近50年来,农业系统由于大量的使用无机肥料和化学物质造成土壤肥力匮乏,严重制约了农业的可持续发展;此外,这些化肥对环境、人口和作物生产有严重的负面影响。因此,采取环境友好型种植措施,减少化肥投入,保持高产,对确保未来农业可持续发展至关重要。前人的研究提出了各种化肥管理策略,如缓释肥料、最佳化肥水平和侧深施肥等;然而,这些管理措施对土壤特性与培地力作用较小。相比之下,采用作物轮作以及生物炭与化肥的结合方式更具可持续性,因为它们对土壤生态系统具有积极作用,同时可缓和非生物逆境,提高水肥利用效率,并增加作物产量。因此,在本试验研究中,我们通过温室和田间种植方式,评估了油菜单作及油-稻轮作条件下,生物炭与化肥结合施用对土壤养分及物理化学特性、植物生长与生理植物营养吸收与利用、产量构成因素的影响。这些研究可为科学用地养地、水稻和油菜的持续高产和稳产提供理论基础与技术支撑。主要研究结果总结如下。1.不同氮水平和生物炭用量对盆栽单季油菜幼苗生长和土壤条件的影响设置了4个氮肥水平(0、75、225、450 kg ha-1)和4个生物炭水平(0、5、10、15 t ha-1)的盆栽试验,研究结果表明,结合施用15 t/ha生物炭和450 kg/ha氮肥的处理与单施同量氮相比,在播种后45天（DAS）和播种后60天（DAS）增加了土壤的氮积累（TNA）（93%和62%）、叶片生物量（60%和33%）、茎生物量（20%和22%）以及光合作用（20%和17%）。但是,在无氮或75 kg ha-1的施氮条件下,由于土壤供氮量较少,生物炭促进油菜生长的效果亦受到限制。相比之下,同时施用450kg氮肥以及15 t ha-1生物炭条件下,土壤中的高氮浓度使早期幼苗的生长受到不利影响。本研究的结果表明,在施用225-450 kg ha-1左右氮素范围内,生物炭和氮肥的互作后更有利于作物生长与提高氮肥利用率。2.不同水分条件和生物炭用量对盆栽单季油菜土壤养分利用、植株生理、生长和产量的影响设置四种生物炭施用量0、15、30、60 t ha-1（标记为B0、B15、B30和B60）的盆栽试验,于开花期进行无胁迫（NS）和干旱胁迫（DS）两种处理。结果表明,与对照（B0+NS）相比,干旱处理（B0+DS）的油菜过氧化氢（H2O2）含量增加45%,丙二醛（MDA）增加21%,电解质渗漏（EL%）增加40%,干旱胁迫对油菜生长产生严重的负面影响。然而在添加30t ha-1生物炭条件下可使超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的活性分别提高63%、48%和62%,从而降低MDA、H2O2和EL的含量,减轻干旱胁迫对油菜的不利影响。与不施用生物炭相比,无胁迫和干旱条件下分别添加生物炭30t ha-1可以使油菜的生物量增加56%和23%,单株角果数增加26%和32%,单株籽粒重增加56%和208%,千粒重增加15%和21%。3.不同氮素水平和生物炭用量对油菜-水稻轮作三季盆栽土壤肥力、氮素利用效率、植株生理和产量的综合效应在油稻轮作模式下进行了三季（两季油菜和一季水稻）的盆栽研究。试验开始时一次施用不同量生物炭(0、15、30和60 t ha-1),同时每季施用不同量的化学氮肥(油菜为0、75、225和450 kg ha-1;水稻为0、150、300和450kg ha-1)。在第一季油菜收获后,施用生物炭处理使土壤养分状况得到不同程度改善:B60+N225处理的有机质含量（SOC）增加了359%,B30+N450的NO3-增加了198%,B60+N450处理的NH4+含量增加了134%,B15+N225处理的氮素利用率（NUE）增加了40%。在第二季水稻收获之后,B60+N0处理的SOC增加了417%,B60+N450的NO3-含量增加了172%,B30+N450的NH4+含量增加了139%,B30+N300的NUE增加了59%。同样的,在第三季油菜收获之后,B60+N450的SOC增加了308%,B30+N450的NO3-含量增加了139%,B30+N450的NH4+含量增加了159%,B15+N225的NUE增加了40%。当不使用生物炭时,高氮B0+N450处理与B0+N225相比,在第一年和第二年表现出不利于植株生长的效应,高氮油菜株高分别降低3%和5%,单株角果数分别降低7%和6%,籽粒产量分别降低8%和17%。然而,高氮下适当施用生物炭（B30+N450）在第1年和第2年使油菜株高分别提高了11%和18%,单株角果数分别提高了39%和32%,籽粒产量分别提高了54%和64%。与B0+N450相比,B30+N450组合在第一年使硝酸还原酶NR活性分别在苗期（SS）和开花期（FS）显著提高了26%和29%,使亚硝酸盐还原酶NIR活性分别提高了28%和23%,使谷氨酸合成酶GS活性分别提高了97%和89%,使谷氨酰胺合成酶GOGAT活性分别提高了28%和87%;在第二年NR活性提高了28%和33%,NIR活性提高了34%和30%,GS活性提高了77%和86%,GOGAT的活性提高了74%和71%。同样,高氮肥的不利影响也表现在两季油菜之间所种植的水稻上:与N300相比,单次施用450 kg N ha-1（N450）破坏水稻叶片超微结构,使水稻的气孔长度与宽度分别减少13%、3%,气孔密度减少12%,株高减少5%,干生物量减少4%,穗重减少8%,粒重减少9%。生物炭配合施用可以改善单施较多氮肥的不利影响。与对照相比,B30+N450处理可使水稻植株含氮量提高13%,株高提高30%,地上干物质提高136%,穗重提高34%,粒重提高36%。4.稻-油菜轮作三年（六季）大田栽培条件下不同量生物炭对土壤理化性质和植物生长的影响进行了为期三年的稻-油菜轮作田间试验,在每季施入适宜用量复合肥料（NPK15-15-15）基础上（NPK的比例在水稻和油菜中分别为1:0.8:0.8和1:0.5:0.5）研究一次性施入不同用量生物炭(0、3、9、15、30和60 t ha-1)后的长期效应。结果表明:与对照相比,增施60 t ha-1生物炭的处理在2018,2019和2020年水稻收获之后使土壤总氮含量（TN）分别显著提高16%、20%和22%,总磷含量（TP）分别提高69%、72%和67%,速效钾含量（AK）分别提高88%、190%和88%;同样,在三个季度的油菜收获之后,60 t ha-1的生物炭也促进了土壤营养含量的增加,TN分别增加了17%、19%和23%,TP分别增加了60%、63%和67%,AK分别增加了96%、95%和97%。与对照相比,使用30 t ha-1生物炭处理的小区,脲酶活性分别提高了52%和39%,转化酶活性分别提高了15%和32%。在本研究的最后一年,结束水稻和油菜栽培后,施用生物炭60 t ha-1分别使土壤过氧化氢酶和碱性磷酸酶的活性增加了34%和32%,碱性磷酸酶的活性增加了35%和41%。产量考察表明,施用生物炭15 t ha-1在第一年水稻和油菜的产量最高,分别比对照显著提高12%和22%。而在之后第二、三年中,施用生物炭30 t ha-1的处理水稻分别比对照提高了14%和22%,油菜产量分别提高了18%和21%。在第一年试验中,施用60 t ha-1生物炭降低了对养分吸收和产量的正效应,其作物产量与6 t ha-1生物炭相当,但随着时间的推移其积极影响不断提升。在没有施用生物炭的对照地块中,三年后土壤条件、水稻和油菜的生长和产量都得到了改善,表明稻油轮作具有明显的积极作用。综上所述,稻油轮作模式下,使用生物炭15-30 t ha-1在1-3年内均有利于养分利用及植株生长,而施用60 t ha-1生物炭在种植初期会因碳含量过高对作物养分吸收与利用产生不利影响,但在种植2-3年后逐渐改善,产量比对照提高。因此,适宜生物炭和无机肥料施用量对土壤条件、养分吸收和利用以及水稻和油菜的产量含量具有可持续的积极效应。同时,添加生物炭通过土壤结构与养分条件的改良而改善了叶片的超微结构和生理特性,显著减轻了干旱胁迫和高氮施用的不利影响。此外,施用15 t ha-1的生物炭也可以弥补低氮的不足。因此,在长期可持续的基础上,生物炭与化肥的结合施用是改善土壤结构及水肥保持与供应能力,提高作物产量的有效途径。