土壤有机碳（Soil organic carbon SOC）是土壤肥力的核心,也是陆地生态系统最大的有机碳库。农田土壤SOC含量的高低不仅影响土壤养分供应和作物生产力,还会影响农田土壤温室气体的排放和全球气候变化。提高土壤SOC,减少CO₂的排放成为实现农业可持续发展、缓解温室效应的重要方法和途径。农田土壤SOC的变化取决于外源碳的添加与矿化,其中外源有机碳能否高效固持由土壤性质、团聚性、原土有机碳组分等多种因素共同决定。黄土高原是我国旱地农业的中心。以一年一熟轮作为主要种植模式,小部分一年两熟灌溉农业体系。本研究利用黄土高原四个具有代表性的长期定位试验（陕西杨凌,甘肃天水,甘肃平凉和陕西合阳）,通过对历史数据的总结和采集样品的分析,研究了不同种植体系长期施肥作物产量、有机碳还田量、有机碳及其活性组分动态变化、土壤固碳效率及速率、固碳潜力;利用干湿筛相结合的方法研究了土壤团聚体及粉黏粒组成和其有机质的分布特征;采用粒径-密度分组方法对原土和团聚体保护有机质进行分组,研究施肥对不同碳库的影响;通过不同温度室内培养,研究不同施肥及秸秆添加对土壤有机碳矿化和温度敏感性的影响。四个长期定位试验的施肥处理为:杨凌（灌溉试验:不施肥CK、单施氮肥N、氮钾配施NK、磷钾配施PK氮磷配施NP、氮磷钾肥配施NPK、化肥与秸秆还田SNPK低量有机肥配施化肥M1NPK和高量有机肥配施化肥M2NPK;旱地试验:CK、N、NK、PK、NP、NPK和MNPK）;天水（CK、NP和MNPK）;平凉（CK、NP和MNP）;合阳（CK、低量化肥N1P1、高量化肥N2P2和有机肥配施高量化肥MN2P2）。主要结果如下:（1）无论是灌溉地还是旱地,长期偏施化肥处理（N、NK、PK）相比CK对作物籽粒产量均无显著影响,产量范围分别为3.3-4.7 Mg ha^-1（小麦和玉米总产）和1.4-2.0 Mg ha^-1;平衡施用化肥（NP、NPK）和有机无机配施（M1NPK、M2NPK和MNPK）的籽粒产量也未见显著差异,灌溉地和旱地产量分别为11.8-13.2 Mg ha^-1和4.7-4.9 Mg ha^-1,显著高于对应的偏施肥处理。与作物产量结果类似,偏施肥处理相比CK处理有机碳投入量没有显著差异,灌溉地和旱地偏施肥有机碳投入量分别为21.4-24.4 Mg ha^-1和9.8-14.6 Mg ha^-1;灌溉地和旱地平衡施用化肥处理有机碳还田量平均值分别为61.2和28.8 Mg ha^-1;灌溉地有机无机配施有机碳投入量为109.6-162.1Mg ha^-1,旱地MNPK处理有机碳投入量为69.7 Mg ha^-1。25年长期施肥后,平衡施肥相比偏施肥和对照,可以提高SOC储量30%以上,有机无机配施相比对照提高SOC储量50-156%。灌溉地和旱地土壤每5年土壤固碳速率变化范围分别为0.37-1.89 Mg ha^-1 y^-1和-0.06-0.93 Mg ha^-1 y^-1;灌溉地和旱地平均固碳效率分别为19%（14-32%）和28%（14-32%）。灌溉地和旱地土壤POC含量相比试验开始时增加范围分别为4%-180%和112%-160%。当灌溉地和旱地土壤有机碳含量分别为9.97 g kg^-1和8.77 g kg^-1时,作物产量可分别达到最大产量的93%和92%。（2）黄土高原旱地土壤以大团聚体（?025 mm）为主,占70%以上,微团聚（0.053-0.25 mm）占13-17%,粉黏粒组分（<0.053 mm）只占10%左右。施肥可以增加大团聚体占比,降低微团聚体和粉黏粒占比,MNP/K相比CK处理平均增加大团聚体21%,降低微团聚体和粉黏粒21%和16%。施肥相比CK可以增加MWD值9.3%。土壤团聚体间SOC和TN含量没有差异,平均为10.6和1.08 g kg^-1,但是显著高于粉黏粒组分(分别为7.36和0.75 g kg^-1)。土壤SOC和TN主要储存在大团聚体中（79%和77%）,其次为微团聚体（14%和15%）,粉黏粒储量最低（7%和8%）。有机碳和全氮富集因子在团聚体中值接近1,显著高于粉黏粒组分。（3）黄土高原长期施肥显著增加土壤SOC和TN储量,相比CK,施肥处理SOC和TN年增量为87.5-483.1 kg ha^-1 y^-1和8.9-52.5 kg ha^-1 y^-1。矿质结合态碳（MOC）和矿质结合态氮（MON）分别占SOC和TN的45%-75%和64%-89%,相比CK,施肥处理该组分年增量为81.6-237.6 kg ha^-1 y^-1和3.6-31 kg ha^-1 y^-1。土壤颗粒有机碳（POC）和颗粒有机氮（PON）储量分别占SOC和TN储量的25%-55%和11%-36%,施肥处理相比CK该组分的年增量为84.9-306.7 kg ha^-1 y^-1和3.2-24.2 kg ha^-1 y^-1。轻组有机碳（Light-POC）和轻组氮（Light-PON）储量分别占SOC和TN储量的8-32%和6-24%。施肥增加其年增长率为27.2-198.9 kg ha^-1 y^-1和2.4-17.0 kg ha^-1 y^-1。土壤重组有机碳（Heavy-POC）和重组氮（Heavy-PON）储量分别占SOC和TN储量的13%-28%和4%-16%。施化肥不增加该组分储量,MNP/K相比CK,增加速率为1.6-107.5 kg ha^-1y^-1和3.4-9.2kg ha^-1 y^-1。施用化肥对各组分有机质在土壤中的分配没有显著影响,但MNP/K处理可以增加POC和PON占比3-19%。施肥对原土C/N比没有显著影响,但有降低POM组分C/N的趋势。（4）黄土高原旱地土壤团聚体有机质物理组分以微团聚体分离得到的团聚体内细颗粒有机质（53 f）含量最高,该组分C和N平均含量分别为3.54和0.21 g C kg^-1aggregates,其次为由0.25-2 mm团聚体分离得到的团聚体内细颗粒有机质（250 f）,该组分C和N平均含量分别为2.45和0.15 g C kg^-1 aggregates,其余组分含量之间没有差异,平均C和N含量为1.60和0.07 g C kg^-1 aggregates。团聚体分离的物理组分以矿质结合态有机碳（Mineral-associated OC）和氮（Mineral-associated ON）在土壤中含量最高,分别为4.01-9.81和0.39-1.07 g C kg^-1 soil,占土壤SOC和TN的68%和71%。其次为总的细颗粒有机碳（Total fine intra-POC）和氮（Total fine intra-PON）,含量分别为1.03-3.08和0.12-0.43 g C kg^-1 soil,占土壤SOC和TN的18%和19%。不受团聚体保护的游离态颗粒有机碳（Free light POC）和氮（Free light PON）含量最低,仅占土壤SOC和TN的5%和3%。Mineral-associated OM不随有机碳含量增加而增加,其余组分仍有一定的增加潜力。施化肥对Mineral-associated OM占比没有显著影响,但MMNP/K分别降低Mineral-associated OC/SOC和Mineral-associated ON/TN 11%和12%。团聚体内总的粗颗粒有机质C/N显著高于其余组分。（5）CK,NP和MNP/K处理土壤在不同温度（15℃,25℃和35℃）下有机碳累积释放量分别为54-246 mg CO₂-C kg^-1,81-507 mg CO₂-C kg^-1和122-641 mg CO₂-C kg^-1,分别占SOC的0.65-2.99%,0.81-5.11%和0.86-4.50%;添加秸秆后土壤有机碳累积释放量分别为476-1691 mg CO₂-C kg^-1,547-2031 mg CO₂-C kg^-1和787-2678 mg CO₂-C kg^-1,分别占SOC的4.9-17.44%,4.8-17.82%和5.05-17.09%。利用双库指数模型模拟得出,未添加秸秆的土壤,不同温度和施肥处理活性碳库（Ca）为6-38 mg CO₂-C kg^-1,惰性碳库（Cs）为61-1853 mg CO₂-C kg^-1;添加秸秆处理Ca和Cs大小分别为30-60 mg CO₂-C kg^-1和536-8718 mg CO₂-C kg^-1。低温（15/25℃）条件下未添加秸秆土壤有机碳矿化的温度敏感性(Q₁₀)较高温（25/35℃）高28%,添加秸秆土壤Q₁₀高温时更高。未添加秸秆时,MNP/K相比CK增加Q₁₀（15/25℃）7%,Q₁₀（25/35℃）以NP处理最高,CK处理最低;添加秸秆时,Q₁₀低温和高温时分别是NP和MNP/K最高。添加秸秆可以降低Q₁₀（15/25℃）,平均下降42%。未添加秸秆时,各施肥处理在不同温度下Cs Q₁₀比Ca高31-399%;添加秸秆时,高7-418%。综上所述,黄土高原地区长期施肥可以显著提高作物产量和土壤有机碳储量,促进土壤大团聚体形成,增加团聚体稳定性。其中有机无机配施可以增加土壤活性有机碳组分占比,进而提高土壤有机质质量。施肥虽然能提高农田土壤有机质固存,但作物产量随有机碳含量增加存在阈值,并且施肥存在增加土壤CO₂排放及有机碳矿化的温度敏感性的风险。因此,该地区农田土壤在施肥选择时既应保证稳产高产,还应当兼顾考虑作物产量阈值和环境效益。