土壤碳库是全球所有陆地生态系统中的最大碳库,土壤有机碳库（SOC）是其中最重要的碳库之一。由于全球变暖在加速,因而SOC储量的动态变化及土壤在长期累积和固持大气CO2中所发挥的巨大作用愈加受到人们关注。虽然农业土壤中SOC储量仅占全球土壤碳库的10%左右,但农业土壤中SOC固持对于农田肥力提升、作物生产力可持续性和气候变化缓解具有至关重要的作用。大量研究发现,农田SOC固持除受种植制度、耕作方法等影响外,还受肥料施用、作物残茬管理等养分管理措施的强烈影响。目前我国北方平原地区粮食生产中有机肥施用越来越少,该地区水热条件优越有利于秸秆腐解,因而秸秆还田已成为这些地区粮食种植体系尤其是冬小麦夏玉米一年二熟轮作体系（麦玉轮作体系）中普遍实行的主导性作物残体管理措施。然而,不适当的秸秆还田与施肥相配合措施会增加温室气体排放,减少SOC固存并增加碳足迹（CFP）,影响土壤肥力改善和加剧气候变化;同时增加旱地SOC储量一直是一种巨大挑战,而且关于秸秆长期还田对SOC固持效应的研究结果存在的争议也有待人们不断去阐明。鉴于此,本文主要围绕长期秸秆还田与化肥尤其是氮肥施用相配合措施对作物产量、SOC固持量及CFP的影响而开展研究:首先,对于冬小麦单作体系、春玉米单作体系、麦玉轮作体系三种北方最重要的粮食种植体系来说,持续进行秸秆还田的年限越长是否更有利于提高SOC固持量和作物产量?SOC固持和作物产量对秸秆还田与不同肥料施用配合措施的响应与秸秆还田年限、土壤类型、种植制度等存在何种关系?其次,麦玉轮作体系中何种秸秆还田模式更有利于SOC固持、碳足迹降低而又能维持高产稳产?减少施氮量能否做到在低碳足迹条件下达到理想的SOC固持量和作物产量?针对以上科学问题,提出相应假设:（1）在小麦、玉米三种生产体系中,秸秆还田年限越长越有利于提高SOC固持量和作物产量;施肥方式、土壤类型、持续年限和种植制度等因素会显著影响SOC固持和作物产量对秸秆还田的响应程度;（2）麦玉轮作体系中,不同秸秆还田模式会对作物产量、SOC含量及CFP产生不同影响,适当减少氮肥用量对于SOC固持量和作物产量无显著性影响。上述第一个假设采用Meta分析方法回答,而第二个假设采用田间定位试验数据进行实证式研究。本研究采用的主要方法及得到的主要结果如下:1. 为了探讨中国北方旱地粮食生产体系中秸秆还田与化肥施用措施相配合对SOC固持和作物产量的影响,并揭示净SOC固持率与秸秆年投入量之间的关系,采用了Meta分析思路,被筛选的论文符合如下主要标准:含有试验初始和最终SOC含量或储量、数据来源于田间试验而非培养试验、土壤取样深度多为0-20 cm耕层、试验包括CK、NP、NPK、NP+S、NPK+S、NPK+M共6个处理中的全部或部分,共得到58篇论文。这些研究所获得的数据基于麦玉轮作体系（DC）、春玉米单作体系（SM）、冬小麦单作体系（SW）三种种植体系,涉及黑土、潮土和黄土三种土壤类型。试验年限分为4个区间:1-5年、6-10年、11-20年、＞20年。分析结果表明,与仅施用化肥相比,化肥与秸秆还田或有机肥配合（NPK+S、NPK+M）更有利于SOC固持;同时,氮磷化肥与秸秆还田配合（NP+S）与仅施用氮磷钾化肥（NPK）相比,对SOC固持无显著差异。在初始SOC含量较高的黑土中,仅施用氮磷钾肥（NPK）与施用氮磷钾肥与秸秆还田配合处理（NPK+S）的SOC净增加量低于初始SOC含量较低的潮土和黄土。在仅施用氮磷钾肥（NPK）和施用氮磷钾肥与秸秆还田配合处理（NPK+S）下,麦玉轮作（DC）体系的SOC含量呈增加趋势,且SOC变化均高于小麦单作体系（SW）和玉米单作体系（SM）。在仅施用氮磷钾肥（NPK）和施用氮磷钾肥与秸秆还田配合处理（NPK+S）下,四个试验年限区间的SOC储量均呈增加趋势;但是在仅施用氮磷处理（NP）和施用氮磷与秸秆还田配合处理（NP+S）下,SOC储量只在试验第11-20年期间增加。化肥与秸秆还田配合处理（NP+S、NPK+S）的SOC年固持率和秸秆碳年投入量之间呈显著正相关关系,而初始SOC储量和SOC固持率之间呈显著负相关关系。对于作物产量而言,冬小麦-夏玉米轮作制度（DC）体系的作物年产量在所有施肥处理中均高于玉米单作（SM）体系,但是小麦单作（SW）体系的氮磷钾肥（NPK）和氮磷钾肥与秸秆还田配合处理（NPK+S）时的作物年产量均高于玉米单作（SM）体系。可见,在我国北方旱地小麦和玉米生产中,长期进行秸秆还田并与化肥施用相配合能够显著提高作物产量和SOC储量,然而秸秆还田的SOC固持效应很大程度上取决于施肥制度、种植制度、土壤类型、秸秆还田年限和初始SOC含量。2. 在麦玉轮作体系下连续进行了10年（2008-2018）田间定位试验,本研究选择了9种秸秆还田模式中的7种,即小麦秸秆高留茬+玉米秸秆粉碎还田（WH-MC）、小麦秸秆高留茬还田+玉米秸秆粉碎还田且每隔两年深松1次（WH-MM）、小麦秸秆高留茬还田+玉米秸秆不还田（WH-MN）、小麦秸秆粉碎还田+玉米秸秆粉碎还田（WC-MC）、小麦秸秆粉碎还田+玉米秸秆粉碎还田且每隔两年深松1次（WC-MM）、小麦秸秆粉碎还田+玉米秸秆不还田（WC-MN）、小麦秸秆不还田+玉米秸秆不还田（WN-MN）,以评价不同秸秆还田模式对SOC固持量、作物产量和CFP的影响。结果表明,试验期间每个生长季SOC变化、作物产量和CFP均受到秸秆还田模式影响。不同秸秆还田模式下土壤中接受的有机碳输入数量显著不同,WN-MN（两季秸秆均不还田）与WH-MC（两季秸秆还还田）的数量分别为最小和最大,其他模式的有机碳输入量介于29.4 Mg C ha-1～100.7 Mg C ha-1;总体看,最终的SOC净固持量与源自作物的有机碳累计输入呈显著正相关;但是WC-MM例外,该处理下SOC固持量低于单一作物秸秆还田（WH-MN）。在所有处理中,WH-MC的籽粒产量最高,高于对照的26%;而产生的CFP最低,低于对照的20.5%。但是在单独的小麦季或玉米季,秸秆还田模式对作物产量和CFP的影响极小。与作物秸秆均不还田（WN-MN）的处理相比,小麦季的WC-MN和玉米季的WH-MC,WH-MM及WC-MN均产生了更高的籽粒产量和更低的CFP。玉米季的温室气体总排放量高于小麦季,但是小麦季由于农田耕作施用燃料（柴油）引起的温室气体排放量较高。WC-MM处理的温室气体年排放量最高。因此,在麦玉轮作体系中,WH-MC被认为是降低CFP且提高作物产量和SOC固持能力的最优秸秆还田模式。但是,为了实现种植业与畜牧业的协调发展,应该从农田中移除部分作物秸秆作为动物饲料;同时WH-MN处理的产量最高,并且降低了温室气体的排放量,维持了SOC的固持。3. 同样在小麦-玉米轮作体系下采用一种秸秆还田模式即小麦秸秆高留茬还田及玉米秸秆粉碎还田（WH-MC）模式,采用3种氮肥用量（i）农民实际施用量或常规氮量(玉米季为187.5 kg ha-1,小麦季为150 kg ha-1),（ii）常规氮量减少15%（-15%的施氮量）,以及（iii）常规N量减少30%（-30%的施氮量）,评价它们对SOC固持及碳足迹（CFP）的影响,试图确定低CFP下保持或提高作物产量的最适氮肥用量。结果表明,在-15%的施氮量下SOC的固持更高,同时SOC的变化与累积的秸秆碳输入直接相关。但是施氮量对籽粒产量没有显著影响,只有在-15%的施氮量下,年均籽粒产量才略有增加。温室气体总排放量与施氮量直接相关。在-15%的施氮量和-30%的施氮量下,明显降低了CFP。因此,考虑到SOC的固持能力,提高籽粒产量并且降低CFP,-15%的施氮量(玉米季大约为160 kg ha-1,小麦季大约为130 kg ha-1)可能是中国中北部平原冬小麦-夏玉米种植体系下的最优氮肥用量。由于现在农民施用过量氮肥作为应对潜在氮限制的经济生产力;因此在鼓励和实施先进的施肥策略时,避免由于氮受限和相应的环境保护而导致的任何减产是非常重要的。为此,建议使用最佳氮肥施用量,在改善SOC固持的同时,达到最佳的作物产量和较低的CFP,从而为缓解气候变化做出贡献。综上所述,可以得出以下三条结论:（1）本研究通过Meta分析发现,秸秆还田或有机肥与化肥进行合理配合能够增加旱地小麦和玉米农田SOC的固持能力;同时种植制度、土壤类型、不同化肥配比、种植年限、初始SOC含量等因素均会影响SOC固持对秸秆还田的响应程度,其中初始SOC含量低的土壤具有更高的SOC净固持量,同时在＞20年的种植年限期间SOC的固持更加明显。尽管SOC固持能力与秸秆碳投入量之间存在显著正相关关系,但是SOC固持并不会随着秸秆还田年限增加一直呈现增加趋势,很可能会受到SOC阈值制约。在一定阶段内为了达到更高的SOC固持速率,究竟采用何种养分管理措施仍有待于进一步研究。（2）通过长期田间定位试验发现,在麦玉轮作体系下秸秆还田模式往往意味着秸秆还田量的不同,因而会对SOC、作物产量及CFP产生不同影响;秸秆还田模式不同也意味着秸秆还田的具体方式及耕作方法不同,因而即使均为两季全量还田（如WH-MC与WC-MC）或均为一季还田（如WH-MN与WC-MN）,它们对SOC、作物产量及CFP产生影响也不同;所有7种供试模式中,小麦秸秆高留茬+玉米秸秆粉碎还田模式（WH-MC）是既能改善SOC固持能力又能提高作物产量的最优还田方式,但同时由于该模式实际上是一种全量还田模式,因此该模式意味着无多余秸秆用作他用。（3）在麦玉轮作体系中采用小麦秸秆高留茬+玉米秸秆粉碎还田模式（WH-MC）,即使在推荐施氮量基础上再减施15%,也能够维持作物籽粒产量不降低同时提高SOC固持量,还降低了CFP,同时全年氮肥总量低于300 kg ha-1yr-1,减轻了环境压力,这表明该模式为减施氮肥提供了有利条件,因而降低了温室气体排放潜力。