在半干旱黄土高原区，选择何种利用模式和耕作制度提高农田生产力，解决耕地退化问题一直是我国科学界致力于解决的重大理论与实践问题。近年来倍受推崇的生态化学计量学（Ecological stoichiometry）方法可能是一个很好的思路。"生态化学计量学"结合生物学、化学和物理学等基本原理，研究生态系统能量和多重化学元素平衡，为研究C、N、P等主要元素在生物地球化学循环和生态过程中的计量关系和规律提供了一种综合方法。本研究以此入手，通过对不同轮作系统"植物残体-土壤有机质-土壤微生物-活体植物"体系中C、N、P化学计量学特征分析，揭示元素添加对农田生态系统C、N、P化学计量学特征、土壤质量的影响，以及土壤-根系界面C、N、P化学计量学特征对土壤有效态养分转化的影响，探索主要元素化学计量特征与生产力之间的相互作用关系，为本地区耕地可持续利用提供科学依据。

高效稳定环境友好的种植制度，边际土地的合理利用是半干旱黄土区生态环境建设的核心目标。认识养分元素在作物-土壤-微生物连续体中的循环和驱动机制是实现这些目标的关键。生态化学计量学(CNPes)为研究元素平衡以及相互作用等问题提供了新的思路。通过对作物轮作体系、人工苜蓿草地、封育植被养分添加以及植物残体分解等试验了解了土壤CNPes特征的驱动因子。结果表明，作物序列根系中元素的相对含量是土壤CNPes变化的主要驱动因素。并且发现根系元素存在一些关键比值点：作物序列根系C:N比在大于25、40时分别会导致土壤MBC含量和C:N比升高，但地膜覆盖措施有改变这些规律的倾向。研究结果还表明，1年生作物轮作体系不能维持土壤有机C、TN和TP的平衡，并且有增大土壤N素和P素之间差距的趋势，而且从结果推测，P素的亏缺可能将成为今后作物生产的限制因子。但人工苜蓿草地表现出的维持表层土壤P素平衡的作用，可能会在苜蓿-作物轮作中缓解P缺乏的现象。另外还发现，养分添加并不能直接影响土壤的CNPes，而是通过调节植被的根冠比，进而对土壤性质产生影响。不同植物残体的CNPes特征决定了它们的分解速度和养分释放规律。