土壤有机碳(SOC)是农田生态系统的核心要素,也是农田生产力和土壤肥力的关键因子之一。SOC的许多转化过程和功能可直接或间接地决定土壤的质量和健康,并与作物高产和稳产紧密相关。然而,SOC的历史和未来演变特征仍未明确,其与农田生产力的关系仍未系统量化和研究。因此,本研究基于1980年左右建立的全国农田肥料网和1990年左右建立的土壤肥力网的长期试验为基础,选取跨越不同气候带、土壤类型和轮作制度的多个有代表性和良好管理的长期试验,分析我国典型农田土壤有机碳库的历史演变过程,并量化其增产效应。另外,本研究评价了SPACSYS模型在我国农田SOC演变模拟中的适用性。最后,分析了未来气候变化条件下下,我国农田土壤有机碳库及碳平衡的变化,以及SOC对作物产量的影响。主要结果和结论如下:1.相比不施肥,长期(20~30年)施用有机肥可以显著的提高土壤表层32~87%的SOC库,秸秆还田相比不施肥也可以增加26~38%的SOC库。整个试验期间,不同区域的SOC固定效率不同。总体来看,总碳投入的7.3~16.3%(包括根系碳投入)可以转化为SOC。在北方地区,当施用有机肥或秸秆还田将土壤有机碳库提升至22~50 t C ha-1时,(东北地区为44~46 t C ha-1,西北地区为26~28 t C ha-1,华北地区为22 t C ha-1),其小麦和玉米的相对产量相比施用化肥处理只有13~22%的提升。然而,在南方地区,施用有机肥或秸秆还田将土壤有机碳库提升至~35 t C ha-1后,其小麦和玉米的相对产量相比施用化肥处理显著提升。另外,SOC的提升对北方各地区小麦和玉米产量的稳定性有提高,但施用有机肥相比平衡施用化肥提高不明显。相反,在南方地区,SOC的提升对小麦和玉米产量的稳定性有很大提高。2.SPACSYS模型适用于模拟不同施肥措施下我国小麦和玉米的生长,及土壤有机碳和全氮的演变。尤其是施用化肥(氮、磷和钾)、有机肥和秸秆还田三种施肥模式。其中,小麦和玉米产量的模拟值和观测值的相关系数均达到0.8以上,且RMSE和EF分别为2.32%~5.33%和0.59~0.66;其次,土壤有机碳库和全氮含量的观测值与模拟值之间的相关系数达0.81以上,RMSE为3.12%和2.61%。另外,CO2和N2O排放的模拟结果均通过统计检验,表明该模型适用于我国农田土壤碳、氮循环过程的模拟。总之,SPACSYS模型适用于不同施肥措施下我国小麦和玉米产量、土壤有机碳和全氮的模拟。3.模拟结果显示:基于Baseline、RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5四中气候情景,至2100年时,施用有机肥(NPKM和hNPKM)相比施用化肥在一年两熟轮作制度下可提高20~30%的小麦产量;在一年一熟轮作制度下,施用有机肥相比施用化肥可提高10~20%的小麦产量。在RCP气候情景下,施用有机肥(NPKM和hNPKM)相比施用化肥可提高10~25%的玉米产量。另外,在整个模拟阶段,施用有机肥和秸秆还田相比不施肥在各气候情景下均显著提高了土壤有机碳库(提升速率0.237~0.360 t C ha-1 yr-1);相比施用化肥,施用有机肥可使土壤有机碳库显著提高(44%~86%),但秸秆还田只在一年两熟轮作制度下提高了土壤有机碳(31%~33%)。其三,直线-平台模型结果表明,通过施用有机肥或者秸秆还田的途径增加系统碳投入,可以增加小麦和玉米最大相对产量14%~17%和18%~20%。其三,未来气候变化条件下,一年两熟地区的土壤有机碳对产量的影响阈值并未有明显的改变,土壤有机碳的提升在达到一定程度(平均为25 t C ha-1)后不再对小麦和玉米的相对产量有明显增加作用。而在一年一熟地区,土壤有机碳库与小麦和玉米相对产量没有明显的相关性(R2=0.056,P>0.05)。所以说,土壤有机碳与作物产量的关系在不同轮作制度下对未来气候变化有着不同的响应。最后,施用有机肥后,每生产1kg小麦和玉米产量相应的碳和氮损失最小,相比不施肥和施用化肥分别降低了20%~46%和2%~24%。因此,有机肥的施用不但可以维持土壤肥力,而且可以减缓农业生产对气候变化的负面作用。但有机肥施用量以及与化肥同时施用时的合理配比仍需要进一步优化和研究。