土壤是全球重要的碳库和氮库，在全球碳氮循环中具有重要地位，直接影响着陆地生态系统的温室气体排放和全球气候变化。因此，在全球变化的背景下，在区域尺度上研究土壤碳氮的含量及分布和空间变异特征，揭示其关键控制因子和生态效应，对于精确估算温室气体排放和土壤碳氮截存能力，科学利用和合理管理土地资源，制定应对气候变化的区域策略和措施具有重要的理论与实践意义。本研究选择在具有重要生态功能的密云水库上游流域，以森林、草地、农田3种主要土地利用类型为研究对象，采用野外采样、实验室分析和数理统计分析相结合的方法，分析了不同土地利用方式下土壤有机碳和全氮含量的分布和空间变异特征及其影响因素，并采用生物地球化学模型的方法模拟预测了该地区农田土壤有机碳储量及平衡规律，以及气候变化和现行土地管理措施改变对区域农田土壤有机碳储量及平衡的影响，以期为区域尺度上的碳氮循环规律研究和流域生态环境保护提供理论和实践参考依据。通过研究分析，获得以下主要结论。　　 (1)不同土地利用方式下，密云水库上游流域土壤有机碳和全氮含量受地表覆被和人类活动干扰等因素的影响，存在明显差异，总体上呈现出随土地利用强度和人为干扰程度增加而下降的趋势，即自然、半自然状态利用方式下的森林和草地显著高于人为干扰较多的农田。在土壤剖面上，不同土地利用方式的土壤有机碳和全氮含量总体上均呈现出沿土壤剖面的延伸而下降的垂直变化趋势。　　 (2)密云水库上游流域0～40 cm土层的土壤有机碳和全氮含量随海拔、坡度、土壤含水量和粘粒含量的增加而增加，随温度、降水、土壤容重、pH值和砂粒含量的增加而减少。环境因子中，温度、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量对土壤有机碳含量的影响显著(P＜0.001)，其中土壤含水量、pH值和温度主要通过直接作用影响土壤有机碳含量，而土壤容重和粘粒含量则主要通过其他因子的作用间接影响土壤有机碳含量；海拔、土壤容重、含水量、pH值和粘粒含量对土壤全氮含量的影响显著(P＜0.001)，其中土壤含水量主要通过直接作用影响土壤全氮含量，土壤容重和粘粒含量主要通过土壤含水量的作用间接影响土壤全氮含量，而海拔和土壤pH值对土壤全氮含量的直接作用与间接作用相当。　　 (3)综合环境因素和土地利用方式的影响分析表明，土壤含水量和容重是影响密云水库上游流域土壤有机碳含量空间变异性的主要因子，而土壤含水量、容重、pH值和土地利用方式则是影响流域土壤全氮含量空间变异性的主要因子。　　 (4)气候、地形、土壤理化性质等区域环境因子能够共同解释密云水库上游流域土壤有机碳和全氮含量空间变异性的74.7％和70.8%，而将土地利用方式因素加入回归分析中后，土地利用方式对土壤有机碳和全氮含量变异性增加的解释程度分别为0.6%和1.5%，从而使环境因子和土地利用方式对土壤有机碳和全氮含量空间变异性的综合解释程度分别达到75.3%和72.3%。由此可见，土地利用对土壤有机碳和全氮含量空间变异性的贡献相对于环境因子而言较小。因此，建立高空间分辨率的区域环境因子数据库将是精确估算区域土壤碳氮贮量的关键环节。　　 (5)根据DNDC模型估算，2006年密云水库上游地区农田土壤0～30 cm土层有机碳总储量为7646×106 kg，其中位于河北省境内的该地区63.1%的农田储存了整个地区68.1%的土壤有机碳；平均每公顷农田土壤有机碳储量为35576.1 kg，低于全国平均水平。目前，密云水库上游地区农田土壤从根茬和秸秆还田中获得的碳收入要大于由土壤呼吸释放CO2所产生的碳支出，因此，经过一年耕种后，2006年该地区农田土壤有机碳储量增加了142.5×106 kg，碳收支状况保持为正平衡水平，并且各区县的农田土壤碳收支均保持在盈余状态，说明该地区农田土壤是大气CO2的一个汇。情景分析表明，气温升高对该地区农田土壤有机碳积累具有显著的负效应；而提高秸秆还田比例、适量施用化肥、增施有机肥、增加灌溉和采取免耕方式等措施均能有效增加土壤有机碳的积累。