东北黑土区土壤肥沃、性状优良、适宜作物生长,是我国粮食作物主产区。黑龙江省境内黑土区土地大多为丘陵漫岗区,春旱严重,土壤蓄水保墒艰难,降雨季节分配不均且集中,大面积坡耕地的水土流失问题严重威胁着区域生态环境和国家粮食安全。此外,我省秸秆资源丰富但利用率较低,处理方式不当极易造成大气污染等问题。秸秆生物炭作为一种新兴的土壤改良剂对防治黑土恶化、提高土壤生产力以及生物质资源的多元化高效利用具有重要意义。为探明施用秸秆生物炭对该区域坡耕地的土壤改良、水土保持与节水增产等效应,以及最优施加模式,本文于2015~2017年基于3°坡田间径流小区进行为期3年的观测试验。2015年根据生物炭施加量设置为0 t/hm~2、25 t/hm~2、50 t/hm~2、75 t/hm~2和100 t/hm~25个处理;2016和2017年各处理分别连续施加等量生物炭。试验区平行架设10座径流小区(5座种植玉米,5座种植大豆),小区底部设置径流泥沙自动记录系统,通过取样室内外结合的方式对各处理土壤理化性质、降雨径流与土壤侵蚀过程、土层水分分布、作物生长动态、产量与水分利用效率进行观测,并对各指标进行综合评价。试验结果表明:(1)施用生物炭可显著降低土壤容重、增加总孔隙度和持水能力,改善土壤三相比例组成。同时还提高了土壤pH值、总有机碳以及有效养分的含量。(2)施加秸秆生物炭可有效地减少3°坡耕地的年径流量,大豆和玉米试验区连续两年施加生物炭50 t/hm~2均对地表径流的抑制效果最佳。通过对典型次降雨地表径流过程分析可知,施用生物炭可延缓产流开始的时间并减少径流量。但遇到降雨强度较大时,施加量过高可导致对径流抑制效果下降,甚至会增加径流量。(3)施加秸秆生物炭对土壤侵蚀量与侵蚀过程的影响程度随着施加量的不同而存在差异。连续两年施加生物炭50 t/hm~2时对减少土壤侵蚀总量达到最优效果,而施炭量过高时土壤侵蚀量会有所增加。通过对单次降雨产沙过程的观测可知,施加生物炭在低雨强时能够有效抑制地表产沙;遇到雨强较大时生物炭的减蚀效果减弱,施加量过高甚至会增加降雨期间的地表产沙量,且泥沙中生物炭的含量也会增加。(4)施用生物炭可增加单次降雨后的雨水蓄积量,并减缓其随时间下降的速率。(5)施用生物炭对土壤水分在深度0~100 cm土层中分布规律影响不大,但可有效增加0~60 cm土层深度土壤的水分含量,对深层土壤影响不明显。大豆试验区2015~2017年耕层土壤含水量最高的施炭量分别为100、50、25 t/hm~2;玉米试验区各处理土壤含水量的变化规律与大豆大致相同,2015~2017年在耕层土壤中各年份表现最佳的分别为施炭量100、50、50 t/hm~2处理。(6)大豆和玉米每个生育期各处理的株高、茎粗和LAI变化规律一致,均随着生物炭量的增加大致呈抛物线型的变化趋势。大豆试验区2015年施炭量75 t/hm~2处理表现最佳,2016和2017年均为50 t/hm~2处理。生物炭施加量过高则会导致促进大豆生长的效果下降,甚至产生抑制作用;玉米试验区2015年和2016年50 t/hm~2处理表现最佳,2017年则为25 t/hm~2处理。生物炭施加量过高同样会导致促进玉米生长的效果减弱,甚至抑制玉米植株的发育。(7)生物炭在不同施加量的情况下均可不同程度地提高大豆和玉米产量,各年份增产效果均随着生物炭量的增加呈先增后减的变化趋势。综合年际间对比得到,大豆试验区连续施用两年生物炭50 t/hm~2时对大豆增产幅度最大,增幅达到28.17%。且优于一次性施用100 t/hm~2生物炭(累积施加量相同)的效果;一次性施加生物炭50 t/hm~2时玉米的增产率最高,增幅达到14.12%。(8)综合三年试验结果,连续施加两年生物炭50 t/hm~2时对大豆水分利用效率的提高幅度最大,达到27.67%,且比一次性施加100 t/hm~2效果理想,水分利用效率增长率高于后者4.32个百分点;而一次性施加50 t/hm~2生物炭时对提高玉米水分利用效率的效果最佳,其增幅达到17.57%,比连续两年施用生物炭25 t/hm~2的施加模式效果理想。(9)利用灰色关联投影法对各生物炭施加模式进行土壤改良、水土保持、节水增产以及投入产出多方面的综合评价得到,通过对比三年试验评价结果,大豆试验区最佳生物炭施用模式为连续两年施用50 t/hm~2;玉米试验区可行性最高的生物炭施用模式则为连续三年施用25 t/hm~2。