本文在节水增粮、固碳减排、环境修复的大背景下,利用生物炭这种优良的土壤固碳减排资源,明确生物炭在土壤改良、水肥高效利用及提高作物产量和品质等方面的应用潜力和价值。针对内蒙古半干旱地区较为贫瘠的砂壤土,开展施用生物炭改良土壤并达到节水、保肥效果的机理研究,同时探讨并构建作物、水、(生物)炭、肥耦合模型。研究主要结论和成果如下：(1)室内土柱实验表明,生物炭对砂壤土土壤理化性质的影响显著。研究结果显示,生物炭可有效降低土壤容重,最高减少9.4%,土壤孔隙度提高1.4%～8.9%。与对照相比,同一生育期内土壤含水量最高可增大1.67倍。土壤垂直入渗率减少24%-59%,水平扩散率减少45%-83.33%。(2)生物炭对番茄的茎粗、株高、根系发育具有积极的促进作用,提高了番茄叶片的光合速率和番茄产量。与对照相比,每kg干土加40g生物炭的处理产量最高,增幅达166.8%。在相同处理下,生物炭对辣椒的生长促进作用不显著,高施炭量还会出现减产现象。与对照相比,每kg干土加60g生物炭的处理辣椒总根长度降幅超过5%。(3)生物炭对土壤耕层地温和土壤三相指标都有积极的促进作用,显著提高土壤有机质和碱解氮含量。与对照相比,60t/hm2和40t/hm2处理的日平均耕层温度增幅均超过10%,土壤含水量增幅均超过30%。土壤有机质增幅为53.2%～77.7%,其中40t/hm2处理的土壤碱解氮增幅最大,超过90%。与对照相比,40t/hm2处理番茄的产量最高,其肥一和肥二水平增幅分别为46.34%和58.61%,后者产量最高。(4)构建了生物炭影响下的土壤水、肥、热数值模拟方程,模拟精度均超过0.85；构建了3种作物-水-(生物)炭-肥耦合模型,分别为多元线性回归模型、多元非线性回归模型和BP神经网络模型。