农田土壤有机碳是土壤肥力的核心，是农业可持续发展的基础，也环境友好的重要生态指标，与全球碳循环和气候变化密切相关。施肥是影响农田土壤有机碳平衡的重要措施之一。但是在长期施肥影响下，农田土壤有机碳维持与提高的最低系统投入是农业生产和土壤培肥面临的实际问题，在现行农业管理措施下农田土壤有机碳是否已经达到平衡也尚不确定。针对这一科学问题，本研究以分布在我国主要农区的长期定位试验为基础，通过分析不同施肥措施下土壤有机碳的时空变化特征，明确不同施肥措施(不施或偏施、平衡施化肥、有机无机配施及秸秆还田等)在我国主要农区的土壤固碳效应及区域差异，阐明农田土壤有机碳维持的最低系统投入及其影响因素，并利用改进的模型模拟了不同施肥条件下土壤有机碳的平衡点与土壤固碳潜力。主要结果如下： (1)中温带东北地区，与不施肥相比，偏施化肥、NPK、有机无机配施、秸秆还田处理及合理的豆科轮作方式，不仅能显著提高作物产量，也可维持土壤有机碳平衡，增施有机肥可获得良好的土壤固碳效应。 (2)中温带西北干旱地区，长期不施肥土壤有机碳显著下降，下降速率为0.1～0.4 t/ha/yr；NPK配施后作物的显著增产，但是根茬归还量仍不足以维持土壤有机碳的消耗，约以0.2 t/ha/yr的速率下降；尽管与NPK配施相比，有机无机配施或秸秆还田措施无显著的增产效应，但可明显遏制该区域农田土壤有机碳的下降趋势，固碳速率为0.2-0.5t/ha/yr。 (3)暖温带或亚热带地区，无论是旱作还是稻田系统，长期不施肥或偏施化肥措施下作物根茬归还量能基本维持土壤有机碳平衡；NPK配施下，华北地区玉米可增产1-1.5倍，小麦增产1.9-2.8倍；祁阳红壤玉米和小麦可增产10-20倍和2-3倍；NPK配施下亚热带地区水稻的增产率为0.5-1.5。NPK配施措施在旱地及低肥力的水稻土中可获得0.07-0.25 t/ha/yr的固碳速率。尽管与NPK处理相比，有机无机配施无显著的增产效果，但在该地区具有明显的土壤固碳效应，固碳速率因有机肥施用的差异在0.2-1.0 t/ha/yr的范围变化； (4)常规的施肥条件下，我国主要农区有38％监测点土壤有机碳基本维持平衡，59％监测点土壤有机碳呈显著上升趋势。常规施肥方式下的单季稻种植能基本维持水稻土有机碳平衡；在华东和华南地区的中、低肥力土壤上种植双季稻可获得0.28-0.80t/ha/yr固碳速率；在合理的有机肥持续配施下，西北、华北的双季旱作及西南的稻麦系统中的固碳速率在0.06-0.75t/ha/yr的范围变化。 (5)在旱作系统中，系统投入对土壤固碳的贡献率在中温带单季种植系统为19％-39％，亚热带及暖温带的双季种植系统为8％-10％，且随着≥10℃的活动积温的升高而下降，再次论证了低温有利于有机碳积累的观点；在稻田系统中，土壤碳库变化与系统投入之间相互响应的敏感性随着系统投入的增加而 降低。 (6)维持农田土壤有机碳基本不变的最低系统投入量与水热条件、有机碳起始水平和土壤粘粒含量密切相关；相同气候条件下，有机碳水平较高或质地较轻的土壤比低有机碳水平的粘土需要更多的系统投入才能维持土壤碳平衡； (7)采用氮肥利用率对模型参数进行了改进和验证。模拟结果表明，与不施肥相比，平衡施化肥或有机无机配施在西北干旱半干旱地区可提高土壤有机碳平衡值2-8倍，在双季旱作系统可提高平衡值1.2-3倍，稻田系统中仅能提高平衡值0.5倍。表明相同气候区较低肥力的旱地土壤较高肥力的稻田土壤具有更大的固碳潜力