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在季节性冻土区,由于过量施用肥料导致农田土壤的养分流失和结构失调、土地耕性下降等问题突出,严重危害了田间正常的生产实践活动,并且在季节性冻融作用下农田生态系统中的碳、氮循环也受到了显著影响。为此,本研究以东北典型黑壤土作为研究对象,分别设置了野外田间试验以及野外盆栽试验。野外田间试验依据生物炭施入土壤的时间的差异设置了3种不同的生物炭施用方式（秋季施炭、春季施炭、春秋混施,分别记作B、C、D）,每种施用方式下设有4种不同的生物炭施用梯度(3 kg·m-2、6 kg·m-2、9 kg·m-2、12 kg·m-2,分别记作1、2、3、4),并设有未施加生物炭的空白对照组（记作A）,共13种处理。其中,在试验的前3年进行了单一作物大豆的种植,在试验进行的第4年,选取部分田块进行了“大豆-玉米”间作种植。野外盆栽试验则设置了3种生物炭施用梯度(0 kg·m-2、3 kg·m-2、6 kg·m-2)与3种氮肥施用梯度(0 kg·ha-1、75 kg·ha-1、150 kg·ha-1)的组合模式,共9种处理。在试验期间,共测定了作物农艺性状、土壤水热状况、大豆根系形态特征、根区土壤碳氮以及温室气体排放等指标,旨在探究出一种适用于季节性冻土区土壤改良、能够维护农田土壤环境可持续的生物炭综合调控措施,挖掘生物炭在与不同的农艺措施相结合的情形下所能发挥出的潜力。主要的研究结果如下:（1）对―生物炭-农田土壤‖复合体的温度以及液态含水率的空间变化特征进行分析,揭示了生物炭驱动下―生物炭-农田土壤‖复合体的水热变化差异性。施加生物炭虽然不能改变各土层土壤水热变化的整体趋势,但―生物炭-农田土壤‖复合体改变了土层内部的比热容、导热率以及对外来能量的吸收与反射量,增加了影响土壤温度以及水分变化的因子,使土壤内部的热量传导产生差异;对于冻融期的土壤水分,液态含水率的含量由土壤表层至底层逐渐升高并逐渐趋于稳定,呈现出跳跃式的分层变化,至土壤的融化期,C3处理的墒情条件最好;对于土壤温度,在冻结过程中,B3处理冻结速度最快,耕层以下的土壤的冻结速度表现为B3＞C3＞A＞D3。（2）通过测算农田土壤水热的复杂性阐明了生物炭在冻融期对农田土壤水分变化的影响机制,实现了生物炭施用情况对冻融土壤水分变化过程的定量表征。土壤的水热变化不与生物炭的施用梯度成正比;与对照组相比,仅B3处理能够降低土壤温度的复杂性,施加生物炭的其它处理均会增加对土壤温度及土壤液态含水率的影响因子的数量。对比3种生物炭施用方式下的近似熵值的结果,发现春秋混施对土壤温度及液态含水率的影响效果最小。此外,分析冻融期生物炭施用梯度、生物炭与土壤混合时间、土壤温度对土壤液态含水率的响应关系时,发现土壤液态含水率的变化受生物炭施用量、生物炭与土壤混合的时间以及土壤温度的共同作用。在快速冻结期及融化期,土壤温度为土壤液态含水率的主要影响因素,而在稳定冻结期,生物炭施用梯度变成了影响土壤液态含水率的主要因素。（3）运用地统计学以及经典统计学中的相关知识,选取具有代表性的试验小区,开创性地以作物长势的均一性作为评判标准对生物炭在季节性冻土区的适用性进行了评价。生物炭的施用增加了各试验小区内部的自相关性,扩大了试验小区内部各植株之间作物指标的差异,对于作物指标,试验小区内各植株的茎粗与叶面积所表现的差异性最明显,对比生物炭的施用方式,春秋混施处理所产生的差异性最大;将产生最大差异的处理组与对照组进行比较,数据结果证实施加生物炭对试验小区内部的自相关性的影响较弱,小区内部作物之间所产生的差异并不影响实际生产,其作用效果可以近似忽略。（4）采用田间实测数据值,分析了大豆冠层全生育周期不同生物炭调控模式下农艺性状指标的时空变异规律,探索了生物炭施用对大豆生理过程的影响效应。生物炭的施用显著增加了大豆株高,以春秋混施为例,与对照相比,4种生物炭施用梯度下的株高依次增加了9.5cm、4.66 cm、7.24 cm、7.32 cm;生物炭加速了植物的代谢过程,但使茎粗略有降低,在6 kg·m-2以及9 kg·m-2的生物炭施用梯度下茎粗减少最多,C2、C3、D2分别较对照组减小了0.159 cm、0.125 cm、0.123 cm;施加生物炭对各处理的叶片氮素含量与SPAD值无显著影响;当生物炭的施用量达到12 kg·m-2时,不利于叶片的生理活性以及应对极端天气的抗逆性。（5）根据大豆根系数据阶段性取样的量测结果,剖释了不同生物炭处理下大豆根系形态特征指标的变化规律,厘清了大豆根系形态特征指标与生物炭施用之间的平衡关系。大豆的根系形态特征指标在鼓粒期达到一个极大值,在该时期内D3的总根长最大,为1148.611 cm,B2的总根系表面积最大,为260.394 cm~2,B1的根系平均直径最大,为0.948 mm;大豆的根系形态特征指标受生物炭的施用梯度和施用方式共同影响,仅在生物炭施用梯度的影响下,大豆根长、根系平均直径均表现为不显著（p＞0.05）;冻融作用能够使―生物炭-冻融土壤‖复合体的内部环境发生改变,使土壤变得更加松散,以春秋混施的方式施加生物炭时会对土壤内部产生更多的扰动,这些外在因素也会对作物根际区域产生影响。（6）通过对大豆根区土壤进行分类取样,明确了施加生物炭对大豆根区不同类别土壤养分迁移转化过程,揭露了生物炭对大豆根区土壤生境状况的协同演变机理。施加较多的生物炭能够提升大豆生育初始阶段的土壤总有机碳含量,但随着植株的生长发育,土壤有机碳会逐渐由土壤表层逐渐向作物根鞘及根尖运移;分析生物炭对土壤无机氮的影响效果,发现生物炭促使土壤的无机氮向作物根系富集,有效减少了根区土壤中硝态氮与铵态氮的流失,同时碱性的生物炭能够加速土壤的氮素矿化,并为厌氧微生物以及反硝化细菌提供养料,参与土壤的氮循环过程。（7）借助野外盆栽试验分析了生物炭与化肥混合施用对土壤有机碳、土壤无机氮等作物生长微环境的影响,探明了作物生理指标与作物养分之间的协同关系。生物炭能够作为一种媒介加速土壤内部的铵态氮向硝态氮的转化,大幅提高土壤中硝态氮的含量,本研究推测生物炭能够借助其特有的结构为微生物的存活提供良好的环境,进而促进大豆根系结瘤以及根区土壤的无机氮的固定;土壤中的无机氮与有机碳存在显著的相关关系,但仅在低施肥量与低生物炭施用量下才能够促进有机碳在土壤中的积累;生物炭与肥料混合施用能够显著影响大豆的株高与茎粗,提高作物的粒重与结荚数,提升氮肥偏生产力以及氮肥的农学利用率。（8）在探究生物炭对大豆生长和作物养分吸收利用驱动机制的基础上,开展了生物炭与―大豆-玉米‖间作的组合模式对农田土壤环境的响应研究,为生物炭调控农田土壤环境研究体系提供了新的研究范式。生物炭与―大豆-玉米‖间作的组合模式显著减少了土壤CO2气体的排放通量,降低田块的全球增温潜势,但这种模式对土壤的三相组成、土壤的粒径分布、广义的土壤结构指数以及土壤可蚀性因子等土壤的物理指标影响有限,施加生物炭的处理只改变了土壤中的粘粒含量（p＜0.05）,对土壤中的砂粒和粉粒无显著影响;生物炭与―大豆-玉米‖间作的组合模式不仅能够影响玉米的生长的发育,对增加作物产量也具有一定优势,在9kg·m-2的生物炭施用量下大豆和玉米分别增产21.2%与52.8%。（9）梳理野外田间试验所测定的作物农艺性状指标、作物根系形态指标、根区土壤养分指标、根区土壤结构指标、根区土壤水热指标以及作物产量指标的相关数据,选取了其中的14个参数构建了RAGA-PPC农田土壤环境评价模型,丰富并完善了农田土壤环境评价的技术理论研究体系。确定本研究中以春秋混施的方式施加9 kg·m-2的生物炭的试验组为最优处理。