在旱作区以玉米、紫花苜蓿、小麦、马铃薯、大豆为轮作供试作物；以玉米-苜蓿（编号C-A），玉米-马铃薯（编号C-P），玉米-大豆（编号C-S）和玉米-小麦（编号C-C）4种轮作模式作为处理，玉米连作（编号C-C）模式作为对照，试验设3次重复。用内径10cm的土钻在各样地内随机采集3钻土样（2层每层20cm），将土样带回实验室。将混匀分好的土样装入自封袋，于实验室去掉植物根系、石块等，取部分土样放入4度冰箱保存用以测定土壤微生物碳和氮，剩余部分置于室内干燥通风处自然阴干，用于土壤酶活性、有机碳与全氮指标的测定。
土壤总有机碳(TOC)含量的测定采用重铬酸钾外加热法;全氮(TN)含量的测定采用凯氏定氮法。土壤微生物碳(MBC)含量的测定采用氯仿熏蒸法;土壤微生物氮(MBN)含量的测定采用氯仿熏蒸法。蔗糖酶(SG)活性的测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法;脲酶(UR)活性的测定采用靛酚比色法，以NH3-N mg/g表示;过氧化氢酶(CG)活性的测定采用高锰酸钾滴定法。
不同轮作模式土壤总有机碳含量随土层深度的增加呈降低趋势，且不同土层间差异显著(P<0.05),变化范围为14. 07%~ 16.38%。在0~20 cm土层,土壤总有机碳含量以C-A轮作模式最高,C-C最低,其中C-A,C-P,C-S,C-W有机碳含量显著高于C-C处理(P<0.05);在20~40cm土层,土壤有机碳含量表现与0~20cm土层基本一致,C-A,C-P,C-S,C-W与C-C差异显著(P<0.05)。与试验开展前土壤相比,玉米连作模式土壤有机碳含量下降最为明显，说明玉米轮作模式更有利于土壤有机碳的积累,且不同轮作模式对土壤有机碳含量影响表现出差异性。
土壤微生物碳含量随土层深度的增加呈降低趋势,且不同土层间差异达显著水平(P<0.05),变化范围为16.52%~25.79%。在0~20cm土层，微生物量碳含量表现为C-A最高,C-P最低,C-A,C-S,C-W显著高于C-C处理(P<0.05);在20~40cm土层，微生物碳含量表现与0~20 cm土层基本致,C-A,C-S和C-W处理的微生物碳含量显著高于C-C处理(P<0.05)。
3.2不同轮作模式对土壤氮含量的影响
土壤全氮含量随土层深度的增加呈降低趋势,不同土层间差异达显著水平(P<0. 05) ,变化范围为4.35%~15.59%。在0~20cm土层中,土壤全氮含量排序为C-S最高,C-C最低,C-S,C-A,C-W和C-P显著高于C-C处理(P<0.05);在20~40cm土层，微生物碳含量表现与0~20cm土层基本致,C-A,C-S和C-W处理的微生物碳含量显著高于C-C处理(P<0.05)。说明轮作较连作模式有利于维持土壤全氮含量;在20~40cm土层中,土壤全氮含量表现为C-A最高,C-C处理最低，相比于C-C处理,C-A,C-S提高显著(P<0.05),C-P,C-W无显著差异(P>0.05)。较初期土壤比,C-C模式土壤全氮含量有所降低，而C-A,C-S模式土壤全氮含量呈明显上升趋势。
不同轮作模式下土壤微生物氮含量随土层深度的增加呈降低趋势,且不同土层间差异显著(P<0.05),变化范围为4.45%~13.74%。在0~20cm土层中，土壤微生物氮含量的大小表现为CS最高,C-C最低,其中C-A,C-P,C-S,C-W显著高于C-C处理(P<0.05);在20~40cm土层中，土壤微生物氮含量表现与0~20cm土层基本一致，C-A,C-P,C-S显著高于C-C处理(P<0.05)。
3.3不同轮作模式对土壤酶活性的影响
土壤蔗糖酶活性随着土层深度的增加呈降低趋势，且不同土层间差异显著(P<0.05),变化范围为3.53%~20.22%。在0~20cm土层中,土壤蔗糖酶活性表现为C-S最高,C-C最低,C-A,C-S和C-W显著高于C-C处理(P<0.05);在20~40cm土层中,土壤蔗糖酶活性表现C-W最高,C-A,C-P,C-S和C-W显著高于C-C处理(P<0.05)。说明轮作模式土壤熟化程度比连作高，有利于增加土壤中的营养物质。
土壤脲酶活性总体随土层深度的增加而降低,且土层间差异达显著水平(P<0.05),变化范围为7.24%~19.78%。在0~20 cm土层中,土壤脲酶活性的表现为C-P最高,C-C最低,C-A,C-P,C-S土壤脲酶活性显著高于C-C处理(P<0.05);20~40 cm土层脲酶活性表现为C-A最高，C-C处理其余处理差异不显著(P>0.05),说明不同轮作模式对下层土壤脲酶活性影响较小。
土壤过氧化氢酶活性随着土层深度的增加呈降低趋势,土层间差异显著(P<0.05),变化范围为16. 95%~29.14%。在0~20 cm土层,土壤过氧化氢酶活性大小表现为C-W最高,C-C最低，C-A,C-P和C-W显著高于C-C处理(P<0.05);20~40cm土层中，土壤过氧化氢酶活性表现与上层基本一致,与C-C处理相比,C-A和C-W过氧化氢酶活性显著提高,说明轮作较连作更有利于增强土壤生物氧化过程。
3.4不同轮作模式土壤碳氮含量与酶活性特征聚类分析
根据不同指标间差异,利用origin9.1软件对5种种植模式的土壤养分数据进行Z分数标准化,接近+1.5表示该轮作模式下养分含量较高,接近-1.5表示养分含量较低,后进行相似性聚类分析,将种植模式分为3组。C-A与C-S轮作模式的土壤养分状况聚类距离最近,距离值为0.96,聚集在组1中,C-W与C-C模式聚类距离值为3. 08,聚集在组2;C-P模式接着与组1聚集在组3,聚类距离值为3. 47。说明C-A与C-S轮作模式的土壤养分状况相似度最高,且土壤肥力表现较好。
本实验从土壤碳、氮含量和土壤酶活性的角度,发现有豆科作物参与的轮作模式改良旱作区土壤碳、氮含量及土壤酶活性效果最好。在旱作区采用玉米玉米连作与玉米作物轮作方式下,全氮含量以玉米-苜蓿、玉米大豆轮作模式最高;总有机碳含量以玉米-苜蓿,玉米连作模式较高,玉米作物轮作较低;微生物量碳、氮含量以玉米-苜蓿、玉米-马铃薯轮作模式最高;蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性以玉米-大豆、玉米一马铃薯和玉米-小麦轮作模式最高,玉米-玉米连作模式最低，轮作的种植方式较连作相比可以有效培肥地力。聚类分析表明,玉米-苜蓿和玉米-大豆轮作模式土壤养分状况相似度最高,土壤肥力状况较好。
