生物炭作为一种土壤改良剂被广泛的施加到农田土壤中,其显著改变了土壤的理化性质,进而影响了土壤的水热状况、温室气体排放以及作物的生长过程。此外,由于北方寒区土壤存在季节性冻融过程,在一定程度上使施加生物炭土壤的水热环境更加复杂。然而,近些年来研究往往侧重于单一选择生物炭对土壤理化性质、作物生长、温室气体排放作为研究对象,在研究周期选择上仅考虑作物生长期或冻结期。由于研究对象和周期选择的单一性,使研究结论往往缺乏系统性和整体性。此外,在分析施加生物炭对土壤水热影响时,忽略了施加生物炭对土壤水分运动参数和热特性参数的影响分析。系统研究生物炭在冻融期和作物生长期对土壤物理性质、水热状况、温室气体排放、作物生长过程的影响机理,对于农田土壤生态环境改良具有重要的理论和实践意义。本文以北方寒区典型黑土为研究对象,通过室内试验研究分析生物炭对土壤物理性质、土壤热特性参数、土壤水分运动参数的影响机理。同时,通过室外试验,研究分析施加生物炭对土壤水热迁移规律、温室气体排放,作物生长的影响机理。分别揭示了在冻结期、融化期和作物生长期,不同生物炭含量对土壤水热环境效应的影响机理。具体研究结果如下:（1）施加生物炭,能够增大土壤饱和含水率、田间持水率、有效含水率,但使土壤凋萎含水率降低,并且在冻结期、融化期、作物生长期,生物炭对土壤水分常数的影响规律一致。此外,由于生物炭具有较大的孔隙,因此,其能够增大土壤的总孔隙度和毛管孔隙度,降低土壤的容重。生物炭比表面积较大,又具有较强的吸附作用,其对土壤结构的调控作用显著:施加生物炭后,土壤大团聚体含量（>2 mm和2～0.25 mm）增多,土壤大孔径（0.3～5?m、5～30?m、30～75?m、75～100?m、>100?m）占比增大,土壤较小的团聚体（0.25～0.053mm和<0.053 mm）含量降低,土壤微孔径（<0.3?m）占比降低。通过研究发现,施加生物炭能够影响土壤的冻结过程:在室内试验中发现施加生物炭能够影响土壤的冻结特征曲线,增加土壤未冻水含量;在室外试验中发现施加生物炭能够减少土壤的最大冻结深度,缩短冻结周期。（2）在整个试验周期,不同含量生物炭处理条件下,土壤温度变化规律整体一致,即在冻结期随着大气温度的降低土壤温度降低,在融化期和作物生长期随着大气温度的升高,土壤温度呈上升趋势。但施加生物炭后,土壤颜色变黑能够吸收更多的热量,并且由于生物炭改变了土壤的热性能参数,施加生物炭土壤的温度较高,但施加生物炭土壤温度的变化速率降低。本文通过监测大田实测数据,拟合了冻结期、融化期和作物生长期土壤热特性参数经验公式:土壤导热率与含水率呈二次函数关系,土壤体积热容量与含水率呈线性函数关系,土壤热扩散率与土壤含水率呈二次函数关系。通过室内试验发现,非冻结土壤,随着含水率的增大,土壤导热率、体积热容量、热扩散率呈增大趋势。在相同含水率条件下,随着生物炭施加量的增大,土壤导热率、体积热容量、热扩散率呈降低趋势;冻结土壤,随着含水率的增大,土壤的导热率、体积热容量、热扩散率也呈增大趋势,随着生物炭施加量的增大,土壤导热率、热扩散率呈降低趋势,土壤体积热容量呈增大趋势;与非冻结土壤对比,在土壤冻结过程,土壤导热率增大、热扩散率增大,体积热容量降低。（3）在整个试验周期,不同含量生物炭处理条件下,土壤含水率变化规律整体一致。即冻结期土壤含水率迅速降低,并在冻结期保持稳定,在融化期和作物生长期土壤含水率较高。由于生物炭具有较强的吸附性,且能够增大土壤的水分常数,施加生物炭土壤含水率较高。拟合了不同时期土壤水分特征曲线、土壤非饱和导水率和土壤水分扩散率的经验公式。由公式可知,土壤导水率、土壤水分扩散率与土壤含水率呈幂函数关系。在冻结期和融化期,生物炭能够增加土壤中的未冻水含量,因此,施加生物炭土壤导水率和水分扩散率增大;在作物生长期,由于生物炭具有较强的吸附性,能够增大土壤孔隙率增大水流通道,因而,能够增大土壤水分运动参数。本文利用Comsol Multiphysics多物理场软件中的PDE（partial differential equation）模块求解土壤水热偏微分方程,通过计算值和实测值对比,表明该模型能够准确的模拟不同时期施加生物炭土壤的水热迁移规律。（4）施加生物炭可以增大土壤中的无机氮含量（硝态氮和铵态氮）。生物炭中含有一定的可溶性有机碳,施加到土壤中后能够显著的增大土壤中的可溶性有机碳含量。在整个试验周期,土壤硝态氮含量、铵态氮含量、可溶性有机碳含量的变化规律不同:在冻结期,由于土壤温度降低,微生物死亡,硝化作用和反硝化作用减弱,土壤硝态氮含量、铵态氮含量和可溶性有机碳含量减小。在冻结期末期随着土壤温度和含水率的升高,微生物活性增强,土壤硝态氮、铵态氮和可溶性有机碳含量显著升高。由于施加生物炭能够增大土壤温度和含水率,进而增强土壤中酶的活性,因此,施加生物炭土壤硝态氮、铵态氮和可溶性有机碳含量增大;在融化期,土壤硝态氮和铵态氮含量呈“先增大,后减小”的变化趋势,土壤可溶性有机碳呈递增趋势,施加生物炭土壤硝态氮、铵态氮和可溶性有机碳含量显著增大;作物生长期,土壤铵态氮含量、硝态氮含量和土壤可溶性有机碳均表现为“先增大,后减小,再增大”的变化趋势。（5）在整个试验周期,土壤N2O气体的累计排放量:作物生长期>融化期>冻结期,施加生物炭能够降低土壤N2O气体的累计排放量。施加生物炭土壤在不同时期N2O气体排放通量的变化规律不同:在冻结期,由于施加生物炭土壤温度较高,能够增强微生物活性与酶活性,因此,能够促进土壤N2O气体排放。构建了冻结期N2O气体排放通量与土壤含水率、温度、硝态氮含量、铵态氮含量的函数关系;在融化期,随着土壤温度升高,含水率增大,土壤铵态氮含量和硝态氮含量增高,N2O气体排放通量呈脉冲式增长。生物炭通过改善土壤中的水热环境对N2O气体排放通量具有正向促进作用,但生物炭通过增强土壤阳离子交换能力,吸附了更多的无机氮,使硝化作用和反硝化作用底物减小,对N2O气体排放又具有负向作用。在融化期BC1和BC2土壤N2O气体排放通量相对于BC0土壤减少,构建了融化期N2O气体排放通量与土壤含水率、温度、硝态氮含量、铵态氮含量的函数关系;在作物生长期,土壤无机氮含量增大,土壤N2O气体排放通量较高。不同生物炭含量土壤的含水率、温度值均适宜微生物生存。由于生物炭增大了土壤的p H值,促进N2O气体向N2转化,因此,生物炭降低了土壤N2O气体排放通量。构建了作物生长期不同影响因子与N2O气体排通量的函数关系。（6）在整个试验周期,土壤CO2气体的累计排放量:作物生长期>冻结期>融化期,施加生物炭能够降低土壤CO2气体的累计排放量。但施加生物炭土壤在不同时期CO2气体排放通量的变化规律不同:在冻结期,随着土壤温度的降低,CO2气体排放通量呈降低趋势,由于施加生物炭能够增大土壤温度,而土壤温度直接影响着微生物是控制土壤CO2排放的主要因素。因此,施加生物炭在冻结期能够促进CO2气体排放。构建了冻结期CO2气体排放通量与土壤含水率、温度、可溶性有机碳的函数关系;在融化期,随着土壤温度和含水率升高,土壤CO2排放通量增大,构建了不同环境影响因子与CO2排放通量的函数关系;在作物生长期,由于大豆根系也具有呼吸作用,因此土壤CO2排放通量较大。施加生物炭能够增大土壤水分含量和土壤p H值,由于CO2易溶解于水,并且当土壤p H值较高时能促进CO2溶解于水,减弱微生物活性。因此,在作物生长期施加生物炭土壤CO2排放通量减弱,CO2气体排放通量与土壤温度、土壤含水率均呈三次函数关系,与土壤可溶性有机碳呈线性函数关系。（7）在整个试验周期,施加生物炭能够降低土壤CH4排放通量,在冻结期和作物生长期CH4气体表现为净吸收,在融化期CH4气体表现为净排放。在冻结期随着土壤温度的降低,甲烷氧化菌活性降低,甲烷吸收量降低。由于生物炭能够增大土壤总孔隙度和大孔径分布比例,进而增大了土壤中的氧气含量。因此,施加生物炭能够增大CH4气体的吸收通量。构建了土壤温度、含水率、可溶性有机碳与土壤CH4气体排放通量的函数关系;在融化期由于积雪融化土壤中含水率增大,甲烷菌活性增强,CH4气体表现为净排放。由于施加生物炭能够增加土壤中的孔隙度,使土壤氧气含量升高,因此CH4气体排放通量降低。构建了各环境影响因子与CH4气体排放通量的函数关系;在作物生长期,降雨后土壤含水率较高CH4气体表现为净排放,当土壤含水率较低时,CH4气体表现为净吸收;施加生物炭有效的降低了土壤全球增温潜势,BC0土壤的全球增温潜势为1126.71 kg.hm-2,BC1、BC2、BC3土壤全球增温潜势相对于BC0降底了665.783、830.4346、590.7206 kg.hm-2。（8）施加生物炭能够显著影响土壤温度、水分以及土壤养分含量,进而影响作物的生长变化。施加生物炭后,大豆的株高、茎粗、叶面积、根长等形态指标增大。同时,生物炭对大豆叶绿素含量,蒸腾速率,气孔导度、胞间CO2浓度等光合指标也起到了促进作用。由于生物炭促进了光合作用,也增大了光合作用产物的积累,使大豆叶片、茎秆、根部的干物质积累量增大。生物炭对大豆的主茎结数、分枝数、单株荚数、单株粒数等农艺形状指标也有促进作用。施加生物炭提高了大豆的产量,降低了土壤温室气体排放强度。在施加生物炭量为20 t.hm-2时,增产最大且温室气体排放强度最低。