摘要
为探究土地利用方式的转变对土壤碳、氮组分及碳、氮储量的差异化调控机制，以陇中黄土高原半干旱区典型土地利用方式（云杉林地：PA；沙棘林地：HR；苜蓿草地：MS；撂荒地：AL；小麦地：WF）为对象，通过野外定位观测与实验室理化分析相结合，探究不同土地利用方式对 0 ～ 40 cm 土层土壤物理性质、碳氮组分及碳氮储量的影响规律。结果表明，相较于 AL 处理，PA 处理的土壤孔隙度、含水量和储水量分别增加了 1.45%、70.4%、73.4%，而 WF 处理的土壤容重和 pH 值分别提高了 2.78%、2.79%。土壤有机碳、溶解性有机碳、易氧化有机碳、微生物量氮及土壤溶解性有机氮含量在各处理下均随植被生长时间呈先增后降的趋势，且均随土层加深而逐渐降低。此外，与 AL 处理相比，PA、HR 和 MS 处理显著增加了土壤碳、氮储量，其中，碳储量在 PA 处理下最高，为 15.6 t/hm2 ，氮储量则在 MS 处理下最高，为 1.13 t/hm2 。相关性分析表明，土壤物理性质、碳氮组分和碳氮储量之间存在显著相关关系。冗余分析表明，土壤容重和土壤有机碳含量对碳、氮储量的解释率最高，分别为 38.2%、26.0%。综上所述，土地利用方式显著影响了陇中黄土高原土壤碳、氮动态，PA、HR 和 MS 处理均能显著提升土壤碳、氮储量，其中 PA 处理固碳效果较优，MS 处理固氮能力较强。这一技术体系可为黄土高原半干旱区“固碳-固氮-增汇”的土地管理提供重要理论依据。
Abstract
To investigate the differential regulation mechanisms of land use change on soil carbon and nitrogen fractions as well as carbon and nitrogen storage，this study took typical land use types（picea asperata：PA，hippophae rhamnoides： HR，Medicago sativa：MS，abandoned land：AL，and wheat field：WF）in the semi-arid region of the Loess Plateau in Longzhong as research objects in 2022．Through the combination of field positioning monitoring and indoor index analysis， the study explored the variation characteristics of soil physical properties，carbon and nitrogen fractions，and carbon and nitrogen storage in the 0-40 cm soil layer under different land use types．The results showed that，compared with the AL treatment，the soil porosity，water content，and water storage capacity of the PA treatment were increased by 1.45%， 70.4%，and 73.4%，respectively；while the soil bulk density and pH value of the WF treatment were increased by 2.78% and 2.79%，respectively．The contents of soil organic carbon，dissolved organic carbon，easily oxidizable organic carbon， microbial biomass nitrogen，and soil dissolved organic nitrogenin each treatment were first increased and then decreased with the vegetation growth stage，and all decreased with the deepening of the soil layer．Furthermore，compared with the AL treatment，the PA，HR，and MS treatments significantly increased soil carbon and nitrogen storage；among which，the carbon storage was the highest under the PA treatment，reaching 15.6 t/hm2 ，while the nitrogen storage was the highest under the MS treatment，reaching 1.13 t/hm2 ．Correlation analysis showed significant correlations among soil physical properties， carbon and nitrogen fractions，and carbon and nitrogen storage．Redundancy analysis showed that soil bulk density and soil organic carbon content had the highest explanatory power for carbon and nitrogen storage，accounting for 38.2% and 26.0%，respectively．In summary，land use patterns significantly affected soil carbon and nitrogen dynamics in the Longzhong Loess Plateau．PA，HR，and MS treatments all significantly increased soil carbon and nitrogen stocks，among which PA treatments had a relatively better carbon sequestration effect and MS treatments had a relatively better nitrogen fixation capacity．This technical system could provide an important theoretical basis for land management oriented to“carbon sequestration，nitrogen fixation，and sink increase”in the semi-arid regions of the Loess Plateau.
陇中黄土高原作为我国典型的生态脆弱区，其土地利用方式的转变对区域生态系统稳定性具有深远影响。近年来该地区实施退耕还林还草工程，土地利用格局已由传统农耕主导型逐步转变为林草复合系统[1]。这种转变不仅改变了地表植被覆盖特征，还通过根系分泌物输入、凋落物分解等生物地球化学过程重塑着土壤碳、氮循环格局[2]。作为陆地生态系统最大的碳氮储库，土壤碳、氮动态直接调控着土壤肥力维持、温室气体排放等关键生态功能[3]。然而，黄土高原地区土壤有机碳含量普遍偏低、水土流失严重，且对耕作活动和植被类型变化表现出高度敏感性[4]，这使得深入探究不同土地利用方式下土壤碳、氮循环机制具有重要的理论和实践意义。
在生态系统功能评估方面，土壤碳、氮组分构成评价土壤质量的核心指标体系。微生物量碳作为活性碳库的关键指标，其含量变化能够灵敏反映土地利用变化对土壤微生物活性的影响[5]；而易氧化有机碳则与土壤团聚体稳定性密切关联，是评估土壤固碳潜力的重要参数[6]。氮素作为初级生产力的主要限制因子，其形态分布直接影响着生态系统功能[7]。在陇中黄土高原半干旱区特殊的气候背景下，水分胁迫与人类活动的协同作用使得土壤碳氮耦合关系日趋复杂，呈现独特特征[8]。此外，土壤碳、氮含量也与林分密度显著相关[9]。也有人研究陇中黄土高原区不同作物轮作方式对土壤养分及碳氮比（C/N）的影响，如玉米—紫花苜蓿轮作、玉米—红豆草轮作和玉米—小麦轮作[10]。但目前仍缺乏对不同土地利用方式下土壤碳、氮储量垂直分布特征的探究。关于活性碳、氮组分对不同土地利用方式的响应也尚未完全明确[11]，这些活性碳、氮组分受植被类型、灌溉方式等多种因素的影响，在驱动土壤碳、氮循环过程中发挥着关键作用，是评估土壤质量变化的敏感指标[12]
为此，本研究系统分析了 5 种典型土地利用方式下的土壤物理性质、碳氮组分及碳氮储量响应特征和分布格局，同时阐明了不同土地利用方式下，土壤物理性质和碳、氮储量的相关关系。通过“土地利用-土壤性质-碳氮储量”的定量关系分析，为优化区域土地管理策略、制定精准生态修复方案提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
本研究以陇中黄土高原为对象，以甘肃省定西市安定区（103°52′～105°13′E，34°26′～35°35′N）水土保持监测站为研究试验区。该地处中温带干旱与半干旱气候过渡带，平均海拔介于 1900～2250 m，年温差显著。在 4—10 月，区域总降水量约 202 mm，月均降水量约 28.89 mm，且降水主要集中在 6—8 月（图1）。土壤类型以黄绵土为主，土层深厚、质地均一，具备良好的蓄水特性。然而，长期干旱少雨导致植被覆盖率低，植被群落以云杉、文冠果、沙棘等耐旱乔灌木为骨干树种；草本植物则以禾本科、菊科、豆科植物为主，常见物种包括紫花苜蓿、红豆草等。
1.2 试验设计
2020 年 10 月，在陇中黄土高原区选取土壤类型与扰动历史相似的区域设试验样地，分别设置撂荒地（AL，对照）、云杉林地（PA）、沙棘林地（HR）、苜蓿草地（MS）、小麦地（WF）土地利用类型作为处理。各处理管理措施如下：PA 和 HR 采取人工种植成活后自然生长，未实施人为干预或施肥；MS 在弃耕地基础上直接播种后围封，无后续管理；AL 自弃耕后处于自然恢复，无采取任何管理措施；WF 由撂荒地开垦，以传统耕作方式种植春小麦，种植时间为 2022 年 3 月中下旬，此后在 4 月中旬和 7 月中旬以小麦为主要植被，而在 10 月中旬，主要是小麦收割后的残茬和秸秆，种植后无人为灌溉措施，靠自然降水，播种时施用尿素（62.5 kg/hm2，N 46%） 和过磷酸钙（150 kg/ hm2，P2O5 14%），样地详细信息见表1。随机设计布设样地，各土地利用类型设 3 个重复样方，根据植被类型设置样方大小：PA 为 20 m×20 m、HR 为 10 m×10 m、MS、WF 和 AL 为 4 m×6 m，样方间保留 5 m 以上的缓冲带。最后，分层采集样地 0～10、 10～20、20～40 cm 土层土壤，用于试验后续指标测定。
图1研究区域 4—10 月降水量以及温度变化
注：平均降水量 28.89 mm。
表1样地的详细信息
1.3 样品采集
参考相关学者对植物季节性生长规律的研究成果，综合植物生长周期内的气候特征与物候变化[13]，选取 4 月中旬、7 月中旬和 10 月中旬等时间节点采样，采用“S”形随机布设 5 个样点，利用直径 5 cm 的土钻采集 0～10、10～20、20～40 cm 土层样品。各试验区同层土样混合后，去除多余的植物残根及石块等杂物后，密封保存，低温运送至实验室用于后续指标测定。此外，在 7 月中旬，采用“环刀法”，按对角线三点法，分层采集 0～10、10～20、 20～40 cm 土层未受破坏的土壤来测定容重和孔隙度。
1.4 测定方法
土壤物理性质的测定：土壤容重（BD）采用环刀法测定；土壤孔隙度 =（1-BD/ 土壤比重）×100%； 土壤比重 =2.65 g/cm3；pH 值采用电位法（土水比： 1∶2.5）测定；土壤含水量通过烘干法测定[14]；土壤储水量按以下公式计算：
(1)
式中，θi 是第 i 层土层容积含水量（cm3 /cm3 ），hi 是第 i 层的厚度（cm）；10 是修正系数。
土壤碳组分测定：土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾氧化滴定法测定；土壤微生物量碳（MBC） 采用氯仿熏蒸-K2SO4 浸提法测定；土壤易氧化有机碳（EOC）采用 KMnO4 氧化法测定[15]；土壤溶解性有机碳（DOC）采用重铬酸钾外加热法测定。
土壤氮组分测定：土壤全氮（TN）采用半微量凯氏定氮法测定；土壤微生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸-H2SO4 浸提法测定[16]；土壤溶解性全氮（DTN）采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度计测定[17]；土壤溶解性有机氮（DON）：先测定 DTN 和无机氮通过 DTN 减去求得。
土壤碳储量通过下列公式计算：
(2)
式中，CSi 为第 i 层碳储量（t/hm2）；Ci 为第 i 层土壤有机碳含量（g/kg）；Di 为第 i 层容重（g/cm3）； di 为第 i 层的土壤厚度（cm）。
土壤氮储量通过下列公式计算：
(3)
式中，NSi 为第 i 层土壤氮储量（t/hm2）；Ci 为第 i 层土壤全氮含量（g/kg）；Di 为第 i 层的容重（g/cm3）； di 为第 i 层的土壤厚度（cm）。
1.5 数据处理分析
使用 Excel2019 完成数据整理，通过 SPSS 27.0 进行单因素方差分析（One-way ANOVA）及 GraphPad Prism 8.0 绘图。通过 Origin 2024 进行 Pearson 相关性分析及绘图，相关性分析中，土壤物理性质、碳氮组分及碳氮储量均采用 7 月中旬的数据。最后利用 R“vegan”包进行冗余分析 （RDA）。各处理下 0～40 cm 土层数据依据不同土层（0～10、10～20、20～40 cm）所占比例进行加权平均计算。
2 结果与分析
2.1 不同土地利用方式下土壤物理性质的分布特征
表2显示，土地利用方式对土壤物理性质具有显著影响。0～10 cm 土层中，相较于 AL 处理， PA 处理显著降低了土壤容重和 pH 值，同时显著提高了孔隙度、含水量和储水量（P<0.05）；10～20 cm 土层中，相较于 AL 处理，PA 处理同样显著降低了土壤容重和 pH 值，提高了孔隙度、含水量和储水量，而 HR 和 WF 处理则提高了土壤容重 （P<0.05）；20～40 cm 土层中，相较于 AL 处理， PA 处理显著降低了 pH 值，HR 和 PA 处理显著提高了含水量和储水量，WF 处理显著提高了土壤容重和 pH 值，降低了孔隙度（P<0.05）。0～40 cm 土层，相较于 AL 处理，PA、HR 和 MS 处理均显著降低了土壤容重和 pH 值，尤以 PA 处理最低，且 PA 处理显著提高了孔隙度、含水量和储水量， WF 处理显著提高了土壤容重和 pH 值（P<0.05）。此外，各处理下的土壤容重、含水量、储水量和 pH 值均随土层加深呈逐渐增大的趋势，而孔隙度则随土层加深呈递减趋势。
2.2 不同土地利用方式下土壤碳组分的分布特征
由图2可知，各处理下土壤 SOC、DOC 和 EOC 含量变化趋势一致，均随植被生长时间呈先增后降趋势。而 PA、HR 和 AL 处理 MBC 含量的变化趋势与 SOC 相同，均先增后降；但在 MS 处理下呈逐渐递增趋势，WF 处理下则逐渐递减。综合来看， PA 和 HR 处理较 AL 处理显著增加了 SOC、MBC、 DOC 和 EOC 含量（P<0.05），而 WF 处理则降低了 SOC、MBC、DOC 和 EOC 含量。
表25 种土地利用方式对 7 月中旬土壤物理性质的影响
注：不同大写字母表示相同处理下不同土层间差异显著（P<0.05），不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著（P<0.05）。
图25 种土地利用方式下植被生长不同时间土壤碳组分的分布特征
注：不同大写字母表示相同处理下不同采样时间差异显著（P<0.05），不同小写字母表示同一采样时间不同处理间差异显著（P<0.05）。图4同。
图3显示，SOC、MBC 含量在 PA 处理下各土层最高，AL 和 WF 处理下则较低（P<0.05）。DOC 含量在 PA 处理下各土层最高，而在 0～10 cm 土层以 WF 处理最低，10～20 和 20～40 cm 土层则在 MS、 AL、WF 处理下均处于最低水平（P<0.05）。EOC 含量在 0～10 和 20～40 cm 土层以 PA 处理最高，10～20 cm 土层以 PA 和 MS 处理最高（P<0.05），而 WF 处理下各土层均最低。从 0～40 cm 土层整体分析，相较于 AL 处理，PA、HR、MS 处理均提升了 SOC、MBC、DOC 和 EOC 含量，其中以 PA 处理的增幅最高，具体而言，PA 处理使 SOC、 MBC、DOC 和 EOC 含量分别提升了 80.1%、55.0%、 20.0%、23.9%，而 WF 处理则使得 SOC、DOC 和 EOC 含量分别下降了 12.9%、6.67%、4.62%。此外，随着土层深度的增加，各处理下的 SOC、MBC、 DOC 和 EOC 含量均呈现递减趋势。
图35 种土地利用方式下的土壤碳组分的垂直变化特征
注：不同大写字母表示相同处理下不同土层间差异显著（P<0.05），不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著（P<0.05）。图5、图6 同。
2.3 不同土地利用方式下土壤氮组分的分布特征
图4显示，PA、MS、AL 和 WF 处理下 TN 含量随植被生长时间呈先增后降的动态变化，而在 HR 处理下为先降后增。各处理下 MBN 和 DON 含量变化趋势相同，也随植被生长时间先增后降。PA、HR、MS、 AL 处理下 DTN 含量同样随植被生长时间先增后降，但在 WF 处理下呈递减趋势。综合来看，PA 较 AL 处理显著增加了 TN、MBN、DTN 和 DON 含量（P<0.05）。
图45 种土地利用方式对植被生长不同时间土壤氮组分的分布特征
图5显示，MS 处理的 TN 含量在各土层均最高，0～10 和 10～20 cm 土层中 AL、WF 处理最低，20～40 cm 土层 WF 处理最低（P<0.05）。PA 处理 MBN 含量在各土层均最高，0～10 和 10～20 cm 土层 AL 和 WF 处理最低，20～40 cm 土层 AL 处理最低（P<0.05）。DTN 含量在 0～10 和 10～20 cm 土层 WF 处理最高，20～40 cm 土层 PA 处理最高，而 HR 处理各土层均最低（P<0.05）。DON 含量在 PA 处理各土层均最高，0～10 和 10～20 cm 土层 HR 处理最低，20～40 cm 土层则 WF 处理最低（P<0.05）。整体分析 0～40 cm 土层，相较于 AL 处理，PA 处理的 TN、MBN、DTN、DON 的含量分别显著提升了 31.3%、29.2%、9.09%、 24.4%（P<0.05）。此外，随着土层深度的增加，不同处理的 TN、MBN、DTN、DON 含量均呈递减趋势。
图55 种土地利用方式下的土壤氮组分的垂直变化特征
2.4 不同土地利用方式下土壤碳氮储量分布特征
图6表明，同一土层中，PA 处理的碳储量最高，WF 处理最低（P<0.05）；MS 处理的氮储量最高，PA 和 HR 处理次之，AL 和 WF 处理则最低 （P<0.05）。整体分析 0～40 cm 土层，相较于 AL 处理，PA、HR、MS 处理的碳、氮储量分别增加了 7.12%、2.76%、3.96% 和 30.5%、11.0%、37.8%，而 WF 处理显著降低了 12.9% 和 7.32%（P<0.05）。此外，各处理的碳、氮储量均随着土层深度的增加呈先降后升的趋势。
图65 种土地利用方式对土壤碳、氮储量的影响
2.5 土壤物理性质与碳氮组分和碳氮储量的关系
图7a表明土壤物理性质与碳组分相关性分析表明，土壤容重和 pH 与 SOC、MBC、DOC、EOC 呈极显著负相关（P<0.01），而孔隙度、含水量和储水量与 SOC、MBC、DOC、EOC 呈极显著正相关 （P<0.01）。土壤物理性质与氮组分的相关性分析显示，土壤容重和 pH 与 MBN、DON 存在显著负相关 （P<0.05），孔隙度、含水量和储水量与 TN、MBN、DON 存在显著正相关（P<0.05）。土壤物理性质与碳、氮储量的相关性分析显示，土壤容重与碳储量存在极显著负相关（P<0.01），孔隙度与碳储量存在极显著正相关（P<0.01），含水量和储水量与碳、氮储量存在显著正相关（P<0.05），pH 与碳、氮储量存在显著负相关（P<0.05）。碳、氮组分与碳、氮储量的相关性结果显示，SOC、MBC、DOC、EOC、TN、MBN、 DON 与碳、氮储量存在显著正相关（P<0.05）。
冗余分析结果（图7b）显示，碳、氮储量在第Ⅰ轴、第Ⅱ轴的解释率分别为 92.7% 和 6.52%，累积解释率为 99.22%，由此可知，前两个轴可以很好地反映碳、氮储量与土壤物理性质和碳、氮组分的关系。土壤容重和 pH 与碳、氮储量呈负相关，与其余因素呈正相关。此外，土壤容重、SOC、含水量、pH 对碳、氮储量的影响达到显著水平 （P<0.05），解释率分别为 38.2%、26.0%、21.4%、 7.62%，表明这些环境因子是影响碳、氮储量变化相对重要的因子。
图7土壤物理性质和碳、氮组分及其储量的关系
注：a 为相关性分析，b 为冗余分析。BD 为容重；SP 为孔隙度；SWC 为含水量；SWS 为储水量；SOC 为土壤有机碳；MBC 为微生物量碳；DOC 为溶解性有机碳；EOC 为易氧化有机碳；TN 为全氮；MBN 为微生物量氮；DTN 为溶解性全氮；DON 为溶解性有机氮；CS 为碳储量；NS 为氮储量。* 表示该因子在 P<0.05 下达到显著水平，** 表示该因子在 P<0.01 下达到极显著水平。黑线表示碳、氮储量，红线表示环境因子。
表3土壤环境因子解释率的重要性排序
注：BD 为容重；SWC 为含水量；SWS 为储水量；SOC 为土壤有机碳；MBC 为微生物量碳；DOC 为溶解性有机碳；EOC 为易氧化有机碳；TN 为全氮； MBN 为微生物量氮；DTN 为溶解性全氮；DON 为溶解性有机氮。
3 讨论
3.1 不同土地利用方式土壤碳组分的变化特征
土壤有机碳作为陆地生态系统中最大的碳库，其动态变化深刻影响着土壤肥力和生态系统功能[18]。研究发现，不同土地利用方式下土壤 SOC、DOC 和 EOC 含量呈现显著的季节动态规律，其“先增后减”的变化趋势与植被物候期耦合。这是因为植被生长初期至中期，植物光合作用旺盛，根系分泌物及凋落物输入增加，为土壤碳库提供了丰富的有机物质来源。同时，此阶段土壤微生物活性较高，促进了有机碳的积累。而到了生长末期，微生物对有机碳的分解作用增强，导致土壤碳组分下降[19]。PA 处理在整个生长时期维持了较高的碳组分含量，这可能与其庞大的生物量积累、缓慢的凋落物分解速率密切相关[20]。同时发现，该处理下孔隙度、含水量和储水量也较高，有助于维持土壤团聚体结构，对土壤碳组分起到了物理保护作用[21]。而在 10 月中旬 AL 处理的 EOC 含量显著升高，这可能是由于该时期植被开始衰败，大量新鲜有机物质进入土壤，为微生物提供了充足的底物，从而增加了活性碳组分[22]。而 MS 处理 MBC 的持续累积直接印证了豆科植物固氮效应对微生物群落的滋养作用[23]。WF 处理的 MBC 含量较低，可能是由于长期单一作物种植导致土壤微生物群落结构失衡，以及作物对土壤养分的过度吸收[24]，同时较低的含水量和储水量可能限制了植被的生长，减少了碳的输入。同时发现随着土层深度的增加，各处理的 SOC、MBC、DOC 和 EOC 含量均呈现递减趋势，这与宇文佩瑶[25]对黄土丘陵区典型林分土壤有机碳稳定性的研究结果一致。可能是表层土壤直接接受植物凋落物和根系分泌物，且微生物活性较高，因此碳含量相对较高。而深层土壤因有机物质输入减少，微生物活性降低，碳积累相对较少[26]。
3.2 不同土地利用方式土壤氮组分的变化特征
氮作为有机分子的基本元素和土壤的主要养分，在生物活动中起着至关重要的作用，有机碳和无机氮水平的任何变化都会显著影响土壤的化学特性和微生物群落组成[27-28]。本研究发现，在植被生长的不同时期，MBN 与 DON 含量的季节波动与氮组分呈现显著协同性，进一步说明了微生物作为碳、氮转化枢纽的关键作用[29]。相关性的结果也说明了它们之间协同的关系。PA 处理因其土壤容重低、孔隙度高且含水量充足，为微生物的繁衍与活动创造了绝佳环境。有研究指出，高孔隙度土壤有利于氧气与养分的高效传输，能够显著增强微生物对有机氮的矿化作用[30]。此外，还依赖于地表凋落物及动植物残体分解产物的输入量，以及生物固氮作用和水流携带养分补给[31]，云杉林地拥有稳定的凋落物输入和复杂的微生物群落，所以 PA 处理的 MBN 和 DON 含量在各时期显著高于其他处理。反观 AL 和 WF 处理，尤其是 WF 处理的土壤容重较高，会导致土壤形成紧实结构，严重阻碍了气体和水分的顺畅交换，也极大抑制了微生物活性，使得氮素矿化与转化过程大幅减少[32]，导致 MBN 含量较低。MS 处理凭借豆科植物强大的固氮作用，在各阶段都能保持较高氮含量[33]。各处理下土壤氮组分含量均随土层加深而递减，这与刘晴廙等[34]的研究结果相符。同样可能与土壤的物理性质密切相关。表层土壤因孔隙度高、含水量大，有利于微生物活动和氮素转化，加之凋落物和根系分泌物输入量大，所以氮素含量高；深层土壤压实程度增加，表现为容重上升、孔隙度降低，微生物活性受限，导致氮素含量降低。
3.3 不同土地利用方式土壤碳、氮储量的变化特征
本研究表明，不同土地利用方式对土壤碳、氮储量产生显著影响，且二者在垂直分布上呈现相似趋势，这一现象与土壤物理性质及生态系统功能密切相关。PA 处理凭借稳定的植被覆盖和低强度人为干扰，在各土层中保持着最高碳储量，这一结论与“林地通过持续凋落物输入和稳定的土壤结构促进碳固存”的观点一致[35]。WF 处理碳储量最低，其土壤具有高容重、低孔隙度的特征，原因可能是小麦在种植过程中存在常年浅表旋耕的情况，有研究表明，旋耕会使 0～10 cm 土层容重较免耕和免耕秸秆覆盖处理高，这与本研究小麦地具有高容重特征结果一致[36]。类似地，祝飞华[37]的研究也表明，旋耕处理使得土壤 0～10 和 10～20 cm 土层容重有增大趋势，说明连年浅旋耕是导致土壤耕层密实、土壤物理性质严重退化的原因之一。且这些特征会加剧土壤压实，破坏团聚体结构，进而加速了有机碳的分解与流失，这与“高强度耕作导致土壤碳库退化，保护性耕作可以提高土壤团聚体质量，减少土壤碳枯竭”的研究结论相符[38]。本研究发现，MS 处理的氮储量最高，可能与其生物学特性密切相关。苜蓿作为豆科植物，根系与根瘤菌共生可高效固氮，直接增加土壤氮输入[39]；同时，其地上部生物量较高，凋落物分解后向土壤归还的氮素较多[40]。AL 和 WF 处理氮储量最低，这可能是由于氮肥利用率低及反硝化作用导致氮素损失。有研究表明，硝态氮肥在高 pH 土壤中会由于反硝化作用以气体形式流失，从而造成极低的氮素淋溶损失[41]，而 WF 处理的 pH 较高，这与该处理中氮储量锐减的现象吻合。此外，各处理碳、氮储量在垂直剖面上均呈现先降后增的趋势，该现象可能与土壤物理性质的剖面变化紧密相关。表层土壤虽接收了大量凋落物输入，但较高的微生物活性加速了碳、氮分解；深层土壤与地表植被的关联较弱，导致碳、氮输入有限，同时其生物活动也较弱，造成碳、氮循环速率较慢[42]。
3.4 土壤物理性质和碳、氮组分及其储量之间的相关性
土壤物理性质与碳、氮组分及其储量的显著相关性，揭示了土壤结构与理化特性对碳、氮循环的影响。研究发现，土壤容重和 pH 与 SOC、MBC 等碳组分及 MBN、DON 等氮组分呈负相关，反映出高容重会限制土壤通气性和抑制微生物活性[43]，而碱性环境可能通过抑制酶促反应，共同导致碳、氮固持能力下降[44]；而孔隙度、含水量及储水量的正相关性则表明，疏松的土壤结构与适宜的水分条件不仅有利于促进植物根系生长和凋落物输入，还能维持微生物代谢活动，加速有机物质的分解与转化，强化碳、氮固存[45-46]。碳、氮组分中，SOC、TN 含量等与碳、氮储量的显著正相关印证了稳定组分对储量的直接贡献，而 DTN 含量与氮储量无显著关联，这与 DTN 的生物地球化学特性密切相关，DTN 作为高度活性的氮形态，易通过淋溶（尤其在高含水量土壤中）或植物吸收快速流失，而氮储量反映的是长期累积的稳定态氮库，二者时间尺度的差异导致关联弱化[47]。冗余分析 99.22% 的累积解释率表明，前两轴能够有效表征碳、氮储量与环境因子的关系，其中土壤容重、 SOC、含水量及 pH 等重要因子的显著影响，凸显了土壤物理结构与有机碳库在影响碳、氮储量中的重要地位，为土壤氮素的精准管理提供了重要依据。
4 结论
在陇中黄土高原半干旱区，土地利用方式对土壤特性影响显著，相较于 AL 处理，PA、HR 和 MS 处理可提升土壤孔隙度、含水量及储水量，而 WF 处理则会提高土壤容重与 pH 值；同时，各处理的土壤碳、氮组分含量均呈现随植被生长进程先增加后降低，且随土层深度增加逐渐降低的时空分布特征。此外，相较于 AL 处理，PA、HR、MS 处理能增加土壤碳、氮储量。相关性分析结合冗余分析进一步显示，土壤容重、SOC、含水量和 pH 是影响碳、氮储量的重要因子。综上所述，优化土地利用方式可有效改善半干旱区土壤物理性质，并提升土壤碳、氮含量。