农田土壤碳库是全球碳库中最为活跃的部分,气候条件和管理方式对其影响很大,它不仅可以改变土壤肥力,而且还影响着区域乃至全球的碳循环。目前,增施氮肥是旱地农业提高作物产量的主要途径之一,外源氮素的添加对生态系统碳循环有着重要的影响,因此,明确长期施氮对农田生态系统中碳素循环的改变具有重要理论意义。本项研究针对旱作农田生产力提升中的生态学与环境科学前沿问题,以冬小麦群落为研究对象,在长期施氮十年的基础上,研究了不同施氮量对农田生态系统碳循环的影响。研究明确了小麦群落碳平衡对不同施氮水平的响应;揭示了氮添加对小麦群落土壤呼吸组分的影响机制;阐明了长期施氮对土壤有机碳物理化学稳定性影响机制;探讨了土壤微生物群落多样性对长期施氮的响应机制,阐明了施氮对土壤碳库稳定性影响的生物学机制。研究结果可为预测农田生态系统碳循环对氮添加的响应提供理论依据,为指导农田生态系统可持续发展,建立资源节约型、环境友好型可持续农业提供重要的理论支持。本研究主要取得的结论如下:(1)长期适宜施氮可以提高麦田植被碳库与土壤碳储量麦田植被碳库范围在3.47~6.0 Mg C hm-2之间,施氮可以提高小麦产量和固碳能力;在丰水年,180 kg hm-2施氮量即可达到较高产量和固碳量,而在干旱年,抗旱品种在270kg hm-2施氮量下产量和固碳量较高;植被碳库与施氮量存在阈值效应,过量施氮对增产和提高植被碳库无益,本研究的施氮量阈值为270 kg hm-2;长期施氮影响了0-120cm土层的碳氮含量,从而影响了土壤碳氮储量;施氮十年后,施氮量低于270 kg hm-2的处理土壤碳储量表现为增加,而在施氮量为360 kg hm-2的处理中土壤碳库表现为减少;在所有处理中,长期施氮后土壤氮储量都表现为降低。研究结果可以为本区域选择适宜施氮量从而提高植被和土壤固碳能力提供理论依据。(2)不同组分碳氮含量在不同土层对长期施氮的敏感性不同土壤中不同稳定性碳氮组分在不同深度土层中对氮添加的响应不同,长期施氮通过改变土壤中不同碳氮组分进而影响到整个土壤碳氮库的变化。轻组分和重组分碳氮含量在不同施氮处理中差异不显著;在20-200cm土层中可溶性碳在较高氮处理(施氮量为180,270和360 kg hm-2)中显著降低,易氧化碳在90 kg hm-2施氮量处理中含量较高,之后随着施氮量的增加而降低;可溶性氮和无机氮随着施氮量的增加而增加,其中硝态氮对氮添加敏感性较高;轻组分碳氮和易氧化碳在表层土壤中较敏感,而可溶性碳和氮在深层土壤中表现的更加敏感。(3)长期施氮改变了土壤微生物群落结构和碳氮循环功能土壤微生物物种丰富度指数与多样性指数随着施氮量的增加而逐渐降低,土壤微生物群落结构也发生改变,这与土壤理化性质(土壤全氮、可溶性氮、硝态氮、容重和土壤有机碳)的改变相关;本研究中,土壤理化性质的改变可解释61.7%的细菌群落结构的改变和66.7%的真菌群落结构改变;长期施氮提高了细菌与真菌的比例,改变了微生物活性,影响了微生物碳素与氮素利用效率比(CUE:NUE);高施氮处理下特定的微生物类群丰度发生了显著变化,这些群落结构的改变与微生物活性变化呈显著相关关系;此外,本研究中施氮量180 kg hm-2 year-1是微生物活性从促进到抑制的一个阈值。(4)氮添加通过改变土壤异养呼吸与总呼吸比例来调控土壤碳排放量麦田土壤碳排放量范围在1.73~3.28 Mg C hm-2之间,在不同施氮处理中,180 kg hm-2施氮量处理总排放量较高,根系累积排放量也较大;异养呼吸在施氮处理中较低;氮添加通过改变根系呼吸与总呼吸的比例从而改变土壤总呼吸,长期过量施氮与不施氮处理的土壤呼吸速率没有显著差异;土壤呼吸及其组分季节动态受到生物因素(叶面积指数、叶片光合)与非生物因素(土壤温度、土壤湿度)的调控;农田生态系统中存在土壤呼吸与土壤温度日变化解偶联效应,不同施氮处理中作物光合能力不同,从而导致土壤呼吸日变化的不同。(5)氮添加能提高小麦生态系统净生产力,土壤碳平衡受到施氮量与水分的共同调控从碳素固定与排放的角度衡量黄土区旱作麦田生态系统的碳平衡状况,小麦生态系统的净生产力(NEP)为正值,表明黄土区农田生态系统是大气CO2的“汇”;三年生长季小麦群落在不施氮处理中净生产力为1917~4341 kg C hm-2,施氮处理为4721~10134 kg C hm-2;增施氮肥在丰水年能显著提高小麦生态系统的净生产力;从碳输入与排放的角度考虑土壤碳平衡,麦田土壤在不超过适宜施氮量(180-270 kg hm-2)的处理中,长期施氮后表现为碳积累;土壤碳平衡受到土壤水分和氮素的共同调控,在丰水年过量施氮(360 kg hm-2)会导致土壤碳亏缺,从而在施氮十年后土壤碳库表现为碳储量减少。