为探究野外自由大气CO₂浓度长期升高对不同深度农田土壤碳、氮含量和分布的影响，依托中国FACE （Free-air CO₂ enrichment）系统平台，以15年试验区的土壤为研究样本，分析不同深度土壤总碳和全氮含量的变化，基于湿筛法区分颗粒态有机质（POM）和矿质结合态有机质（MAOM）,并通过傅里叶红外光谱法研究不同深度土壤有机碳官能团的变化。结果表明：FACE处理有提高0～15、15～30 cm土壤总碳、全氮含量的趋势，其中0～15 cm土壤总碳、全氮含量较对照分别增加12.52%和14.32%,而15～30 cm分别增加21.74%和33.33%。0～15、15～30 cm土壤POM和MAOM的碳、氮含量均高于30～45、45～60 cm土壤，且土壤总碳、全氮更多地分布于MAOM中。FACE处理极显著增加0～15 cm土层POM的碳、氮含量，其增幅分别为25.92%和24.45%;极显著提高0～15和15～30 cm土层MAOM的碳、氮含量，增幅分别为0～15 cm的32.62%（碳）和59.52%（氮）以及15～30 cm的42.34%（碳）和31.06%（氮）。FACE处理与对照各深度土壤有机碳红外特征峰形态基本一致，但主要吸收峰相对强度存在差异。与对照相比，FACE显著减小45～60 cm土壤芳香族官能团(1 630 cm^-1)的峰面积，增加0～15、15～30 cm土壤但降低30～45、45～60 cm土壤吸收峰峰面积的比值。综上，长期FACE处理有提高表层土壤总碳、全氮含量的趋势，其增量碳、氮更多地分布于MOAM中，同时提高表层土壤有机碳化学结构的稳定性，有利于表层土壤固碳。