本研究依托国家牧草产业技术体系专项(CARS-35)资助，于2010年开始在甘肃荒漠灌区与旱作农业区就苜蓿轮作方式对土壤理化性质的影响展开研究，通过分析不同轮作处理方式下土壤理化性质的变化特征，筛选有利于用地养地结合的种植方式。同时权重轮作模式对土壤质量因子的影响程度，筛选出适宜于评价轮作方式的土壤质量的评价指标，为不同轮作方式下的土地利用及调控管理提供理论依据与实践支撑。主要研究成果如下：1、通过研究不同轮作处理下0-100cm土壤剖面土壤有机碳、氮变化特征发现，在灌溉区，“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”轮作方式与五龄苜蓿草地相比，五龄苜蓿草地在0-100cm有机碳、全氮含量均值高于轮作土壤14.49%、3.4%，五龄苜蓿草地具有显著的碳汇优势；“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”轮作方式与连作玉米相比，轮作模式下在0-100cm有机碳均值高于连作值2.4%，同层土壤相比有机碳在轮作模式下分别高于连作模式16.9%、15.6%、6.9%、-2.5%、3.7%、-1.1%、0%、6.7%、-16.3%、-22.5%。在旱作区“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”轮作方式与与五龄苜蓿草地相比，20-100cm土层范围内有机碳含量差异显著（P＜0.05），且五龄苜蓿草地在0-30cm范围内的有机碳均值高于轮作模式9.5%。旱作区土壤在“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”“五龄苜蓿草地”“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”“玉米→玉米→小麦→玉米→玉米”种植方式下，0-100cm土壤剖面上有机碳含量比撂荒土壤高出40%、49.62%、66.29%、54.81%，全氮高出79.54%、81.81%、79.54%、59.09%，这表明任何一种作方式均能够提升土壤有机碳、氮含量，多年苜蓿种植或苜蓿（豆科）与禾本科作物轮作优于禾本科连作或轮作。2、通过研究不同轮作处理下0-100cm土壤剖面土壤团粒结构特征发现，干筛处理下，旱作区，“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”轮作方式下，在0-20cm土层，＞0.25mm粒径的质量积累分别高出“五龄苜蓿草地”、“玉米→玉米→小麦→玉米→玉米”、“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”为9.44%、23.28%、16.92%；在20-40cm分别高出10.78%、22.21%、15.19%，这说明轮作方式“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”是在干晒处理下筛选出的具有最佳团粒结构的种植方式。灌溉区，“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”轮作方式下，在0-20cm土层，＞0.25mm粒径的质量积累分别高出“五龄苜蓿草地”、“玉米→玉米→玉米→玉米→玉米”、“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”为17.43%、14.61%、6.96%；在20-40cm分别高出5.41%、15.63%、6.69%，这说明轮作方式“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”是在干晒处理下筛选出的具有最佳团粒结构的种植方式。湿筛处理下，旱作区，“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”轮作方式下，在0-20cm土层，＞0.25mm粒径的质量积累分别高出“五龄苜蓿草地”、“玉米→玉米→小麦→玉米→玉米”、“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”33.85%、67.62%、60.89%，在20-40cm土层分别高出9.68%、45.43%、10.38%，这说明轮作方式“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”是在湿晒处理下筛选出的具有最佳团粒结构的种植方式。灌溉区，轮作模式“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”，在0-20cm土层，＞0.25mm粒径的质量积累分别高出“五龄苜蓿草地”、“玉米→玉米→玉米→玉米→玉米”、“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”1.94%、107.14%、90.09%；在20-40cm土层，分别高出4.94%、98.82%、78.23%，这说明轮作方式“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”是在湿晒处理下筛选出的具有最佳团粒结构的种植方式。3、在不同轮作处理下随着土壤深度的增加，＞0.25mm土壤团粒质量在干筛和湿筛处理下均呈现降低的趋势，0～20cm土层，分形维数小于20～40cm土层。团聚体各粒级的组成比例，干筛处理下，以>5mm的土壤团聚体含量最高，2～5mm团聚体含量次之,0.25～0.5mm团聚体含量最少。湿筛处理下，以粒径为0.25-0.5mm的土壤团聚体含量最高，其它粒径团聚体含量依粒径的增大而降低。从质量来看，大于0.25mm粒径颗粒的总质量轮作方式高于连作方式。4、通过研究不同轮作处理下0-100cm土壤剖面土壤含水量特征发现，在旱作区，五龄苜蓿草地与轮作模式“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”相比，在0-100cm土层范围土壤含水量差异显著（P＜0.05），在0-40cm范围内，五龄苜蓿草地土壤含水量高出轮作模式19.12%；在灌区，五龄苜蓿草地土壤含水量高于轮作模式“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”，在0-20、20-40、40-60、60-80范围内，五龄苜蓿草地土壤含水量比轮作模式高出1.8%、9%、13.9%、14.11%，这说明多年生苜蓿较苜蓿轮作模式在土壤表层具有显著的集水作用，反映出多年生苜蓿较强的抗旱性。5、通过研究不同轮作处理方式下土壤团粒与土壤含水量的相关性，发现＜0.25mm土壤团粒质量与含水量均呈现负相关性关系，四种轮作模式下负相关性更高，R2分别达到了0.6999、0.7318、0.6263和0.8157，连作模式下负相关性较低，分别达到0.476、0.467、0.4555和0.3962。6、通过研究不同轮作处理下0-100cm土壤剖面土壤容重特征发现，在旱作区，五龄苜蓿草地与轮作模式“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”相比，土壤容重在20-60cm范围内差异显著（P＜0.05），并且在0-80cm范围内五龄苜蓿草地容重均高于同层轮作模式下的土壤；在灌溉区，五龄苜蓿草地土壤容重在0-100cm范围内均高于同层的轮作模式“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”，并且两种种植模式0-40cm范围内容重值差异显著（P＜0.05）。7、通过研究轮作处理方式下0-100cm土层范围内土壤容重与土壤理化因子相关性发现，土壤容重与土壤含水量、土壤有机质、土壤团粒的分形维数、有机碳、全氮、孔隙度呈现极显著相关性（p＜0.01）。土壤容重与分形维数呈正相关，与土壤含水量、土壤有机质、有机碳、全氮、孔隙度呈负相关关系。8、通过研究不同轮作处理下0-100cm土壤剖面土壤细菌数量特征发现，在旱作区，五龄苜蓿草地细菌数量相比轮作方式“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”，在10-100cm范围内差异显著（P＜0.05）,且轮作模式下细菌在土壤0-100cm范围内总数量高于五龄苜蓿草地14.1%。耕作方式“玉米→玉米→小麦→玉米→玉米”与“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”相比，“豆科-禾本科”模式下的细菌数量高出“禾本科-禾本科”模式下的细菌数量15.6%、10.98%、17.06%、23.32%、52.8%、28.73%、34.2%、12.82%、14.33%、22.59%，并且两种耕作模式下的细菌数量在10-50cm土层差异显著（P＜0.05）。与撂荒(CK)同层土壤比较，轮作方式“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”相比其它耕作方式对细菌数量提升幅度最大，10层土壤分别提高了82.97%、282.64%、191.09%、279.11%、177.54%、-7.86%、65.92%、164.36%、474.59%、215.86%，这说明轮作方式“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”是最佳提升细菌的种植方式。在灌溉区，轮作方式“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”在0-50cm各土层范围内，细菌数量均高于五龄苜蓿草地，并且在10-100cm范围内细菌数量差异显著（P＜0.05）；轮作模式“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”的细菌数量高于“玉米→玉米→玉米→玉米→玉米”连作值，且两者数值差异显著（P＜0.05），这说明豆禾轮作方式是有利于提高细菌数量。9、通过研究不同轮作处理下0-100cm土壤剖面土壤真菌数量特征发现，在旱作区，五龄苜蓿草地真菌数量相比轮作方式“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”，在0-40cm范围内差异显著（P＜0.05），且轮作模式下的真菌数量比五龄苜蓿草地小23.6%；“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”轮作方式下的真菌数量在0-100cm范围内均值小于“玉米→玉米→小麦→玉米→玉米”方式10.03%，且在0-40cm土层范围内两种耕作方式下的真菌数量差异显著（P＜0.05）。在灌溉区，轮作模式“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”相比五龄苜蓿草地能明显降低真菌数量，并且在0-100cm土层范围内，真菌数量差异显著（P＜0.05）。在0-70cm土层范围内“玉米→玉米→玉米→玉米→玉米”连作与“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”轮作土壤真菌数量差异显著（P＜0.05），且0-40cm范围内轮作方式真菌数量小于连作方式。在旱作区“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”相比其它耕作方式，对土壤真菌数量降低幅度最大，这说明草田轮作方式能降低真菌数量。在灌溉区“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”轮作方式相比其它耕作方式，对土壤真菌数量降低幅度最大，这说明豆科与禾本科轮作也能有效降低真菌数量。10、通过研究不同轮作处理下0-100cm土壤剖面土壤放线菌数量特征发现，在旱作区，五龄苜蓿草地放线菌在10-20、20-30、30-40cm土层的数量分别比轮作模式“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”数量低19.6%、25.6%、26.7%，且在0-40cm范围放线菌数量差异显著（P＜0.05）；在0-40cm土层范围内，耕作方式“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”放线菌数量大于耕作方式“玉米→玉米→小麦→玉米→玉米”，并且在此范围内两者数量差异显著（P＜0.05）。与撂荒(CK)同层土壤比较，轮作方式“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”相比其它耕作方式对放线菌数量提升幅度最大，10层土壤分别提高了65.99%、3.86%、48.86%、50.26%、15.34%、6.97%、22.4%、75.47%、95.79%、93.75%。在灌溉区，轮作模式“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”比五龄苜蓿草地更有利于放线菌数量的积累，轮作模式下的放线菌数量均值比五龄苜蓿草地均值高出27.95%，在0-50cm土壤范围内两种模式下的土壤放线菌数量差异显著（P＜0.05）；在20-100cm土层范围内轮作模式“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”放线菌数量高于连作模式“玉米→玉米→玉米→玉米→玉米”，并且在10-80cm范围内两种模式下的放线菌数量差异显著（P＜0.05），这说明豆禾轮作方式是有利于提高放线菌数量。11、通过研究不同轮作处理下0-100cm土壤剖面土壤脲酶活性特征发现，在旱作区，在20-90cm土层范围内，轮作模式“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”土壤脲酶活性均高于五龄苜蓿草地，在0-30cm和40-70cm土层范围内两者脲酶差异显著（P＜0.05）；在轮作模式“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”，0-10、10-20、20-30cm土层中，脲酶活性分别高出“玉米→玉米→小麦→玉米→玉米”同层土壤88%、126%、140%，且30-80cm土壤范围内5层土壤脲酶活性差异不显著（P＞0.05）。在灌溉区，0-80cm土层轮作模式“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”脲酶活性均高于五龄苜蓿草地同层土壤，在0-100cm范围内轮作模式下的脲酶活性均值高于五龄苜蓿草地9.3%；在10-40cm土层范围，轮作模式“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”与连作模式“玉米→玉米→玉米→玉米→玉米”脲酶活性差异显著（P＜0.05），在0-40cm范围内四层土层轮作脲酶活性值分别比连作值高出17.4%、52.7%、98.6%、45.7%，这说明豆科与禾本科轮作有利于脲酶活性的增加。12、通过研究不同轮作处理下0-100cm土壤剖面土壤过氧化氢酶活性特征发现，在旱作区，0-90cm土层范围内，五龄苜蓿草地过氧化氢酶活性与“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”轮作模式下土壤差异显著（P＜0.05），且轮作模式下的酶活性均值比五龄苜蓿草地高16.7%；在轮作模式“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”下，0-80cm土层范围内过氧化氢酶活性均高于耕作模式“玉米→玉米→小麦→玉米→玉米”，且两者活性差异显著（P＜0.05）。与撂荒(CK)同层土壤比较，轮作方式“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”相比其它耕作方式对过氧化氢酶活性提升幅度最大，10层土壤分别提高了133.53%、159.76%、50.56%、77.07%、84.43%、8.57%、22.03%、35.13%、1.55%、-16.5%。在灌溉区，在0-80cm土层范围内轮作模式“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”下土壤过氧化氢酶活性均高于五龄苜蓿草地同层土壤，并且两者差异显著（P＜0.05）；连作模式“玉米→玉米→玉米→玉米→玉米”与轮作模式“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”同层土壤相比，0-40cm范围内4层土层过氧化氢酶活性差异显著（P＜0.05），并且轮作酶活性值比连作值分别高29.17%、34.6%、34%、9.5%。以上研究说明豆科与禾本科轮作有利于过氧化氢酶活性的增加。13、通过研究不同轮作处理下0-100cm土壤剖面土壤蔗糖酶活性特征发现，在旱作区，在0-40cm范围内，轮作模式“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”土壤蔗糖酶活性高于五龄苜蓿草地，在0-50cm土层范围内两者差异显著（P＜0.05），在0-100cm范围内轮作模式下蔗糖酶活性均值高于五龄苜蓿草地25.9%；0-100cm范围内“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”蔗糖酶活性均值高于耕作模式“玉米→玉米→小麦→玉米→玉米”30%，且在0-30cm土层范围内两者蔗糖酶活性差异显著（P＜0.05）。与撂荒(CK)同层土壤比较，轮作方式“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”相比其它耕作方式对蔗糖酶活性提升幅度最大，10层土壤分别提高了549.75%、508.86%、517.2%、353.9%、273.55%、237.23%、155.36%、208.7%、182.14%、1057.14%。在灌溉区，在10-50cm范围内轮作方式“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”蔗糖酶活性高于五龄苜蓿草地，并且在0-40cm范围内两种土壤蔗糖酶活性差异显著（P＜0.05）；在0-80cm范围内连作模式“玉米→玉米→玉米→玉米→玉米”与轮作模式“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”蔗糖酶差异显著（P＜0.05），轮作模式下蔗糖酶活性均值高于连作模式9.1%。以上研究说明豆科与禾本科轮作有利于蔗糖酶活性的增加。14、在本研究的两个生态农业区8种轮作处理方式中，根据主成分分析法得到：P综合=0.38438P1+0.27953P2+0.19456P3+0.14435P4，依据主要的碳氮因子P1、土壤质地因子P2、土壤微生物因子P3、土壤含水量因子P4对八种轮作处理方式进行了评价与排序，从优势种植模式到劣势依次为：灌溉区：“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”、“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”“五龄苜蓿草地”、“玉米→玉米→玉米→玉米→玉米”旱作区：“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”、“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”“五龄苜蓿草地”、“玉米→玉米→小麦→玉米→玉米”综合排序：（灌溉区）“小麦→豌豆→小麦→豌豆→玉米”、（旱作区）“小麦→玉米→小麦→豌豆→玉米”、（旱作区）“苜蓿→撂荒→玉米→玉米→苜蓿”、（灌溉区）“苜蓿→玉米→玉米→小麦→苜蓿”、（旱作区）“五龄苜蓿草地”、（灌溉区）“五龄苜蓿草地”（旱作区）“玉米→玉米→小麦→玉米→玉米”、（灌溉区）“玉米→玉米→玉米→玉米→玉米”