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生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经高温热解炭化产生的一类高度芳香化难溶性固态物质。生物炭具有高度稳定性和较强的吸附性能，可以应用于农业中作为土壤改良剂和固碳剂，在全球碳生物地球化学循环、气候变化和环境系统中发挥重要作用。我国农业生产中，N、P等营养元素利用效率低，养分流失严重。本论文通过对生物炭的系统研究，选取了华中(湖北、河南)、华北(北京、内蒙)、华东(山东、安徽)、东北(辽宁、黑龙江)、西北(宁夏、陕西、新疆)、西南(贵州、四川)六个区域13个省份旱地土壤作为研究对象，针对制约我国农业发展的N、P、C养分流失严重的问题，重点开展了生物炭施用对土壤中各种形态N、P及C的淋失研究。采用模拟土柱降雨淋滤试验的方法，分析比较了不同生物炭施用量(生物炭与土壤质量之比分别为:0％、1％、5％、10％)及土壤类型对三种元素淋失的影响，并就相关机理进行探讨。研究结果为生物炭在我国农业土壤中的应用提供了理论依据，对实现传统农业向低碳农业的跨越具有指导作用，确保我国农业健康可持续发展具有重要现实意义。
本论文的具体研究结果如下:
1.生物炭的物理化学性质特征:生物炭中含碳量为50％～70％，可溶性盐分含量较高且pH呈碱性。炭化温度会影响生物炭的物理化学性质，在550℃下制成的生物炭其含碳量(70％)显著高于480℃制成的生物炭，但是可溶态有机碳和有效磷含量显著低于480℃条件下炭化的生物炭。
2.生物炭对土壤理化性质的改善作用:生物炭添加到土壤后显著提高了土壤和淋滤液的pH，且pH随生物炭的施用量增大而增加，尤其是对pH低的土壤改善效果明显。比如，添加10％的生物炭的安徽土壤其pH为7.28，显著高于未添加生物炭的处理(对照)的pH6.21。施用生物炭也能提高土壤淋溶液的电导和土壤持水量，其中添加10％生物炭处理的土壤持水量提高了30％左右。
3.生物炭对土壤氮素淋失的影响:生物炭施用后能显著降低土壤中铵态氮的淋失量，生物炭施用量为10％的土壤铵态氮淋失量最少，比如，内蒙、宁夏、辽宁三种土壤累积铵态氮淋失量降低了80％左右;施用生物炭能提高土壤中硝态氮浓度且施用生物炭量高的土壤中硝态氮浓度高，随着生物炭施用量的增加，累积硝态氮淋失量呈现出先上升后下降的趋势，不同类型土壤硝态氮淋失量达到峰值的时间差异明显;在施用生物炭5％和10％处理中，累积有机氮淋失量明显降低;总氮淋失量随生物炭施用量增加呈现先升高后降低的趋势，在生物炭施用量为10％的处理中，总氮淋失量显著低于对照，比如，贵州、宁夏、黑龙江、四川等地土壤累积总氮淋失量减少超过40％。
生物炭性质也影响土壤中氮素淋失，炭化温度为550℃的生物炭其减少氮淋失效果显著高于炭化温度低的生物炭，尤其是对减少硝态氮、总氮及有机氮的淋失作用明显。
水溶液中铵态氮和硝态氮的静态吸附试验表明，生物炭对铵态氮的吸附容量要高于硝态氮，铵氮在生物炭表面的吸附动力学数据符合假二级方程，吸附过程受外部液膜扩散、表面吸附和颗粒内部扩散的共同作用。
4.生物炭对磷素淋失的影响:
除贵州土壤外，其它土壤中可溶态磷和总磷累积淋失量随生物炭施用量增加而增大。贵州土壤磷淋失量最低，生物炭比例为0％到10％各处理中，磷淋失量仅为0.01～0.06mg，受生物炭影响不明显。不同类型土壤中可溶态磷和总磷的淋失量差异明显，山东土壤中磷淋失量最高，添加10％生物炭的土壤中可达26.74mg。此外，随着生物炭施用量的增加，全国各土壤淋滤液中颗粒态磷的淋失量占总磷的比例显著降低。
生物炭性质对土壤中磷淋失量有影响，炭化温度高的生物炭施入土壤中减少可溶态磷淋失。
生物炭的施用能显著提高土壤有效磷的含量及磷活化系数，通过无机磷形态分级试验结果表明，随着生物炭的施用量增加，土壤中Ca2-P的浓度逐渐升高，而Ca2-P与土壤速效磷呈显著正相关，说明施用生物炭能导致土壤中速效磷含量升高。
5.生物炭对碳素淋失的影响:
生物炭施用能降低土壤中有机碳的淋失，随着生物炭施用量的增加有机碳淋失量逐渐降低。生物炭对不同类型土壤的有机碳淋失量影响不一样，主要表现为对粒径较大的新疆、河南土壤有机碳淋失减少效果显著，而对粘土矿物含量高的贵州黄壤效果不显著。
添加生物炭对土壤中无机碳的作用也受土壤类型影响，随着生物炭施用量的增加，土壤中累积无机碳淋失量逐渐增加，不同土壤之间无机碳淋失量有明显差异，其中安徽土壤累积无机碳淋失量最高，10％处理无机碳淋失量达到431.2mg。