著提高,其中微生物量氮提高最为显著。3)生物质炭施用对玉米和马铃薯产量影响与施用量和施用年限密切相关。与不施炭相比,在施用后的第一年(2015),生物质炭低施用量(20 t/hm2)显著提高了玉米和马铃薯产量,当生物质炭施用量提高到40 t/hm2时,玉米产量也显著提高,而马铃薯增产效果消失。生物质炭施用第二年(2016),增产效果消失。马铃薯产量的提高主要是由于经济产量(直径>5cm马铃薯产量)的提高。生物质炭施用对马铃薯品质的影响与年限有关。与不施炭相比,施炭后第一年(2015)和第二年(2016)分别出现了还原糖含量与干物质和淀粉含量显著降低的现象。生物质炭对玉米根系的影响也与施用量和施用年限有关。在施用生物质炭后第一年(2015)施用生物质炭显著(p<0.05)增加了总根长,总面积,平均直径,根系总体积和根尖数。而在第二年,各项参数均未显著提高。这与产量结果有高度相关性。除此之外,玉米试验和马铃薯试验在施用生物质炭后显著提高了土壤SOC、和速效钾含量,而玉米试验pH和有效磷无显著提高,马铃薯试验在显著提高速效磷含量同时,还显著增加土壤C/N比和电导率,这在施炭后的两年基本保持一致。而对马铃薯试验土壤pH和全氮含量的影响与生物质炭施用年限有关。与对照相比,生物质炭施用后第一年土壤pH显著增加而第二年无显著变化;而全氮含量在生物质炭施用后第一年后无显著变化,在第二年显著增加。综上,在本试验中,生物质炭对玉米、马铃薯和水稻产量都有显著促进作用。但作物产量的提高与生物质炭对土壤孔隙度和肥力的提高无必然联系。生物质炭对做产量的影响与对作物根系形态的影响有一定正相关性。关于生物质炭组分中,生物质炭中碳骨架和生物质炭本身养分对小白菜品质的影响没有显著。生物炭通过协调根际土壤养分、酶与微生物,从而影响根系的生长,而根系生长的优劣直接关系作物生长以及最终产量。