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近年来我国东北黑土耕地土壤有机质数量与质量均呈现快速下降的态势,本研究针对黑土耕地秸秆还田技术不成熟、固碳效应不明确的科学问题,以典型东北黑土区黑龙江省青冈县不同秸秆还田方式试验、吉林省公主岭市不同秸秆还田量试验和国家土壤肥力与肥效监测点—黑土长期定位试验为平台,通过田间试验和生物地球化学模型相结合的研究方法,系统分析不同秸秆还田量、不同秸秆还田方式及耕作措施对东北黑土有机质的影响,为黑土耕地土壤有机质提升提供技术支撑,为探索秸秆还田对黑土碳素循环和平衡过程提供理论依据。主要研究结果如下:(1)不同秸秆还田方式试验表明,秸秆翻压还田与秸秆覆盖对土壤有机碳含量和土壤全氮含量的提升没有显著性差异;不同秸秆还田量试验表明,秸秆100%、1/2和1/3还田量显著提高土壤有机碳含量16.56%、5.06%和4.92%,长期秸秆还田处理显著提高土壤有机碳含量23.74%。(2)秸秆还田可以显著提高土壤呼吸速率,增加土壤碳排放量。综合不同点位的试验来看,不同处理土壤呼吸速率对土壤温度和含水量的敏感程度不同,总体来说,各处理土壤呼吸速率受土壤温度影响相对较大,温度整体上可以解释土壤呼吸变异的26%~79%。(3)秸秆还田能够提高土壤活性碳库组分含量和土壤酶活性。不同秸秆还田方式试验表明,秸秆翻压还田方式相对秸秆覆盖还田方式显著提高易氧化有机碳含量47.20%。与秸秆1/3还田量相比,秸秆100%和1/2还田显著提高土壤颗粒有机碳54.33%和42.45%。(4)基于黑土长期定位试验1990-2012年的田间实测数据对DNDC模型的适用性进行评估,模型模拟值与实测值拟合程度较好,表明该模型可以用于东北黑土有机碳变化的模拟研究。对60年时间尺度不同农田管理措施下土壤有机碳变化进行模拟,结果显示,长期不施肥和单施化肥NPK措施导致土壤有机碳下降,长期有机无机配施或者秸秆还田可以明显增加土壤有机碳含量。在不同的施氮水平下,作物产量均随着SOC含量的增加而升高,且在施氮量低的情况下产量的提升幅度相对较大。