长期保护性耕作对黄土高原旱作农田土壤碳含量及转化酶活性的影响

董秀，张燕，MUNYAMPIRWA Tito，陶海宁，沈禹颖

长期保护性耕作对黄土高原旱作农田土壤碳含量及转化酶活性的影响

董秀，张燕，MUNYAMPIRWA Tito，陶海宁，沈禹颖

兰州大学草地农业科技学院/草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室/甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站，兰州 730020

【目的】探究黄土高原旱作农田粮草轮作系统长期保护性耕作对土壤碳含量、碳转化酶活性的影响，为旱作农田土壤固碳和农业可持续发展提供科学依据。【方法】基于甘肃庆阳草地农业生态系统国家野外科学观测研究站开展的长期保护性耕作试验（开始于2001年），分析传统耕作（T）、免耕（NT）、传统耕作+秸秆覆盖（TS）、免耕+秸秆覆盖（NTS）对玉米-冬小麦-饲用大豆粮草轮作系统玉米收获季不同土层（0—5、5—10、10—20 cm）土壤有机碳（SOC）、微生物量碳（MBC）含量、β-葡萄糖苷酶（βG）、纤维二糖水解酶（CBH）、β-木糖苷酶（βX）活性的影响。【结果】（1）保护性耕作措施可显著增加SOC、MBC含量，其中0—5 cm土层提升效果最显著。与传统耕作相比，秸秆覆盖使SOC和MBC含量分别升高19.1%和39.9%，免耕使SOC和MBC含量分别升高15.1%和34.3%。（2）保护性耕作措施显著提高了土壤碳转化酶活性，表现为βG＞CBH＞βX活性，对保护性耕作措施最敏感的酶是CBH。相比传统耕作，秸秆覆盖使0—5和5—20 cm土层βG、CBH、βX活性分别增加20.3%、37.6%、41.1%和-7.6%、99.9%、3.5%；免耕使0—5和5—20 cm土层βG、CBH、βX活性分别增加12.5%、31.0%、26.1%和-21.1%、22.1%、-12.1%。结构方程结果表明，土壤碳转化酶活性的变化主要受粮草轮作系统内土壤全氮含量的影响。（3）秸秆覆盖可直接影响土壤碳的积累，也可通过改变土壤全氮含量而间接影响土壤碳转化酶活性；免耕措施未显著影响土壤环境，导致土壤碳含量及碳转化酶活性无显著变化。【结论】黄土高原旱作农田粮草轮作系统中，土壤碳的积累主要受到秸秆覆盖的直接效应，而碳转化酶活性主要通过对系统内土壤全氮的间接作用而变化，其中，免耕+秸秆覆盖是提高土壤碳含量和酶活性的最有效措施。β-葡萄糖苷酶是参与土壤碳转化的主要酶。

秸秆覆盖；免耕；土壤有机碳；土壤酶活性；微生物量碳

0 引言

【研究意义】陇东旱塬是我国典型的旱作农业区，以小麦或玉米连年单作为主的传统种植模式，农业生态系统生产力低，稳定性差，水土流失严重，且长期密集的传统耕作技术加剧了水土资源的流失和经济损失的风险，严重制约着该区农业的可持续发展[1-3]。如何在高产稳产的情况下，减少水土流失，提高土壤肥力是该区农业高效可持续发展面临的迫切需求。粮草轮作是我国现阶段满足饲料粮需求和用地与养地相结合的措施之一，也是全球温带地区可持续农业主要的土地利用策略。保护性耕作能够减少土壤风蚀水蚀，改善土壤结构，增强土壤持水性，提高作物产量，促进作物根系对养分和水分的吸收利用，是实现农业可持续发展的重要耕作技术[4-7]。【前人研究进展】土壤有机碳是陆地生态系统最重要的碳库，其转化及动态是土壤中重要的生物化学过程[8-9]，有研究表明，保护性耕作能够改善长期传统耕作造成的土壤有机碳含量下降的问题[10-15]，如，华北平原11年免耕覆盖使表层（0—10 cm）土壤有机质较传统耕作增加了16.1%[16]。土壤酶作为生态系统的重要组成部分，参与土壤有机碳的分解与固定，其活性可反映土壤碳循环生化过程的强度与方向[17-23]。近年来，关于保护性耕作对土壤酶活性影响的研究多以保护性耕作短期或中长期（5—15年）为主[13,21,24-25]，如，张鹏鹏等[26]研究表明新疆干旱区实施15年秸秆还田土壤β-葡萄糖苷酶和纤维素酶活性提高了13.8%—20.7%和54.1%— 70.9%。马立晓等[20]通过mate分析发现较传统耕作，翻耕+秸秆还田、免耕、免耕+秸秆覆盖措施使土壤碳转化酶活性分别提高了28.0%、13.7%和23.2%，且短期（＜5年）和中期（5—10年）秸秆还田碳转化酶活性增幅为22.0%和27.3%。【本研究切入点】土壤酶活性受外界环境干扰较大，短期内变化难以看出其对保护性耕作措施的响应，粮草轮作系统长期实施保护性耕作对碳转化酶的影响及其效应机理亟待进一步研究。【拟解决的关键问题】鉴于此，为探究长期保护性耕作措施对土壤有机碳、微生物量碳含量及土壤碳转化酶活性影响，本文以陇东旱塬实施了19年之久的长期保护性耕作措施下的黑垆土为研究对象，分析旱作玉米（L.）-冬小麦（L.）-饲用大豆（L.）轮作系统玉米收获季免耕和秸秆覆盖措施下土壤有机碳（SOC）、微生物量碳（MBC）含量、β-葡萄糖苷酶（βG）、纤维二糖水解酶（CBH）、β-木糖苷酶（βX）酶活性变化及影响因素，试图揭示粮草轮作系统保护性耕作对土壤碳转化酶的影响机制，以期为旱作雨养耕地的高效可持续利用及进一步研究土壤固碳机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验于兰州大学甘肃庆阳草地农业野外科学观测研究站（35° 39′N，107° 51′E，海拔1 297 m）开展，行政区划隶属甘肃省庆阳市西峰区。属温带大陆性季风气候，多年（2001—2020年）平均气温10.5℃，极端最高气温39.6℃，最低气温为-22.4℃，＞5℃年均积温3 446℃。多年平均降雨量562 mm，降水集中分布于7—9月，年均蒸发量1 504 mm，无霜期161 d。土壤类型为黑垆土，容重1.40 g·cm-3，有机质约10 g·kg-1，pH为8.2，机械组成中粉粒含量70%。

1.2 试验设计

保护性耕作试验开始于2001年，为两年三熟的春玉米-冬小麦-饲用大豆轮作。共设4个处理：传统耕作（T）、传统耕作+秸秆覆盖（TS）、免耕（NT）和免耕+秸秆覆盖（NTS），完全随机区组排列，4次重复，小区面积52 m2（4 m×13 m）[27]。耕作处理（T和TS）于作物收获后和播种前各耕作一次，耕作深度为30 cm；秸秆覆盖处理（TS和NTS）于作物播种后，将前茬作物的秸秆覆盖还田，玉米秸秆按当年秸秆产量的50%还田，小麦和大豆秸秆全部还田，T和NT处理将作物秸秆移除。免耕采用中国农业大学研制的免耕播种机播种。所有小区进行常规管理，降雨是唯一水分补给来源，定期进行人工除草。

1.3 土壤样品的采集与测定

1.3.1 土样采集与处理 于2020年9月玉米收获期，采用“五点取样法”，用直径4.5 cm的土钻在每个小区采集行间土壤，取样深度0—5、5—10和10—20 cm，一共采集48个样（4个处理×4次重复×3个土层）。去除土壤中的石块、根系及动植物残体等杂质，放进冰盒中带回实验室，采用烘干称量法测定土壤含水量，部分过2 mm筛，放入4℃冰箱中保存，用于测定土壤微生物量碳含量及土壤酶活性，其余部分自然风干过筛，用于测定土壤pH、有机碳及全氮含量。

1.3.2 指标的测定方法 土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；全氮含量用凯氏定氮法测定；pH用pH计测定（土水比为1﹕5）；土壤微生物量碳含量用氯仿熏蒸-K2SO4浸提，总有机碳分析仪（elemental vario TOC）测定[28]；土壤β-葡萄糖苷酶（βG）、纤维二糖水解酶（CBH）、β-木糖苷酶（βX）酶活性采用96微孔酶标板荧光分析法测定[29]。

与传统耕作相比，保护性耕作措施会改变的土壤酶活性，其变化程度用来评价土壤酶活性对保护性耕作措施的敏感性，公式如下：

式中，VE表示酶活性变化幅度；CTί表示TS、NT、NTS处理下的土壤酶活性；T表示传统耕作处理下的土壤酶活性。

1.4 统计分析

统计分析利用SPSS软件（version 25.0，IBM，SPSS，USA）进行，首先进行数据的正态性和同质性检验，然后分析秸秆覆盖、耕作、土层深度及交互作用对土壤有机碳、微生物量碳和土壤酶活性的影响，Duncan法进行多重比较。运用Origin 2019 b（9.65）软件制图。利用结构方程模型（structural equation model，SEM）分析耕作、秸秆覆盖及土层深度对微生物量碳及酶活性变化的影响，分析前对所有指标进行Z-score标准化处理，用冗余分析选取土壤含水量（soil water content，SWC）、微生物量碳、全氮（total nitrogen， TN）和pH作为影响微生物量碳及酶活性变化的土壤因子，借助Amos 24.0 软件进行SEM拟合分析。

2 结果

2.1 长期保护性耕作对土壤有机碳、微生物量碳含量的影响

秸秆覆盖显著影响土壤SOC含量变化，且随土层深度变化（＜0.05，表1，图1），而耕作措施对土壤SOC含量无显著影响（＞0.05，表1，图1）。在0—20 cm土层，各耕作处理SOC含量无显著差异（0.05）。0—5、5—10、10—20 cm土层中，TS较T处理SOC含量分别提高23.1%、18.9%、5.1%，NTS较T处理SOC含量分别提高15.1%、13.0%、0.1%；SOC含量均随土层深度呈逐渐降低趋势，T与TS处理的0—5 cm土层SOC含量显著高于10—20 cm土层（＜0.05）。NTS处理下的各土层间SOC含量无显著差异（＞0.05）。

土壤MBC含量不受秸秆覆盖和耕作措施的直接影响，但受土层深度、耕作与土层交互作用的显著影响（＜0.05，表1，图1）。在0—5 cm土层，TS、NT、NTS处理的MBC含量较T处理显著提高了35.3%、34.2%和44.5%，在5—20 cm土层分别提高了14.76%、-12.24%和-14.81%。MBC含量随土层深度的增加呈下降趋势，其中在T处理下，各土层土壤MBC含量范围为341.94—438.23 mg·kg-1；在TS、NT、NTS处理下0—5 cm土层的MBC含量显著高于5—10和10—20 cm土层（＜0.05）。

表1 秸秆覆盖、耕作方式和土层深度对各因子影响的方差分析

*、**和***分别表示在 0.05、0.01和 0.001水平上差异显著，NS差异不显著。S代表秸秆覆盖，T代表耕作，D代表土层深度

*, Significantly different at＜0.05; **, Significantly different at＜0.01; ***, Significantly different at＜0.001; NS, Indicated no significant difference. S represents straw mulching, T represents tillage, and D represents soil depth

不同大写字母表示相同土层不同耕作方式间显著差异（P＜0.05），不同小写字母表示相同处理不同土壤深度间差异显著（P＜0.05）。SOC表示土壤有机碳含量，MBC表示土壤微生物量碳含量，T、TS、NT和NTS分别表示传统耕作、传统耕作+秸秆覆盖、免耕和免耕+秸秆覆盖。下同

2.2 长期保护性耕作对土壤碳转化酶活性的影响

土壤碳转化酶（βG、CBH、βX）活性受到覆盖或耕作措施的直接或间接影响，并随土层深度变化（表1，图2）。覆盖措施使0—5、5—10、10—20 cm土层βG活性分别升高13.8%、-1.1%、-4.1%，耕作措施使其分别升高1.8%、38.4%、12.9%；且所有措施中土壤βG活性随着土层升高而降低，其中T、TS、NT和NTS处理下0—5 cm土层βG活性分别是5—10 cm土层的1.33、1.74、2.04和2.08倍，是10—20 cm土层的2.75、2.90、2.66和3.61倍。

土壤CBH活性不受耕作的影响，但受秸秆覆盖、耕作与土层交互作用的影响（＜0.05），且随土层深度变化（＜0.001，表1，图2）。覆盖措施使0—5、5—10、10—20 cm土层CBH活性分别升高41.3%、22.4%、16.1%，耕作措施其分别升高1.0%、74.0%、3.1%。0—5和10—20 cm土层的CBH活性均表现为：TS＞T处理，NTS＞NT处理，NT＞T处理。4个处理均表现为0—5 cm土层CBH活性显著高于5—10和10—20 cm土层（＜0.05）。

秸秆覆盖显著影响土壤βX活性变化，且随土层深度变化（＜0.05，表1，图2），βX酶活性表现为：TS＞NTS＞NT＞T处理。在0—5 cm土层，NTS处理的βX活性最大，较T和NT处理分别提高52.1%和36.4%（＜0.05）；在5—10 cm土层，各处理βX活性无显著差异（＜0.05）。在10—20 cm土层，TS处理的βX活性是T和NTS处理的1.64和2.04倍（＜0.05），与NT处理无显著差异（＞0.05）。在TS、NT和NTS处理下，0—5 cm土层的βX活性显著高于5—10和10—20 cm土层（＜0.05）。

NTS处理下CBH活性（4.88—29.07 nmol·g-1·h-1）和βG活性（27.73—104.08 nmol·g-1·h-1）最高，TS处理中的βX活性（6.39—47.84 nmol·g-1·h-1）最高。在保护性耕作措施下CBH酶活性变化（-11.4%—63.1%）幅度高于βG（-10.6%—11.3%）和βX（2.2%—32.9%）酶活性的变化。NT相较于T处理，酶活性敏感性变化的排序为：CBH＞βG＞βX；TS和NTS处理相较于T处理，CBH的敏感性最高，其次为βX，敏感性最低的均为βG（表2）。

图2 长期保护性耕作措施下土壤碳转化酶活性变化

表2 土壤酶活性对保护性耕作措施的敏感性

2.3 土壤碳及转化酶变化的路径分析

秸秆覆盖和耕作措施对土壤碳及转化酶的影响除直接效应外，还可通过对土壤环境的间接效应而发挥作用。本研究发现，保护性耕作措施增加了0—20 cm土层土壤C/N（有机碳/全氮）、全氮（TN）含量及土壤含水量，C/N表现为NTS＞NT＞TS＞T处理，全氮表现为TS＞NTS＞NT＞T处理。与T处理相比，TS、NT和NTS处理使0—10 cm土层土壤含水量分别提高10.0%、3.4%和5.9%。TS处理下pH最低，其次是NT，较T处理分别降低了0.16和0.11个单位（表3）。冗余分析表明SWC、TN和pH是影响土壤碳变化的主要土壤因子，因此结合结构方程模型（SEM）来分析耕作和秸秆覆盖分别对土壤SOC、MBC的直接效应和间接效应（图3）。SEM表明，秸秆覆盖对土壤SOC、MBC的影响主要以直接效应为主，而耕作对SOC、MBC无显著影响，这一结果与方差分析结果一致。

表3 不同保护性耕作措施下土壤环境因子变化

SOC：χ2=1.069，GFI=0.972，RMSEA=0.024，P=0.382；MBC：χ2=0.903，GFI=0.960，RMSEA=0.062，P=0.113。箭头旁的数字表示标准化路径系数（*P＜0.05，**P＜0.01，***P＜0.001）。线条粗细表示路径系数大小，线条越粗，路径系数越大。下同

同样，利用冗余分析选择SWC、TN、pH、MBC作为土壤因子，利用结构方程模型来分析秸秆覆盖和耕作措施对土壤碳转化酶活性的影响（图4）。秸秆覆盖对碳转化酶的影响主要以间接效应为主，主要是通过对土壤TN的作用来影响其变化，而耕作对其无显著影响，且不同土层土壤TN变化是影响其变化的主要因素。

3 讨论

3.1 土壤有机碳及微生物量碳对长期保护性耕作措施的响应

土壤有机碳是表征土壤质量高低的重要指标，其动态变化主要取决于碳的输入和输出[30]。土壤微生物量碳在土壤有机碳中占比很小（本研究中微生物量碳占土壤有机碳的5.3%），但作为土壤生物活性和肥力状况的关键指标，其变化不仅受气候和环境因素的影响，还与耕作措施密切相关[9,31]。HE等[16]研究表明，实施11年免耕秸秆覆盖措施较传统耕作0—30 cm土层有机碳含量提高了7.7%。李景等[10]研究发现，在黄土高原东部实施15年免耕秸秆覆盖提高了0—10 cm土层有机碳含量，但对少耕无秸秆覆盖处理无显著影响。MATE分析表明在全球尺度上有或无秸秆覆盖的基础上实施免耕使土壤微生物量碳含量较传统耕作增加了33.1%[31]。本研究表明，与传统耕作相比，保护性耕作连续实施19年能够提高土壤有机碳及微生物量碳含量，同时还受土层深度的影响，与前人研究结果相似[10,13]。此外，与本团队前期研究[32]相比，实施19年保护性耕作较实施2年，提高了土壤有机碳含量（T、TS、NT和NTS处理土壤有机碳分别增加了7.5%、10.5%、4.7%、16.5%）。主要原因是保护性耕作措施下，土壤有机质的输入增加，C/N比增加（表3）。秸秆还田是土壤碳输入的直接来源，秸秆中的多糖成分会促进土壤团聚体的形成，有利于土壤碳的固定[14]；此外，秸秆还田改善了土壤养分和水分（表3，图3），为土壤微生物生长提供了充足的能量和良好环境，进一步加强了土壤有机碳的稳定性[33-34]，因此，土壤有机碳及活性有机碳含量处于较高水平。相反，在无秸秆覆盖的情况下，外源有机物供给不足，微生物生长繁殖受限，导致土壤有机碳及微生物量碳含量较低[17]。免耕措施通过增加对土壤团聚体的保护，改变土壤通气状况，延缓了有机物分解速度，提高了土壤碳含量[7]；而长期传统耕作打破了良好的土体结构，有机碳失去保护暴露于空气中，矿化速率加快，土壤碳含量降低[15]。土壤有机碳及微生物量碳含量均随土层深度的增加逐渐降低，这与YEBOAH[35]研究结果一致。一方面，将秸秆覆盖于地表可减少水分蒸发和土壤日均温度变化幅度，同时随着土层加深，土壤通透性变差，表土水热条件优于深层，利于土壤微生物的代谢，加速了表层土壤碳固定[20,25,36]；秸秆作为外源碳的主要来源，增加了表层土壤有机物质含量，而下层有机物供给少，深层土壤植物根系生物量小于表层，根系分泌物少，不利于微生物繁殖[37-39]。另一方面，不同土层所受耕作干扰程度不同，土壤微生物在受干扰较大的土壤表层活动更强，导致土壤有机碳及微生物量碳含量随土层深度增加呈现下降趋势。

βG: χ2=0.939, GFI=0.972, RMSEA＜0.001, P=0.519; CBH: χ2=0.996, GFI=0.973, RMSEA＜0.001, P=0.454; βX: χ2 =1.486, GFI=0.956, RMSEA=0.064, P=0.095

3.2 土壤碳转化酶对长期保护性耕作措施的响应

土壤酶作为土壤生态系统重要组分之一，参与土壤各类生物化学反应，是土壤养分循环不可分割的一部分，用酶活性评价土壤质量及生态环境具有重要意义[40-41]。张常仁等[24]研究表明，与传统耕作相比，免耕秸秆还田可显著提高0—5 cm土层土壤养分和碳氮转化酶活性，促进土壤微生物对有机质的分解利用。本研究表明，与传统耕作相比，秸秆覆盖措施可显著提高表层（0—5 cm）土壤酶活性（图4）。主要原因是：秸秆将大量微生物带入土壤，增加了土壤酶的来源；另外，当秸秆作为外源碳进入农田土壤后，可提高耕层土壤含水量和养分含量，改善土壤微生物生存环境，使微生物代谢增强，间接提高了土壤酶活性[21]。其中，TN是影响土壤酶活性变化的主要土壤环境因子（图4），主要是因为试验地前一茬作物大豆通过生物固氮使氮素在土壤大量积累，且当豆科作物秸秆还田时，土壤中氮素含量升高，降低了氮对微生物的生长限制，加速了养分循环，提高了酶活性[42-43]。本研究还发现，耕作更利于提高深层土壤酶活性，可能是因为耕作将土壤表层作物残茬和秸秆翻入土壤，经过微生物的分解作用腐烂成肥，增加了腐殖质含量，为下层酶提供了充足的能量来源；免耕秸秆覆盖使有机物大量聚集于表层，下层碳源较少，且透气与透水性差，微生物代谢缓慢，酶促反应缺少底物[44-45]。

土壤βG、CBH、βX酶活性随着土层深度的增加呈逐渐降低的趋势，且土壤TN变化是影响其变化的主要因素（图4），与AKHTAR等[21]研究结果相似。土壤腐殖质及植物根系主要聚集在土壤表层，且表层土壤通透性及水热环境优于底层，更利于土壤酶活动[34,46]；秸秆还田通过促进表层土壤氮素积累，加速了秸秆的分解速率，刺激了土壤微生物生长和繁殖，使酶活性提高[47-49]。此外，土壤酶与土壤微生物存在密切的关系[50]，回归分析表明，土壤碳转化酶活性与土壤微生物量碳含量具有显著正相关关系（图5），微生物量碳含量较高时，可供酶促反应的营养物质充足，土壤碳转化酶活性更高。同时，酶活性通过分解纤维素、木质素等有机物，刺激微生物的新陈代谢，加速碳转化过程，促进土壤微生物量碳含量增加，因此，两者相互协同，共同参与土壤碳循环过程[51-52]。

另外，与传统耕作相比，免耕和秸秆覆盖会使土壤酶活性发生不同程度的改变，其变化幅度可以用来评价土壤酶活性对耕作措施的敏感性。3种参与碳转化的酶活性范围不一致：活性最大的酶是βG，其次是βX、CBH活性，与闵凯凯等[53]研究结果相似，说明βG是参与土壤碳转化的主要酶，一方面βG被土壤胶体保护，保持较高活性；另一方面，βG主要参与寡糖链的分解，分解产生的葡萄糖可供微生物直接利用，决定了微生物养分状况，因此微生物分泌更多的βG，以维持自身生长所需[54]。

图5 土壤βG、CBH和βX活性与MBC含量相关关系

4 结论

与传统耕作相比，19年保护性耕作使陇东旱塬粮草轮作系统玉米收获季表层（0—5 cm）土壤有机碳（SOC）和微生物量碳含量（MBC）分别升高17.8%和38.0%，使土壤β-葡萄糖苷酶（βG）、纤维二糖水解酶（CBH）和β-木糖苷酶（βX）活性分别提升9.4%、13.7%和31.3%。秸秆覆盖直接影响土壤碳的积累，而通过对系统内土壤环境的间接效应来影响碳转化酶活性，其中土壤全氮是主要影响因子；免耕措施未显著影响土壤环境，因此对土壤碳含量及碳转化酶活性无显著影响，而免耕+秸秆覆盖显著提升土壤有机碳、微生物量碳含量和碳转化酶活性，是黄土高原旱作农田土壤碳库积累的最有效措施。β-葡萄糖苷酶是参与土壤碳转化的主要酶。

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DONG Xiu, ZHANG Yan, MUNYAMPIRWA Tito, TAO HaiNing, SHEN YuYing

College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University/State Key Laboratory of Herbage Improvement and Grassland Agro-ecosystems/National Field Scientific Observation and Research Station of Grassland Agro-ecosystems in Qingyang, Gansu, Lanzhou 730020

【Objective】The effects of long-term conservation tillage on soil carbon and carbon invertase activity in forage-crop rotation system of dry farmland in the Loess Plateau were explored to provide the scientific basis for soil carbon sequestration and sustainable and healthy development of agriculture in dry farmland. 【Method】In this study, we aimed to investigate the effects of long-term traditional tillage (T), no-tillage (NT), traditional tillage+straw mulch (TS), and no-tillage+straw mulch (NTS) on soil organic carbon (SOC), microbial biomass carbon content (MBC), β-glycosidase (βG), cellobiohydrolase (CBH) and β-xylosidase enzymes (βX) in forage-crop rotation system at the National Field Scientific Observation and Research Station of the Grassland Agricultural Ecosystem in Qingyang, Gansu Province. Soils were collected from 0-5, 5-10 and 10-20 cm depths at the harvest of maize (L.). 【Result】(1) Conservation tillage significantly increased the contents of SOC and MBC in soil, especially in 0-5 cm soil layer. Compared with conventional tillage, straw mulching increased SOC and MBC by 19.1% and 39.9%, respectively, and no-tillage increased SOC and MBC by 15.1% and 34.3%, respectively. (2) Conservation tillage significantly increased soil carbon invertase activity, the three enzyme activities showed: βG＞CBH＞βX, the sensitivity of conservation tillage measures showed: CBH＞βX＞βG. Compared with traditional tillage, the activities of βG, CBH and βX in 0-5 cm soil layer under straw mulching increased by 20.3%, 37.6% and 41.1%, respectively, and those under no-tillage increased by 12.5%, 31.0% and 26.1%, respectively. Straw mulching in 5-20 cm soil layer increased βG, CBH and βX by -7.6%, 99.9% and 3.5%, respectively, and no-tillage increased them by -21.1%, 22.1% and -12.1%, respectively. In addition, the structural equation results showed that soil carbon invertase activity was mainly affected by soil total nitrogen content in forage-crop rotation system. (3) Straw mulching could directly affect the accumulation of soil carbon, mainly affecting the activity of soil carbon invertase by changing the soil total nitrogen content; no tillage had no significant impact on soil environment, resulting in no significant changes in soil carbon content and carbon invertase activity.【Conclusion】The accumulation of soil carbon was mainly affected by the direct effect of straw mulching measures, and the activity of carbon invertase was mainly changed by the indirect effect of soil total nitrogen in the forage-crop rotation system of dry farmland in the Loess Plateau. Among them, no tillage combined with straw mulching was the most effective measure to improve soil carbon content and enzyme activity, and β- Glucosidase is the main enzyme involved in soil carbon inversion.

straw mulching; no tillage; soil organic carbon; soil enzyme activity; microbial biomass carbon

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.05.008

2022-01-29；

2022-06-06

国家重点研发计划（2022YFD1300803）、甘肃省青年科技基金计划（22JR5RA533）、国家自然科学基金（31872416）、中国博士后面上项目（2021M691369）、中央高校基本科研业务费定向探索项目（lzujbky-2021-pd01）、甘肃省重点人才项目（2019-2021）

董秀，E-mail：dongx20@lzu.edu.cn。通信作者沈禹颖，E-mail：yy.shen@lzu.edu.cn

（责任编辑 李云霞）