来源：《土壤通报》2018年10期
作者：吴汉卿，张玉龙，张玉玲，邹洪涛，虞娜*
单位：沈阳农业大学土地与环境学院，农业部东北耕地保育重点实验室
土壤氮素是作物生长必需因素, 也是最重要的限制因子。近年来, 氮肥的粗放式施用, 导致作物产量、品质下降的同时, 也带来氮肥利用效率低、氮素损失严重和供氮潜力低等问题。土壤有机氮是矿质氮的源和库, 占全氮90%以上, 是土壤供氮潜力的主要贡献者。土壤有机氮主要存在于未完全分解的动植物残体和土壤腐殖质, 而土壤有机质调控着土壤微生物活性和氮素有效性, 进而维持或提高土壤氮素供应, 提供作物生长发育所需的氮素。土壤氮素有效性受有机氮化学形态和赋存状况的制约, 同时有机氮亦是作物氮素吸收主要形态-矿质氮的源和库。土壤有机氮组分是土壤有机氮的重要化学形态, 包括酸解铵态氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮及酸解未知态氮, 直接或间接影响土壤氮素有效性, 在土壤氮素循环中起着重要作用。因此, 研究土壤有机氮组分对开展土壤氮素有效性和供氮能力的研究具有重要意义。本文总结了近年来国内外土壤有机氮组分的研究进展, 综述了土壤有机氮组分的组成、功能及其影响因素, 并对土壤有机氮组分未来的研究重点与方向进行展望, 以期为深入开展土壤氮循环和供氮能力的研究提供理论参考。
耕层土壤 (0~30 cm) 中约有90%以上的氮素为有机氮, 其时刻处于固持-矿化的动态平衡中。目前, 对于土壤有机氮分组主要有两种分类方法, 一是用重液提取土壤, 再按有机氮中“游离”物质的比重分为比重>2.0的重组和比重<2.0的轻组;二是采用Bremner法, 用6 mol L-1HCl水解土壤12 h, 将土壤中能被酸解的氮称为酸解氮, 不能被酸解的氮称为非酸解氮, 此两种分组方法一直沿用至今。前者原理主要是根据土壤有机氮组分物理性质的不同而进行分组。后者主要是根据土壤有机氮组分的不同化学形态进行分组, 相对前者来说更为精准些。因此, 本研究主要采用Bremner酸解法分组的方法进行有机氮组分综述。按土壤有机氮的化学形态分别划分为非酸解氮和酸解氮 (主要包括酸解铵态氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮和酸解未知态氮) 。
酸解铵态氮是土壤酸水解产物中的氨, 其含量约占土壤全氮的20%~35%。其来源较为复杂, 包括来自土壤的无机氮 (主要为土壤固定态铵和吸附性铵) 、土壤酸解产物 (脱氨基或水解产生的氨基酸和氨基糖) 和酰胺类化合物。王圣瑞等研究表明, 绝大多数酸解铵态氮是来源于固定态铵, 尤其是新形成的固持氮, 固定态铵、交换性铵和全氮之间显著正相关。丛耀辉等研究表明, 酸解铵态氮是土壤可矿化氮的最主要的直接来源。Lü等研究表明, 在土壤-植物系统中, 酸解铵态氮作为一个含有大量易矿化有机氮的临时氮库。综上所述, 酸解铵态氮是土壤中主要的可直接供当季作物吸收利用的有效态氮, 其含量的高低直接影响土壤供氮潜力, 可作为土壤供氮潜力的表征。
酸解氨基酸氮是土壤氮素中已知的数量最多的一类易氧化态有机含氮化合物, 其含量约占土壤全氮的30%~50%。酸解氨基酸氮主要以有机-无机结合体形式存在, 较少存在于土壤溶液、微孔隙和吸附在其它组分, 其主要来源于土壤微生物、动植物残体及其分解产物中蛋白质、多肽等。Amelung等研究表明, 酸解氨基酸氮与土壤微生物代谢活动联系紧密, 是土壤固持氮的重要储存库。Chen等研究表明, 土壤中酸解氨基酸氮在氮素循环过程中起了重要作用, 尤其是小分子氨基酸能直接被微生物同化吸收。Li的研究指出, 酸解氨基酸氮是最主要的矿化源, 酸解氨基酸氮和酸解铵态氮是两种最重要的决定氮素矿化潜势的有机氮组分。Bardgett等的研究也进一步表明, 酸解氨基酸氮是植物吸收的有效氮的主要来源。Werdin-Pfisterer等研究也表明, 酸解氨基酸氮是土壤微生物和植物吸收有效氮的主要来源。Atanasova等研究结果表明, 土壤酸解氨基酸氮和全氮之间呈极显著正相关关系。Abdelrahman等研究表明, 土壤中酸解氨基酸氮可作为土壤有机质降解的指示指标, 其含量的增加可能主要是来源于土壤中有机质的降解。Lü等研究表明, 在土壤-植物系统中, 绝大多数酸解氨基酸氮以与微生物代谢物相关的聚合物形式存在, 在当季作物生产过程中主要是充当一个过渡氮库的作用, 从而协调土壤有效氮库和作物吸氮之间的关系。在土壤中, 以蛋白质类形态存在的酸解氨基酸氮控制着整个土壤-植物系统中的氮素循环过程。吴汉卿等研究结果表明, 酸解铵态氮和酸解氨基酸氮是设施土壤中最主要的有机氮形态, 是土壤活性氮中的主要组分。综上所述, 酸解氨基酸氮是土壤微生物和当季植物吸收利用的有效氮的主要来源, 其亦可作为土壤供氮潜力的表征。
土壤中酸解氨基糖氮主要包括两种赋存形式, 一种是为分散非均质的复合态大分子化合物, 另外一种是紧密与无机胶体结合形式, 其含量约占土壤有机氮的5%~10%。Zhang和Amulung等采用气质联用测定出的酸解氨基糖氮主要成分为氨基葡萄糖、氨基半乳糖和胞壁酸。其主要来源于土壤微生物生物合成的微生物细胞壁, 可反映土壤微生物的氮素同化吸收利用过程, 因此土壤中酸解氨基糖氮的含量与土壤微生物活性、数量和群落结构紧密有关。Wang等研究结果表明, 酸解氨基糖氮与土壤全氮、矿质氮、总有机氮间不相关, 而酸解氨基糖氮含量的提高与土壤供氮能力的增加显著相关。He等研究结果表明, 土壤氨基糖含量与土壤碳氮供应关系密切, 其中的胞壁酸在平衡碳氮供给方面具有高度循环性, 而氨基葡萄糖分解可部分满足碳源需要。酸解氨基糖氮对土壤碳氮循环中的微生物过程具有指示作用。陈坤研究结果表明, 土壤有机氮组分中仅酸解氨基糖氮与土壤微生物间显著相关, 包括放线菌、真菌和革兰氏细菌等微生物群落。He等研究表明, 氨基葡萄糖主要来源于真菌, 胞壁酸仅来自于细菌, 而氨基半乳糖多来自于真菌的贡献, 因此氨基葡萄糖与胞壁酸的比值可用来评价真菌、细菌残留物对土壤碳氮循环的贡献与作用。综上, 酸解氨基糖氮与土壤微生物代谢紧密相关, 而微生物细胞壁残留物的异源性也表明了其可作为生物标识物来推知土壤微生物代谢物转化速率、程度以及限度, 从而评估真菌和细菌在土壤碳氮循环的贡献与作用。
酸解未知态氮在最初是指酸解过程中尚未被鉴别出来的含氮化合物, 其含量约占土壤全氮的10%~20%。Nannipoeri和Eldor等研究结果表明, 核酸也是部分酸解未知态氮的来源。近年的研究表明, 土壤酸解未知态氮包括杂环态氮 (N-苯氧基氨基酸氮、非α-氨基酸氮和嘧啶、嘌呤等) 、土壤腐殖质化过程的产物和部分酸解未释放的固定态铵, 酸解未知态氮被认为是土壤活性氮的主要贡献因子。
非酸解氮是土壤酸解过程中, 氨基酸与氨基糖通过缩合作用所形成的复杂化合物, 其含量约占土壤全氮的10%~20%左右。此类化合物结构稳定, 不能被6 mol L-1的HC1酸解为单体, 因此对这部分化合物的性质和组成研究少见报道。Stevenson等研究表明, 非酸解氮和酸解未知态氮联系紧密, 其可能是一种作为桥梁联结奎宁组的分子构成物质或腐殖质中的杂环态缩聚物。Bremner研究表明, 非酸解氮包括非酸溶性土壤残渣吸附的酸解产物、难分解含氮化合物 (与土壤粘土矿物结合或位于粘土矿物晶格内) 。Lü等研究表明, 非酸解氮是与肥料氮的固持过程紧密联系的稳定氮库。张玉树等研究表明, 非酸解氮分配比例的增加会降低土壤有机氮矿化速率, 影响土壤供氮能力。有研究表明, 非酸解氮为包含蛋白质等杂环态含氮的化合物, 可以形成稳定结构的腐殖质。目前, 关于酸解未知态氮和非酸解氮的组成、来源和功能尚不清晰明了, 有待进一步研究。
姬景红等通过温室不同灌溉方式长期田间试验的研究表明, 土壤有机氮各组分含量和分配比例的差异主要存在于0~50 cm土层内, 50 cm以下差异很小。各土层沟灌处理的酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮及酸解铵态氮占全氮的比例均低于滴灌和渗灌处理, 而滴灌和渗灌处理的酸解未知态氮和非酸解氮占全氮的比例则低于沟灌处理。Tian等通过培养试验的研究表明, 增加氮沉降量和降雨量会同时降低土壤酸解氨基酸氮和酸解铵态氮含量, 增加酸解氨基糖氮含量, 进而提高土壤氮回收率及土壤供氮潜力。吴汉卿等研究表明, 灌水下限、施氮量和水氮交互对设施土壤有机氮组分影响均达到极显著水平。因此, 灌溉方法和灌溉量直接影响水分的供给方式和土壤水分的运动和剖面分布, 进而影响土壤水分有效性、土壤微生物代谢活动, 使得土壤各有机氮组分的含量和分配比例发生改变。
大量研究结果均表明, 施肥对土壤有机氮组分有显著影响。高晓宁等研究表明, 不同施肥处理对土壤有机氮各组分含量的影响顺序依次为有机无机配施>有机肥单施>化肥单施和不施肥处理。长期不同施肥措施对耕层 (0~30 cm) 土壤酸解氮各组分含量均有显著影响;单施化肥和有机无机肥配施均改变了土壤酸解氮各组分的含量和分布比例, 其中酸解氮基酸态氮含量和分配比例的提升效果最为明显。李萌等研究结果表明, 猪粪替代氮肥显著提高了稻麦轮作条件下土壤酸解总氮和酸解氨基酸氮和酸解未知态氮含量。任金凤等研究结果表明, 有机无机肥配施有效增加土壤有机氮, 进而增强土壤供氮潜力, 提高土壤肥力水平。Kwon等研究表明, 有机肥的施加显著提高土壤有机氮含量, 有机无机肥配施在增加土壤有机氮各组分含量提高供氮潜力的同时, 也可通过土壤微生物作用调节矿质氮的固持和转化。有机无机肥配施使土壤酸解总氮、酸解氨基糖氮、酸解铵态氮、酸解氨基酸氮和非酸解氮含量均增加, 而酸解未知态氮含量却降低。彭令发等研究指出, 有机无机肥配施对土壤酸解氨基酸氮和酸解未知态氮含量有显著影响, 而对土壤酸解氨基糖氮和酸解铵态氮含量的影响则较小。李丽霞等指出黄土区人工牧草地18年苜蓿连作方式对耕层土壤酸解总氮有很大影响, 其中对酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮及酸解铵态氮含量影响更大。肖伟伟等对黄土旱塬黑垆土有机氮组分发现有机肥和化肥配施对酸解氨基酸氮的影响最大。张电学等研究表明, 有机氮累积过程中, 化肥氮主要是转化为土壤酸解铵态氮和酸解氨基酸氮, 而有机肥料氮则主要转化为土壤酸解氨基酸氮。可见, 不同施肥措施对土壤有机氮组分含量和分配比例影响显著。长期不同的肥料管理模式可能会导致土壤氮素在不同的有机氮组分中进行有选择性的累积效果, 科学合理的施肥措施有助于提高土壤供氮能力。
研究表明, 土地利用方式 (早地、水田、林地) 显著影响着土壤酸解总氮及酸解氨基糖氮、酸解铵态氮和酸解氨基酸氮的含量及其分配比例, 表现为草地>农田的分布规律。在旱地和林地利用方式下, 分别表现为土壤酸解铵态氮含量及土壤酸解氨基糖氮、酸解氨基酸氮含量的增加幅度最为显著, 总体上水田改林地后土壤易矿化分解的酸解氮增加效果最为显著, 其土壤供氮潜力也最高。查春梅等对土壤中有机氮各组分含量的影响表现为林地>柞树林地>耕地。旱地土壤的全氮、酸解总氮含量均显著低于相应的水稻土, 且有机氮各组分含量也呈相同的变化趋势。
施书莲等研究报道, 耕作显著增加了土壤酸解铵态氮含量, 酸解氨基酸氮含量却显著降低, 而酸解未知态氮和酸解氨基糖氮变化趋势不明显。Stevenson研究结果表明, 耕作对土壤酸解氨基糖氮含量影响较小, 而显著增加土壤酸解氮含量, 降低酸解氨基酸氮含量。Brenmer研究结果表明, 耕作使土壤有机氮各组分均显著降低。也有研究表明, 秸秆还田对有机氮的组分和分布有很大的影响。姜小凤等指出与传统耕作相比, 免耕覆盖秸秆酸解总氮含量 (0~5 cm土层) 比CK处理增加了17.18%。贾倩等研究结果表明, 水旱和旱地轮作下土壤酸解氮各组分变化差异显著, 土壤酸解氮含量的增加是土壤全氮含量变化的主要原因。因此, 土地利用方式和耕作方式对土壤有机氮组分含量和分配比例均有显著影响, 这可能是由于不同土地利用和耕作方式下, 土壤物理、化学和生物性质的差异导致。
徐俊俊等研究表明冻融时间对土壤有机氮组分影响显著, 随着冻融时间的变化, 酸解氮各组分变化明显, 冻结温度的剧烈程度影响土壤酸解氨基糖氮和酸解氨基酸氮含量, 但差异不显著。贾国晶等研究表明, 冻融交替促进了土壤有机氮矿化作用, 有利于土壤中有效态氮的累积和土壤供氮能力的提高。冻融交替对土壤有机氮组分含量和分配比例影响显著, 这可能是冻融交替下的土壤水热状况直接或间接地影响土壤微生物活动, 同时冻融交替一定程度会导致土壤结构的变化, 从而引起土壤有机氮组分含量和分配比例的变化。
Wang等对长时间尺度序列的典型水稻土有机氮组分的研究结果表明, 土壤有机氮组分含量随种植年限的增加呈指数增长趋势, 并在种植年限达100年左右时迅速稳定下来, 而分配比例并未表现出统一变化趋势。王晋等研究结果表明, 不同种植方式和年限对土壤主要有机氮组分占全氮的分配比例影响不大, 不同种植年限旱地土壤的全氮含量和酸解总氮含量显著低于相应的水田土壤, 并且各有机氮组分含量也呈相同的趋势。除旱地土壤酸解氨基酸氮和水稻土酸解氨基糖氮外, 有机氮各组分随时间呈指数变化趋势。张玉树等对不同种植年限果园土壤有机氮组分研究结果表明, 土壤酸解铵态氮和酸解未知态氮分配比例随种植年限的增加而下降, 而非酸解氮分配比例则相反。
已有研究表明, 不同类型土壤中有机氮各组分含量差异显著。灌漠土、高寒草甸土、滨海盐渍土、潮棕壤、棕壤和黑土等各种类型土壤中, 酸解总氮、酸解氨基酸氮、酸解氨基糖氮、酸解铵态氮、酸解未知态氮及非酸解氮的含量和分配比例均有较大差异。这可能是由于不同类型土壤的水肥气热等环境条件不同, 土壤有机质矿化和腐殖化过程存在差异, 从而导致土壤中有机氮各组分绝对含量和相对含量的变化。
从国内外对土壤有机氮组分的深入研究中不难发现, 土壤有机氮组分与土壤供氮潜力息息相关。但由于技术和方法的限制, 关于土壤有机氮组分的具体组成仍然有很多未解之谜。目前, 对于有机氮组分的研究对象绝大多数集中于农田生态系统, 且研究施肥对土壤有机氮组分影响的报道最多, 而关于灌溉、冻融交替、耕作方式和土地利用方式等影响因素研究较少。土壤中有机态氮时刻处于固持-矿化的动态平衡中, 然而目前多数研究均针对单一影响因素, 关于双因素或多因素的研究鲜见报道。已有研究表明, 土壤物理、化学和生物性质与土壤氮素转化过程联系紧密。如灌溉会直接改变土壤容重、含水量、孔隙结构和温度等指标, 施氮会直接改变土壤氮素储量, 而这些土壤性状均直接或间接与土壤微生物活性、群落结构等相关。土壤微生物是土壤氮素转化的主要驱动力, 也是土壤生态系统中重要的调节器。
综上所述, 建议从以下几点进一步研究土壤有机氮组分和土壤供氮能力之间的联系, 从而更深入地了解土壤有机氮组分在生态系统的功能与作用。
(1) 目前研究主要在农业生态系统中进行, 关于不同类型土壤有机氮组分的研究势在必行, 同时进行双因素或多因素对土壤有机氮组分的影响, 确定多种影响因素之间是否存在耦合作用, 深刻理解土壤氮素的运转机制;
(2) 采用同位素标记技术, 应用液相色谱-质谱技术 (LC/MS) 和气相色谱-质谱技术 (GC/MS) 来分析不同措施下土壤有机氮组分中的具体组成结构、含量和分配比例, 研究氨基糖等生物标识物-在土壤碳氮循环过程的指示作用;
(3) 植物根际微生物直接影响土壤-植物系统氮素运转, 因此应用目前快速发展起来的分子生物学技术如高通量测序技术、稳定同位素核酸探针技术和微量热技术等研究根际土壤微生物活性、群落结构和功能多样性等, 将土壤有机氮组分与土壤物理、化学和生物指标间建立联系, 以期能更好地解释土壤供氮机理。
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