本试验于2010-2012年间以我国最具代表性的黄淮海平原小麦－玉米一年两熟农田为研究对象，以小麦、玉米两作一体化秸秆不同还田量和保护性耕作生产为技术主体，研究保护性耕作条件下的农田土壤碳循环时空变化规律，农田温室气体的时空排放规律,农作物秸秆还田量调节对农田碳循环的影响、作物生产动力消耗规律与生产投入经济适性；以期探寻在麦-玉两熟保护性耕作措施下的农田碳循环规律与调控研究，为麦-玉两熟保护性耕作技术体系推广应用提供依据。碳元素作为温室气体的主要组成元素，进一步研究农田碳元素的循环规律和调控，对实现低碳农业目标和农业可持续发展都具有重要意义。主要研究结果如下：1保护性耕作农田土壤固碳规律及调控秸秆全量还田下，保护性耕作农田土壤的有机碳、全氮含量增加，土壤容重降低。转变耕作方式后，土壤有机碳与原方式相比显著增加，其中免耕转变为深松后增幅达4.0%以上。随玉米秸秆还田量的增加，土壤有机碳和全氮提高的幅度越大。秸秆还田和转变耕作方式都能降低土壤容重，年均降低约0.5g· cm^-3。保护性耕作的农田，年度0-20cm土层碳氮比平均增幅为1.02,转变耕作方式后年均提高碳氮比1.26。增加秸秆还田量可以提高土壤的碳氮比。保护性耕作农田，深松耕作具有最强的固碳能力。转变耕作方式和增加秸秆还田量，都能增加土壤固碳量。免耕转深松后年固碳增加效果极显著。2保护性耕作农田作物的固碳规律及调控深松秸秆全量还田的产量最高，常规耕作只比免耕高1.03%。转变耕作方式后，作物增产幅度每年达2.9%。保护性耕作转为深松耕作，有利于提高作物产量。秸秆全量还田比部分还田增产显著。保护性耕作农田的作物固碳量高于常规耕作，深松耕作固碳量最高；转变耕作方式和秸秆还田都有利于提高农田作物固碳量。3保护性耕作农田的土壤呼吸规律及影响因素保护性耕作农田玉米季土壤呼吸速率比小麦季平均高5.8倍。麦季农田白天土壤呼吸速率为夜间的1.1-1.5倍，玉米季是夜间的1.93倍。常规耕作方式的土壤呼吸最高，而免耕土壤呼吸最低。转变耕作方式后，除免耕外，土壤呼吸表现出降低趋势。秸秆还田量与土壤呼吸呈显著地正相关关系。土壤呼吸与20cm土壤有机碳极显著相关；在一定的土壤水分范围内，土壤呼吸与土壤水分正相关。保护性耕作农田年度土壤呼吸排碳量平均比常规耕作低1.3t/hm²,转变耕作方式后农田土壤呼吸与原方式相比增减范围在1.5%左右，秸秆还田增加土壤呼吸碳排量，常规全量还田是不还田的1.11倍。4保护性耕作下农田生产投入对碳循环的影响不同耕作方式的农田年度生产性碳投入相差较小，总量相差不到2.5%。在小麦生产中，除深松耕作外，常规耕作机械碳排放量最大。.玉米生产机械碳排量仅相当于小麦季的75.8%。麦-玉两季的生产资料的投入比较接近。化肥碳投入占总量的一半以上。不同处理的麦-玉两熟农田，玉米的生产利润平均是小麦的1.14倍。全年效益最高的耕作方式是深松耕作，达到20691.4元/hm²，除免耕外，保护性耕作的经济效益要高于常规耕作。保护性耕作农田生产投入的碳排放与常规耕作相比，除机械碳排量有差异，总体并不显著，但经济效益相差显著。5保护性耕作农田温室气体的排放规律及影响因素5.1CH₄的排放规律及影响因素保护性耕作农田表现为大气CH₄的汇，夏季高，冬季低；玉米生长季CH₄吸收平均水平比麦季高4～5倍。保护性耕作农田CH₄吸收小于常规耕作。秸秆还田减少了甲烷吸收通量。转变耕作方式增加了CH₄吸收量，但增量不到2%。保护性耕作农田CH₄吸收主要与耕作方式、秸秆还田量等相关。常规耕作CH₄吸收通量比相应的免耕处理要高8.65%。CH₄的吸收通量与地表温度显著性正相关。CH₄的吸收通量与土壤水分负相关,与土壤有机碳呈显著的正相关性。常规耕作农田年度CH₄吸收量比保护性耕作平均高10.5%，保护性耕作方式转变对CH₄吸收量略有提高，年均4.34%。全量秸秆还田比不还田年度减少CH₄吸收量约12.7%。5.2N₂O的排放规律及影响因素保护性耕作农田N₂O排放具有明显的季节变化。N₂O日排放呈现昼高夜低的变化趋势。N₂O排放量随温度的变化升高。玉米季节N₂O排放通量高于麦季。常规耕作农田年度N₂O排放比保护性耕作平均低2.3%，保护性耕作方式转变对N₂O排放略有提高，年均2.27%。全量秸秆还田比不还田农田年度N₂O排放量高约8.1%。5.3CO₂的排放规律及影响因素保护性耕作农田CO₂排放玉米季比小麦季高2.1倍。耕作方式转变后，CO₂排放量较原耕作方式降低。随着秸秆还田量的增加，CO₂的排放量增加；CO₂的排放与大气温度呈显著的正相关性。常规耕作农田CO₂年度排放平均比保护性耕作高2.43tCO₂·hm^-2·a^-1。转变耕作方式后CO₂排放平均比对照降低0.93tCO₂·hm^-2·a^-1，秸秆还田促进了农田的CO₂排放，全量还田比不还田高14.4%。保护性耕作农田全年的CO₂排放占总温室效应的97.4%，N₂O占2.88%，而CH₄的吸收只占0.27%。降低农田温室气体的温室效应，主要是降低农田CO₂的排放。适量的秸秆还田和耕作方式的转变都利于减少农田温室效应。6不同玉米秸秆还田方式的确定玉米秸秆的能量值底部最高，而主要营养成分顶部最高，从综合利用角度评价，留茬0.5m秸秆还田比较合理。7保护性耕作农田的碳循环规律和碳效率7.1保护性耕作农田生产的碳效率保护性耕作农田的深松耕作的碳效率最高，免耕处理的碳效率最低。转变耕作方式和秸秆还田显著提高农田的碳效率。玉米生产的碳效率高于小麦。7.2保护性耕作农田的碳循环规律保护性耕作农田生态系统中，深松耕作的年度净固碳量最大，达到5.801tCE/hm²，最少的是常规耕作，比深松相差2.199tCE/hm²。免耕转深松后，固碳量提高了22.96%。秸秆还田不能显著提高农田生态系统年度净固碳量，与还田量并不成线性关系。0.5米的玉米秸秆还田是较好的提高农田生态系统固碳量的途径。在整个农田生态系统的碳循环中，土壤呼吸排放碳量占年度总量的40.66%，生产投入占4.11%，农田CH₄吸收量占0.1%，作物固碳为55.13%，土壤固碳占4.97%。要减少农田碳排放，主要是减少土壤呼吸的量，增加作物固碳量。保护性耕作及转变耕作方式都能显著提高农田净固碳量。7.3保护性耕作农田的碳生态足迹深松耕作农田的碳生态盈余最高，常规耕作方式最低，仅占深松的55.8%。转变耕作方式显著地增加碳生态盈余：免耕变为深松后，碳生态盈余提高了16.6%。碳生态盈余与秸秆还田量并不呈比例关系，0.5米的秸秆还田方式碳生态盈余最大。综上所述，保护性耕作技术作为常规耕作的替代方式，无论是理论方面，还是生产实践技术方面都具有固碳减排的可行性。改变耕作方式和适量的秸秆还田都是较好的增加农田固碳、实现低碳生产的有效方法。