Nitrogen merupakan unsur hara makroesensial, namun ketersediaannya di dalam tanah relatif rendah. Karena unsur N mudah bertransformasi dan bertranslokasi. Kehilangan N terbesar dalam proses nitrifikasi dan denitrifikasi atau kehilangan N dalam bentuk emisi gas N2O. Pemupukan bahan organik di upayakan untuk menekan potensi kehilangan N. Penelitian ini menggunakan Biochar dan Azolla serta tiga varietas unggul. Penelitian ini dilaksanakan  pada bulan Agustus 2017-Maret 2018, lokasi lahan penelitian di desa Ngadiluwih, Matesih, Karanganyar. Rancangan penelitian  yang digunakan adalah rancangan faktorial metode Split Plot dengan faktor I yaitu V1=Memberamo, V2=Cisadane, V3=Ciherang sebagai main plot ,faktor II yaitu B0=tanpa Biochar, B1=Biochar 10 ton/ha dan faktor III yaitu A0=tanpa Azolla, A1=Azolla 2,5 ton/ha  sebagai sub plot. Analisis data menggunakan software SPSS vs. 16. Hasil penelitian menunjukkan bahwa perlakuan aplikasi Biochar dengan Azolla meningkatkan NH4+ sebesar 37%. NH4+ tertinggi pada Varietas Ciherang sebesar 68% dibandingkan Memberamo dan Cisadane. Aplikasi Biochar 10 ton/ha  dan Azolla  2,5 ton/ha, menurunkan populasi Nitrosomonas sp dan Nitrobacter sp. Aplikasi Biochar 10 ton/ha secara tunggal menurunkan NO2-  sebesar 11,43%. Ketersediaan NO3- tertinggi pada Varietas Ciherang sebesar 0,002 ppm. Aplikasi Biochar dan Azolla serta Varietas tidak berpengaruh nyata terhadap emisi gas N2O dan hasil GKP. Aplikasi Azolla 2,5 ton/ha meningkatkan berat 1000 biji padi 5,79%. Varietas Cisadane dengan Berat 1000 biji tertinggi sebesar 36,82 gram.