土壤碳(C)库是陆地生态系统最大的C库，其库量是大气C库的2倍，是植被C库的3倍，土壤C库的变化直接影响大气中二氧化碳(CO2)的浓度，进而影响全球变暖。农业生产为人类提供必要的物质基础，农业活动深刻地影响着陆地生态系统C循环。农田土壤有机碳(SOC)是土壤肥力的重要指标，研究农田SOC的变化，对于保障粮食安全、减缓气候变化和深入理解陆地生态系统碳循环具有重要意义。目前对农田SOC变化的研究，大都集中在点尺度和区域尺度，但在全球尺度上，定量评估农田SOC时空变化和未来固碳潜力的研究不多。　　本研究通过文献数据调研，采用整合分析（Meta分析）方法，研究了不同施肥措施下全球农田SOC含量的变化及其主要影响因素;利用经验证的Agro-C模型，模拟了1980～2009年全球农田SOC的时空变化，并结合不同气候和管理情景数据，对2010～2100年全球农田SOC时空变化和固碳潜力进行了预估。主要结果如下:　　1)对全球298个站点1741组数据的Meta分析表明，农田土壤固碳能力取决于气候因素，SOC初值，外源碳投入量和施肥持续年限等因素。与不施肥相比，非平衡施化肥，平衡施化肥，化肥+秸秆还田，化肥+有机肥处理下，0～20cm的SOC含量分别增加0.9g kg-1（10.0％，相对变化，下同），1.7g kg-1(15.4％)，2.0g kg-1(19.5％)和3.5g kg-1(36.2％)。四种措施下，固碳速率随着时间延长而降低。施有机肥和秸秆还田措施下，土壤固碳的持续时间分别为26～117年和28～73年，但是在不同气候区差异明显。总体而言，寒温带的固碳持续时间最长，为46～117年;热带的持续时间最短，为26～47年;暖温带的固碳持续时间为37～65年。碳投入量是SOC变化的重要驱动因子，有机肥的固碳效率一般高于秸秆还田。在中等肥力水平下，至少需要2Mgha-1yr-1(1M=106)的碳投入，才能够维持85％地区的SOC不降低。增施有机肥，提高秸秆还田率能够有效增加土壤固碳，对于SOC减少的区域，则能够有效减少碳丢失，从碳源转变为碳汇。　　2)利用全球16个重要农业国的43个站点，125个处理（多种施肥和耕作措施）的文献数据，对Agro-C模型进行了验证。结果显示，Agro-C模型能够较好地捕捉绝大多数站点的施肥和耕作处理下的SOC变化。Agro-C模型模拟可以解释全部观测数据中96％的变异，回归方程的斜率为0.94，截距为2.65，相关系数达到极显著水平(p＜0.001)。模型模拟的相对均方根误差(RMSE)为10.9％，相对平均偏差(RMD)为-0.2％，模型效率(EF)为0.96。　　3) Agro-C模拟结果显示:1980～2009年，全球7.89亿公顷禾谷类和油料类农田SOC总体呈增加趋势，但时空差异明显。0～30cm土壤的SOC储量从41.3PgC(1Pg=1015g)增加至41.8PgC，30年共增加了457TgC(1Tg=1012g)(95％置信区间:246～668TgC)。固碳速率从1980s初期的12.9TgCyr-1，增长到2000s后期的24.0TgCyr-1。北美洲和欧洲农田固碳最多（448和322TgC）;南美洲和大洋洲次之（91和87TgC）;亚洲和非洲分别丢失282和210TgC。从国家尺度看，美国、中国、加拿大农田固碳最多，分别为634、475和189TgC;与之相反，俄罗斯、印度和墨西哥农田丢失大量有机碳，丢失量分别为333、311和275Tg。北美洲、欧洲和大洋洲农田土壤有机碳密度(SOCD)增速最快，为0.1～0.3Mg ha-1yr-1，其次是南美洲，增速在0～0.1Mg ha-1yr-1之间。亚洲农田在1980s～1990s是碳源，碳丢失速率在-0.1～0Mg ha-1yr-1之间，其后逐渐减缓，在2000s转变成碳汇，SOCD增加速率为0～0.1Mg ha-1yr-1。非洲农田在前20年一直是碳源（强度为-0.2～-0.1Mg ha-1yr-1），2000s碳源强度减弱至-0.1Mg ha-1yr-1。值得注意的是，墨西哥、亚马逊平原、非洲大部分地区和热带亚洲地区的碳丢失速率很高，甚至超过1Mg ha-1yr-1。其主要原因是毁林开垦的农田具有较高的SOC初始值，加上高温、高湿的环境和较低的有机碳投入，导致SOC迅速下降。　　4)基于三种未来气候变化情景(RCP2.6，RCP4.5，RCP8.5)和三种碳投入情景（秸秆还田为2010年水平，60％还田，90％还田）的组合，对2010～2100年全球农田SOC变化进行了预估。结果表明，气候变化的影响远小于碳投入的影响。S1情景下（2010年碳投入，三种气候情景），SOC可能增加799(371～1227)Tg，其中2011～2040年、2041～2070年和2071～2100年，农田SOC的变化分别为926Tg、-159Tg和32 Tg; S2情景下（60％秸秆还田，三种气候情景），SOC可能增加6947(5274～8611)Tg，对应三个时段SOC分别增加4051Tg、1730Tg和1160Tg;S3情景下（90％秸秆还田，三种气候情景），SOC可能增加14002(13542～14462)Tg，对应三个时段SOC的增加量分别为7453Tg、3893Tg和2656Tg。未来90年通过增加秸秆还田，全球农田土壤固碳潜力较大，789Mha的禾谷类和油料类作物农田，固碳潜力为14.0(13.5～14.5)PgC。扩展到全球所有农田(1370Mha)，固碳潜力为21.4(18.4～24.5)PgC。