本研究在山东农业大学农学实验站的长期定位保护性耕作试验地（始于2002年）上进行,采用冬小麦（济麦22）-夏玉米（郑单958）大田和微区试验相结合的方式。为了评价不同耕作方式与秸秆还田对土壤有机碳和作物产量的影响,同时区分土壤有机碳的来源,试验设置了常规耕作（CT）、深松（ST）、旋耕（RT）和免耕（NT）4种耕作方式,无秸秆还田（0）、玉米秸秆留茬1 m还田（1）和秸秆全部还田（a）3种秸秆还田量。系统探讨了2005–2017年长期不同耕作和秸秆还田条件下的小麦-玉米一年两熟种植系统土壤有机碳和作物产量年际变化及其机理,并采用基于¹³C自然丰度法的双元混合模型对2002–2017年15年间的小麦和玉米对土壤有机碳的贡献进行了评估。通过土壤固碳研究,以期找到最优的土壤耕作与秸秆还田方式。另外,为了比较在控制土壤碳排放条件下的玉米光合作用的变化和评估土壤排放对玉米光合作用的贡献,本研究利用稳定碳同位素和Keeling曲线方法分离参与光合作用的CO₂,计算了土壤呼吸对光合作用的贡献比例。主要研究结果如下:1.耕作与秸秆还田方式对土壤有机碳及其组分的影响经过15年的长期试验,结果表明,0-10 cm土层中,ST_a和RT₀的平均土壤有机碳（SOC）浓度分别是最高（14.29 g/kg）和最低（10.49 g/kg）的,分别比CT₀提高41.41%和降低0.58%。10-20 cm土层中,ST_a和RT₀的平均SOC浓度最高和最低,分别比CT₀提高18.41%和降低16.79%。在20-30 cm土层中,CT_a和RT₀处理的平均SOC浓度最高（9.79 g/kg）和最低（5.95 g/kg）,分别比CT₀提高14.76%和降低30.26%。0-30 cm土层中,ST_a处理的SOC平均浓度是最高的,为11.80 g/kg,比CT₀处理增加了2.29 g/kg,而RT₀处理的SOC平均浓度最低,为8.10 g/kg。0-10 cm、10-20 cm和20-30 cm土层中,不同处理间的SOC稳定性指数存在着显著性差异。0-30 cm土层中,ST_a和RT₀处理的碳库管理指数分别是最高和最低的。与CT₀处理相比,ST_a处理的固碳量和固碳速率都是最高的,分别增加了15.64 t/ha和1.05 t/ha/yr。因此,ST_a处理对提高SOC含量,提高土壤肥力的作用最为显著。在2016和2017年0-20 cm土层中,ST₁处理的SOC比CT₀处理显著增加了51.33%,NT₀处理是最低的。相对于CT₀,ST₁处理的颗粒有机碳（POC）、易氧化碳（POxC）、轻组分有机碳（LFOC）和微生物量碳（MBC）含量分别增加45.68%、34.55%、51.85%和51.02%,RT₀处理的土壤有机碳各个组分均最低。20-40 cm土层中,不同处理间SOC浓度存在较大差异。相对于CT₀,ST₁处理的POC、POxC和LFOC含量分别增加了143.62%、17.57%和161.20%,MBC浓度范围为212.83（RT₀）-315.58（ST_a）mg/kg。在40-100 cm土层中,2016年ST₁的SOC浓度显著高于其他处理（P<0.05）,2017年NT₀处理的SOC浓度最低。相对于CT₀,POC增加范围为-46.94%（RT_a）至75.85%（NT₀）,POxC在2016和2017年结果不同,ST₁处理的LFOC降低了21.34%,ST₁和NT₀处理的土壤MBC浓度分别增加了50.25%和减少了14.28%。另外,POC和MBC比POxC对土壤管理措施的反应更加敏感,SOC和活性碳组分之间呈现出了显著的正相关关系。2.长期耕作与秸秆还田方式对土壤有机碳来源的影响ST_a处理的小麦和玉米碳投入量均是最高的,RT₀处理碳投入最低。ST_a和RT₀处理中来自小麦的碳投入量分别比CT₀处理提高167.56%和降低2.55%,ST_a和RT₀处理中来自玉米的碳投入量分别比CT₀处理提高198.13%和降低6.81%。ST_a和RT₀处理中玉米对SOC的贡献分别比CT₀处理提高154.07%和降低48.89%。尽管小麦的碳投入量要低于玉米,即小麦转化为碳的比例小于50%,而小麦对土壤有机碳的贡献高于50%,说明小麦转化为SOC的速度更快,能力更强,小麦对SOC的贡献要高于玉米。3.耕作与秸秆还田方式对作物产量的影响经过长期试验,2005-2017年ST_a和RT₀处理的小麦平均产量分别是最高（8.08t/ha）和最低（6.91 t/ha）的,分别比CT₀处理增加了9.60%和减少了6.33%。ST_a和RT₀处理的玉米平均产量分别是最高（11.98 t/ha）和最低（9.54 t/ha）的,分别比CT₀处理增加了14.36%和减少了8.91%。小麦玉米周年产量的增加范围为0.58（NT₀）-4.93（ST₀）t/ha,与CT₀处理相比,ST_a处理的周年产量增加了2 t/ha,除对CT_a和NT_a处理外,ST_a显著高于其他处理（P<0.05）。对于小麦产量稳定性指数,ST₀和RT₀处理分别为最高和最低,但是各个处理间无显著性差异,对于玉米产量稳定性指数,得出了相反的结果,RT₀处理显著高于ST₀处理（P<0.05）,周年产量稳定性指数与玉米产量稳定性指数呈现相同的结果。另外,小麦的产量稳定性指数要高于玉米。综上结果表明,ST_a的周年产量长期保持较高水平。在2016年和2017年,ST_a和ST₁处理的小麦产量高于其他处理,CT_a、CT₁、ST_a和ST₁处理的玉米产量显著高于其它处理（P<0.05）。与CT₀处理相比,ST₁处理的小麦玉米周年产量显著增加了17.96%,RT₀处理显著低于其他处理（P<0.05）。总之,相比较其它处理,ST₁处理在提高SOC和作物产量上是更为长期有效的土地管理措施。4.土壤碳排放对作物光合的贡献分析控制土壤碳排放对玉米光合作用和水分利用效率的试验可以得出,不做任何调控措施的玉米植株的光合速率（A）,气孔导度（g_s）,蒸腾速率（T_r）和内部水分利用效率（WUE_i）比控制土壤碳排放措施分别提高了13.98%、12.81%、16.76%和1.51%,然而,叶片碳同位素判别值(?¹³C),胞间二氧化碳浓度/周围空气二氧化碳浓度（C_i/C_a）,和瞬时水分利用效率（WUE_t）分别降低了5.51%、8.57%和3.56%。CO₂再循环指数范围是0.82-0.90,土壤碳排放对光合作用的贡献范围为20.37%-29.03%。在高土壤排放条件下,玉米的光合速率有所提高。因此,土壤碳排放对玉米光合作用存在一定的作用。