陇中黄土高原不同草田轮作模式土壤碳组分的差异研究

赵靖静，罗珠珠，，张仁陟，蔡立群，，李玲玲，牛伊宁（.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070；.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃兰州730070）

陇中黄土高原不同草田轮作模式土壤碳组分的差异研究

赵靖静1，罗珠珠1，2，张仁陟2*，蔡立群1，2，李玲玲2，牛伊宁2
（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070；2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃兰州730070）

通过田间定位试验，研究黄土高原西部旱农区多年生苜蓿草地（L-L）及苜蓿耕翻轮作处理苜蓿-休闲（L-F）、苜蓿-小麦（L-W）、苜蓿-玉米（L-C）、苜蓿-马铃薯（L-P）、苜蓿-谷子（L-M）对土壤总有机碳（TOC）、易氧化有机碳（ROC）、轻组有机碳（LFOC）及重组有机碳（HFOC）的影响。结果表明，在0～200 cm土层，不同轮作模式下土壤总有机碳含量及土壤各有机碳组分均表现为随土层加深呈波动下降趋势，其中TOC、ROC、HFOC含量最高值和最低值分别出现在苜蓿连作表层（0～5 cm）和苜蓿轮作（小麦）中层（30～50 cm），LFOC最高值和最低值分别出现在苜蓿轮作（马铃薯）表层（0～5 cm）和苜蓿轮作（玉米）底层（170～200 cm）。与苜蓿连作模式相比，苜蓿轮作（小麦、玉米、马铃薯、谷子）会降低TOC、ROC、HFOC含量，增加LFOC含量，其中TOC含量分别降低17.44%，9.25%，18.40%和9.34%；ROC含量分别降低28.10%，8.52%，29.75%和23.17%；HFOC含量分别降低18.80%，10.06%，20.53%和12.50%；LFOC分别增加7.41%，5.56%，22.22%和57.41%。可见，苜蓿种植多年耕翻轮作粮食作物后降低了土壤总有机碳水平，且对有机碳各组分的影响存在显著差异。

黄土高原；苜蓿；轮作；土壤有机碳组分

http：//cyxb.lzu.edu.cn

赵靖静，罗珠珠，张仁陟，蔡立群，李玲玲，牛伊宁.陇中黄土高原不同草田轮作模式土壤碳组分的差异研究.草业学报，2016，25（2）：58-67.

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土壤有机质中所含的碳称为土壤有机碳（soil organic carbon，SOC），是评价土壤质量的一个重要指标［1］，其储量取决于输入土壤的生物残体等有机物质的数量与以土壤微生物分解作用为主的有机质损失之间的平衡结果，受到气候、土壤、植被、人类活动等多种因素的影响。土壤有机碳含量作为一项重要的土壤肥力性质，在很大的程度上影响着土壤的持水性能、土壤结构的形态和稳定性、土壤的缓冲性能、土壤多样性以及植物营养的生物有效性，具有缓解和调节与土壤退化以及与土壤生产力有关的一系列土壤过程，是维持农业生态系统稳产高产和环境安全的基本条件之一［2］。

土壤有机碳是动植物和微生物残体在各个阶段降解物质的混合体，且不同组分的有机碳储存能力不同，生态服务功能亦有显著差异。研究发现［3-7］土壤活性有机碳（labile organic carbon，LOC）较总有机碳对农业管理措施改变导致的变化反应更迅速，故将土壤活性有机碳作为反映土壤质量变化的敏感性指标之一。Blair等［8］研究发现，被333 mmol/L高锰酸钾氧化的有机质在作物生长期间最易发生变化，被称之为易氧化有机碳（ROC），常用作表征土壤肥力变化的重要指标之一。易氧化有机碳由于其直接参与土壤生物化学转化过程，对碳循环和土壤生物化学、化学肥力保持具有重要意义，是土壤有机碳中周转最快的组分［9］，也是土壤有机质动态变化的敏感性指标［10］和土壤活性有机碳的指示因子［11］，可用于反映土壤有机质的早期变化［12］。Christensen［13］认为研究有机碳不同组分的变化，有利于揭示农业措施对土壤有机碳的影响机制，土壤有机碳的物理分组方法由于破坏性小而成为近年来研究有机碳组分的主流，密度分组法是其中最常见的一种。有机碳密度分组法是利用一定体积的相对密度液（相对密度1.6～2.2 g/cm3）将土壤分成轻组和重组［14］，该方法分离的有机碳组分能反映原状态有机质的性质与功能，尤其能够反映其周转特征［13］，土壤轻组有机质主要包括孢子、种子、动植物残体、微生物残体及一些矿质颗粒，具有相对较快的转化速度，作为活性碳库中最活跃的成分之一。土壤呼吸速率、微生物量等均与轻组含量呈显著的正相关关系，表明轻组有机碳对土壤的质量存在较显著的影响，从而影响土壤肥力，进而影响作物产量，在土壤有机碳的研究中受到越来越多的重视。重组有机碳（HFOC）很可能是土壤中重要的稳定碳库，它是与矿物结合的有机碳，主要成分是腐殖质，分解程度较高，具有较低的C/N［15］，是土壤有机碳的主要储存库，同时HFOC反映了有机碳的长期含量水平，研究重组有机碳对于认识土壤碳汇功能具有较为重要的意义［16］。轻组主要是游离态的有机质，是土壤中不稳定有机碳库的重要组成部分［17］，它对农业管理方式较敏感，达到平衡状态的时间比土壤总有机碳要短［18］，研究轻组有机碳有利于探明土壤有机碳组分的周转过程。

陇中黄土高原属于半干旱区，以小麦（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays）轮作为主的传统农业生产系统和自然资源过度利用造成土壤有机碳耗竭和土壤侵蚀。一些研究人员［19-21］认为，草田轮作是一种最完善、最丰产、最稳定和最容易取得生态平衡的农业系统，有助于形成良好的土壤结构，改善土壤的渗透性能，促进土壤物理质量的提高。所以，在传统的农业系统中引入豆科牧草，一方面通过豆科牧草的固氮功能，可有效地提高系统氮素的利用效率，另一方面其根瘤菌和大量的须根给土壤留下的腐殖质可增加土壤有机质，改善土壤结构，降低侵蚀。目前，国内外对于苜蓿（Medicago sativa）-作物轮作系统的研究主要集中于土壤水分消耗特征及其水分恢复效应方面，而针对土壤有机碳的研究相对较少。因此，本研究以定西市安定区李家堡镇土地为例，主要探究黄土高原半干旱区不同草田轮作模式对土壤有机碳库的影响，通过分析多年生苜蓿草地及耕翻轮作不同粮食作物后总有机碳和土壤活性碳的变化，以期揭示草田轮作系统土壤肥力的演变规律，为黄土高原半干旱区苜蓿草地的管理、可持续利用和旱地作物稳产提供科学依据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

试验设在陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的定西县李家堡乡麻子川村。试区属中温带偏旱区，平均海拔2000 m左右，年均太阳辐射592.9 kJ/cm2，日照时数2476.6 h，年均气温6.4℃，≥0℃年积温2933.5℃，≥10℃年积温2239.1℃；无霜期140 d。多年平均降水390.9 mm，年蒸发量1531 mm，干燥度2.53，80%保证率的降水量为365 mm，变异系数为24.3%，为典型的雨养农业区。试区农田土壤为典型的黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀，贮水性能良好；试验初期0～200 cm土壤容重平均为1.17 g/cm3，凋萎含水率7.3%，饱和含水率21.9%。

1.2试验设计

试验共设6个模式，3次重复，小区面积3.0 m×7.0 m，随机区组排列。供试作物为紫花苜蓿、春小麦、玉米、马铃薯（Solanum tuberosum）和谷子（Setaria italica）。各处理详细描述见表1。

表1　实验处理描述Table1　Treatments description

其中，除L-L模式外，其他各处理苜蓿均为人工挖除之后耕翻，且耕翻20 cm以上。在苜蓿耕翻种植不同粮食作物处理中，L-W、L-P、L-M模式均施纯氮105 kg/hm2（尿素1.8375 kg/区），纯过磷酸钙1.8375 kg/区；L-C模式施纯氮200 kg/hm2，纯P2O5105 kg/hm2，所有肥料均作为基肥在播种的同时施入，生育期没有再追肥。

1.3土壤样品的采集及测定方法

土壤取样方法及样品保存：在作物收获后（2014年10月）对0～200 cm土层分9个层次采样，分别为0～5cm、5～10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～80 cm、80～110 cm、110～140 cm、140～170 cm和170～200 cm，每个小区的样品均为三点采集混合而成，供试土样带回实验室自然风干后，剔除石砾及植物残茬等杂物，过0.25 mm筛，放入密封塑料袋中待测。

土壤总有机碳（TOC）的测定［14］：采用外加热重铬酸钾氧化法。

易氧化有机碳（ROC）的测定［22］：是根据Blair等［8］描述的方法进行测定，称取一定量的待测土壤样品（约含有机碳15～30 mg）与333 mmol/L的KMn O4溶液反应1 h，土壤中ROC的含量利用分光光度计法，由被还原的KMn O4数量所决定。

轻组有机碳（LFOC）和重组有机碳（HFOC）的测定［17］：取过2 mm筛风干土20.0 g，加入50 m L NaI（密度1.8 g/cm3）溶液，震荡60 min。分散后的悬浊液在离心机上（3000 r/min）离心10 min，如果悬浊液比较浑浊则加大离心机的转速或增加离心时间。混合物表面悬浮的轻组有机物包括上清液轻轻倒入抽滤装置，在剩余的悬浮液中加入30 m L NaI溶液，轻组残留物在离心管中再次悬浮，重复上述过程2～3次，直至无可见轻组有机物。离心管中所剩物质为土壤重组有机碳，最后将滤膜上的轻组物用0.01 mol/L CaCl2（1.11 g定容1 L）冲洗，当滤液变成无色再用蒸馏水冲洗数次，直至用Ag NO3检验无沉淀产生为止。然后将其冲入预先称重的器皿中，于55℃烘干，测定轻组物中的有机碳含量，乘以它所占土壤的百分比计算出LFOC，而HFOC为原土壤有机碳含量减去LFOC。

1.4数据分析

数据经Excel 2003整理后，采用SPSS 13.0（Statistical Product and Service Solutions，SPSS）软件进行统计分析。

2　结果与分析

2.1不同草田轮作模式对土壤总有机碳的影响

由表2可知，与苜蓿-苜蓿相比，除苜蓿-休闲之外，苜蓿草地轮作其他作物后土壤有机碳含量均呈下降趋势。其中0～5 cm土层以苜蓿连作模式TOC最高，比苜蓿-小麦、苜蓿-玉米、苜蓿-马铃薯和苜蓿-谷子分别高出42.73%，20.79%，59.17%和30.17%，且达到了显著水平。在5～80 cm土层以苜蓿-休闲模式TOC最高，其中苜蓿-休闲与苜蓿-小麦、苜蓿-马铃薯、苜蓿-谷子存在显著差异；80～140 cm以苜蓿-苜蓿模式TOC最高，140～200 cm以苜蓿-休闲模式TOC最高，且各模式之间存在显著差异。就0～200 cm土层有机碳平均含量而言，表现为苜蓿-休闲＞苜蓿-苜蓿＞苜蓿-谷子＞苜蓿-玉米＞苜蓿-小麦＞苜蓿-马铃薯。与苜蓿连作和苜蓿-休闲相比，苜蓿-小麦、苜蓿-玉米、苜蓿-马铃薯、苜蓿-谷子的TOC含量分别降低了17.44%～19.15%，9.25%～11.13%，18.40%～20.09%和9.34%～11.23%。

土壤总有机碳在0～200 cm剖面的分布表明，各模式均表现为随着土层深度的增加呈现先降后升再降的趋势，其中30～80 cm土层TOC含量达到相对较低的范围，之后呈现上升趋势，在140 cm以下土层的TOC含量又开始下降。

2.2不同草田轮作模式对土壤易氧化有机碳的影响

由表3可以看出，苜蓿草地轮作其他作物后土壤易氧化有机碳含量均呈下降趋势。与苜蓿-苜蓿相比，表层0～5 cm土壤ROC在苜蓿-休闲、苜蓿-小麦、苜蓿-玉米、苜蓿-马铃薯和苜蓿-谷子处理条件下分别降低了17.40%，40.31%，16.37%，37.82%和37.51%，且差异达显著水平。在5～80 cm土层以苜蓿-休闲模式ROC最高，且与其他轮作模式差异达到显著水平；80～200 cm土层以苜蓿-苜蓿模式ROC最高，且与苜蓿-休闲以外的其他处理差异达显著水平。在0～200 cm土层易氧化有机碳平均含量表现为苜蓿-苜蓿＞苜蓿-休闲＞苜蓿-玉米＞苜蓿-谷子＞苜蓿-小麦＞苜蓿-马铃薯。与苜蓿-休闲和苜蓿连作相比，苜蓿-小麦、苜蓿-玉米、苜蓿-马铃薯、苜蓿-谷子ROC含量分别降低了27.56%～28.10%，7.83%～8.52%，29.21%～29.75%和22.59%～23.17%。

在0～200 cm剖面的土壤易氧化有机碳含量介于3.58～9.65 g/kg之间，以苜蓿连作含量最高，显著高于苜蓿作物轮作模式，主要集中在表层（0～30 cm），呈现由表层向下层逐渐减少的趋势，具体表现为ROC在30～80 cm土层中苜蓿小麦含量最低，在110～140 cm土层呈上升趋势，在140 cm以下土层又开始下降。

表2　不同草田轮作模式对土壤总有机碳的影响Table2　Soil organic carbon under the different grass-crop rotation systems g/kg

表3　不同草田轮作模式对土壤易氧化碳的影响Table3　Soil readily oxidation organic carbon under the different grass-crop rotation systems g/kg

2.3不同草田轮作模式对土壤轻组有机碳的影响

由表4可见，0～5 cm土层以苜蓿-马铃薯模式LFOC最高，比苜蓿-苜蓿、苜蓿-休闲、苜蓿-小麦、苜蓿-玉米和苜蓿-谷子分别高出了3.59%，36.22%，36.22%，4.85%和4.29%，统计分析表明苜蓿-马铃薯与苜蓿-休闲、苜蓿-小麦、苜蓿-苜蓿之间差异达到显著水平。5～10 cm土层以苜蓿-马铃薯模式LFOC最高，苜蓿-苜蓿模式LFOC最低，其中苜蓿-马铃薯与苜蓿-苜蓿、苜蓿-小麦、苜蓿-玉米差异达显著水平；10～80 cm以苜蓿-谷子模式LFOC最高，且与其他处理间差异达显著水平；80～200 cm苜蓿-休闲模式LFOC最高，且与其他模式间差异达显著水平。就0～200 cm土层平均含量而言，表现为苜蓿-谷子＞苜蓿-休闲＞苜蓿-马铃薯＞苜蓿-小麦＞苜蓿-玉米＞苜蓿-苜蓿，且与苜蓿连作相比，苜蓿-小麦，苜蓿-玉米，苜蓿-马铃薯，苜蓿-谷子LFOC含量分别提高了7.41%，5.56%，22.22%和57.41%。

在0～200 cm剖面的土壤轻组有机碳表现为随土层深度增加而呈现逐渐下降趋势，但在10～80 cm下降幅度较大，80 cm以下土层下降趋势不显著。

表4　不同草田轮作模式对土壤轻组有机碳的影响Table4　Soil light fraction organic carbon under the different grass-crop rotation systems g/kg

2.4不同草田轮作模式对土壤重组有机碳的影响

由表5可知，在0～5 cm土层中，以苜蓿连作模式的HFOC含量最高，苜蓿-休闲、苜蓿-小麦、苜蓿-玉米、苜蓿-马铃薯、苜蓿-谷子较苜蓿连作模式分别降低了12.97%，30.62%，19.23%，42.23%和23.08%；5～80 cm土层以苜蓿-休闲模式最高，且除30～50 cm层次之外，其余土层均与苜蓿连作以外的其他处理差异达显著水平；80～200 cm土层深度以苜蓿连作模式HFOC最高，但仅在80～110 cm，170～200 cm表现为显著差异，其余土层各模式间差异均未达到显著水平。0～200 cm土壤平均HFOC含量分别为6.44～13.26 g/kg之间，表现为苜蓿-休闲＞苜蓿-苜蓿＞苜蓿-玉米＞苜蓿-谷子＞苜蓿-小麦＞苜蓿-马铃薯。与苜蓿连作和苜蓿-休闲相比，苜蓿-小麦、苜蓿-玉米、苜蓿-马铃薯、苜蓿-谷子的HFOC含量分别降低18.80%～19.29%，10.06%～10.60%，20.53%～21.01%和12.50%～13.03%。

在0～200 cm剖面的土壤重组有机碳分布表现为随着土层深度的增加其含量逐渐下降，30～80 cm土层递减趋势明显，甚至表现为整个剖面的最低值，50～140 cm出现小范围的上升，140 cm以下土层下降趋势不显著。

表5　不同草田轮作模式对土壤重组有机碳的影响Table5　Soil high fraction organic carbon under the different grass-crop rotation systems g/kg

3　讨论

3.1土壤总有机碳对轮作模式的响应

土壤有机碳含量的提高，主要来源于动植物残体、植物枯落物和根系，一般认为，种植苜蓿可以大幅度提高土壤的有机碳含量［23-27］。李文静等［28］认为与全国水平的土壤碳密度8.5 kg C/m2相比，黄土高原区人工种植紫花苜蓿期间土壤有机碳含量的各年限单位面积土壤固碳量平均值为13.01 kg/m2，说明苜蓿草地土壤具有较高的固碳能力。本实验分析对比了苜蓿连作、苜蓿-休闲与苜蓿-作物轮作模式条件下土壤有机碳含量的差异。研究发现，各轮作模式土壤有机碳含量随土层加深变化规律不同，土壤有机碳含量均随土壤深度的增加而降低，这与崔星和师尚礼［29］研究一致。对多年种植苜蓿地进行翻耕，轮作小麦、玉米、马铃薯和谷子4种作物后均在一定程度上降低了土壤有机碳含量，而苜蓿连作模式和苜蓿-休闲在一定程度上维持了较高的土壤有机碳水平，表明了苜蓿连作模式更能有效地提高土壤有机碳的含量。主要原因是连作苜蓿后，土壤处于免耕状态，土壤免受扰动，苜蓿表现出明显的碳固存能力，使土壤有机碳储量保持相对稳定状态。虽然与苜蓿连作、苜蓿-作物轮作模式相比，苜蓿-休闲模式也提高了土壤TOC含量，但地表没有附着物，无法降低土壤表层温度，增加了外界对土壤表层的扰动，使有机碳因长期暴露在空气中而被氧化和风蚀，因此这种休闲的方式也有可能增加TOC淋失的潜在危险［30］。在不同轮作模式中，种植苜蓿与种植玉米、谷子、小麦和马铃薯对土壤TOC含量的影响显著不同，苜蓿翻耕后种植马铃薯土壤TOC含量迅速下降，与轮作其他作物相比，马铃薯生物学产量较高，对土壤养分消耗相应较大，导致对TOC含量消耗较多，种植谷子对土壤TOC含量消耗最小。这表明在苜蓿-作物轮作模式中，轮作谷子为宜，避免种植马铃薯等耗费量较大的作物。从实现农田生态系统自身可持续发展性角度来看，在陇中黄土高原半干旱区进行苜蓿连作对提高土壤的TOC有效性具有积极作用。

3.2土壤有机碳组分对轮作模式的响应

大量研究表明，易氧化有机碳是土壤有机碳中周转最快的组分［11］，是土壤有机质动态变化的敏感性指标［12］，ROC含量可以作为衡量土壤含碳的重要因素。Chan等［31］研究了在澳大利亚因耕作而退化的红壤，表明耕作覆草处理下种植豆科牧草的土壤比种植小麦的土壤中易氧化有机碳高10.49%，比免耕覆草高8.39%，比免耕高7.38%，比传统耕作高7.05%，易氧化有机碳组分可有效地指示土壤质量的变化。罗彩云等［32］研究认为有豆科作物（或牧草）参与的轮作系统，土壤养分状况都得到明显的改善，如小麦-豌豆（Pisum sativum）轮作系统的土壤有机质含量比小麦连作高。本研究结果表明，苜蓿连作模式下ROC维持较高含量，最大值达9.65 g/kg，而轮作其他作物后，ROC含量显著减少。与苜蓿连作相比，苜蓿-玉米轮作模式土壤易氧化有机碳含量显著增加；与苜蓿-作物轮作相比，苜蓿连作与苜蓿-休闲模式更有利于土壤易氧化有机碳的积累，改善土壤结构，同时ROC对轮作模式变化的响应具有较高的敏感性。王晓凌和李凤民［33］通过大田试验研究了半干旱黄土高原地区苜蓿草地、苜蓿-作物轮作农田以及常规耕作农田中土壤有机碳与土壤轻组物质的变化规律，结果表明土壤轻组有机碳含量苜蓿-作物轮作系统高于苜蓿草地，以及它们占土壤有机碳含量在苜蓿-作物轮作系统中高于常规耕作农田。李小涵等［34］研究了作物种类和种植模式对土壤不同形态碳的影响，发现轻质有机碳质量分数随土层深度增加呈下降趋势，苜蓿连作0～5 cm表层土壤轻质有机碳质量分数最高，为8.0 g/kg，比＞30～40 cm土层高出7.6 g/kg，即苜蓿连作土壤轻质有机碳下降幅度最快。与此结果一致，通过本研究表明，与苜蓿-作物轮作相比，苜蓿连作降低了土壤LFOC含量，苜蓿-谷子在整个轮作模式中LFOC含量最高。产生这种结果的原因可能是谷子是一年生草本植物，须根粗大，属于耐旱稳产作物，且实验地位于谷子主要产区黄河流域产量高，土壤有机质含量高，因此苜蓿-谷子模式LFOC含量较高。这与Richard和Boone［23］研究结果基本一致，轻组有机质主要是由未完全腐解的植物碎片、植物根系和木炭等组成，外界碳源投入量越多，LFOC含量越高，且对LFOC影响极为显著，同时指出轻组有机碳含量在土壤总有机碳中所占的比例越大，就意味着有机碳中非保护性的碳越多，土壤有机碳越不稳定，而不利于有机碳的长期积累。在苜蓿作物不同轮作模式中，苜蓿-谷子轻组有机碳含量最高，将不利于有机碳的长期积累。与之相反，重组有机碳含量在土壤总有机碳中所占的比例越大，就意味着有机碳中非保护性的碳越少，土壤有机碳越稳定，有利于有机碳的长期积累。本研究表明，与苜蓿连作相比，多年种植苜蓿地进行翻耕后苜蓿-作物轮作模式降低了重组有机碳的含量，且不同作物轮作处理间，土壤HFOC含量呈现基本相同的交替下降趋势，苜蓿连作维持较高的重组有机碳含量，这说明苜蓿连作有利于HFOC的形成，可以增加土壤有机碳的稳定性。

4　结论

在黄土高原半干旱农区，与苜蓿连作模式相比，苜蓿-作物轮作模式不利于土壤总有机碳及土壤各有机碳组分含量的积累，且苜蓿-作物轮作模式下土壤有机碳下降，而下降的幅度、速率、剖面分布会随着种植不同作物而变化，在各土层深度内表现出一定的差异性。就整体而言，苜蓿-作物轮作模式对TOC含量的影响表现为：L-M（苜蓿-谷子）＞L-C（苜蓿-玉米）＞L-W（苜蓿-小麦）＞L-P（苜蓿-马铃薯），其中L-M模式在30～80 cm土层TOC含量下降明显，L-C、L-W模式在30～50 cm土层含量明显降低；与各轮作模式TOC最高含量相比，L-M、L-C、L-W、L-P模式降幅分别为30%，39.89%，36.69%，30.15%，L-C模式各土层TOC含量波动最大。苜蓿-作物轮作模式对ROC含量的影响表现为：L-C（苜蓿-玉米）＞L-M（苜蓿-谷子）＞L-W（苜蓿-小麦）＞L-P（苜蓿-马铃薯），其中L-W、L-C模式下ROC含量在30～80 cm土层明显下降，L-P、L-M模式分别在10～110 cm、50～80 cm土层明显下降。苜蓿-作物轮作模式对LFOC含量的影响表现为：L-M（苜蓿-谷子）＞L-P（苜蓿-马铃薯）＞L-W（苜蓿-小麦）＞L-C（苜蓿-玉米），其中L-W、L-C、L-M模式下LFOC含量在80 cm以下土层明显降低，L-P模式在50 cm以下土层明显降低。苜蓿-作物轮作模式对HFOC含量的影响表现为：L-C（苜蓿-玉米）＞L-M（苜蓿-谷子）＞L-W（苜蓿-小麦）＞L-P（苜蓿-马铃薯），其中L-W、L-M模式下HFOC含量在30 ～80 cm土层明显降低，L-P、L-C模式分别在10～80 cm、30～110 cm土层明显降低。

土壤有机碳含量一方面受外部碳输入（根系、凋落物等），另外也受土壤微生物活动的强烈影响，而这二者均会受到种植不同作物以及翻耕施肥等管理措施的影响。通过翻耕后种植不同作物，作物生长（扎根深度、土壤环境改变等）对土壤有机碳库的影响最终反映到土壤各碳组分的含量，与苜蓿-作物轮作相比，苜蓿连作模式能显著提高土壤各碳组分的含量，苜蓿翻耕后轮作作物的不同，对各碳组分的影响也不同，可见土壤碳组分含量的增加受轮作后茬作物选择的影响。

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Soil carbon fraction differences under different grass-crop rotations on the Loess Plateau，Central Gansu

ZHAO Jing-Jing1，LUO Zhu-Zhu1，2，ZHANG Ren-Zhi2*，CAI Li-Qun1，2，LI Ling-Ling2，NIU Yi-Ning2
1.College of Resources and Environmental Sciences，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.Gansu Key Laboratory of Aridland Crop Science，Lanzhou 730070，China

Field experiments investigating the effect of continuous lucerne（Medicago sativa）（L-L）and five rotation systems［lucerne-fallow（L-F），lucerne-wheat（L-W），lucerne-corn（L-C），lucerne-potato（L-P），lucerne-millet（L-M）］on total organic carbon（TOC），readily oxidation organic carbon（ROC），light fraction organic carbon（LFOC）and heavy fraction organic carbon（HFOC）in a typical arid area of the Western Loess Plateau.The results showed that under different rotation systems TOC and soil organic carbon fractions decreased with increasing soil depth（0-200 cm soil depth）.The highest TOC，ROC and HFOC values were found in the surface soil layer（0-5 cm）under the L-L rotation system，and the lowest values at mid depths （30-50 cm）under the L-W rotation system.The highest and lowest values for LFOC were found in the surface soil layer（0-5 cm）under the L-P rotation and the bottom soil layer（170-200 cm）under the L-C rotation，respectively.Compared with L-L rotation，the L-W，L-C，L-P and L-M rotations reduced TOC by 17.4%，9.3%，18.4%and 9.3%，respectively.Similarly，ROC was reduced by 28.1%，8.5%，28.1%and 23.2%and HFOC by 18.8%，10.1%，20.5%and 12.5%respectively.However，LFOC increased by 7.4%，5.3%，22.2%and 57.4%under L-W，L-C，L-P and L-M rotations，respectively.It was concluded that lucerne-grain rotation systems reduce TOC.

Loess Plateau；lucerne；rotation；soil organic carbon fractions

10.11686/cyxb2015292

2015-06-05；改回日期：2015-09-28

国家科技支撑计划（2012BAD14B03），国家自然科学基金（31171513，41461067），甘肃省干旱生境作物学重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地基金（GSCS-2012-08），甘肃省科技计划（145RJZA208），甘肃省财政厅高校基本科研业务费项目（037-041014）和甘肃农业大学青年导师基金项目（gau-qnds-201402）资助。

赵靖静（1990-），女，甘肃泾川人，在读硕士。E-mail：sara＿zhao12@126.com

Corresponding author.E-mail：zhangrz@gsau.edu.cn