秸秆还田是促进农田土壤碳氮贮存的主要措施,但东北黑土区秸秆还田提升土壤碳氮的效果和持续时间不显著。目前东北黑土地保护与利用中,推行旋耕、深松、深翻并配合秸秆粉碎还田或有机肥施用,以构建深厚耕作层和提升土壤有机质含量,但不同耕作方式下秸秆碎混还田或配施有机肥的土壤碳氮固持效果及机制尚不清楚。本研究收集、整理了东北黑土区长期定位试验的研究结果,并结合13C、15N同位素双标记技术,定量分析了长期连续秸秆还田对土壤有机碳的提升效果,以及外源有机物料添加方式对土壤碳氮固持的影响,以此阐明土层置换、秸秆添加及秸秆配施有机肥下土壤原有碳氮变化及秸秆碳氮在土壤中的分配,明确土层置换和秸秆、有机肥添加对土壤碳氮周转的影响机制。主要结果和结论如下:1.利用东北典型黑土区三个长期秸秆还田定位试验(分别进行了18年、21年和33年),从区域和时间尺度,定量研究了秸秆还田的土壤固碳效果。结果表明,与单施化肥相比,秸秆还田配施化肥处理土壤有机碳储量增加了4.0%(海伦)和5.7%(黑河),但公主岭处理间差异不显著;高有机质含量土壤,秸秆还田处理的土壤固碳速率显著高于单施化肥处理;秸秆还田17年(黑河)、11年(海伦)和8年(公主岭)后,达到土壤固碳速率的平衡点;秸秆还田提升了高有机质区域土壤有机碳储量,但不能显著增加低有机质区域土壤有机碳储量。因而,东北黑土区秸秆还田是维持或提升土壤有机碳的有效途径,但应考虑不同点位秸秆还田效果的差异。若实现秸秆还田长期提升土壤有机碳,应结合耕作和施肥等农田管理措施。2.通过大田秸秆填埋试验,采用同位素示踪技术定量研究秸秆不同埋深及配施有机肥对土壤碳氮固持的影响。结果表明,秸秆配施有机肥(SMS)处理土壤总有机碳和全氮含量显著高于土壤对照(S)和添加秸秆(SS)处理;分解360天后,埋深对秸秆氮的贡献率影响不显著。但深埋(35 cm,39.9%)秸秆碳对土壤总有机碳的贡献显著高于浅埋深(15 cm,35.8%)。SS处理秸秆碳的贡献率是37.9%,较SMS处理低2.2-10.0%(15cm)和 5.7-13.7%(35cm);SMS处理 15 cm土层的土壤碳氮平均驻留时间较SS处理长16天和27天,在35 cm土层分别长31天和37天。因此,秸秆还田配施有机肥可有效提高深层土壤碳氮的稳定性。秸秆深还不仅提高了秸秆碳的贡献率,也有效提高了土壤碳氮的稳定性。3.通过尼龙网袋法和碳氮同位素双标记技术研究了土层置换(15 cm和35 cm)与秸秆添加对土壤碳氮周转和秸秆碳氮分配的影响。结果显示,与土层置换前相比,表层土置换与秸秆添加处理土壤总有机碳和全氮含量增加了3.2%和0.9%,秸秆碳氮贡献率均提高3.6%,但秸秆碳氮残留率降低了5.8%和6.2%,也降低了土壤碳氮的固持能力;相反,底层土置换与秸秆添加降低了土壤总有机碳含量、全氮含量、秸秆碳氮贡献率和秸秆碳残留率。