黄淮海平原是我国小麦玉米主产区,秸秆年产量超过2亿吨,其中30%以上的秸秆被随意堆放或就地焚烧。秸秆还田是秸秆资源高效利用的主要途径,不仅能解决不合理利用造成的环境污染,还能减少养分流失,提高土壤肥力。但目前政府推行的秸秆直接还田方式易造成土秸混合度差、秸秆腐解慢和后茬作物苗期群体质量差等问题,不利于作物稳产和增产,大大降低了农民秸秆还田积极性,限制了推广应用。为了提高秸秆还田率,本课题组创新提出了“秸秆颗粒化”的还田方式,即:将质地轻、结构蓬松的秸秆粉碎后挤压为密度大、体积小的颗粒物质,再施入土壤,具有还田性能好、还田质量高的优点。但秸秆颗粒还田的土壤培肥机制尚不清楚。为此,本论文在室内培养揭示秸秆颗粒的腐解特征和养分释放特性的基础上,进行了3年田间微区定位试验。以农民习惯的秸秆不还田和秸秆露天焚烧的处理方式为对照,以政府主推的秸秆直接还田方式为参照,对玉米秸秆颗粒化还田的土壤培肥效应与机制进行了系统研究。此外,还对秸秆颗粒化还田推广应用的可行性进行了评价。主要结论如下:（1）秸秆颗粒显著提高秸秆容重,降低纤维素、半纤维素和木质素含量,促进秸秆快速腐解和养分释放,缩短秸秆腐解期。秸秆颗粒（直径4 mm、长度4-6 cm）的容重是常规粉碎秸秆（长度6-10 cm）的19.40倍,是粉碎秸秆（长度3-5 cm）的8.44倍,还田后能与土壤良好混合。与粉碎秸秆相比,秸秆颗粒中的纤维素、半纤维素和木质素含量分别降低7.78%、30.80%和10.06%（P<0.05）,有助于秸秆快速腐解。研究结果表明,相对于粉碎秸秆,秸秆颗粒既改变了快速腐解阶段的腐解速率和持续期,也影响了缓慢腐解阶段的腐解速率和持续期。在快速腐解阶段,秸秆颗粒平均腐解速率是67.67 mg·d^-1,比粉碎秸秆提高31.68%（P<0.05）;在缓慢腐解阶段,秸秆颗粒平均腐解速率是17.21 mg·d^-1,比粉碎秸秆降低2.63%（P>0.05）。在培养300 d时,秸秆颗粒腐解率达80.81%,比粉碎秸秆提高12.03%（P<0.05）。拟合可知,秸秆颗粒半腐解期和全腐解期比粉碎秸秆缩短了30 d和14 d。同时,秸秆颗粒还能促进秸秆中碳氮磷钾养分的释放,其中碳、氮累积释放率比粉碎秸秆分别提高12.87%和17.20%（P<0.05）。（2）秸秆颗粒还田能快速提高耕层土壤有机碳、可溶性有机碳和碱解氮含量。与秸秆不还田和秸秆露天焚烧相比,秸秆颗粒还田和秸秆直接还田能够提高0-60 cm土层土壤养分含量,其中秸秆颗粒的增幅高于秸秆直接还田,尤其是0-40 cm土层土壤有机碳、可溶性有机碳和碱解氮含量表现更加突出。在0-20 cm土层,秸秆颗粒还田当年小麦成熟期和玉米成熟期土壤有机碳含量分别比秸秆直接还田提高8.24%和5.02%（P<0.05）,土壤可溶性有机碳分别提高21.19%和11.47%（P<0.05）,碱解氮含量分别提高6.12%和11.10%（P<0.05）;在20-40 cm土层,秸秆颗粒还田当年小麦成熟期和玉米成熟期土壤有机碳含量分别比秸秆直接还田提高4.51%和3.34%（P<0.05）,土壤可溶性有机碳分别提高12.04%和13.37%（P<0.05）,碱解氮含量分别提高4.27%和5.53%（P<0.05）。相关分析结果表明,土壤有机碳和可溶性有机碳均与土壤碱解氮、有效磷和速效钾呈显著正相关（P<0.05）,相关系数随着土层加深而减小。主成分分析结果表明,秸秆颗粒还田和秸秆直接还田的土壤综合培肥效果优于秸秆不还田和秸秆露天焚烧。相对于秸秆直接还田,秸秆颗粒还田的培肥效果较高,且在还田当年冬小麦成熟期表现更加明显。（3）秸秆颗粒还田显著提高土壤呼吸速率和土壤碳累积排放量,但由于具有更高的籽粒产量和秸秆产量,最终表现出较高的固碳潜力。与秸秆不还田、秸秆露天焚烧和秸秆直接还田相比,秸秆颗粒还田增加了0-10 cm土层土壤含水量0.99%-14.09%,提高了土壤呼吸速率0.35%-28.72%,增加了土壤碳累积排放量0.22%-21.02%,降低了土壤呼吸温度敏感指数0.56%-1.47%。与秸秆直接还田相比,秸秆颗粒还田的土壤碳排放差异主要集中在还田当年,其冬小麦生长季平均土壤呼吸速率和土壤碳累积排放量分别提高14.87%和8.83%,玉米生长季分别提高1.47%和1.66%,其中在冬小麦生长季差异达到显著水平。同时,秸秆颗粒还田还具有较高的作物生物产量,还田当年冬小麦和夏玉米的地上生物量分别比秸秆直接还田提高9.85%和6.55%（P<0.05）,使其麦玉系统净生态系统生产力比秸秆直接还田显著提高8.16%,表现出较高的碳汇能力。（4）秸秆颗粒还田能保证后茬冬小麦正常出苗,显著提高其分蘖成穗率和有效穂数,并延缓叶片衰老,提高灌浆期叶面积指数、叶片叶绿素含量和净光合速率,促进干物质积累及其向籽粒转运,提高小麦和玉米产量。与秸秆直接还田相比,秸秆颗粒还田显著提高了当季冬小麦基本苗19.39%,并促进其分蘖成穗,使得小麦分蘖成穗率和有效穂数分别显著提高4.92%和16.64%。同时,秸秆颗粒还田还能延缓叶片衰老,提高小麦和玉米生长后期叶面积指数、叶片叶绿素含量和净光合速率,促进干物质积累及其向籽粒的转运量,还田当年小麦和玉米产量分别提高10.71%和3.42%,且小麦增产幅度达到显著水平。相关分析结果表明,秸秆颗粒还田当季冬小麦产量与有效穂数呈极显著正相关（P<0.01）,而还田后第2年和第3年的小麦、玉米产量与穗粒数或粒重呈显著正相关（P<0.05）。（5）秸秆颗粒还田能显著提高农业综合效益。灰色关联度分析结果表明,两种秸秆还田方式的农业综合效益均高于秸秆不还田和秸秆露天焚烧,且秸秆颗粒还田比秸秆直接还田表现出更高的综合效益。综上所述,秸秆颗粒化还田不仅能改善还田质量,还能提升秸秆的还田性能,促进其快速腐解和养分释放,进而增强土壤供肥能力,增加作物的群体数量,提高作物生长后期叶片光合性能,促进地上干物质积累及其向籽粒的转运,增加作物产量;综合分析作物光合固碳能力与土壤碳排放特征,秸秆颗粒还田最终表现出较高的固碳效益。因此,在农业生产中,秸秆颗粒还田可以作为一种安全、高效的新型还田方式。