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土壤有机碳是耕地土壤肥力的重要组成部分，是土壤质量和功能的核心[1]，也是陆地生态系统最重要和最活跃的碳库[2-3]。土壤团聚体数量是评价土壤结构及质量的重要指标，是土壤碳固定的最重要机制，也是土壤有机碳的重要贮存场所[4-5]。土壤有机碳含量反过来又影响团聚体的数量和大小分布，有机碳含量的提高有利于土壤结构的形成及其稳定性的增强，土壤有机碳的固存与团聚体的结构形成相辅相成[6]。近 30 年来，许多学者在长期试验中研究了不同施肥措施对土壤团聚体有机碳及其稳定性的影响。谢锦升等[7]认为有机物质输入的增加促进了团聚体的形成，从而改变了土壤团聚体有机碳含量和分配比例。樊红柱等[8]研究发现，紫色水稻土长期施肥显著提高了土壤大团聚体比例及其有机碳含量，化肥配施有机肥对团聚体有机碳含量的增加效果优于单施化肥。蔡岸冬等[9]利用数据整合分析发现，与不施肥相比，施用有机肥和化肥均能显著提高土壤有机碳含量，且不同土壤质地条件下，施肥对土壤有机碳及矿物结合态组分的影响程度存在显著差异。有关地膜覆盖对土壤团聚体及其有机碳含量影响的研究已有一些报道，但由于不同土壤类型的理化和生物性状等方面的差异，导致不同地区的试验结果也存在明显差异。刘秀等[10]研究表明，在辽宁阜新石灰性褐土及玉米连作条件下，秋覆膜不仅显著提高 0～10 cm 土层土壤水稳性大团聚体的含量和稳定性，还可以显著增加水稳性大团聚体的有机碳含量及储量，促进有机碳的固存。吕欣欣等[11]研究表明，覆膜条件下高施肥量显著提高了棕壤表层土壤团聚体的稳定性及其平均重量直径，还提高了不施肥土壤团聚体的有机碳含量。孙文泰等[12]研究发现，连续覆膜降低了果园表层土壤团聚体力稳性和水稳性，导致表土 “隐形退化”，不利于土壤有机碳固存。因此，施肥与地膜覆盖作为主要的农业管理措施，可以对土壤团聚体分布及其稳定性和有机碳变化产生重要影响。本研究将依托甘肃定西黄绵土土壤肥力与肥料效益长期定位监测试验平台，评价长期施肥和地膜覆盖对农田土壤团聚体分布、团聚体稳定性、团聚体有机碳含量和有机碳储量的影响，为优化农田管理措施和提升土壤肥力提供理论依据。
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1 材料与方法
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1.1 研究区概况
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试验设在甘肃省农业科学院国家土壤质量安定观测实验站（104°36′E，35°35′N），该区平均海拔 1970 m，年均气温 6.2℃，年均降水量为 415 mm，年蒸发量 1531 mm，无霜期 146～149 d，为典型西北黄土丘陵半干旱区。试验始于 2015 年 4 月，土壤母质为黄土性物质，属黄绵土。试验开始时耕层土壤理化性质为有机碳 10.62 g·kg-1、全氮 0.78 g·kg-1、硝态氮 22.13 mg·kg-1、铵态氮 5.38 mg·kg-1、有效磷 10.12 mg·kg-1、速效钾 163.8 mg·kg-1、pH 8.32。2020 年试验地耕层 0～20 cm 土壤容重及有机碳含量见表1。
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注：同行不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。
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1.2 试验设计
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试验以马铃薯（Solanum tuberosum）为研究材料，品种为“陇薯 10 号”。采用覆盖方式和施肥两因素随机区组设计，覆盖方式设地膜覆盖（全膜覆盖垄播，用 F 表示）和不覆膜（露地平作，用 L 表示）2 个水平，每个覆盖方式下设 4 个施肥水平： （1）对照（不施肥，但种植作物，CK）、（2）单施氮磷钾（NPK）、（3）单施有机肥（OM）、（4）氮磷钾 + 有机肥（NPK+OM）。小区面积为 20 m2，3 次重复。全膜覆盖垄播种植[13]为全地面覆膜，起单垄，垄宽 60 cm，高 15 cm，沟宽 40 cm，马铃薯种植在垄的两侧；裸地平作地面不覆膜不起垄，马铃薯直接点播。氮、磷、钾养分施用量分别为N 180 kg·hm-2、P2O5 90 kg·hm-2、K2O 60 kg·hm-2，有机肥为纯羊粪，用量为 45 t·hm-2（干重），所有肥料于覆膜播前一次性施入。试验采用马铃薯连作种植，田间管理措施与当地一致。
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1.3 测定项目及方法
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1.3.1 土壤团聚体分级、团聚体有机碳含量及其有机碳储量的测定
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2020 年 10 月 20 日马铃薯收获后在田间取样，每个小区按照“S”形多点取样法采集耕层 0～20 cm 原状土样混合，装入硬质塑料盒带回实验室以备测试，并用环刀法[14]测定耕层土壤容重。采集的土样分成两份，一份土样处理后用于总有机碳的测定，另一份土样用沙维诺夫干筛法[15]分离出 >5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm 粒径的团聚体。团聚体有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定[14]。土壤有机碳储量（SOCR）通过计算土壤碳密度（SOCD）求得。SOCD=SOC×b× d /10，SOCR=S×SOCD；式中，SOC 为土壤有机碳含量（g·kg-1），d 为土层厚度（20 cm），b 为该土层土壤容重（g·cm-3），S 为计算面积（取 1 hm2）。
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1.3.2 团聚体质量百分含量、R0.25 和 MWD 的测定
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团聚体质量百分含量、R0.25 和 MWD 参考杜少平等[16]的方法。具体公式如下：
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式中，R0.25 为 >0.25 mm 团聚体含量；MWD 为团聚体平均质量直径；Mi>0.25 为 >0.25 mm 团聚体的重量； MT 为团聚体总重量；xi 为各粒级团聚体的平均直径； wi为各粒级团聚体的百分含量。
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1.4 数据处理
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采用 Excel 2007 计算并作图，DPS 9.50 进行方差分析。
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2 结果与分析
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2.1 施肥与覆膜对土壤团聚体分布的影响
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从表2 可知，在西北半干旱区黄绵土质地条件下，连续 6 年马铃薯定位试验，旱地黄绵土耕层 0～20 cm 土层土壤团聚体含量随着粒径减小呈先降低后增加的变化趋势，>1 mm 粒径时，随着粒径的减小而降低，<0.5 mm 粒径则呈相反的变化趋势。耕层 0～20 cm 土层土壤团聚体含量受施肥因素的影响达到了显著水平（P<0.05），无论是全膜覆盖垄播还是露地平作条件下，>1 mm 粒径土壤团聚体含量表现为 NPK+OM>OM>NPK>CK，<0.5 mm 粒径恰好呈相反趋势；NPK+OM、OM 处理与 NPK 和 CK 处理间差异显著，NPK 处理与 CK 无差异。>2 和 0.25～1 mm 粒径团聚体含量受地膜覆盖因素的影响达到了显著水平（P<0.05），与露地平作（L） 相比，全膜覆盖垄播（F） 处理 >5 和 2～5 mm 粒径团聚体含量分别显著降低了 6.7% 和 10.4%， 0.5～1 和 0.25～0.5 mm 粒径团聚体含量分别显著增加了 17.6% 和 13.3%。
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耕层 R0.25 受施肥因素的影响达到了显著水平（P<0.05），而受地膜覆盖的影响不明显，且两者互作效应不显著。不同施肥处理 R0.25 表现为 NPK+OM>OM>NPK>CK，且 NPK+OM 和 OM 处理显著高于 NPK 和 CK 处理，NPK 处理与 CK 无差异。在全膜覆盖垄播（F）条件下，NPK+OM、OM 处理较 NPK 和 CK 处理 R0.25 分别显著增加了 9.7% 和 11.1%、7.9% 和 9.2%。MWD 受施肥和覆膜因素的影响均达到了显著水平（P<0.05），而两者互作效应不显著。不同施肥处理对 MWD 的影响表现为 NPK+OM 处理最高，其次 OM 处理，且两者均显著高于 NPK 和 CK 处理，而 NPK 处理与 CK 无差异。其中在全膜覆盖垄播 （F）条件下，NPK+OM、OM 处理较 NPK 和 CK 处理的 MWD 分别显著增加了 17.9% 和 20.9%、10.5% 和 13.3%。全膜覆盖垄播较露地平作 MWD 降低了 6.3%。上述结果表明，NPK+OM 和 OM 较 NPK 处理显著增加 R0.25 和 MWD，有利于改善农田土壤结构。长期地膜覆盖导致 0～20 cm 土层土壤 >2 mm 粒径大团聚体含量和 MWD 显著下降，增加了 0.25～1 mm 粒径团聚体含量，影响团聚体的分布及其稳定性。
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注：同列不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。
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2.2 施肥与覆膜对团聚体有机碳含量的影响
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由表3 可知，各处理耕层 0～20 cm 土层土壤团聚体有机碳含量随粒径减小呈增加趋势，>5 mm 粒径的土壤团聚体有机碳含量最低，<0.25 mm 粒径的最高。不同粒径团聚体有机碳含量受施肥因素的影响达到了显著水平（P<0.05），而受地膜覆盖的影响不显著，且两者互作效应不显著。在全膜覆盖垄播（F）和露地平作（L）条件下，不同施肥处理对团聚体有机碳含量的影响表现为 NPK+OM 处理最高，其次是 OM 处理，且两者均显著高于 NPK 处理和 CK，而 NPK 处理与 CK 无差异。与 NPK 处理相比，NPK+OM 和 OM 处理 >5、2～5、 1～2、0.5～1、0.25～0.5 mm 粒径团聚体有机碳含量分别显著增加了 72.3% 和 58.4%、76.4% 和 60.4%、84.5% 和 71.8%、80.4% 和 69.2%、88.7% 和 77.4%，<0.25 mm 粒径的微团聚体有机碳含量分别显著增加了 88.1% 和 79.8%（表3）。全膜覆盖垄播（F）与露地平作（L）耕层土壤团聚体有机碳含量无差异。结果表明，在西北半干旱区黄绵土质地条件下，连续 6 年马铃薯定位试验，NPK+OM 和 OM 处理较 NPK 处理显著增加 0～20 cm 土层土壤团聚体有机碳含量，且以 NPK+OM 处理效果最好，地膜覆盖对耕层土壤团聚体有机碳含量影响不明显。
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注：同列不同小写字母表示同一粒径团聚体不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。
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2.3 施肥与覆膜对团聚体有机碳贡献率的影响
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由表4 可知，不同处理土壤团聚体对有机碳贡献率的影响与团聚体含量分布基本一致，总体表现为随着粒径的减小，团聚体对有机碳的贡献率呈先降低后增加的趋势，>1 mm 粒径时，随着粒径的减小而降低，<0.5 mm 粒径则相反。>5 mm 粒径的团聚体对有机碳的贡献率最大，其次是 2～5 mm 粒径团聚体，0.5～1 mm 粒径的相对较小。>1 和 <0.5 mm 粒径团聚体对有机碳的贡献率受施肥因素的影响达到了显著水平（P<0.05），>2 和 0.25～0.5 mm 粒径团聚体对有机碳的贡献率受地膜覆盖的影响达到了显著水平（P<0.05）；覆膜与施肥两者互作效应不显著。不同施肥处理 >1 mm 粒径团聚体对有机碳的贡献率表现为 NPK+OM>OM>NPK>CK，NPK+OM 和 OM 处理显著高于 NPK 和 CK 处理，0.5～1 mm 粒径施肥处理间无差异，<0.5 mm 粒径恰好相反；NPK 与 CK 处理无差异。与 NPK 处理相比，NPK+OM 和 OM 处理 >5、2～5、1～2、0.5～1 mm 粒径团聚体对有机碳的贡献率分别提高了 15.8% 和 6.0%、27.2% 和 15.7%、 30.1% 和 17.2%、9.4% 和 10.4%，0.25～0.5 和 <0.25 mm 粒径团聚体对有机碳的贡献率分别显著降低了 38.5% 和 16.1%、39.8% 和 26.2%。与露地平作（L）相比，全膜覆盖垄播（F）处理 >5、2～5 mm 粒径团聚体对有机碳的贡献率分别显著降低了 8.3%、9.6%， 0.25～0.5 mm 粒径团聚体对有机碳的贡献率显著增加了 14.4%。结果表明，在西北半干旱区黄绵土质地条件下，NPK+OM 和 OM 处理可显著提高大团聚体 （>1 mm）对有机碳的贡献率，可使增加的新碳向大团聚体富集，地膜覆盖显著降低了大团聚体（>2 mm） 对有机碳的贡献率。
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2.4 施肥与覆膜对团聚体有机碳储量的影响
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由图1 可知，耕层 0～20 cm 土壤团聚体有机碳储量受施肥因素的影响达到了显著水平 （P<0.05），而受地膜覆盖的影响不显著，且两者互作效应不显著。不同施肥处理对耕层 0～20 cm 土壤团聚体有机碳储量的影响表现为 NPK+OM 处理最高，其次是 OM 处理，且两者较 NPK 和 CK 处理显著增加，NPK 与 CK 处理无差异。在全膜覆盖垄播（F） 条件下，NPK+OM、OM 较 NPK 和 CK 处理耕层团聚体有机碳储量分别显著增加了 73.1% 和 76.1%、63.5% 和 66.3%，NPK+OM 较 OM 处理提高了 5.9%。在露地平作（L）条件下，NPK+OM、 OM 较 NPK 和 CK 处理分别显著增加了 82.8% 和 85.6%、68.3% 和 70.9%，NPK+OM 较 OM 处理显著提高了 8.6%。相同施肥水平下，全膜覆盖垄播 （F）与露地平作（L）无差异。结果表明，在西北半干旱区黄绵土质地条件下，连续 6 年种植马铃薯，NPK+OM 和 OM 处理较 NPK 处理可显著增加 0～20 cm 土层土壤团聚体有机碳储量，有利于促进农田土壤固碳，且以 NPK+OM 处理效果最好，而地膜覆盖影响不明显。
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图1 施肥与覆膜对耕层 0～20 cm 土层土壤团聚体有机碳储量的影响
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注：不同小写字母表示不同处理间差异达 5% 显著水平。
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3 讨论
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本研究结果表明，在西北半干旱区黄绵土质地条件下，连续 6 年种植马铃薯，NPK+OM 和 OM 处理较 NPK 处理显著增加了 R0.25 和 MWD，有利于改善农田土壤结构，这与前人的研究结果基本一致。长期施用有机肥增加了土壤碳源，促使根系分泌物增加和微生物活力增强，植物根系和真菌菌丝分泌多糖及其他有机复合物促进了土壤颗粒和微团聚体的黏结，有利于微团聚体转化为大颗粒团聚体[17]。本研究中 NPK 处理与 CK 各粒径团聚体含量和 MWD 无差异，不同于刘恩科等[5] 的研究，其原因在于单施化肥处理下，土壤中无外源有机物质的投入，有机碳的来源主要依靠作物收获后残留在土壤中的作物根茬，而本研究是连续种植马铃薯，植株地上和地下部分全部移走，且根茬还田量很少，减少了作为土壤团聚体胶结剂的有机物质，不利于大团聚体的形成和稳定。
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本研究表明，耕层 0～20 cm 土壤团聚体有机碳含量随着粒径减小呈增加趋势，>5 mm 粒径团聚体有机碳含量最低，<0.25 mm 粒径的最高，这与杜少平等[16]、李玮等[18]、王欣欣等[19]研究结果一致，微团聚体有机无机胶体结合的更紧密，且团聚体粒级越小，比表面积越大，吸附的有机物质则越多[20]。与 NPK 处理相比，NPK+OM 和 OM 处理 >0.25 mm 粒径团聚体有机碳含量分别显著增加了 72.3%～84.5% 和 58.4%～77.4%，<0.25 mm 粒径微团聚体有机碳含量分别显著增加了 88.1% 和 79.8%，团聚体有机碳储量分别显著增加了 73.1%～82.8% 和 63.5%～68.3%，有利于促进农田土壤固碳，这与前人[21-23]研究结果一致，长期施用有机肥增加了土壤碳源，已成为土壤有机碳增加的根本原因[24]。本研究结果也表明，NPK+OM 和 OM 处理可显著提高大团聚体（>1 mm）对有机碳的贡献率，较 NPK 处理分别提高 15.8%～30.1% 和 6.0%～17.2%，可使增加的新碳向大团聚体富集，这与杜少平等[16]和李玮等[18]研究结果相似，长期施用有机肥可促进有机碳在大团聚体中的富集和固持，且团聚体对有机碳的物理保护主要通过大团聚体来实现。本研究中 NPK 处理与 CK 耕层土壤团聚体有机碳含量及其储量无差异，不同于刘恩科等[5]的研究，与 Yang 等[25]研究结果基本一致。其原因在于，一方面单施化肥导致土壤中无外源有机物质的投入，有机碳的来源主要依靠作物收获后残留的根茬；另一方面本试验中由于连续种植马铃薯，地上和地下生物量基本被全部移走，残留物不足以弥补有机碳的矿化消耗，最终导致土壤有机碳的亏缺[26]。此外，不同作物产生的根茬数量和质量不同，影响团聚体有机碳含量和储量。
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关于地膜覆盖对土壤团聚体及其有机碳的研究结果与前人研究结果不一致。本研究表明，在西北半干旱区黄绵土质地条件下，连续 6年种植马铃薯，全膜覆盖垄播（F）较露地平作（L）显著降低了耕层 0～20 cm土壤 >2 mm 粒径大团聚体的数量，而增加了 0.25～1 mm 粒径团聚体含量，导致团聚体 MWD 显著下降，影响团聚体的分布及其稳定性，这不同于刘秀等[10]、吕欣欣等[11]的研究，与卢闯等[27]研究结果基本一致，在翻耕措施下，地膜覆盖提高了 0.25～0.5 mm 粒径团聚体质量分数。宋明丹等[28]研究认为覆膜显著提高了 0.25～2 mm 团聚体含量，有降低土壤 MWD 的趋势。本研究中，地膜覆盖对团聚体有机碳含量影响不明显，这与付鑫等[29]在黄土旱塬黑垆土玉米地上的研究结果一致，长期覆膜影响土壤团聚体的分布及其稳定性，而对团聚体有机碳的影响不明显。 Liu 等[30]研究表明，与露地平作（L）相比，全膜覆盖垄播（F）并不影响土壤有机碳含量，并且认为全膜覆盖垄播（F）下土壤有机碳矿化的增加量被有机碳输入的增加量所填补。覆膜降低了土壤干湿交替强度，改变了土壤团聚体的再分配，同时也改变了碳输入和输出，从而改变了各级团聚体有机碳的再分配[10]。因此，探讨覆膜时间对半干旱区黄绵土土壤团聚体分布、稳定性及其有机碳含量和储量的影响还需要长期的试验结果去验证。
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4 结论
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在西北半干旱区黄绵土质地条件下，连续 6 年种植马铃薯，耕层土壤团聚体含量随着粒径减小呈先降低后增加的变化趋势，其中 >1 mm 粒径时，随着粒径的减小而降低，<0.5 mm 粒径则相反。 NPK+OM 和 OM 处理较 NPK 处理显著增加了 R0.25 和 MWD，有利于改善农田土壤结构。
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土壤团聚体有机碳含量随着粒径减小呈增加趋势，NPK+OM 和 OM 处理可显著提高大团聚体（>1mm）对有机碳的贡献率，可使增加的新碳向大团聚体富集。NPK+OM 和 OM 处理较 NPK 处理显著增加 0～20 cm 土层土壤团聚体有机碳含量，且增加有机碳储量，有利于农田土壤固碳。
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长期地膜覆盖显著降低了耕层 0～20 cm 土层土壤 >2 mm 粒径大团聚体含量，增加了 0.25～1 mm 粒径团聚体含量，导致团聚体 MWD 显著下降，影响团聚体的分布及其稳定性，而对团聚体有机碳含量及其储量影响不明显。
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摘要
以国家土壤质量安定观测实验站黄绵土区的农田长期定位试验为研究平台，研究长期施肥与覆膜对半干旱区马铃薯农田土壤团聚体分布及其有机碳含量的影响。结果表明：耕层土壤团聚体占比随着粒径的减小呈先降低后增加的变化趋势，团聚体有机碳含量随粒径减小呈增加趋势。施肥显著影响马铃薯农田土壤团聚体分布及有机碳含量。长期化肥与有机肥配施（NPK+OM）和单施有机肥（OM）较单施化肥（NPK）显著增加 >0.25 mm 团聚体含量（R0.25）和平均质量直径（MWD），显著提高大团聚体（>1 mm）对有机碳的贡献率。长期施用有机肥（NPK+OM 和 OM）较单施化肥（NPK）显著增加 0 ～ 20 cm 土层土壤团聚体有机碳储量，增幅达 63.5% ～ 82.8%。长期覆膜导致 >2 mm 粒径的大团聚体数量和 MWD 显著下降，覆膜与单施化肥（NPK）对团聚体有机碳含量及其储量影响不明显。综上所述，在西北黄土丘陵半干旱区和黄绵土质地条件下，长期化肥与有机肥配施（NPK+OM）或单用有机肥（OM）可显著提高耕层土壤大团聚体含量（R0.25）及其稳定性，促进新碳向大团聚体富集，增加团聚体有机碳储量，有利于农田土壤固碳。地膜覆盖影响土壤团聚体的分布和稳定性，但对团聚体有机碳影响不明显。
Abstract
Taking long-term farmland positioning experiment in Huangmian soil area of Anding Soil Quality National Observation and Research Station located in Gansu province as the research platform，the effects of long-term fertilization and plastic-mulching on the distribution of soil aggregates and organic carbon content in potato field of semi-arid areas were explored. The results showed that，with the decreasing of aggregates particle size of topsoil，the proportion of soil aggregates was decreased first and then increased，while organic carbon content of soil aggregates was increased. Fertilization significantly affected the distribution and organic carbon content of soil aggregations. Compared with mineral fertilizers（NPK） treatment，long-term mineral fertilizers combined with organic fertilizer treatment（NPK+OM）and single organic fertilizer treatment（OM）all increased significantly contents of >0.25 mm aggregates（R0.25）and mean weight diameters（MWD） of soil aggregates，and improved significantly the contribution rate of large aggregates（>1 mm）to organic carbon. Compared with mineral fertilizer（NPK），long-term organic fertilizer treatments（NPK+OM and OM）increased significantly the organic carbon reserves of soil aggregates in 0～20 cm layer by 63.5%～82.8%. Long-term plastic-mulching decreased significantly the contents of soil >2 mm aggregates and MWD，however，plastic-mulching and single application of mineral fertilizer（NPK）had no obvious effect on the contents and reserves of organic carbon of soil aggregates. In conclusion，under the condition of Huangmian soil of the semi-arid loess hilly region of northwest China，long-term organic fertilizer combined with chemical fertilizer（NPK+OM）or single organic fertilizer（OM）can improve significantly contents of >0.25 mm aggregates（R0.25）and soil aggregate stability，and promote the enrichment of new carbon into large aggregates，which can increase the contents and reserves of organic carbon of soil aggregates，and will be conducive to soil carbon sequestration in farmland. Long-term plastic-mulching will affect the distribution and stability of soil aggregates，but has no obvious effect on the organic carbon of aggregates.
Keywords
fertilization ； plastic-mulching ； soil aggregate ； organic carbon ； semi arid area