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定量农田土壤的固碳潜力有助于评估农田土壤作为大气CO2的“源”或“汇”的功能，进而正确评价农田土壤对全球气候变暖的影响。然而农田土壤有机碳(Soil organic carbon，SOC)的动态变化还存在许多不确定性，这就为测定农田土壤碳的固定潜力带来了困难。本论文以东北自然黑土为参照，从黑土粘粒和粉粒结合的SOC入手，在建立黑土粘粒和粉粒结合SOC的最大含量模型的基础上，定量黑土该组分SOC的损失程度和理论可增潜力；以保护性耕作田间定位试验为研究区，探讨免耕下耕作黑土粘粒和粉粒结合SOC的实际可增加潜力；同时结合免耕下不同粒组SOC和水稳性团聚体及其结合碳的变化，利用稳定性碳同位素方法示踪研究免耕对黑土SOC的作用机理。主要得出以下几条结论：
黑土在开垦前后SOC含量均随纬度的升高而递增，但由于温度、开垦年限和耕垦强度的叠加影响，耕作黑土SOC含量与纬度的相关性明显大于自然黑土；在垂直剖面上，自然黑土与耕作黑土SOC的剖面分布皆随深度的增加而递减。自然黑土开垦为耕地后，黑土SOC含量降低，目前耕作黑土表层0-5cm的SOC损失量已接近初始含量的一半，表层向下SOC损失量逐渐降低，30cm以下SOC损失量很小。
东北黑土粘粒和粉粒结合SOC的最大含量(y)模型为y=0.35x，x为粘粒+粉粒含量。利用该模型估算出耕作黑土粘粒和粉粒结合SOC的最大含量为22.4 g kg-1，耕作黑土该组分SOC尚未达到饱和，进而得出耕作黑土该组分SOC的理论恢复潜力为3.7 g kg-1。免耕在短期内只能引起黑土总有机碳在表层富集，亚表层亏损，其对耕层黑土粘粒和粉粒结合SOC的增加作用不明显，短期内该组分SOC的可实现潜力仅达到理论恢复潜力的8.8％。因此，在粘重质地和排水不良的黑土上实行NT，长期效果还有待观测。
东北黑土粗粒级SOC(>20μm)在总有机碳中的比重不足20％，但是该粒级SOC的损失量占总有机碳损失量的63.1％，说明耕作等农业管理措施更容易引起粗颗粒部分SOC的降低。黑土颗粒态有机碳(Particulated organic carbon，POM-C>53μm)与总有机碳之间存在极显著的正相关关系。自然黑土水稳性大团聚体富含SOC，耕垦等人类活动破坏了黑土大团聚体，大团聚体分解为微团聚体的同时引起了POM-C的释放和快速分解，从而导致黑土SOC的下降。免耕显著增加了黑土表层POM-C，促进了大团聚体的形成和发育，而大团聚体的形成和发育又有利于保护黑土粗POM-C和总有机碳。黑土>250μm级大团聚体可以作为评价长期以来耕垦对东北黑土肥力和质量影响的指标。然而，在评价免耕对黑土结构和肥力的短期影响时只能采用>1000μm级水稳性大团聚体作为指标。
黑土细粒部分SOC转化较慢，粗粒部分转化较快。自然黑土种植C4作物后，C4作物的残留物首先输入到土壤粗粒部分。短期内免耕对黑土SOC的影响作用也首先表现在粗粒部分。