土壤氮的礦化作用和固持作用

土壤氮的礦化作用和固持作用S.L.JANSSON和J.PERSSON瑞典農(nóng)業(yè)科學(xué)大學(xué)6.1 背景N的供應(yīng)是作物生產(chǎn)的主要決定因素之一，在許多農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，通過(guò)施肥以增加N的輸入乃是慣常的方法。因此，急切需要從兩個(gè)方面來(lái)改善作物生產(chǎn)中的N因子，即一方面提高作物對(duì)N的吸收利用率，另一方面則要限制氮損失于外部環(huán)境中。作物生產(chǎn)中改善N的經(jīng)濟(jì)利用的各種可能性乃是要全面徹底了解N的轉(zhuǎn)化過(guò)程，其中最主要的是由微生物進(jìn)行的過(guò)程，任何既定的N轉(zhuǎn)化作用都會(huì)影響農(nóng)作物的最終產(chǎn)量,即植物有用產(chǎn)品的產(chǎn)量。在基礎(chǔ)科學(xué)如生物化學(xué)、微生物學(xué)和植物生理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，都對(duì)各個(gè)N的轉(zhuǎn)化作用過(guò)程進(jìn)行了廣泛的研究。因此積累了有關(guān)N的各種各樣的轉(zhuǎn)化過(guò)程、N轉(zhuǎn)化的環(huán)境條件、N轉(zhuǎn)化的機(jī)制、中間產(chǎn)物和最后產(chǎn)物等方面的大量資料。相反，關(guān)于N轉(zhuǎn)化的生態(tài)統(tǒng)一性，即土壤上作物生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程卻了解甚少。從生態(tài)觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，單一的N轉(zhuǎn)化過(guò)程的研究通常所提供的信息太孤立和專(zhuān)一。因此，考慮到完整的生態(tài)系統(tǒng)由各個(gè)N的轉(zhuǎn)化作用及途徑、N貯庫(kù)及其互相作用等因子構(gòu)成，所以必須通過(guò)補(bǔ)充任何既定N轉(zhuǎn)化過(guò)程的專(zhuān)門(mén)知識(shí)并進(jìn)行綜合研究才能完成。6.1.1 礦化作用和固持作用的過(guò)程在本章中，我們將要討論土壤中兩個(gè)獨(dú)立的N轉(zhuǎn)化過(guò)程的生態(tài)學(xué)功能，即N的礦化作用和固持作用。這兩個(gè)過(guò)程實(shí)質(zhì)上都屬于生物化學(xué)過(guò)程，而且兩者都依賴(lài)于構(gòu)成異養(yǎng)生物體的微生物活性（Bartholomew，1965；Jansson，1971）。N由有機(jī)態(tài)轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)NH4或NH3的過(guò)程被定義為N的礦化作用。這種過(guò)程是由利用有機(jī)物質(zhì)作為能源的異養(yǎng)土壤微生物進(jìn)行的。無(wú)機(jī)N化合物（NH4，NH3，NO3-，NO2-轉(zhuǎn)化為有機(jī)態(tài)N的過(guò)程被定義為N的固持作用。土壤生物能同化無(wú)機(jī)N化合物，并將其轉(zhuǎn)化為構(gòu)成土壤生物的細(xì)胞和組織，即土壤生物體的有機(jī)N成分。植物吸收和同化無(wú)機(jī)N化合物是固持作用的一種變性（variant），這正如自養(yǎng)和異養(yǎng)土壤微生物對(duì)N的固定那樣。盡管如此，植物對(duì)N的同化作用和N的固定作用通常均不列入固持作用的定義范疇。6.1.2 與大自然N循環(huán)的關(guān)系在土壤生態(tài)系統(tǒng)中，各個(gè)N轉(zhuǎn)化過(guò)程的相互作用導(dǎo)致N在轉(zhuǎn)移過(guò)程中按生物化學(xué)途徑進(jìn)行的一種N貯庫(kù)的方式。這種功能方式通常稱(chēng)之為N循環(huán)（Campbell，1978；Jansson，1971）。礦化作用和固持作用兩者在大自然N循環(huán)中都具有其基本的功能（Bartholomew，1965；Jagsson，1958）。在生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行的大自然N循環(huán)，其主要特點(diǎn)之一是在自養(yǎng)生物活性和異養(yǎng)生物活性之間的相互作用。綠色植物通過(guò)光合作用捕獲太陽(yáng)能并以其組織的形態(tài)貯存起來(lái)。當(dāng)其落入土壤時(shí)，這種植物材料使作為一種能源被異養(yǎng)微生物所利用，使有機(jī)N轉(zhuǎn)化成在原先被植物吸收的簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)化合物。因此，這種N循環(huán)是封閉式的，無(wú)機(jī)N又被新一化植物所吸收利用。根據(jù)上述情況，通過(guò)各種生態(tài)系統(tǒng)的原始太陽(yáng)能流就不可能再被利用。但是，與此相反，N和其它營(yíng)養(yǎng)元素則都可被生態(tài)系統(tǒng)的自養(yǎng)相和異養(yǎng)相之間的繼續(xù)循環(huán)而重復(fù)利用和再利用。礦化作用在這種N的大循環(huán)中起著關(guān)鍵的作用，而且是造成植物殘?bào)w中有機(jī)N轉(zhuǎn)化為能被植物在其光合作用時(shí)吸收利用的原始的簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)態(tài)N的基本轉(zhuǎn)化過(guò)程。固持作用是礦化作用的必不可少的過(guò)程和主要的條件。執(zhí)行礦化作用的生態(tài)系統(tǒng)的異養(yǎng)相是一種有生命的生物現(xiàn)象。因此，這種異養(yǎng)相不僅能進(jìn)行呼吸和礦化，而且也隨著它本身的增殖、生長(zhǎng)、變化和更新的過(guò)程而不斷發(fā)展。這些過(guò)程可促使有機(jī)質(zhì)、微生物細(xì)胞和組織的形成。因此，在整個(gè)礦化作用活動(dòng)過(guò)程中，還包含了固持作用、有機(jī)質(zhì)的更新以及能供應(yīng)有生命的和活躍的微生物區(qū)系或生物體的繁殖、生長(zhǎng)和維持所必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的同化作用。新生成的有機(jī)質(zhì)通常能被微生物所利用的有機(jī)質(zhì)（有機(jī)C）其量有限，而大部分有機(jī)C則可礦化成簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)化合物。至于營(yíng)養(yǎng)元素，其中主要是N，其情況就更為復(fù)雜。土壤生物，主要是微生物，它們構(gòu)成了執(zhí)行N循環(huán)中異養(yǎng)生物相的有生命的作用。礦化作用則是其異養(yǎng)生物相的基本活動(dòng)過(guò)程之一。另外，礦化作用對(duì)N的循環(huán)邊程的作用以及其礦物質(zhì)的終端產(chǎn)物（NH4-NH3）對(duì)自養(yǎng)生物相的增殖功能都具有極為重要的意義。就異養(yǎng)生物相來(lái)說(shuō)，固持作用的重要性系與礦化作用同樣具有舉足輕重的意義。在研究礦化作用及其生物循環(huán)的自養(yǎng)生物相，即植物生產(chǎn)中的作用時(shí)，決不可忽視其固持作用。這種簡(jiǎn)潔的事實(shí)正可判明礦化作用與固持作用之間相互關(guān)系和特殊含義。6.1.3 自然界N的大循環(huán)可分成三個(gè)亞循環(huán)（子循環(huán)）確切地說(shuō)，簡(jiǎn)潔而概略的自然界N的大循環(huán)系由具有一個(gè)或更多普通途徑的三個(gè)相互依賴(lài)的局部循環(huán)組成（Campbell，1978；Jansson，1971）。這三個(gè)局部的循環(huán)，即三個(gè)亞循環(huán)分別稱(chēng)元素循環(huán)（E）、自養(yǎng)生物循環(huán)（A）和異養(yǎng)生物循環(huán)（H）。它們可用圖6-1概略地說(shuō)明。元素亞循環(huán)（E）包含能支自己和維持大氣中N貯庫(kù)有關(guān)的生命活動(dòng)。它的專(zhuān)性N途徑就是生物固N(yùn)2作用和在某些環(huán)境（限制O2的供應(yīng)）條件下的反硝化作用。自養(yǎng)生物亞循環(huán)（A）包含綠色植物的活動(dòng)及其光合作用吸收的太陽(yáng)能和構(gòu)成的主要有機(jī)N物質(zhì)。異養(yǎng)生物的亞循環(huán)（H）則受到異養(yǎng)微生物活性的制約。該循環(huán)的特殊的生態(tài)特性就是礦化作用和有機(jī)質(zhì)中能量消耗，同時(shí)，含N有機(jī)物質(zhì)可轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3或NH4。所有這三種亞循環(huán)的功能都依賴(lài)于礦化的N。但部分礦物N可以不變，它可在異養(yǎng)生物的亞循環(huán)中被固持，而部分礦化N則可被自養(yǎng)生物亞循環(huán)中的植物所吸收，還有一部分將在元素亞循環(huán)中產(chǎn)生硝化和反硝化。因此，礦化作用與固持作用是與異養(yǎng)生物的亞循環(huán)緊密結(jié)合在一起的。它們是異養(yǎng)生物體中的基本功能。但兩個(gè)過(guò)程的功效，其方向恰好相反，前者和后者分別代表了有機(jī)質(zhì)的破壞和形成。這兩個(gè)過(guò)程之間的差值就將是一種凈效應(yīng)，即或是凈礦化作用或是凈固持作用。由于異養(yǎng)生物的基本活性是消耗有機(jī)結(jié)合能，所以?xún)舻V化作用將是一種正常的和占支配地位的反應(yīng)。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)（有機(jī)C化合物）的凈礦化作用總是小于全部的礦化作用。二個(gè)相反的過(guò)程（適當(dāng)?shù)匾詢(xún)舻V化作用或凈固持作用表示）所產(chǎn)生的效應(yīng)將對(duì)其它兩個(gè)亞循環(huán)的N供應(yīng)以及在不施肥條件下的非豆科作物生產(chǎn)的N供應(yīng)起到了決定性的作用。(圖：圖6-1 自然界N的大循環(huán)可分成三個(gè)亞循環(huán)： 元素循環(huán)(E)、自養(yǎng)循環(huán)(A)和異養(yǎng)循環(huán)(H)在三個(gè)亞循不中，生物體有機(jī)N系由元素循環(huán)中的N2和其它兩個(gè)循環(huán)中的NH4-N或NO3-N所構(gòu)成。這些生物體中的一部分有機(jī)N能不斷地轉(zhuǎn)化成無(wú)生命的有機(jī)貯庫(kù)，并將有機(jī)N繼續(xù)礦化為NH4-N或NO3?-N。6.1.4 N亞循環(huán)中的競(jìng)爭(zhēng)作用隨著礦化作用的開(kāi)始進(jìn)行，三種亞循環(huán)也開(kāi)始了一個(gè)新的N循環(huán)。因此，就建立起一種競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。哪種循環(huán)占優(yōu)勢(shì)?異養(yǎng)生物的固持作用，植物的吸收或N的硝化作用，哪種過(guò)程占優(yōu)勢(shì)?通過(guò)N硝化作用形成的N03-貯庫(kù)，它在三種N亞循環(huán)（固持作用、植物的吸收和硝化量作用）之間又建立了第二個(gè)競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。6.1.5 礦化作用-固持作用的相互轉(zhuǎn)化（MIT）本節(jié)的目的是在現(xiàn)有試驗(yàn)證據(jù)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)闡明和討論有關(guān)異養(yǎng)生物N亞循環(huán)的功能，礦化作用-固持作用之間的轉(zhuǎn)化（MIT），以及與其它二種亞循環(huán)的相互作用。其主要目的是為了更好地理解并改善土壤、作物和肥料管理的基本原理，以達(dá)到N肥利用的量最佳經(jīng)濟(jì)效益。因此，防止N向人們關(guān)注的外界生態(tài)環(huán)境流失乃是上述目的的重要方面。 必須著重指出，異養(yǎng)生物體是以一種動(dòng)態(tài)的、不斷再生的狀態(tài)存在的。礦化N繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)合成產(chǎn)物，和固持N轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)分解產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移過(guò)程-異養(yǎng)生物體的構(gòu)成和生物體的分解-就可定義為MIT（礦化作用和固持作用的相互轉(zhuǎn)化）（Campbell，1978；Jansson，1958；Knowles和Chu，1969；Ladd和Paul，1973；Shields等，1973；Wallace和Smith，1954，Westerman和Tucker，1974）。 6.2 MIT的特性與功能6.2.1 凈效應(yīng)測(cè)定的不足之處異養(yǎng)生物活性?xún)粜?yīng)（凈礦化作用或凈固持作用）都可以進(jìn)行簡(jiǎn)便而快速的測(cè)定。此外，從植物生產(chǎn)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，其凈效應(yīng)也具有直接的和實(shí)際的重要意義。但是，根據(jù)土壤生物學(xué)、生物化學(xué)和生態(tài)學(xué)觀(guān)點(diǎn)來(lái)考慮，其價(jià)值并不太大。特別是它們不能反映出土壤中實(shí)際進(jìn)行的情況如何（Bartholomew和Hiltbold，1952，Hiltbold等，1951，Jaasson，1958）。生態(tài)系統(tǒng)中低的生物活性只產(chǎn)生了微小的凈效應(yīng)，而與其方向相反，并能進(jìn)行上述兩個(gè)過(guò)程的高度生物活性也只產(chǎn)生了微小的效應(yīng)。這兩個(gè)過(guò)程之間的區(qū)分，其中包括相反過(guò)程真正范圍的估計(jì)都不能根據(jù)凈效應(yīng)的測(cè)定來(lái)進(jìn)行判別。但是，基本過(guò)程真實(shí)情況的一些設(shè)想則可通過(guò)測(cè)定系統(tǒng)中能量的消失而獲得。例如，可以CO2的產(chǎn)生，O2的消耗或酶的活性來(lái)表達(dá)。不管無(wú)機(jī)N量?jī)糇兓鯓?，只要消耗大量的能量就表明具有旺盛的生物活性，其中包括MIT在內(nèi)。6.2.2 測(cè)定總效應(yīng)的可能性：示蹤技術(shù)的使用通過(guò)無(wú)機(jī)N的分析以決定兩個(gè)相反方向的總過(guò)程進(jìn)行的程度并不能用常用的、簡(jiǎn)捷的方法來(lái)加以測(cè)定。因此，只能采用標(biāo)記N（15N）示蹤技術(shù)才是可行的方法。例如，如果對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的無(wú)機(jī)N貯庫(kù)進(jìn)行標(biāo)記，不管凈礦化作用和凈固持作用如何發(fā)生，只要有標(biāo)記的有機(jī)N貯庫(kù)出現(xiàn)，那么就可證明并測(cè)出N的固持作用。另一方面，礦化作用也可用源于有機(jī)N貯庫(kù)的非標(biāo)記N來(lái)稀釋標(biāo)記的無(wú)機(jī)N貯庫(kù)的方法進(jìn)行測(cè)定。假如，兩個(gè)交叉在一起的過(guò)程都予以標(biāo)記，但都作為完全一致的分解系統(tǒng)來(lái)處理，那么，其N(xiāo)的總轉(zhuǎn)化作用就遵循一定的方向進(jìn)行，并可用改進(jìn)的精確方法予以測(cè)定。最后，構(gòu)成MIT的兩個(gè)連續(xù)進(jìn)行的方向相反的過(guò)程能導(dǎo)致無(wú)機(jī)N和有機(jī)N貯庫(kù)中標(biāo)記與非標(biāo)記N之間的平衡。在早期的示蹤研究工作中，有關(guān)在無(wú)土壤條件下秸稈能進(jìn)行的一個(gè)簡(jiǎn)化系統(tǒng)證明了該類(lèi)型幾乎能完全達(dá)到平衡（Jansson，1958；Jansson等，1955）。在更為錯(cuò)綜復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)中，其平衡通常是不易達(dá)到的，因?yàn)樵跇?gòu)成各種N貯庫(kù)或不均一相的系統(tǒng)中，所有過(guò)程都同時(shí)存在而又相互干擾。在無(wú)機(jī)N相中，硝化作用是引起不均一性（NH4-N，N03-N二者都存在）的一個(gè)復(fù)雜因子，而在有機(jī)N相中，腐殖質(zhì)的形成（也就是植物殘?bào)w積累和老化現(xiàn)象）則能造成一個(gè)阻礙平衡式延續(xù)平衡的不均一性。硝化作用和腐殖質(zhì)的形成對(duì)MIT的主要作用都將在6.2.7、6.2.13、6.2.14和6.2.15節(jié)中分別加以討論。從理論上說(shuō)，用標(biāo)記的分解系統(tǒng)，特別是用具有標(biāo)記無(wú)機(jī)相和有機(jī)相交叉在一起的系統(tǒng)所進(jìn)行的試驗(yàn)，都可用于礦化作用和固持作用兩個(gè)方向相反的總過(guò)程的定量。因此根據(jù)這一原理，計(jì)算這兩個(gè)總過(guò)程在不同條件下的大小范圍的設(shè)想是可以實(shí)現(xiàn)的（Hiltbo1d等，1951；Jagsson，1958；Kirkham，1957；Kirkham和Bartholomew，1954，1955）。但是結(jié)果并不令人滿(mǎn)意，無(wú)容置疑，這是由于上面指出的復(fù)雜性所引起的。然而，測(cè)定不同環(huán)境條件下總過(guò)程的大小范圍所遇的這些困難，可以用示蹤技術(shù)加以克服。這一工作需要深厚的基本知識(shí)與精確的研究方法，特別需要示蹤技術(shù)（Hauck，1973；Hauck和Bremner，1976；Hauck和Bystrom，1970；Jansson，1966；Paul和van Veen，1979；Shields等，1973）。6.2.3 MIT引起的混淆土壤中和其它分解介質(zhì)中的兩種方向相反的過(guò)程，其作用是使無(wú)機(jī)N繼續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成有機(jī)N，以及有機(jī)N繼續(xù)不斷轉(zhuǎn)化成無(wú)機(jī)N。例如，如果以標(biāo)記的無(wú)機(jī)相（特別是NH4貯庫(kù)）開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，那么，生物的活動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致標(biāo)記的N對(duì)無(wú)機(jī)N貯庫(kù)中的非標(biāo)記N進(jìn)行交換，同時(shí)也會(huì)引起非標(biāo)記N對(duì)有機(jī)N貯庫(kù)中標(biāo)記N的相應(yīng)的交換。由于在示蹤試驗(yàn)中，沒(méi)有充分理解MIT的存在及其作用，因此造成了示蹤數(shù)據(jù)對(duì)肥料N和土壤N轉(zhuǎn)化作用進(jìn)行解釋的相當(dāng)混亂的情況，在作物吸收肥料N的研究方面，測(cè)定作物吸收施肥處理中的N和未施肥的對(duì)照中的N之間簡(jiǎn)易的間接方法以及測(cè)定作物吸收標(biāo)記的肥料N數(shù)量的直接方法都很難得到完全一致的結(jié)果。用間接法測(cè)得的作物對(duì)N肥的回收率，一般高于直接示蹤法測(cè)定的結(jié)果（Bartholomew和Hiltbold，1952；Bartholonew等，1950；Dowdell和Webster，1980，Harmsen和Koleabrander，1965；Jansson，1958，1971；Kaindl和Haunold，1965；Terman和Brown，1968a；Tyler和Broadbent，1958；Westerman和Kurtz，1974）。這兩種測(cè)定方法的差別使科學(xué)工作者發(fā)生了興趣，并提出了幾種解釋?zhuān)渲杏袃煞N解釋是主要的。一種直接了當(dāng)?shù)慕忉屖欠柿螻能提高土壤N的凈礦化作用，隨后作物便吸收消耗了這些礦化的N（Andreeva和Scheglova，1968；Chichester和Smith，1978；Filimonov和Rudeiev，1977；Harmsen和Koleabrander，1965；Hauck和Bremner，1976；Kissel和Smith，1978；Sspozhnikov等，1968；Stojanovic和Broadbent，1956；Tyler和Broadbent，1958；Turtschin等，1960；Westerman和Kurtz，1974；Zamyatina等，1968）。另一種解釋是N肥對(duì)土壤產(chǎn)生副效應(yīng)，引起了凈礦化作用。例如，許多種類(lèi)的N肥能改變土壤pH。這種變化能影響到微生物區(qū)系的組成和微生物的活動(dòng)，其中包括凈礦化作用（Jansson，1971）。其它主要的解釋是上述現(xiàn)象為MIT的一種反映（Bartholomew和Hiltbold，1952；Hauck和Bremner，1976；Jansson，1958，1971；Nommik，1968；Stewart等，1963a；Walker等，1956）。標(biāo)記的肥料N將在非標(biāo)記的土壤N進(jìn)行礦化的同時(shí)被吸收而固持。這兩個(gè)過(guò)程都因作物吸收了無(wú)機(jī)N貯庫(kù)中的N而改變了N貯庫(kù)中的同位素組成，但可能改變或不會(huì)改變其大小。由于不斷吸收同位素稀釋的貯庫(kù)中的N，所以作物將含有比上述差值法指出的更少的標(biāo)記N和更多的非標(biāo)記N。兩種評(píng)價(jià)肥料N方法之間的差異在實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)試驗(yàn)中也得到了證實(shí)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，無(wú)機(jī)N貯庫(kù)的大小和組成是用化學(xué)分析NH4和NO3-來(lái)完成。對(duì)這方面的研究結(jié)果，可應(yīng)用二種不同的解釋。6.2.4 激發(fā)效應(yīng)及其有關(guān)現(xiàn)象50多年以前，Lohnis（1926）根據(jù)其綠肥的試驗(yàn)而得出結(jié)論：加新鮮的，含有效能的植物體能剌激土壤固有的有機(jī)N（和C）的礦化作用。直到約20年后，在引用示蹤技術(shù)對(duì)MIT進(jìn)行研究以前，該觀(guān)察結(jié)果仍然很少引人注意。但在1950年左右，用C和N的同位素示蹤研究（Broadbent，1948；Broadbent和Norman，1974）才確證了Lohnis的結(jié)果，而且這一新的發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)家們的頗大興趣。加入的能量物質(zhì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化作用的刺激效應(yīng)就稱(chēng)之為“激發(fā)作用”或“激發(fā)效應(yīng)”（Bingemarn等，1953；Hallam，1953；Jenkinson，1966a；Mortensen，1963）。對(duì)激發(fā)效應(yīng)的巨大關(guān)注使人驚訝。確實(shí)，Broadbent和Norman（1947）的最初發(fā)現(xiàn)令人十分驚奇，但他們對(duì)激發(fā)效應(yīng)的研究結(jié)果則未能在以后的工作中得到證實(shí)。正激發(fā)效應(yīng)與負(fù)激發(fā)效應(yīng)兩者都有過(guò)報(bào)告（Broadbent，1966；Hauck和Bremner，1976；Jansson，1971；Jenkinson，1966；01son，1980；Olson等，1979），但有關(guān)包括MIT在內(nèi)的整個(gè)生物學(xué)活性的主要變化卻很少研究。 原則上，上面定義的一些小的激發(fā)效應(yīng)是經(jīng)常可以預(yù)期到的一種現(xiàn)象。事實(shí)上，土壤微生物將可與加入的能量物質(zhì)起反應(yīng)（Jaasson，1971）。這一剌激MIT的反應(yīng)可以包括一些土壤固有的有機(jī)質(zhì)，因此也就會(huì)引起一種激發(fā)效應(yīng)。例如，加入的有機(jī)物質(zhì)，可使組成生物體的微生物種類(lèi)發(fā)生變化，從而也就導(dǎo)致了土壤固有有機(jī)質(zhì)分解的增強(qiáng)或減弱。 應(yīng)當(dāng)注意，正常進(jìn)行的MIT在某種程度上可能被誤解為激發(fā)效應(yīng)。無(wú)疑，在土壤中異養(yǎng)生物的N循環(huán)過(guò)程中，對(duì)礦化作用與固持作用相互轉(zhuǎn)化的情況已產(chǎn)生了誤解。因此，這就導(dǎo)致夸大了激發(fā)效應(yīng)在土壤生物化學(xué)中所起重要作用，而且也促進(jìn)了許多有意義的激發(fā)效應(yīng)的研究。6.2.5 肥料N和MlT在示蹤研究中，與上面定義的激發(fā)效應(yīng)有密切相關(guān)的另一觀(guān)察研究是不斷提高標(biāo)記無(wú)機(jī)N（以肥料形式）的加入數(shù)量會(huì)引起土壤中的非標(biāo)記的無(wú)機(jī)N量的增加，其結(jié)果是植物也增強(qiáng)了對(duì)這些N的吸收（Andreeva有Scheglova，1968；Broadbent，1965；Hills等，1978，Kissel等，1977；Stojanovic和Broadbent，1956；Turtschin等，1960；Westerman和Kurtz，1973，1974）。因此，人們通常認(rèn)為，加入N肥能刺激土壤N的凈礦化作用（Filimonov和Rudelev，1977；Sapozhikov等，1968；Zamyatina等，1968）。對(duì)于這一現(xiàn)象，物理和化學(xué)的因素也起了一定作用（Broadbent和Nakashina，1971；Heilman，1975；Laura，1974，1975a，b；Westerman和Tucker，1974）；例如鹽效應(yīng)還包括滲透作用、pH變化、NH4生成的質(zhì)子遷移作用和土壤有機(jī)質(zhì)氮基上NH4的形成，以及因N肥產(chǎn)生的其它副效應(yīng)。在耕作土壤中，這一現(xiàn)象可歸因于刺激根系的發(fā)展，以及由于根際效應(yīng)而增加了N的吸收（Aleksic等，1968，F(xiàn)ried和Broeshart，1974；Kissel和Smith，1978；Sapozhaikov等，1968）。 但是這一現(xiàn)象的不同解釋是，MIT具有一種有規(guī)則的特點(diǎn)（Hauck和Bremner，1976；Jansson，1958，1971；Stewart等，1963a，Walker等，1956）。倘若土壤含有一個(gè)新建立的標(biāo)記N的無(wú)機(jī)N貯庫(kù)，那么，MIT的互相轉(zhuǎn)化也將因固持作用而造成無(wú)機(jī)N貯庫(kù)中標(biāo)記N的損失，而因礦化作用則會(huì)獲得非標(biāo)記的土壤N。無(wú)機(jī)N貯庫(kù)越大，礦化作用和固持作用之間的轉(zhuǎn)化效應(yīng)越有實(shí)際意義，這就意味著在施肥土壤中，大的標(biāo)記N貯庫(kù)中的非標(biāo)記土壤N的積累將大于不施肥的對(duì)照土壤中的小貯庫(kù)中的非標(biāo)記土壤N的積累。因此，這并不必然意味著標(biāo)記N的加入就將會(huì)造成對(duì)礦化作用的真正刺激。然而，只有礦化作用和固持作用之間的相互轉(zhuǎn)化才意味著標(biāo)記的N在非標(biāo)記N被礦化的同時(shí)也會(huì)被固持。但是也有不足之處，那就是假定礦化作用-固持作用的轉(zhuǎn)化可以進(jìn)行化學(xué)計(jì)算，那么其結(jié)果是標(biāo)記N的固持量將相等于非標(biāo)記N的礦化的量（Nommik，1968；Riga等，1980）。因此對(duì)礦化作用-固持作用轉(zhuǎn)化的化學(xué)計(jì)算就有許多理由來(lái)加以反對(duì)。有機(jī)貯庫(kù)（生物體）可以處于一種擴(kuò)大階段也可以處于一種減少階段，同時(shí)其微生物種類(lèi)的作用方式也可以變化。而且，無(wú)機(jī)貯庫(kù)可以是含有NH4和N03-二種化合物的不均一系統(tǒng)，它可以通過(guò)硝化作用而繼續(xù)發(fā)生變化，同時(shí)，它也可以像礦化作用-固持作用的轉(zhuǎn)化程序那樣，用非標(biāo)記N予以稀釋。在許多研究中，都記錄了激發(fā)效應(yīng)，但忽略了標(biāo)記N的固持作用。在某些，條件下，可以靠已得到的數(shù)據(jù)來(lái)加以揭示：而在另一些條件下，原來(lái)的論文把必要的數(shù)據(jù)弄錯(cuò)了。因此在前者，詳細(xì)檢查其結(jié)果常?？梢越沂炯ぐl(fā)效應(yīng)系與增加標(biāo)記N的固持作用，MIT的一種特點(diǎn)有關(guān)。正如已經(jīng)強(qiáng)調(diào)過(guò)的，隨標(biāo)記的無(wú)機(jī)N的加入而加進(jìn)的能量物可以刺激MIT的過(guò)程。因此，這意味著這種外加物質(zhì)常?？商岣逳肥的表觀(guān)激發(fā)效應(yīng)（Hauck和Bremner，1976； Jansson，1971，Taki等，1967）。有機(jī)質(zhì)和N肥由于在30多年以前就用示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)了分解的有機(jī)質(zhì)和N肥對(duì)土壤N和土壤C的激發(fā)效應(yīng)，因此，大量的研究都致力于這些效應(yīng)，但是，對(duì)這種現(xiàn)象提出的各種解釋還沒(méi)有一種能充分解釋所觀(guān)察到的凈效應(yīng)（Hauck和Bremner，1976）。因此，就更有理由得出結(jié)論：幾種機(jī)制都可歸因于真正的或表觀(guān)激發(fā)效應(yīng)。人們必須清醒注意這一事實(shí)，即MIT是所有能發(fā)生激發(fā)效應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)必不可少的特征，而且MIT的存在也常能解釋這些觀(guān)察結(jié)果。以如此眾多的研究工作來(lái)致力于探索和闡明一種激發(fā)反應(yīng)，這實(shí)在令人費(fèi)解。有關(guān)N轉(zhuǎn)化作用的進(jìn)一步示蹤研究應(yīng)集中在擴(kuò)大我們對(duì)MIT的知識(shí)，它的機(jī)制，以及在不同環(huán)境條件下MIT的定量。當(dāng)這些知識(shí)一旦奏效,對(duì)于表觀(guān)的或真正的激發(fā)效應(yīng)這一不可思議的難題就會(huì)迎刃而解。6.2.6 N肥的評(píng)價(jià)MIT會(huì)影響采用標(biāo)記N時(shí)對(duì)肥料N的評(píng)價(jià)。在植物吸收肥料N的大多數(shù)示蹤試驗(yàn)中，過(guò)在其試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)包括有不施肥的處理加以對(duì)照，使測(cè)定肥料N吸收的簡(jiǎn)易差減法與直接示蹤法之間可進(jìn)行比較。當(dāng)用示蹤法測(cè)定時(shí)，作物吸收的肥料N一般較用差減法測(cè)定的結(jié)果要低（Bartholomew等，1950；Jansson，1958；Terman和Brown，1968a；Tyler和Broadbent，1958；Westerman和Kurtz，1973，1974）。至于作物吸收的NH4（Broadbeant和Tyler，1962，1965；Frederick和Broadbent，1966；Jansson，1971；Jansson，1955；Kaind1和Haunold，1965，Ketcheson和Jakovljevic，1968）則要多于N03-（當(dāng)這兩種植物N源可分開(kāi)時(shí)），此外，能刺激MIT的含能量的有機(jī)物質(zhì)的存在則更加劇了這一差異（Ha1lam，1953；Jansson，1958）。讓我們回到前面討論過(guò)的問(wèn)題上來(lái)。這一差異是由真正能刺激土壤N礦化作用而引起的呢，還是由于MIT的特征引起的?為了獲得這方面的資料，試驗(yàn)必須圍繞二種評(píng)價(jià)方法來(lái)進(jìn)行，而且，還應(yīng)包括土壤有機(jī)相中固持的標(biāo)記N的測(cè)定。從肥料使用者（農(nóng)民）的實(shí)際觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，他們對(duì)肥料能改善產(chǎn)量的簡(jiǎn)單全面效果最有興趣，因此現(xiàn)在仍然應(yīng)當(dāng)推薦測(cè)定肥料N的簡(jiǎn)易差異法（Jansson，1966）。用簡(jiǎn)單示蹤試驗(yàn)它忽略了MIT的存在，因而可能得出錯(cuò)誤的結(jié)果。另一方面，當(dāng)要求詳細(xì)解釋這些結(jié)果時(shí)，就須使用標(biāo)記N肥，同時(shí)試驗(yàn)一定要達(dá)到上述的要求。也就是必須設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)肥對(duì)照區(qū)和包括對(duì)土壤N的有機(jī)相中15N的分析。當(dāng)對(duì)這些試驗(yàn)作必要的說(shuō)明時(shí)，在一系列的盆栽試驗(yàn)中，就要增加Sapozhaikov等人（1968）提出的應(yīng)用有趣的分根技術(shù)，以尋求在加入無(wú)機(jī)肥料N以后土壤N凈礦化作用增加的原因。將供試作物的一半根系置于含有嵌入砂粒中的15N肥料的一種盆栽隔離室內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育，另一半根系則置于不施肥的正常土壤的盆栽隔離室內(nèi)生長(zhǎng)發(fā)育。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，加入肥料能促使作物對(duì)土壤N吸收量的增加，而且吸收NH4的量要高于N03-。這一結(jié)果似乎可以把作為現(xiàn)象起因的MIT除外，因此，研究者們認(rèn)為這是由于肥料刺激了根系生長(zhǎng)發(fā)育而造成的結(jié)果。但是，這種解釋不能令人信服。因此，NH4處理使作物吸收的土壤N比NO3-處理吸收的土壤N要多。但是，這種差異與前者處理中吸收較少的標(biāo)記肥料N是相符合的。該結(jié)果表明，在基質(zhì)中能發(fā)生一種交換作用，而且是有關(guān)分根技術(shù)不希望發(fā)生的情況。因此，在進(jìn)行測(cè)定基質(zhì)中固持的標(biāo)記N試驗(yàn)時(shí)（前面已討論過(guò)的試驗(yàn)），就要滿(mǎn)足新提出的要求，這樣，研究才能獲得清晰而有價(jià)值的結(jié)果。 6.2.7 MlT和硝化作用如圖6-1所示，在礦化作用過(guò)程中產(chǎn)生的NH4-N，或以不同方式在土壤中積累的NH4貯庫(kù)所產(chǎn)生的NH4-N，在固持作用過(guò)程中，異養(yǎng)微生物對(duì)其吸收優(yōu)于N03-N。當(dāng)NO3-有效，而NH4量又很少時(shí)，N03-才能被利用（Jansson，1958）。 異養(yǎng)微生物對(duì)NH4的選擇性吸收進(jìn)一步把標(biāo)記N加入以后對(duì)評(píng)價(jià)MIT的問(wèn)題弄復(fù)雜了。由于NH4是構(gòu)成MIT的主要和正常的無(wú)機(jī)相成分，所以硝化作用常與凈礦化作用的條件有關(guān)。而且，硝化作用能導(dǎo)致從MIT中釋出無(wú)機(jī)N；雖然NO3-能被植物吸收利用，但它（NO3-）能延續(xù)轉(zhuǎn)化途徑的時(shí)間，可長(zhǎng)達(dá)如凈礦化作用條件那樣所持留的時(shí)間（Jansson，1958；Ketcheson和Jakovljevic，1968）。如果在凈礦化作用條件下，新加入的標(biāo)記肥料N被硝化，或者產(chǎn)生NO3-那么，這種N就從MIT過(guò)程中逸出，在這種情況下，植物回收的標(biāo)記N就高，測(cè)定肥料N回收的直接方法與間接方法之間的差異也就很小，且比非硝化作用的土壤還小。雖然許多試驗(yàn)都指出了這種情況，但大多數(shù)還是被忽略或遺忘了。因此，必須著重指出，異養(yǎng)微生物對(duì)NH4的吸收雖不是絕對(duì)的，但其選擇性吸收則是有實(shí)質(zhì)性的意義（Janson，1979）。在復(fù)雜的土壤環(huán)境條件下來(lái)研究高度混合的微生物區(qū)系時(shí)，人們很難得到一個(gè)簡(jiǎn)單而透徹的結(jié)果。在近年來(lái)的評(píng)論和文獻(xiàn)中，都已強(qiáng)調(diào)了NH4的選擇性吸收的生態(tài)重要性（Campbel1，1978，Paul和Juma，1981；Paul和van Veen，1979）。6.2.8 固N(yùn)2作用和反硝化作用對(duì)MIT的重要影響必須補(bǔ)充說(shuō)明，在不同于前節(jié)那樣作處理的土壤中，N的轉(zhuǎn)化作用也會(huì)影響到MIT，它的范圍、過(guò)程和結(jié)果。其中，有些過(guò)程就是固N(yùn)2作用和反硝化作用，但兩者都屬于元素N的亞循環(huán)（圖6-）。固N(yùn)2作用，無(wú)論是自生的自養(yǎng)微生物和異養(yǎng)微生物，或者是與高等植物共生而完成的生物固N(yùn)2作用，都能為N的固持作用提供一條可變的途徑，而且，可以降低生態(tài)系統(tǒng)對(duì)N礦化作用的依賴(lài)程度。同時(shí)，對(duì)通常與固N(yùn)2作用有關(guān)的生物體提供大量的N則可以增強(qiáng)N的礦化作用。能導(dǎo)致N03-N氣體損失的反硝化作用可能會(huì)受到固持作用的干預(yù)。但是，引起反硝化作用需要有O2的限制，因此，這種O2的限制也會(huì)約束微生物的活動(dòng)，其中包括固持作用，在嫌氣條件下，微生物活動(dòng)比完全好氣的條件下要低（Campbell，1978）。6.2.9 MIT與植物的相互作用MIT和綠色植物活動(dòng)之間的相互作用已受到了重視，并進(jìn)行了討論。植物可作為異養(yǎng)微生物的能源，但它們又會(huì)對(duì)礦化作用釋放出的N進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。植物根系和根毛附近，即根際，能提供一種特殊的能源。根分泌物中含有易分解的有機(jī)物質(zhì)，而且小部分根系可不斷脫落，并受到根際異養(yǎng)微生物的分解。近年來(lái)，用14C的研究表明，根際提供的能源其量很大（Sauerbeck和Johnen，1976；Sauerbeck等，1976），同時(shí)，由于根際提供了大量能源，從而刺激了MIT的過(guò)程（Bartholomew和Clark，1950；Campbell，1978；Campbell和Paul，1978，Legg和Allison，1960；Legg和Stanford，1967）。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，初始反應(yīng)是固持作用，稍后則以礦化作用為主，增加的MIT能影響到植物對(duì)標(biāo)記肥料N的回收。與未栽培植物的土壤條件相比，測(cè)定N回收的直接方法所得的測(cè)定值較低。同時(shí)，植物吸收非標(biāo)記的土壤N也將會(huì)增加。6.2.10 土攘的物理和化學(xué)因子的影響土壤的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的變化常能影響微生物的活性，因此也就影響到MIT及其各種變化，有關(guān)的化學(xué)變化包括pH和電導(dǎo)度的變異、植物營(yíng)養(yǎng)的變化以及有毒化學(xué)物質(zhì)和重金屬含量的變化。肥料、除莠劑和殺蟲(chóng)劑的次生效應(yīng)也能引起影響MIT的化學(xué)變化。無(wú)機(jī)土壤膠體對(duì)NH4的化學(xué)固定，或有機(jī)物質(zhì)對(duì)NH3的化學(xué)固定都能影響固持過(guò)程的范圍和競(jìng)爭(zhēng)條件。物理?xiàng)l件，如漬水和土壤緊實(shí)度都能影響通氣，因此多少造成了一定的嫌氣條件，所以一般也就會(huì)妨礙微生物的活動(dòng)，從而不斷刺激NH4和NH3的形成和積累，并通過(guò)反硝化寫(xiě)作用使NO3-遭到損失，所有這一切都對(duì)MIT有決定性的影響。土壤化學(xué)和物理?xiàng)l件所發(fā)生的突然變化，例如土壤的干濕或凍融變化都可殺死土壤微生物。因此緊跟著都刺激MIT的能量就會(huì)突然或暫時(shí)激發(fā)而釋放（Campbell，1977；Ladd等，1977b）。6.2.11 能量-養(yǎng)分的相互關(guān)系MIT的凈效應(yīng)-礦化作用和固持作用兩個(gè)相反過(guò)程之間的差異-將依賴(lài)于對(duì)土壤微生物的能量供應(yīng)，并且對(duì)已討論過(guò)的植物吸收N的間接法和直接法之歸間的差異系與用MIT對(duì)這種差異解釋完全一致（Broadbent和Stevenson，1966；Hallam，1953；Jansson，1958；Jones和Richards，1977；Kanamori和Yasuda，1979；McGill等，1975；Nommik，1961）。土壤供給大量的能量物質(zhì)（例如加入葡萄糖和秸稈）就能因降低了植物對(duì)標(biāo)記N的吸收而增加差異。這一發(fā)現(xiàn)表明，供給能量可以刺激MIT。 上述情況促使人們對(duì)MIT的能量與營(yíng)養(yǎng)（N）之間相互關(guān)系的討論，在這一過(guò)程中，提供可分解的有機(jī)質(zhì)是必不可少的前提條件。就作為能源的功能而言，可分解的無(wú)N有機(jī)化合物（例如，加入土壤的作物殘?bào)w中的碳水化合物和脂類(lèi)），能增進(jìn)微生物的生長(zhǎng)。但是提供能源并不是唯一的必要條件。由于無(wú)N的能源物質(zhì)不能為正在生長(zhǎng)的微生物提供N，因此，微生物只能從無(wú)機(jī)N貯庫(kù)中吸收N；如果一旦這種無(wú)機(jī)N貯庫(kù)耗竭，微生物就會(huì)遭受缺N，從而會(huì)限制其活性。另一方面，含氮有機(jī)質(zhì)（蛋白質(zhì)）當(dāng)其作為能源使用時(shí)就會(huì)促進(jìn)N的凈礦化作用，并使其在土壤無(wú)機(jī)N貯庫(kù)中積累。當(dāng)處在最佳條件時(shí)，能源、物質(zhì)將含有一定的E（能量）/N比率；N的礦化作用將能滿(mǎn)足有相應(yīng)能源、供應(yīng)的微生物對(duì)N的需要。由于土壤微生物合適的“膳食”是可以分解的含氮物質(zhì)和不含氮物質(zhì)的混合物，所以不含使該系統(tǒng)中的無(wú)機(jī)N量發(fā)生凈變化。但是，這樣一個(gè)極佳平衡條件是很少出現(xiàn)的；不同的微生物類(lèi)型具有不同的要求，因此其對(duì)E/N比率要求可隨生物體（各品種的總和）的生態(tài)學(xué)的發(fā)展而變化。在酸性土壤中，以真菌占優(yōu)勢(shì)的生物體比以細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)的生物體需要有更高的E/N比率才能滿(mǎn)足。6.2.12 C/N比率：C和N的相互依賴(lài)關(guān)系在土壤生物學(xué)中，E/N比率一般不能用于鑒定土壤有機(jī)質(zhì)或有機(jī)土壤改良物，然而，C/N比率則可用于上述這一目的。土壤生物體的極佳平衡的營(yíng)養(yǎng)條件在正常耕地中可以其C/N比率大約為25來(lái)表示。但是，應(yīng)當(dāng)牢記，C/N比率是真正的重要參數(shù)的近似值-E/N率的一種近似值-這種近似值有時(shí)可能會(huì)弄錯(cuò)。弄錯(cuò)的主要原因是受到分解的有機(jī)質(zhì)的一些C和N結(jié)構(gòu)體并不都對(duì)微生物迅速有效。它們不易被礦化。例如許多植物的無(wú)N木質(zhì)素和許多泥炭土壤的低N殘留物質(zhì)對(duì)大部分微生物是很差的能源物質(zhì)。雖然它們具有較高的C/N比率，但這類(lèi)物質(zhì)卻不會(huì)引起N的任何實(shí)質(zhì)性的凈固持作用。盡管受上述情況的限制，C/N比率實(shí)際上可廣泛地用于鑒定土壤有機(jī)質(zhì)和加入土壤的有機(jī)物質(zhì)的特性。同時(shí)，這也可應(yīng)用于其對(duì)MIT的影響。此外，C/N比率的使用還可暗示出在生物分解過(guò)程中C和N轉(zhuǎn)化作用之間的一種密切的相互依賴(lài)關(guān)系。6.2.13 土壤有機(jī)質(zhì)相的概念 迄今，我們已討論了MIT中直接涉及到的土壤有機(jī)質(zhì)的兩種組分或兩種相的狀況，也就是以植物、微生物和動(dòng)物源的有機(jī)碎片形態(tài)存在的生物體和易釋放有效能的物質(zhì)。按理講，這些碎片并不能完全被分解或者不能立即被分解。由于某些結(jié)構(gòu)體成分或多或少能抗微生物的分解，因此它們就會(huì)在土壤中積累，同時(shí)還?？赏ㄟ^(guò)生物方法或化學(xué)方法使其變化或改變，但最后總是會(huì)完全礦化或轉(zhuǎn)化成生物體。某些累積的有機(jī)殘?bào)w占了土壤有機(jī)質(zhì)中的相當(dāng)部分，因此構(gòu)成了一種相對(duì)的非活躍相（passive phase）（Allen等，1973，Broadbent和Nakashima，1965，1967；Chu和Knowles，1966；Freney和Simpson，1969；Jenkinson和Rayner，1977；Kuo和Bartholomew，1966，Ladd和Paul，1973；Nommik，1961，1968；Pau1，1976；Stanford等，1970，Stewart等，1963b）。從生態(tài)觀(guān)點(diǎn)來(lái)考慮，它們就是土壤的腐殖物質(zhì)（Jansson，1966，1971）。就MIT而言，這些有機(jī)殘?bào)w可以排除在過(guò)程之外，與新鮮生物體碎片相反，這些有機(jī)殘?bào)w只受到需要能量和養(yǎng)分的活微生物的緩慢而低效的分解。雖然如此，但土壤的這種有機(jī)的非活躍相仍然對(duì)土壤生物體構(gòu)成了一種重要的基礎(chǔ)能源和營(yíng)養(yǎng)源，這是由于其在土壤中存在的數(shù)量頗大所致。6.2.14 腐殖質(zhì)的形成和腐解：一種動(dòng)態(tài)現(xiàn)象土壤中的腐殖質(zhì)含量，即非活躍的有機(jī)相，它可通過(guò)有機(jī)殘?bào)w積累和緩慢分解兩者之間的平衡來(lái)測(cè)定。這一平衡將受許多因子的約束，尤其是土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分、氣候、耕作制度以及作物殘?bào)w的處理等，這些因子有些受到人類(lèi)（農(nóng)民）活動(dòng)的控制，有些則不受人為的影響。此外，土壤有機(jī)質(zhì)的非活躍相不管其來(lái)源、成分和年齡都是多相的（Chichester等，1975；Chichester和Smith，1970；Jenkinson和Rayner，1977；Ladd等，1977a，b；Legg等,1971；Nommik，1961； Persson，1968；Smith等，1978；Stanford等，1970）。關(guān)于有機(jī)質(zhì)的非活躍相的年齡跨度很大，它可用放射性碳測(cè)出的年代來(lái)表示（Campbe11，1978）。有機(jī)質(zhì)的非活躍相的化學(xué)性質(zhì)的研究已發(fā)展成為土壤化學(xué)的一個(gè)專(zhuān)門(mén)分支，即對(duì)腐殖物質(zhì)的提取、成分以及它的性質(zhì)的研究。在為該領(lǐng)域獲得有成就的進(jìn)展而作的努力中，腐殖質(zhì)化學(xué)家們可能已注意到這樣的事實(shí)，那就是土壤有機(jī)質(zhì)中發(fā)生的過(guò)程主要是生物學(xué)和生物化學(xué)的現(xiàn)象（Jansson，1967）。更好地鑒別和確定土壤有機(jī)質(zhì)的非活躍相中不同部分和發(fā)展階段，以及它們與生物量和MIT的關(guān)系，是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。由此可以推論，土壤有機(jī)質(zhì)中的不同部分是難以明顯地分開(kāi)，但是，它們都能從較為活躍的階段不斷地變化成較為不活躍的階段。同時(shí)它們還不斷地受到異養(yǎng)微作物區(qū)系的分解。隨后，每一部分又以逐步減小的速度繼續(xù)受到分解。在整個(gè)土壤有機(jī)質(zhì)中，各個(gè)部分可以互相變化，并達(dá)到某種類(lèi)型的動(dòng)態(tài)平衡或穩(wěn)定狀態(tài)。這對(duì)土壤N以及土壤C而言是真實(shí)可靠的。在每一種土壤中，人們都認(rèn)為有可能形成某種程度的專(zhuān)門(mén)的動(dòng)態(tài)平衡。6.2.15 平衡概念在相的測(cè)定過(guò)程中的應(yīng)用在示蹤研究中，所推測(cè)的土壤有機(jī)質(zhì)不同部分之間的相互變化和平衡，已被用來(lái)計(jì)算由生物量和植物、微生物以及動(dòng)物源的新鮮碎片所組成的土壤有機(jī)質(zhì)的活躍相（activephase）的大?。↗ansson，1958；Nommik，1968）。土壤有機(jī)N殘留物的形成是一種穩(wěn)定作用和老化作用的過(guò)程。同時(shí)，也可以看作是對(duì)MIT的一種非活躍的交替作用。研究有機(jī)N動(dòng)態(tài)平衡的主要中心任務(wù)是要尋找測(cè)定微生物生物量的可靠方法。測(cè)定生物量的傳統(tǒng)方法需要計(jì)算和估計(jì)構(gòu)成生物量的各個(gè)生物的大小或重量，盡管使用這些方法有些困難和缺點(diǎn)，但仍然可作為某些類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)方法。在早期有關(guān)重新固持的標(biāo)記N的再礦化作用的研究中，Jaasson（1958）得出結(jié)論，包括生物體在內(nèi)的土壤有機(jī)N的活躍相在適于耕作的礦質(zhì)土壤中，據(jù)計(jì)算，其量占總的有機(jī)N的10-15%。其余的部分則推斷構(gòu)成了一個(gè)能緩慢地與活躍相進(jìn)行相互變化的生物的非活躍相的貯庫(kù)。為計(jì)算同位素平衡過(guò)程中所涉及到的數(shù)量的一般公式可用作估計(jì)活躍相的方法，并用示蹤數(shù)據(jù)來(lái)表示：A=B（1-y）/y公式中y是通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定的重新固持的標(biāo)記N凈礦化作用流出量。如果在有機(jī)狀態(tài)（B）中標(biāo)記N的量（重新固持的量）是已知的話(huà)，那么土壤N（A）的數(shù)量就相當(dāng)于活躍相，而且可用標(biāo)記的有機(jī)N來(lái)計(jì)算。在長(zhǎng)期的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)關(guān)于再礦化作用數(shù)據(jù)的這種計(jì)算方法能增加A值（活躍相中的土壤N量）。事實(shí)上，A值的增加是標(biāo)記N穩(wěn)定作用和老化作用的一種表示形式，而且它還能與增加的非活躍的土壤N量達(dá)成平衡（Janssoa，1958；Nommik，1968）。6.2.16 “A”及其相關(guān)值上述方程式在形式上與Fried和Dean（1952）用來(lái)計(jì)算專(zhuān)門(mén)A值的表達(dá)方式相一致，這一專(zhuān)門(mén)的A值是以加入土壤中的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（肥料）來(lái)表示的土壤營(yíng)養(yǎng)的一個(gè)指標(biāo)（量度）。當(dāng)然，并未考慮標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（肥料）在土壤中的轉(zhuǎn)化作用。一些研究者根據(jù)Fried和Dean以加入土壤無(wú)機(jī)15N肥料為基礎(chǔ)計(jì)算土壤N的方法來(lái)計(jì)算出A值（Aleksic等，1968；Broadbent，1970；Campbell和Paul，1978；Dev和Rennie，1979；van den Hende，1968；Hill等，1978；Kaind1和Haunold，1965；Legg和A11ison，1959；Legg和Stanford，1967；Pomares-Garcia和Pratt 1978；Rennie和Rennie，1973；Smith和Legg，1971；Taki和Yamashita，1967；Terman和Brown，1968b）。在這些研究中，加入的15N可通過(guò)幾條途徑分配在未受控制的土壤N貯庫(kù)中。因此，可以預(yù)料到這些計(jì)算會(huì)得出不確切的結(jié)果，而且，甚至?xí)谏婕暗降耐寥繬相的轉(zhuǎn)化作用研究時(shí)造成錯(cuò)誤。與此相反，土壤中活躍的N相，其中包括生物體，則可在嚴(yán)格的限定條件下，一定會(huì)找到一種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)定方法。標(biāo)記N能被結(jié)合而進(jìn)入活躍的異養(yǎng)生物體和來(lái)源于這些生物體的新鮮碎片之中（Jansson，1958）。6.2.17 三維相分離的探索測(cè)定土壤生物量的另一個(gè)新原理是土壤經(jīng)過(guò)消毒（例如用氯仿熏蒸劑消毒），隨后進(jìn)行培養(yǎng)，以測(cè)定由于殺死生物體所引起的凈礦化作用。根據(jù)礦化作用的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出原始生物量的大小。這種方法所得的結(jié)果看來(lái)是有意義的，而且也有前途（Anderson和Domsch，1978a，b；Jenkinson，1966b；Jenkinson和Powlson，1976a，b）。另一方面，土壤有機(jī)質(zhì)還包括強(qiáng)烈穩(wěn)定的和很老的物質(zhì)。因此有可能通過(guò)14C測(cè)定年代來(lái)判斷這種含碳物質(zhì)（Campbell，1978；Jenkinson和Rayner，1977；Paul，1970；Paul和Juma，1981）以及計(jì)算與這種老C結(jié)合在一起的氮量。由于應(yīng)用了這種方法，所以就可估計(jì)出土壤有機(jī)質(zhì)在生物學(xué)上有意義的三種相，即活的生物體（用熏蒸法測(cè)定）、構(gòu)成活躍相的新鮮碎片（在短期的凈礦化作用試驗(yàn)中用同位素稀釋法計(jì)算，并修正分離的生物體的測(cè)定結(jié)果），以及很老而非活躍的物質(zhì)（用14C標(biāo)記測(cè)定年代）。用上述三種測(cè)定方法還不能測(cè)出的土壤N就構(gòu)成了第四部分。Paul和Juma，（1981）規(guī)定了這種殘留部分為穩(wěn)定態(tài)氮，并計(jì)算出其半衰期約為30年（圖6-2）。沿著這一路線(xiàn)繼續(xù)研究下去將會(huì)得到豐碩成果。(圖：圖6-2 無(wú)生命的土壤有機(jī)N的假設(shè)性分級(jí))6.3 問(wèn)題和展望扼要地說(shuō)，MIT構(gòu)成了N和其它營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的異養(yǎng)生物的亞循環(huán)的一種重要而且有特點(diǎn)的組分。MIT在許多關(guān)系上可調(diào)節(jié)礦化N的凈流出量，從而影響到其它兩種N的循環(huán)的功能，即自養(yǎng)生物和元素的功能。因此，一個(gè)迫切任務(wù)是首先要了解它，然后繼續(xù)去研究并澄清在不同環(huán)境條件下MIT的動(dòng)態(tài)狀況。這是一個(gè)可以稱(chēng)為功能性微生物學(xué)的題目，其中土壤微生物區(qū)系或生物體可看作是對(duì)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)（N循環(huán)）的重要過(guò)程、貯庫(kù)和途徑負(fù)有責(zé)任的一種工作整體。就土壤微生物的應(yīng)用而言，例如，在土壤肥力和植物生產(chǎn)中，其功能性途徑已證明是最出色的成果。在過(guò)去10年間，對(duì)MIT的研究和科學(xué)討論的一般印象是有關(guān)MIT的變化過(guò)程所必需的知識(shí)很不容易獲得。而且，這方面的研究進(jìn)展亦相當(dāng)緩慢，甚至還往往會(huì)作出錯(cuò)誤的解釋。此外，新的研究技術(shù)和方法也尚未有效地利用（Hauck和Bremner，1976，Jansson，1971）。6.3.1 研究土壤有機(jī)質(zhì)的一條新途徑雖然關(guān)于MIT的一些說(shuō)明早在示蹤技術(shù)應(yīng)用以前就已出現(xiàn)（Jansson，1971；Paul和Juma，1981），并對(duì)這二個(gè)相反的過(guò)程有了逐步的理解，但大量補(bǔ)充礦化作用和固持作用的微生物過(guò)程才是示蹤研究的主要成果。示蹤研究給土壤微生物學(xué)增加了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，特別是研究異養(yǎng)生物體在土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)過(guò)程中所起的作用。就此而言，礦化作用和固持作用整個(gè)范圍之間的相互關(guān)系常常因凈結(jié)果受到限制而具有特殊的意義。雖然對(duì)這兩個(gè)過(guò)程已作了說(shuō)明和下了定義，但仍然缺乏大量試驗(yàn)所獲得的牢固的基礎(chǔ)知識(shí)。迄今已獲得的試驗(yàn)資料表明，生物體在土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)過(guò)程中起著主導(dǎo)作用，而且特別強(qiáng)調(diào)要用一種明確無(wú)誤的方法來(lái)闡明這些動(dòng)態(tài)過(guò)程是十分困難的。根據(jù)Pau1和van Veen（1979）的研究，生物體在土壤有機(jī)質(zhì)中占有一個(gè)獨(dú)特的位置，因?yàn)樗哂袃蓚€(gè)方面的功能：一方面在土壤中起著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（N）和能量的貯庫(kù)功能，另一方面又起著轉(zhuǎn)運(yùn)站的作用。換言之，其系統(tǒng)是復(fù)雜的，而且也具有各種各樣的轉(zhuǎn)化作用的可能性。盡管存在著許多困難和混淆不清的問(wèn)題，但已提出了有關(guān)土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的新的、有了改進(jìn)的理論，它與生物體的功能密切有關(guān)，而且特別強(qiáng)調(diào)了MIT的作用。這種理論需要有一條新的研究途徑，即從生物體開(kāi)始，研究其大小、能量和N的需要、功能、代謝過(guò)程以及殘留物（left-overs）。傳統(tǒng)的有機(jī)質(zhì)（腐殖質(zhì)）的化學(xué)研究方法，它用純粹的化學(xué)手段研究了富啡酸和腐殖酸的提取以及純化及其鑒定。因此，從新的理論觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，這幾乎是不適宜的。新提出的研究途徑包含的一個(gè)重要任務(wù)，即應(yīng)當(dāng)發(fā)展新的，尋找一種與土壤有機(jī)質(zhì)密切有關(guān)的生物學(xué)分析技術(shù)。這種新的分析技術(shù)的第一步是要找出能測(cè)定土壤生物量的一種生物化學(xué)方法。根據(jù)這種愿望，熏蒸法（Jenkinson，1966b；Jenkinson和Powlson，1976a，b）或?qū)@種方法作一些改進(jìn)似乎是有前途的（Anderson和Domsch，1978a，b）。在第二步，就需要鑒定和分離無(wú)生命的土壤有機(jī)質(zhì)，并應(yīng)適當(dāng)考慮其與生物體的相互關(guān)系。無(wú)生命的土壤有機(jī)質(zhì)的活躍相的鑒定要放在優(yōu)先的地位。該活躍相與生物體