土壤游離氦基酸研究概述

馬雪珍

摘要：主要總結(jié)了土壤中游離氨基酸相關(guān)研究現(xiàn)狀、土壤中氨基酸種類及來源、土壤中氨基酸的含量和測定方法、含量影響因素及土壤中氨基酸在氮素循環(huán)中的意義。指出植物對氨基酸等有機(jī)氮源的直接吸收利用，是氮素循環(huán)的快速通道，并以期提出更加完善合理的氮循環(huán)模型以解釋氮循環(huán)過程。

關(guān)鍵詞：土壤；氨基酸；含量；氮循環(huán)

1 土壤中游離氨基酸概論

關(guān)于傳統(tǒng)陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)主要關(guān)注的是無機(jī)氮元素的循環(huán)，即礦質(zhì)氮元素（NH⁴⁺，NO^3-）的增加、分布、消耗等。植物——土壤——微生物如何利用和調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)無機(jī)氮源平衡的相關(guān)研究已比較成熟，并且已建立了比較完善的概念模型以供參考。早期學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，植物并不需要直接利用有機(jī)氮源，并且在與微生物競爭利用無機(jī)氮源中處于劣勢，只有微生物利用剩余的無機(jī)氮源（NH⁴⁺，NO^3-），才能予以植物利用。直到最近20年的相關(guān)研究揭示，陸生生態(tài)系統(tǒng)中的植物可以利用有機(jī)氮源，在有機(jī)氮源（氨基酸等）濃度等于或高于無機(jī)氮源（NH⁴⁺，NO^3-）時(shí)，植物能夠直接利用土壤中游離的氨基酸作為氮源。但目前關(guān)于土壤生態(tài)系統(tǒng)中氨基酸等有機(jī)氮源的利用研究仍處于初期。目前土壤中游離氨基酸的相關(guān)研究主要集中兩極、高海拔生態(tài)系統(tǒng)、北方寒冷森林系統(tǒng)中。這些地方氣候嚴(yán)寒，導(dǎo)致氮元素礦化受到抑制，無機(jī)氮元素含量相對較低，因此這些條件下的生態(tài)系統(tǒng)中植物氮源主要以氨基酸為主，所以土壤中游離氨基酸對生態(tài)系統(tǒng)中的植物微生物具有重要作用。目前，普遍將土壤中的氨基酸作為低肥力生態(tài)系統(tǒng)中的氮庫組成之一嵌入到生態(tài)系統(tǒng)中經(jīng)典氮素循環(huán)模型中。Aber等人提出了植物對氮源的利用隨著土壤中氮素的含量變化而改變，在低肥力的土壤中，植物主要以氨基酸為主要氮源，隨著土壤肥力提高，逐步依次利用NH⁴⁺和NO^3-，造成以上現(xiàn)象的主要原因是與生態(tài)系統(tǒng)中微生物的作用相關(guān)。在低肥力土壤中的微生物主要將N源合成有機(jī)物而礦化作用受到抑制，在高肥力土壤中主要是將N源進(jìn)行礦化，因此低肥力土壤中植物主要利用氨基酸等有機(jī)氮源，而高肥力土壤中則利用無機(jī)氮源。Aber等人的理論不僅與目前研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)相吻合，同時(shí)也與兩極、高海拔生態(tài)系統(tǒng)、北方寒冷森林系統(tǒng)實(shí)際情況相一致。

目前相關(guān)研究顯示土壤中的氨基酸不僅僅為植物還有微生物提供碳源和氮源，同時(shí)還在生態(tài)系統(tǒng)中碳氮循環(huán)中起到至關(guān)重要的作用。對土壤中氨基酸等有機(jī)氮源的研究，不僅可以了解不同生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的規(guī)律與機(jī)理，同時(shí)對生態(tài)系統(tǒng)的改造、保護(hù)及農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

2 土壤中游離氨基酸的種類及來源

2.1 土壤中氨基酸的種類

生命系統(tǒng)中主要是20種天然的α-氨基酸參與生命過程中功能載體蛋白質(zhì)的合成。研究發(fā)現(xiàn)，從土壤溶液或土壤提取液中鑒定出多種氨基酸，其中谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸含量相對較高，其次是丙氨酸、精氨酸、賴氨酸等氨基酸。土壤中氨基酸的含量受地域、季節(jié)、采樣時(shí)間、生物分布于活動(dòng)等多種因素的影響，同時(shí)因?yàn)橥寥乐杏坞x氨基酸易被植物吸收利用，因此土壤中主要氨基酸種類處于動(dòng)態(tài)變化之中。土壤中氨基酸的種類的豐富化是有機(jī)氮庫的重要組成部分，也是植物氮源的保證。

2.2 土壤中氨基酸的來源

土壤中的氨基酸主要是各種來源的高分子有機(jī)物質(zhì)通過微生物的分解后進(jìn)人土壤中，其主要來源包括以下途徑：

2.2.1 植物地上部分凋落腐敗。植物的枯枝落葉花瓣等凋落后，通過微生物的腐敗分解作用后釋放出大量的含氮物質(zhì)，其中包括大量的氨基酸，釋放出的氨基酸通過直接的沉降或者雨水的沖刷淋入土壤。地面植被的種類直接影響土壤中氨基酸的種類和含量。

2.2.2 植物根系的死亡腐敗。植物根系功能復(fù)雜而強(qiáng)大，其中含有豐富的蛋白質(zhì)，植物根系死亡腐敗后能釋放出各種豐富的氨基酸。

2.2.3 其他來源途徑。主要包括土壤中微生物集中死亡釋放出的氨基酸、植物根系自身分泌釋放出的氨基酸、外源性氮源的添加如人工施肥后進(jìn)入土壤中的氨基酸、動(dòng)物活動(dòng)因素如動(dòng)物糞便偶然的動(dòng)物尸體腐敗而進(jìn)入土壤的氨基酸?？傊?，蛋白質(zhì)來源的氨基酸是土壤中氨基酸最穩(wěn)定也是最主要的來源途徑。

3 土壤中氨基酸含量及測定方法

要保證植物的生長，提供其所需的氨基酸，則需要保證土壤中氨基酸的含量在一定指標(biāo)之上。研究顯示，氨基酸的含量常占土壤中氮元素含量的20%～50%，其含量與土壤中的微生物代謝息息相關(guān)，有機(jī)碳源和無機(jī)碳源共同為生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

土壤中氨基酸總含量是相當(dāng)豐富的，然而游離的氨基酸含量卻是很少。土壤中游離氨基酸的含量通常在每4μg/g以下，而土壤中氨基酸的總含量在500～1600μg/g之間，游離氨基酸占土壤中氨基酸總量1%以下，也只有土壤中游離的氨基酸才能夠被植物吸收并利用。其中，丙氨酸（7%～15%）、組氨酸（5%～10%）、谷氨酸及其鹽類（0～20%）、天冬氨酸及其鹽類（0～20%）占游離氨基酸總量的80%以上。同樣，土壤中游離氨基酸的含量隨地域、季節(jié)等多重因素的變化而變化。

土壤中氨基酸的鑒定與含量測定主要基于氨基酸自身特性，如分子量、碳含量，碳氮比、溶解性、離子交換性等物理化學(xué)性質(zhì)。如前所述，土壤中的氨基酸主要包括游離氨基酸和其他類型的氨基酸（如多肽、蛋白質(zhì)中的氨基酸）。氨基酸總量的測定可以通過常規(guī)的顯色反應(yīng)進(jìn)行，如茚三酮分光光度法、鄰二苯甲醛和β-巰基乙醇熒光光度法。以上檢測方法能夠快速、準(zhǔn)確、便宜地檢測出土壤中氨基酸含量，但不能對氨基酸的組成進(jìn)行分析。在不同地域、氣候等條件下，植物對不同的氨基酸具有不同的吸收速率，因需要對土壤中的氨基酸組成進(jìn)行定性和定量，才能揭示氨基酸在生態(tài)系統(tǒng)中氮素循環(huán)的重要作用。

研究中，常用于個(gè)體氨基酸定性和定量分析的方法主要包括氣相色譜法（Gc）、高效液相色譜法（HPLC）、氣質(zhì)聯(lián)用色譜法（Gc-MS）、液質(zhì)聯(lián)用色譜法（LC-MS），柱后水合茚三酮顯色陽離子交換色譜法、陰離子交換色譜一積分脈沖安培檢測法等。氣相色譜是發(fā)展比較成熟的分析技術(shù)，其應(yīng)用于土壤中氨基酸的測定操作簡便快捷；但是氣相色譜法也由于專一性差等因素限制了其在土壤中氨基酸測定中的應(yīng)用。隨著分析技術(shù)的發(fā)展，氣相色譜與其他方法聯(lián)用的檢測技術(shù)開始出現(xiàn)，如氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS），氣相色譜與同位素比例質(zhì)譜聯(lián)用等技術(shù)。氣相色譜與同位素比例質(zhì)譜聯(lián)用，不僅能測定土壤中氨基酸含量，同時(shí)能夠利用同位素標(biāo)記追蹤土壤中氨基酸的轉(zhuǎn)化和生態(tài)循環(huán)過程。高效液相色譜法是目前分析方法中最常用，也是應(yīng)用最為廣泛的檢測方法，高效液相色譜法測定土壤中的氨基酸關(guān)鍵是進(jìn)行衍生和檢測器的選擇。常用于土壤中氨基酸測定的高效液相色譜衍生方法主要是二硝基氟苯衍生法、鄰苯二甲醛衍生法等。不同檢測方法各有特點(diǎn)和檢測特性，需根據(jù)待檢測樣品的性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)康木C合考慮選擇檢測方法。

氣相色譜和液相色譜在土壤中氨基酸檢測中不足之處在于樣品的前處理。土壤成分十分復(fù)雜，常常需要水解、提取、脫鹽甚至衍生化后才能進(jìn)行檢測。操作步驟的繁瑣常導(dǎo)致最終測定結(jié)果的偏差較大。目前出現(xiàn)的一些新興分析技術(shù)，如毛細(xì)管電泳技術(shù)、熒光OPAME技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確定量，已經(jīng)開始逐漸在測定土壤氨基酸含量中使用。

4 影響土壤中游離氨基酸含量的因素

土壤中游離氨基酸主要來源于生物有機(jī)體蛋白質(zhì)的分解。因此能夠影響土壤氨基酸來源的因素均會(huì)影響土壤中氨基酸的含量。主要包括非生物因素和生物因素。

4.1 非生物因素

非生物因素主要包括地域土壤性質(zhì)、溫度、氨基酸本身的性質(zhì)等。由于不同區(qū)域土壤組成成分存在差異，如三氧化二物能夠吸附氨基酸，導(dǎo)致氨基酸不易流失而使得土壤中氨基酸含量相對較高。土壤中礦質(zhì)元素的含量和種類對土壤中氨基酸含量變化也有影響。氨基酸會(huì)與礦質(zhì)元素發(fā)生相互作用（如絡(luò)合等），從而影響氨基酸的流向。土壤的酸堿性會(huì)影響土壤中蛋白水解酶的活性，因而影響土壤中氨基酸含量的變化。相關(guān)研究顯示，土壤中氨基酸的含量隨土壤肥力的升高而減低，這也在一定程度上解釋為什么嚴(yán)寒地域的植物對氨基酸的吸收利用高于無機(jī)氮源。在低濕度的土壤中，氨基酸的含量隨濕度的增加無顯著變化，但濕度達(dá)到一定程度后，土壤中氨基酸的含量隨濕度的變化出現(xiàn)顯著性差異，這可能是由于土壤中水分含量較高時(shí)微生物綜合利用合成氨基酸量增加而導(dǎo)致。溫度主要是通過影響土壤中水分的含量和影響蛋白水解酶的活性而影響土壤中氨基酸的含量。氨基酸本身的性質(zhì)如分子量、疏水性、電性、CN比等因素會(huì)通過影響土壤對氨基酸的吸附、交換和生物利用而影響土壤中氨基酸含量。

4.2 生物因素

首先，微生物和植物吸收土壤中的氨基酸加以利用，使得土壤中氨基酸的含量降低，同時(shí)植物和微生物通過分泌和死亡分解釋放出氨基酸成為土壤氨基酸的來源，氨基酸含量的變化取決于上述2個(gè)過程的綜合作用結(jié)果，同時(shí)植物和微生物的相互作用也是影響土壤中氨基酸含量的因素之一。其次，人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)（農(nóng)業(yè)灌溉、施肥）和動(dòng)物活動(dòng)都會(huì)影響土壤中氨基酸的含量。

5 土壤氨基酸在土壤中氮循環(huán)中的意義

19世紀(jì)中期，Liebig等人提出的純礦質(zhì)營養(yǎng)論認(rèn)為，生態(tài)系統(tǒng)中氮的有效性和植物營養(yǎng)都是基于礦質(zhì)化的氮，即使有研究顯示植物根部能直接吸收氨基酸加以利用，但當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為植物吸收的氨基酸僅是微生物利用剩下的極少部分，并且植物和微生物在有機(jī)氮源的競爭中一直處于劣勢。因此傳統(tǒng)的純礦質(zhì)營養(yǎng)論長期處于主導(dǎo)地位，礦質(zhì)氮（NH⁴⁺，NO^3-）和氮凈礦作用一直是生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮的有效性評價(jià)核心。通常以土壤中礦質(zhì)氮（NH⁴⁺，NO^3-）含量及變化和土壤礦質(zhì)氮的通量來作為生態(tài)系統(tǒng)中有效性氮的指標(biāo)。

1960年以后，隨著相關(guān)研究的深入，越來越多的研究結(jié)果揭示，植物能夠直接吸收氨基酸等有機(jī)氮源，許多土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)氮源是充足的，并且植物能夠競爭過微生物直接利用這些有機(jī)氮源。傳統(tǒng)純礦質(zhì)理論開始受到挑戰(zhàn)，植物對土壤中氨基酸的吸收利用，讓人們重新思考氮的礦質(zhì)化是否仍是土壤生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)的核心。植物對氨基酸類有機(jī)氮源的吸收，直接跨越了生物體內(nèi)礦質(zhì)氮（NH⁴⁺，NO^3-）向有機(jī)氮轉(zhuǎn)化過程，成為生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)的快速通道，加快了土壤中氮元素的庫存周轉(zhuǎn)，對研究整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)具有重要意義。同時(shí)也要求人們進(jìn)行更加細(xì)致深入的研究，提出更加完善的生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)模型，以解釋氮循環(huán)的奧秘及作用。

6 總語

隨著對生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)以氮礦質(zhì)化過程為核心的傳統(tǒng)植物礦質(zhì)營養(yǎng)理論受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。本文總結(jié)了對生態(tài)系統(tǒng)中植物直接吸收利用土壤中氨基的相關(guān)研究、土壤中氨基酸的種類和來源、土壤中氨基酸的含量和測定方法、影響土壤中氨基酸含量的因素及土壤中氨基酸在生態(tài)系統(tǒng)中氮循環(huán)的意義。植物對氨基酸等有機(jī)氮源的直接吸收利用，成為氮素循環(huán)的快速通道，并要求提出更加完善合理的氮循環(huán)模型以解釋氮循環(huán)過程。

（收稿：2016-03-17）