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气候变暖和粮食安全是当前人类所面临的重大挑战。近些年，生物炭在巴西亚马逊流域考古中的发现，引起了人们利用生物炭来解决气候变化和粮食安全问题的兴趣。然而，针对热议的生物炭话题，也有一些科学家发出了质疑，究竟生物炭能否增产并固碳减排，以及它在不同区域的效应差异还有待进一步研究。基于前期未解决的问题，本论文相继开展了生物炭对稻麦生长的长期田间效应观测，生物炭对土壤N2O排放的效应和机理研究，生物炭固碳减排效应的生命周期评价，生物炭对土壤氮循环影响的meta-分析，生物炭对作物生产及土壤氮排放效应的空间变异研究，以及生物炭信息网络服务平台设计。主要研究结果如下: (1)通过对稻麦轮作系统生物炭多年田间效应的观测发现，中低剂量秸秆生物炭(2.4，6，12t ha-1yr-1)经过一定的添加年限后（3-5年），对小麦和水稻产量分别表现出了促进和抑制的作用。综合6年的平均结果，三个生物炭剂量水平下小麦平均增产7.5％，12.8％，15.9％;水稻平均减产2.1％，5.0％，6.9％。生物炭对小麦增产可能主要源于其对旱地土壤水气条件的改善;而在稻季，当土壤水气条件不再是限制性因子时，由于生物炭会降低土壤氮素以及某些微量元素（如Mn和Zn）的有效性而对水稻产量产生一定的抑制。 (2)采用田间原位压实处理，从生物炭缓解土壤压实的角度出发，研究了秸秆生物炭(48t ha-1)对土壤N2O排放的效应及机理。结果表明，尽管生物炭具有缓解土壤压实的作用，但这个物理效应并非是其影响土壤N2O排放的首要原因;生物炭化学效应导致土壤硝化菌和反硝化菌同时增加，当土壤有充足氮底物时（施氮肥后），生物炭在低土壤水份条件下(＜70％WHC)增加N2O排放13％，而在高土壤水份条件下(＞70％WHC)降低N2O排放36％。该研究表明，当土壤以反硝化作用为主导时，可能更有利于发挥生物炭对土壤N2O的减排作用。 (3)从生物炭生产过程能源消耗，到还田后作物生长、生物炭稳定性，以及土壤甲烷、氧化亚氮排放等方面开展了生物炭固碳减排效应的全生命周期研究。结果表明生物炭的固碳减排效果取决于制炭能耗、裂解气回收利用、生物炭产率、稳定性和制炭流程。土窑闷烧等不能回收裂解气的制炭技术不能实现固碳减排。在制炭率为40％、生物炭半分解周期大于100年和裂解气回收利用情况下，要实现生物炭固碳减排，生物炭生产过程中的净能耗需要小于3.4MJ kg-1秸秆。在低能耗的生物炭生产模式下（净能耗=-0.12MJ(kg原料)-1），以中国为例，生物炭策略每年可固存88Tg CO2-Ce，相当于中国每年人为活动碳排放总量的4％。 (4)基于文献数据整合（208篇文献）和meta-分析，探讨了生物炭对土壤氮循环的效应规律。结果表明，生物炭平均能增加豆科生物固氮63％，促进作物氮吸收11％，减少土壤N2O排放32％，以及降低土壤氮淋溶26％。然而，生物炭对土壤氨挥发有增加的风险，增幅平均为19％。生物炭激发土壤氨挥发的现象通常发生在缓冲作用较差的土壤，或使用了过量的高碱性的生物炭。 (5)运用机器学习中随机森林算法模拟了不同生物炭对全球农田作物产量及土壤氮排放（氨挥发、N2O排放、和N淋溶）的影响。结果表明，通过将生物炭与土壤的合理匹配（即对于SOC＜1％，pH＜5，或粘粒含量＞30％的土壤，一次性添加＜40t ha-1的木材生物炭;对于其他土壤，一次性添加＜80t ha-1木材生物炭，＜40t ha-1秸秆生物炭，或＜10tha-1畜禽粪便生物炭），生物炭措施能有效减少全球农田总氮损失1.7-10TgN yr-1（相当于全球农田总氮损失的3-15％），同时增加作物产量328-920Tg yr-1（相当于全球粮食总产量的6-19％）。与热带或亚热带地区相比，生物炭在温带地区对土壤氮损失的减少幅度更大，而对作物的增产作用较小。 (6)基于Javascript的前端网络技术，ArcGIS Server的后台地图发布，以及ArcGIS API for Javascript的开发框架，设计了生物炭信息网络服务系统。该系统以电子地图的形式实现生物炭实验数据的上传和共享，全球农田不同区域生物炭效应的查询和预测，以及生物炭使用策略的优化和推荐。 总之，清洁高效的生物炭生产技术和合适的生物炭区域匹配是有效实现生物炭增产和固碳减排的重要前提。