土壤肥力对于保证粮食安全及农业的可持续发展具有重要意义。土壤肥力越高,作物产量越高,而作物根系的生物量及分泌物越多,则越能促进土壤肥力的提高。因此,施肥是影响作物产量的关键因子。所以,找到施肥的临界点可为高产农田土壤肥力的保持和可持续发展提供科学依据。本文于黄淮海平原地区典型农田进行了田间小区试验,研究了裸地及玉米-小麦种植条件下不同施肥水平对土壤微生物量碳氮、土壤有机质和土壤呼吸的影响,并探讨了不同施肥水平对玉米-小麦生长及产量的影响；与此同时,采用PVC管进行了玉米-小麦根系试验,分析了不同施肥间根系生物量的差异；在此基础上,估算了不同施肥水平下农田土壤碳平衡的状况。得到的主要结论如下：(1)分析了不同施肥水平对玉米、小麦生长及产量的影响,结果表明：玉米和小麦生育及产量指标对不同施肥水平的响应是同步的,即为株高、干物质积累、产量及构成因素均随着施肥量的增加呈现出先增加后降低的趋势,其施氮临界值为150 kg/hm2；估算得到玉米和小麦两季所有处理地上部有机碳总量分别在5299.25～7219.35kg C/hm2和3872.14～6869.25 kg C/hm2之间。(2)采用PVC管试验研究了不同施肥水平对玉米和小麦根系干重的影响,结果表明：在玉米抽雄期和小麦抽穗期根系生物量达到最大值,其变化范围分别为7.65～18.77 g/株和7.38～14.04g/管；玉米和小麦的根系干重在土层中分布表现为从地表向下急骤递减,其中玉米和小麦的根系量主要集中在0-20 cm土层并且占0-100cm根系总量的比例分别为55.4～70.1%和57.6～78.6%；根系干重随着施肥量的增加呈现出先增加后减小的趋势,其施氮临界值为150 kg/hm2；估算大田根系生物量得到,玉米季所有处理根系生物量在803.25～1970.33 kg/hm2之间；小麦季所有处理根系生物量范围为1512.34～2922.08 kg/hm2。(3)分析了不同施肥水平及玉米-小麦轮作对土壤呼吸的影响,结果表明,裸地和玉米、小麦种植小区土壤呼吸速率均随着施肥量的增加呈现出先增加后降低的趋势,其施氮临界值分别为70 kg/hm2和150 kg/hm2；玉米、小麦种植条件下土壤呼吸速率的变化与玉米、小麦的生长期有着密切的关系,土壤呼吸速率在玉米生长季呈单峰曲线变化,最大值出现在玉米抽雄-扬花期,为948.56 mg CO2/(m2·h);而在小麦生长季基本呈“S”型曲线变化,最低值出现在越冬期,最大值出现在灌浆期,其值分别为17.41 mg CO2/(m2·h)和572.3 mg CO2/(m2·h);通过估算得到玉米季土壤呼吸总量大于小麦季,而玉米季对应裸地的土壤呼吸总量小于小麦季；计算得到玉米和小麦生长季中根系呼吸作用对土壤总呼吸量的贡献分别为67.3-77.6%和44.5-65.6%；初步估算玉米和小麦整个生长季农田生态系统碳平衡的结果表明,玉米、小麦生长季农田C02释放到土壤-植物系统均是大气C02的“汇”,不同施肥水平下其“汇”的程度不同。(4)研究了土壤微生物量碳氮的变化,结果表明：裸地和玉米、小麦种植小区土壤微生物量碳氮均随施肥量的增加呈现出先增加后降低的趋势,其施氮临界值分别为70kg/hm2和150kg/hm2;裸地处理土壤微生物量碳氮的变化与温度关系密切,其中小麦季对应裸地的土壤微生物量碳氮与温度呈极显著的正相关关系,相关系数均在0.9以上。玉米、小麦生育期均对土壤微生物量碳氮存在显著影响,土壤微生物量碳氮含量均在玉米和小麦的拔节期处于最低,在玉米的抽雄期和小麦的抽穗期处于最高。(5)在2009年6月到2010年6月期间,对田间土壤有机质含量进行了分析。结果表明：施肥水平对耕层(0-20 cm)土壤有机质含量影响较大,裸地处理耕层土壤有机质随施氮量增加稍有下降趋势,而玉米-小麦种植处理则稍有升高趋势；土壤有机质随土壤深度的加深而逐渐减少,且裸地、玉米-小麦种植下0-20 cm土层中有机质的含量最大,占0-100 cm土层中有机质总量的比例分别为30.7%和32.8%(平均值)；本研究区0-20 cm和20-40 cm土层的碳氮比分别为：17.16-26.20和14.74-21.54,这有利于土壤腐殖质化和有机氮矿化。