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本研究以我国黄土高原半干旱偏润区不同复种模式的农田耕层土壤(0~10cm、10~20cm、20~30cm)、农作物(大豆、马铃薯、玉米)为研究对象,通过田间试验和室内测定,分析颗粒有机碳、易氧化有机碳、土壤腐殖质碳(胡敏酸碳、富里酸碳)的动态变化,并结合不同作物植株碳代谢产物叶绿素、蔗糖及其代谢酶—蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)等活性的动态变化,研究有机碳组分、植株碳代谢产物与产量的相关性,为当地农业生态系统产量效益和生态效益均衡发展提供理论依据。主要研究结果如下:1复种与施氮对土壤颗粒有机碳(POC)的影响冬油菜茬和冬小麦茬土壤POC在作物生长季内有明显的波动性,因作物不同呈现出不同的变化趋势,大豆、马铃薯、玉米的农田POC积累量分别为1.83~2.16g/kg、1.31~2.80g/kg、1.47~2.23g/kg,大豆、马铃薯呈先降后升的变化趋势,玉米呈先升后降再升的变化趋势,3中作物农田POC的含量在整个生育期内整体都呈增加的趋势。冬小麦茬有利于大豆、马铃薯土壤POC的积累,而冬油菜茬利于玉米土壤POC的积累。冬小麦茬大豆、马铃薯土壤POC含量分别高出冬油菜茬0.02~0.29g/kg、0.13~0.69g/kg,冬油菜茬玉米土壤POC含量高出冬小麦茬0.01~0.23g/kg。冬油菜茬下复种大豆各施氮处理间土壤POC含量差异不显著(P>0.05);马铃薯播后60d,N0、N240处理土壤POC含量差异显著,其余处理间差异不显著;在玉米播后60d、100d N120处理与N0、N240处理差异显著(P<0.05)。冬小麦茬下在大豆播后20d、80d N240处理显著高于N0、N120处理;马铃薯播后80dN120处理显著低于N0、N240处理,其余生育期差异不显著;玉米各施氮处理差异不显著。复种马铃薯较大豆、玉米有利于土壤POC的积累。大豆、马铃薯土壤POC的积累量N120处理下高于N0、N240处理;玉米土壤POC的积累量N240处理下高于N0、N120处理。冬油菜茬、冬小麦茬中,大豆、马铃薯、玉米各施氮处理中POC的含量和POC/TOC均表现为0~10cm>10~20cm>20~30cm。2复种与施氮对土壤易氧化有机碳(EOOC)的影响不同作物农田土壤EOOC含量动态变化趋势不同,大豆、马铃薯、玉米的农田EOOC积累量分别为0.45~1.06g/kg、0.41~0.98g/kg、0.44~1.07g/kg。大豆农田土壤EOOC呈升—降—升的变化趋势,马铃薯、玉米农田土壤EOOC含量呈相同的变化趋势,即从播后20d开始持续降低至播后100d(成熟期),大豆、马铃薯、玉米土壤EOOC的含量变幅分别为43.21~54.50%、34.87~44.70%、41.50~57.55%。冬油菜茬复种大豆播后40d N240处理显著高于n0、n120处理,马铃薯和玉米在各施氮处理下土壤eooc变化规律一致;冬小麦茬下大豆播后20dn0处理和n120、n240处理土壤eooc含量差异显著,其余处理间差异不显著;马铃薯、玉米在冬小麦茬下其农田土壤eooc的变化不大。复种大豆较马铃薯、玉米有利于土壤eooc的积累。大豆、马铃薯土壤eooc的积累量n120处理下高于n0、n240处理;玉米土壤eooc的积累量n240处理下高于n0、n120处理。冬油菜茬、冬小麦茬中,大豆、马铃薯、玉米各施氮处理中eooc的含量和eooc/toc均表现为0~10cm>10~20cm>20~30cm。3复种与施氮对土壤腐殖质碳的影响大豆、马铃薯、玉米农田土壤腐殖质碳含量均表现为升—降—升的变化趋势,在两种前茬和三种施氮处理下表现出一致的变化规律。大豆、马铃薯、玉米农田土壤腐殖质总碳含量分别为2.50~4.13g/kg、1.60~3.85g/kg、2.25~3.82g/kg;胡敏酸碳含量分别为0.80~1.18g/kg、0.66~1.57g/kg、0.73~1.32g/kg;富里酸碳含量分别为1.55~2.91g/kg、0.82~2.35g/kg、1.45~3.06g/kg。大豆在冬油菜、冬小麦两种茬口下n0、n120、n240处理中,播后80d、100d土壤腐殖质碳含量与其他各生育期差异显著(p<0.05)。马铃薯在冬油菜、冬小麦两种茬口下n0、n120、n240处理中,只有n0处理下土壤腐殖质碳含量在播后20d、100d差异显著,其余生育时期差异不显著。玉米在冬油菜茬下n0、n240处理中,播后100d与其他时期腐殖质碳含量差异显著(p<0.05)。复种大豆更有利于农田土壤腐殖质碳的积累,播后100d(成熟期)大豆土壤腐殖质总碳、胡敏酸碳、富里酸碳分别高出马铃薯和玉米0.26~0.48g/kg、-0.07~-0.34g/kg、0.35~0.62g/kg和0.08~0.54g/kg、0.11~0.33g/kg、0.15~0.42g/kg。大豆、马铃薯各施氮处理中10~20cm土层中腐殖质碳的含量均高于0~10cm、20~30cm,各施氮处理差异不显著(p>0.05)。玉米田土壤腐殖质碳的积累在n240处理各土层的腐殖质碳含量显著高于n0、n120处理,各施氮处理下土壤腐殖质碳随土壤深度的增加而降低。4复种与施氮对植株碳代谢的影响冬油菜、冬小麦茬上复种大豆、马铃薯、玉米植株叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b的动态变化一致,均呈单峰曲线,播后20d积累量高于播后100d。类胡萝卜素的动态变化呈明显不规律性。冬小麦茬更有利于作物植株叶绿素的积累,大豆叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b分别高于冬油菜茬0.01~0.19mg/g、0.01~0.06mg/g、0.01~0.25mg/g;马铃薯叶绿素b在播后40d、100d高于冬油菜茬0.01mg/g、0.04~0.18mg/g;玉米叶绿素a、叶绿素a+b分别高于冬油菜茬0.09~0.11mg/g、0.04~0.14mg/g。大豆、马铃薯、玉米整个生育期内功能叶片蔗糖含量、蔗糖合成酶活性(ss)、蔗糖磷酸合成酶活性(sps)均随生长进程呈双峰曲线变化。玉米在整个生育期对氮素的需求高于马铃薯、大豆,N240处理下蔗糖含量高于N0、N240处理,处理间差异不显著。冬小麦茬三种作物蔗糖合成酶活性(SS)变化幅度大于冬油菜茬。冬油菜茬大豆、马铃薯蔗糖磷酸合成酶活性(SPS)分别高出冬小麦茬0.18~2.05(mg Sucrose/g FW/min)、1.57~3.81(mg Sucrose/g FW/min)。5不同组分有机碳及碳代谢关键因子与作物产量的相关性冬油菜、冬小麦两种前茬N0、N120、N240处理下,大豆农田TOC、POC、EOOC、腐殖质碳各有机碳组分之间差异不显著;冬油菜茬下马铃薯N240处理EOOC与POC呈极显著负相关(P<0.01),其他处理间差异不显著;玉米在冬油菜茬N120处理下POC与TOC呈显著正相关(P<0.05),N240处理下腐殖质碳与TOC呈显著负相关(P<0.05),在冬小麦茬N120处理腐殖质碳与EOOC显著负相关(P<0.05),其他处理差异不显著。冬油菜、冬小麦茬下大豆、马铃薯、玉米全生育期内叶绿素a与叶绿素b、类胡萝卜素、叶绿素a+b、蔗糖达极显著正相关(P<0.01);蔗糖与SS极显著正相关(P<0.01);SS与SPS极显著正相关(P<0.01)。