粮食安全是国家经济和社会发展的“基石”,作为世界四大黑土区之一的东北黑土区是我国重要的商品粮基地,是国家粮食安全的“压舱石”。然而,由于长期高强度利用和土壤侵蚀,东北黑土区耕地土壤有机质和养分含量下降,土壤生物、理化性状和生态服务功能退化,严重威胁国家粮食安全和区域生态安全;另一方面,伴随着粮食产量提高的同时也产生了大量秸秆等农业废弃物,由于东北地区独特的地理条件和气候问题,无法实现秸秆等资源的高值化利用,取而代之以“焚烧、丢弃”等粗放方式处理,造成了严重资源浪费和环境污染。因此,如何实现农业废弃物资源回收再利用是横亘在农业低碳发展道路的一大难题。本团队在前期研究中提出了水热腐殖化技术,利用废弃生物质（秸秆、落叶等）制备得到人工腐殖质,旨在有效利用潜在固废资源并通过施用人工腐殖质提升土壤碳含量。然而,关于人工腐殖质还田后对于黑土耕地土壤碳周转及固持的影响规律及作用机制这一关键科学问题尚未明确。针对这一问题,本论文通过室外土壤培育实验（包括连续的冻结、冻融、气候变暖等天气变化）结合室内模拟实验（冻融循环和常温培育）,系统地研究了不同气候条件下施用不同人工炭基材料（液态人工腐殖质/生物炭、液态人工腐殖质/固体人工腐殖酸以及液体人工腐殖酸/液体人工富里酸）调控土壤生物固碳的具体效果和提高土壤碳稳定性的相关机制,同时寻求人工腐殖质的最佳施用方式（如施用剂量、施用组分等）,从而为减缓农田土壤碳排放、提高土壤碳固持及缓解温室效应提供一定的理论依据和技术支持。具体实验结果如下:通过在连续自然气候条件下的土壤培育实验,考察人工腐殖质和生物炭单一或混施三种方式下土壤碳含量变化规律,并以生物炭为对照,从而评估人工腐殖质对于提高土壤碳固存的潜力。研究结果表明,在实验45天后（即冻结期）,三种人工炭基材料施加方式均会造成土壤有机质的损失,最大分别达到0.31%、0.32%和0.94%。而在培育180天后（气温升高）,施加生物炭实验组中有机质仍处于持续损失状态,且相较于135天土壤有机质含量下降了0.14%,而施加有液态人工腐殖质实验组中有机质含量则几乎保持稳定状态。紫外光谱和荧光光谱结果表明,在土壤中施加液态人工腐殖质后土壤有机质将逐渐趋向于具有更强的腐殖化程度和更高的稳定性,使得土壤有机质以及生物炭均能够在变暖气候下抵抗微生物的降解作用,从而缓解土壤碳的排放。此外,基于16S r RNA的高通量测序结果表明,施用液态人工腐殖质能够有效调控土壤细菌群落结构以增强土壤碳稳定性,如在施加生物炭基础上施加人工腐殖质相较于单一施加生物炭来说能有效抑制具有降解各种碳源用于自身生长功能的Blastococcus sp.的生长。因此,液态人工腐殖质具有促进土壤溶解性有机质腐殖化以及土壤碳稳定的潜力。在上述研究基础之上,继续进行室内模拟冻融实验,进一步考察液态人工腐殖质的施用剂量对于土壤碳固持及稳定性的影响机制。实验结果表明,在冻融条件下施加300 m L/kg液态人工腐殖质相较于100 m L/kg液态人工腐殖质能有效提升土壤碳含量,且在经过10次冻融循环后,土壤碳含量净增量最高可达4000 mg/kg。紫外光谱、荧光光谱和13C-固体核磁共振技术结果表明,施加液态人工腐殖质能够在冻融循环过程中使得土壤中溶解性有机质及腐殖质碳具有更高的稳定性。基于氨基糖生物标志物技术对微生物残体碳含量的变化进行检测,研究结果表明液态人工腐殖质显著促进了土壤微生物的代谢周转活动,并在经过土壤冻结作用后显著提高了土壤中真菌残体碳含量。cbb L基因的高通量测序结果表明,液态人工腐殖质能够通过调控固碳细菌群落结构,提高部分具有较强固碳能力细菌在群落中的优势地位,如Mycolicibacterium gadium和Starkeya novella等,从而减少融化期土壤碳的排放。最后,为明确人工腐殖质中两种主要组分（人工腐殖酸和人工富里酸）对土壤碳固持的作用机制,通过“酸提碱溶”的方式得到了液体人工腐殖酸和液体人工富里酸,并观察其施加于不同有机质含量土壤后碳含量变化规律。研究结果表明,液体人工腐殖酸对于土壤碳的提升效果优于液体人工富里酸。基于土壤中营养元素含量变化结果,可以发现液体人工腐殖酸和液体人工富里酸均能显著提高土壤有效磷含量及其迁移距离,但液体人工腐殖酸效果更为明显。平板计数结果表明,液体人工腐殖酸相较于人工富里酸更能促进细菌生长,从而显著提高细菌生物量碳含量。荧光光谱结果表明,液体人工腐殖酸的添加能够促进土壤溶解性有机碳转化为芳香性碳,且相较于液体人工富里酸,更能增强土壤溶解性有机质的腐殖化程度以及碳的稳定性。高通量测序结果表明,液体人工腐殖酸能够显著促进具有多种固碳作用的Rubbrivivax gelatinosus的生长,从而促进土壤碳固持。综上,施用人工腐殖质能够在不同气候条件下增强黑土区农田土壤碳固持能力,进一步提升土壤肥力,因此本研究能够为提高黑土肥力、减少土壤碳排放提供理论依据和数据支撑。