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农作物秸秆还田是提高秸秆资源利用、培肥土壤、提升作物产量的重要措施,对保障我国粮食安全与农业可持续生产具有重要意义。然而,在秸秆腐解过程中,碳、氮化合物在作物秸秆-土壤有机碳-土壤微生物之间的形态转化及其作用机制尚不清楚,值得进一步探究。本文采用室内培养和田间试验相结合的方法,基于高级固态核磁共振（Solid-State Nuclear Magnetic Resonance,SS NMR）和高通量测序（High-Throughput Sequencing）等技术,探究碳、氮化合物在作物秸秆-土壤有机碳-土壤微生物体系中的形态转化及作用机制。主要研究内容有:（1）小麦秸秆腐解对化学肥料氮素的固定作用;（2）小麦秸秆腐解过程中含碳化合物的形态转化规律;（3）小麦秸秆腐解对土壤有机碳组分及其化学结构的影响;（4）秸秆还田对土壤细菌群落结构及其多样性的影响;（5）秸秆还田对土壤真菌群落结构及其多样性的影响。主要结论如下:1.小麦秸秆降解过程中能够对化学肥料氮素产生固定作用。在好气培养条件下,小麦秸秆腐解残余物的化学肥料氮固定量（2.7 mgg-1）要显著高于其在淹水培养条件下小麦秸秆腐解残余物的化学肥料氮固定量（2.0 mg g-1）。在淹水培养条件下,小麦秸秆腐解残余物固定的化学肥料氮主要以带质子的酰胺氮的形态存在;而在好气培养条件下,小麦秸秆腐解残余物固定的化学肥料氮则更加多样化,主要包括肽酰胺氮（53%）、N-甲基酰胺（22%）、胺氮（5%）、苯胺氮（7%）和杂环氮（2%）。小麦秸秆在好气培养条件下所形成的固氮化合物中54%-79%为易矿化有机氮,可通过再矿化的方式释放出来供农作物吸收利用,从而提高作物氮素利用效率。2在好气和淹水条件下,小麦秸秆质量在培养最初的90天内快速下降（37%-68%）,而在随后的270天内缓慢下降（4%-16%）。小麦秸秆在淹水培养条件下的腐解速率常数（k=0.022 d-1）明显低于其在好气培养条件下的腐解速率常数（k=0.028 d-1）,表明小麦秸秆在好气条件下的腐解速率比其在淹水条件下快。在好气和淹水条件下培养360天后,小麦秸秆中烷氧碳（O-alkyl C）的相对含量分别从46%降低至29%和40%,而芳香类碳（aromatic Cs）的相对含量分别从17%增加至31%和19%。在好气培养条件下,小麦秸秆腐解残余物中非质子化芳香碳的相对含量从32%增加至36%,而淹水培养条件下,小麦秸秆腐解残余物中非质子化芳香碳的相对含量没有明显变化。2D DQ/SQ NMR图谱显示,在好气培养条件下,小麦秸秆腐解残余物中非质子化芳香碳增加的主要原因是形成新的稠环芳香碳结构;远程13C-1H偶极去相重耦NMR结果显示,每1千克小麦秸秆在好气培养条件下360天后,能够产生大约1g的稠环芳香碳;据此估算,全球每年农作物秸秆和根系残余物腐解所产生的稠环芳香碳的总量约为5.4 Tg C,对土壤碳库的稳定起着重要作用。3.好气和淹水培养条件下,小麦秸秆腐解显著提高了土壤有机碳（soil organic carbon,SOC）、颗粒态有机碳（particulate organic carbon,POC）和矿物结合态有机碳（mineral associated organic carbon,MAOC）的含量（P<0.05）,且好气培养条件下MAOC的含量要显著高于其在淹水培养条件下的含量（P<0.05）。好气培养条件下,小麦秸秆腐解显著提高了土壤SOC、POC和MAOC组分中O-alkyl C的含量（P<0.05）,而在淹水培养条件下,小麦秸秆腐解显著提高了土壤SOC、POC和MAOC组分中烷基碳（alkyl C）的含量（P<0.05）。淹水培养条件下,SOC、POC和MAOC的A/O-A和HB指数要显著高于其在好气培养条件下的A/O-A和HB指数（P<0.05）。这表明,在淹水培养条件下小麦秸秆还田后SOC、POC和MAOC的稳定性比其在好气条件下更高。4.单施化肥（F）、小麦秸秆还田（WF）、玉米秸秆还田（MF）和小麦玉米秸秆还田（WMF）处理条件下土壤SOC、DOC、TN、碱解氮、速效磷和速效钾的含量分别提高了 32.6%-55.8%、72.9%-217.3%、42.8%-57.1%、68.5%-81.8%、265.5%-481.3%和 31.0%-63.3%（P<0.05）,但土壤pH 降低了 12.9%-17.8%（P<0.05）。与 F 处理相比,WF、MF 和 WMF 处理使土壤 SOC 和 DOC 提高了 14.3%-17.4%和 44.4%-83.6%（P<0.05）,而土壤SOC、TN、碱解氮和速效钾含量在WF,MF和WMF处理之间没有明显差异（P>0.05）。与对照（CK）相比,F处理显著增加土壤中变形菌门（Proteobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）的相对丰度（P<0.05）,降低了酸杆菌门（Acidobacteria）的相对丰度（P<0.05）,导致土壤细菌丰富度、均匀度和多样性的下降。与F相比较,小麦秸秆还田（WF）处理显著提高了土壤细菌中α-变形菌纲（α-Proteobacteria）、鞘脂杆菌纲（Sphingobacteriia）和Gp6酸杆菌纲（AcidobacteriaGp6）的相对丰度,有助于提高土壤细菌的均匀度和多样性;而MF处理对土壤细菌的丰富度、均匀度和多样性的影响均不显著。RDA和SEM分析结果表明,还田秸秆的化学结构可以通过影响土壤活性有机碳组分（LFOC、f-POC和c-POC）的化学结构来调控土壤细菌群落结构和多样性。与单施化肥处理相比,小麦秸秆还田腐解能够提高土壤活性有机碳中糖类碳的含量,与土壤细菌群落结构和多样性显著相关。5.F处理显著增加了土壤真菌中子囊菌门（Ascomycota）的相对丰度（P<0.05）,降低了担子菌门（Basidiomycota）的相对丰度（P<0.05）,导致土壤真菌丰富度、均匀度和多样性的下降。与F相比较,MF处理显著提高土壤真菌中伞菌纲（Agaricomycetes）和粪壳菌纲（Sordariomycete）的相对丰度,有助于提高土壤真菌的均匀度和多样性。RDA和SEM分析结果表明,还田秸秆的化学结构可以通过影响土壤颗粒态有机碳（f-POC和c-POC）的含量和化学结构来调控土壤真菌群落结构和多样性。与单施化肥处理相比,玉米秸秆还田腐解提高土壤POC的含量及其木质素碳的含量,与土壤真菌群落结构和多样性显著相关。