生物炭作为秸秆碳化还田的新产物,目前已成为国内外许多学者关注的热点之一。生物炭稳定性极强,在土壤中能够长期存在,虽然目前已有较多生物炭节水增产效应等的研究,但多是以短期施加生物炭为条件研究施加生物炭对土壤理化性质、水土保持效应、节水增产效应等指标的影响,而在探索中长期施加生物炭对各指标的变化规律,以及施炭量与施炭年限的合理配置方面缺乏精确的指导与评价。为此,本研究以大豆坡耕地田间径流小区为研究对象,进行了为期4年的观测。2015年按照生物炭的施加量共设置C0(0 t/hm~2)、C25(25 t/hm~2)、C50(50 t/hm~2)、C75(75 t/hm~2)、C100(100 t/hm~2)5个处理,2016、2017、2018分别连续施加等量的生物炭,连续4年施加生物炭,明晰施加生物炭后土壤理化性质、水土保持效应、节水增产效应等的变化规律。建立改进的TOPSIS评价模型对土地生产力进行综合评价,通过综合评价提出最佳的生物炭施用模式,为黑土区最优生物炭施加剂量和年际分配提供合理的建议,同时为黑土区实际生产提供理论指导。探究结果表明(1)连续4年施加生物炭土壤容重逐渐降低,孔隙度逐渐升高,且施用年限越久,作用越明显;施用1年时田间持水量与施炭量呈线性递增趋势,C100处理田间持水率最大,连续施用2、3年时田间持水率随施炭量的增加呈先增后减的变化,均在C50处理达到最大,连续施加4年时,田间持水量随施炭量的变化也呈先增后减的变化,在C25处理达到最大;连续4年饱和含水率和凋萎系数随施炭量的增加呈逐渐增加的趋势;连续4年广义土壤结构系数(GSSI)随施炭量的增加呈先增大后减小的变化趋势、土壤三相结构距离指数(STPSD)呈先减小后增加的变化趋势,均在第2年C50处理取得最大(小)值(98.31、8.87),同时土壤三相比最接近理想状态;连续4年土壤速效钾、有机质含量随施炭量的增加逐渐升高,土壤碱解氮和有效磷含量先增加后减小,各年份土壤碱解氮和有效磷含量提高最多的分别为C75、C50、C50、C25。(2)4年的年产流量和年产沙量随施炭量的增加均呈先减后增变化,以连续施加2年50t/hm~2的生物炭减流效果和抗土壤侵蚀效果最优;通过产流和产沙过程分析,施加生物炭可以延缓产流和产沙时间,且可以减小产流和产沙量,但当施炭量过高时,产流和产沙量反而增加。(3)连续4年施加生物炭可以增加典型次降雨后的120 h内雨水蓄积量,4年相对较优处理分别为C75、C50、C50、C25。连续4年施加生物炭可以增加各生育期0～60 cm土层土壤储水量,而对60～100 cm土层土壤含水量影响不大,4年各生育期的土壤储水量提高最多的处理为C75、C50、C50、C25。连续4年施加生物炭对0～100 cm土层土壤含水量分布影响不大,但可以增加0～60cm土层土壤含水量,而对60～100 cm土层土壤含水量影响不大。(4)连续4年施加生物炭均提高大豆各生育阶段的株高、径粗、叶面积指数和冠层覆盖度,4年大豆各生育阶段的株高、径粗、叶面积指数和冠层覆盖度随施炭量的增加呈先增加后减小的变化趋势,各年同期相对较优处理分别为C75、C50、C50和C25,但施加的第4年的C100处理大豆各生育阶段的株高、径粗和叶面积均小于对照处理。(5)连续4年施加生物炭均可提高大豆产量、单株荚数、单株粒数和百粒重,连续4年大豆产量、单株荚数、单株粒数和百粒重均随施炭量的增加呈先增加后减小的变化趋势,在第2年C50处理增产最大。连续4年水分利用效率随施炭量的增加呈先增加后减小的变化趋势,4年相对较优处理分别为C75、C50、C50、C25,以第2年C50处理水分利用效率提高最大,为27.67%,而第4年的C100处理低于对照处理5.12%。(6)改进的TOPSIS模型能客观、清晰地描述土地生产力变化过程,并提出最佳的生物炭施用模式,即连续施加2年50 t/hm~2的生物炭对土地生产能力的提升最优,其次是施加1年75 t/hm~2的生物炭。