农田土壤有机碳（SOC）库是陆地生态系统中最重要、最活跃的碳库，增加农田土壤有机碳固存量，对土壤培肥、粮食可持续生产、缓减温室效应发挥着重要作用。SOC含量的下降导致耕地肥力退化，地力衰竭，严重威胁到国家的粮食安全。农田土壤有机碳的固存受耕作制度、轮作制度和残茬管理等农业管理措施的影响，其中秸秆还田是农业生产中提高土壤有机碳含量最直接有效的措施。一年两熟小麦-玉米轮作是关中平原地区最重要的耕作制度，塿土是该区主要的耕种土壤，每年产生大量的作物残体或被弃置于田地两头，或直接在田里焚烧，造成秸秆资源利用率低且环境危害大，因此亟待寻求更高效的秸秆还田利用模式。那么不同还田模式对土壤有机碳固持的影响有何差异？产生这种差异的机制又是什么？这些问题还不清楚。土壤团聚体影响土壤有机碳的分解，是土壤有机碳固存的重要机制，土壤的团聚过程决定了土壤有机碳被保护的程度；土壤微生物不仅是土壤碳循环的主要参与者，同时也调控着土壤有机碳库的含量和稳定性。因此通过开展有机碳与团聚体、微生物之间关系的研究将有助于揭示土壤有机碳的物理保护机制和微生物学机制，并为土壤固碳措施的科学实施提供一定的理论依据。此外，秸秆还田腐解过程中大部分秸秆碳会矿化以气体的形式进入大气中。已有研究表明添加养分促进秸秆碳更多地固存于土壤中。以往研究表明施入土壤中的飞灰是一种通过碳化作用、增加土壤元素和吸附作用来提高土壤固碳减排的有效农艺措施。然而，木灰有相同的性质功能，秸秆还田中添加木灰对土壤固碳与温室气体减排能否达到共赢也鲜为所知。　　因此，本研究于2008年在西北农林科技大学斗口试验站开始了秸秆还田定位试验，小麦、玉米秸秆均设置了3种还田模式，在一个完整的轮作周期内小麦、玉米秸秆共有9种还田组合模式。本研究从中选择4个秸秆还田模式分别为：小麦玉米秸秆均粉碎还田（WC-MC）、小麦高留茬-玉米粉碎还田（WH-MC）、仅小麦高留茬还田（WH-MN）、小麦玉米秸秆均不还田（WN-MN）。将湿筛与密度分组相结合的方法，研究水稳性团聚体及结合有机碳和全氮的分布特征及其团聚体（粗大团聚体、细大团聚体和微团聚体）中有机碳组分及其物理保护的差异；采用Hiseq高通量测序探究了土壤细菌群落组成和多样性的变化及其与土壤有机碳的偶联关系。利用长期定位试验的土样展开了两个室内培养试验，首先，通过秸秆还田添加外源物质（Fe、Zn、Fe+Zn、木灰、油页岩）对土壤碳矿化特征和有机碳固存的探讨；其次，采用同位素标记技术研究了木灰（不添加、添加）和石灰（不添加、添加）对秸秆还田土壤碳矿化过程、碳固存的调控机制，对塿土碳固存、耕地地力的提升、确保耕地资源的可持续利用均具有重要理论意义和实践指导。主要结果如下：　　（1）以持续8年（2008–2016）的麦玉轮作体系田间定位试验为基础，研究了不同秸秆还田模式对产量、团聚体粒级、团聚体结合有机碳和全氮的含量及有机碳密度组分的影响。结果表明，小麦玉米秸秆均粉碎还田和小麦秸秆高留茬-玉米秸秆粉碎还田（两季秸秆均还田）的平均年产量较不还田的增幅分别可达33%和29%。源自3个秸秆还田的秸秆C投入较不还田分别显著提高253%、240%和79%，而仅小麦玉米秸秆均粉碎还田和小麦秸秆高留茬-玉米秸秆粉碎还田的有机碳含量分别显著提高23.8%和15.2%。两季秸秆均还田显著提高了粗大团聚体比例，降低粘粉粒团聚体比例，而对细大团聚体和微团聚体比例无显著影响。仅小麦秸秆高留茬还田土壤团聚体中OC含量与不还田相似，而两季秸秆均还田均显著增加各粒级团聚体中OC含量。小麦玉米秸秆均粉碎显著增加了粗大团聚体和细大团聚体中全氮的含量。另外，团聚体中有机碳和全氮含量均表现为细大团聚体>粗大团聚体≈微团聚体>粘粉粒团聚体。粗大团聚体和细大团聚体中C:N显著高于粘粉粒团聚体中C:N。土壤矿物质有机碳是塿土固存有机碳的主要形式，它占总有机碳的52.1%-55.4%。粗颗粒和细颗粒有机碳分别（coarse iPOC和fine iPOC）占到总有机碳的12.4%-14.8%和25.7%-28.8%，表明fine iPOM C是土壤团聚体内颗粒有机碳的主要储存形式。小麦玉米秸秆均粉碎还田增加粗大团聚体和细大团聚体中有机碳含量是分别主要通过提高coarse iPOC、fine iPOC、mSOC和fine iPOC、mSOC，而小麦高留茬-玉米粉碎还田增加粗大团聚体和细大团聚体中有机碳含量主要是分别通过提高coarse iPOC、fine iPOC和fine iPOC，这也表明了颗粒有机碳对秸秆还田的响应更敏感，而矿物质有机碳相对比较稳定。　　（2）在麦玉轮作体系下进行的持续8年（2008-2016）的田间试验的基础上，采用高通量测序探讨了不同秸秆还田模式对土壤微生物多样性和群落组成的影响，以及与土壤有机碳的偶联关系。结果表明，秸秆还田的溶解性有机碳和微生物量碳含量较不还田均有所提高，且小麦玉米秸秆均粉碎还田的增幅最大。小麦玉米秸秆均粉碎还田与其他处理相比使土壤含水量平均降低11.2%。秸秆还田较不还田使土壤pH平均降低0.20个单位。小麦高留茬的ACE指数和Chao1指数高于不还田，小麦玉米秸秆均粉碎还田更接近于不还田，并且α多样性指数与土壤碳组分没有相关性。小麦玉米秸秆均粉碎还田显著增加了Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria的相对丰度，增幅分别为44.9%和35.%，而小麦高留茬-玉米粉碎还田显著增加了Acidobacteria和Planctomycetes的相对丰度，增幅分别为56.8%和56.5%。Altererythrobacter、Reyranella、Lysobacter的相对丰度在小麦玉米秸秆均粉碎还田下分别增加了2.14、2.28和1.79倍。此外，相关分析表明，Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Altererythrobacter、Reyranella和Lysobacter的相对丰度与SOC、TN、DOC、MBC的含量呈显著正相关关系。冗余分析表明土壤细菌群落组成与土壤养分紧密相关，如土壤DOC、MBC和SOC含量，并且这些碳指标与秸秆用量高度相关，说明秸秆还田对土壤细菌群落结构的影响可能是由土壤碳含量的改变间接驱动的。　　（3）利用持续9年（2008-2017）的麦玉轮作体系田间定位试验，研究了不同秸秆还田模式对土壤有机碳含量、不稳定碳组分及碳库管理指数的影响。结果表明，不同秸秆还田模式0-20cm土层土壤有机碳的含量和不稳定碳组分的含量均明显高于20-40cm和40-60cm土层。在0-20cm土层中秸秆还田的不稳定碳组分（除了热水溶性有机碳和颗粒有机碳）、活性有机碳含量和碳库管理指数较不还田均有所提高，且均表现为小麦玉米秸秆均粉碎还田＞小麦高留茬-玉米秸秆粉碎还田＞仅小麦高留茬还田＞不还田。另外，两季秸秆均还田的各有机碳组分敏感指数均高于仅小麦高留茬还田，表明两季秸秆均还田能有效提高土壤有机碳活性。敏感性指数分析表明在溶解性有机碳、微生物量碳、热水溶性有机碳、颗粒有机碳和活性有机碳五个组分中颗粒有机碳和活性有机碳组分是反映不同秸秆还田模式下农田SOC长期变化最敏感的指标。此外，相关分析表明，2015-2016期间年产量与C投入、SOC及DOC含量均呈显著正相关，而2016-2017年产量与有机碳及不稳定碳组分无显著相关性。可见，两季秸秆均还田均可提升土壤有机碳数量和质量，特别是小麦玉米秸秆均粉碎还田，若6-7月份降雨量比较少时小麦高留茬-玉米秸秆粉碎还田更有利于玉米籽粒产量的提高。　　（4）室内培养试验研究了秸秆还田土壤添加外源物质（Fe、Zn、Fe+Zn、木灰、油页岩）对土壤碳矿化特征、土壤碳固存、土壤化学性状的影响。结果表明，秸秆和木灰配施较仅添加秸秆使累积CO2释放降低了21.7%，而添加Fe、Zn、Fe+Zn和油页岩对累积CO2释放无显著影响。与仅添加秸秆相比，添加Fe、Zn、Fe+Zn、木灰的无机碳含量均增加，增幅依次为9.1%、6.3%、6.4%和8.1%。土壤有机碳含量在添加油页岩处理较仅添加秸秆显著增加了59.4%。双库指数模型模拟结果显示，添加Fe、Zn、Fe+Zn提高了活性碳库（Cr）、惰性碳库（Cs）惰性碳库和潜在矿化碳库比例（即（Cr+Cs）/SOC），而添加木灰或油页岩降低了活性碳库（Cr）、惰性碳库（Cs）惰性碳库和潜在矿化碳库比例。由此可见，秸秆还田添加木灰有助于土壤无机碳的固存，油页岩可使更多有机碳固存于土壤中，而添加Fe、Zn、Fe+Zn均有促进土壤有机碳的矿化的潜能。　　（5）采用室内培养试验，通过添加石灰验证了木灰降低累积CO2释放的原因，利用同位素技术，探讨秸秆还田土壤添加木灰或石灰下土壤碳固存的调控机制。结果表明，秸秆还田土壤添加木灰或石灰延迟了CO2释放速率高峰值的出现并降低了CO2的释放速率；由木灰引起的降低CO2排放的持续时间低于由石灰引起的降低CO2排放的持续时间；添加木灰和石灰后CO2的累积释放量分别降低182和1210mg kg-1，而土壤无机碳的含量分别提高125和1001mg kg-1。添加秸秆和石灰可使土壤δ13C分别降低5.5%和1.9%；添加石灰使总有机碳中秸秆碳含量显著提高34.5%，同时，添加石灰处理的净有机碳含量比不添加时高出2.4%；添加木灰对来源秸秆碳含量与净有机碳含量影响不大。无论秸秆添加与否，添加石灰较不添加增加了DOC的含量。在整个培养过程中，添加秸秆降低了土壤的pH值，相反，添加石灰增加了土壤的pH值；然而，木灰仅在培养后期提高了土壤的pH值。可见，与木灰相比，石灰对减少CO2的排放和提高SOC含量的效果更好。总之，石灰性土壤中适量添加石灰可能是增强碳固存和减缓气候变化的有效措施。　　综上所述，两季秸秆均还田均可提高有机碳的固存与粗大团聚体的比例，提升了团聚体结合有机碳和全氮的含量，增加大团聚体中颗粒有机碳和矿物质有机碳的物理保护，而小麦玉米秸秆均粉碎还田对土壤有机碳固存和农业可持续发展最为有利，同时，该方式也最利于土壤不稳定碳组分和碳库管理指数的提高。秸秆还田通过增加有机碳的输入（DOC、MBC和SOC含量）从而间接影响土壤微生物细菌群落组成；土壤碳含量的增加提高了细菌的丰度值但对细菌多样性没有显著影响；而小麦高留茬显著提高了细菌的多样性。另外，遇到季节性干旱现象时，小麦高留茬-玉米秸秆粉碎还田较小麦玉米秸秆均粉碎还田有更好的提升玉米产量的效果。此外，秸秆还田添加木灰或石灰使更多的秸秆碳转化进入了土壤无机碳库，同时，添加石灰促进了更多的秸秆碳固存于有机碳库。可见，采用小麦高留茬-玉米秸秆粉碎还田利于土壤固碳、培肥和粮食生产的可持续性，秸秆还田土壤中添加木灰或石灰是固碳减排且环境友好的一种农艺措施。