土壤游离氦基酸研究概述

马雪珍

摘要：主要总结了土壤中游离氨基酸相关研究现状、土壤中氨基酸种类及来源、土壤中氨基酸的含量和测定方法、含量影响因素及土壤中氨基酸在氮素循环中的意义。指出植物对氨基酸等有机氮源的直接吸收利用，是氮素循环的快速通道，并以期提出更加完善合理的氮循环模型以解释氮循环过程。

关键词：土壤；氨基酸；含量；氮循环

1 土壤中游离氨基酸概论

关于传统陆地生态系统氮循环主要关注的是无机氮元素的循环，即矿质氮元素（NH⁴⁺，NO^3-）的增加、分布、消耗等。植物——土壤——微生物如何利用和调节生态系统无机氮源平衡的相关研究已比较成熟，并且已建立了比较完善的概念模型以供参考。早期学术界普遍认为，植物并不需要直接利用有机氮源，并且在与微生物竞争利用无机氮源中处于劣势，只有微生物利用剩余的无机氮源（NH⁴⁺，NO^3-），才能予以植物利用。直到最近20年的相关研究揭示，陆生生态系统中的植物可以利用有机氮源，在有机氮源（氨基酸等）浓度等于或高于无机氮源（NH⁴⁺，NO^3-）时，植物能够直接利用土壤中游离的氨基酸作为氮源。但目前关于土壤生态系统中氨基酸等有机氮源的利用研究仍处于初期。目前土壤中游离氨基酸的相关研究主要集中两极、高海拔生态系统、北方寒冷森林系统中。这些地方气候严寒，导致氮元素矿化受到抑制，无机氮元素含量相对较低，因此这些条件下的生态系统中植物氮源主要以氨基酸为主，所以土壤中游离氨基酸对生态系统中的植物微生物具有重要作用。目前，普遍将土壤中的氨基酸作为低肥力生态系统中的氮库组成之一嵌入到生态系统中经典氮素循环模型中。Aber等人提出了植物对氮源的利用随着土壤中氮素的含量变化而改变，在低肥力的土壤中，植物主要以氨基酸为主要氮源，随着土壤肥力提高，逐步依次利用NH⁴⁺和NO^3-，造成以上现象的主要原因是与生态系统中微生物的作用相关。在低肥力土壤中的微生物主要将N源合成有机物而矿化作用受到抑制，在高肥力土壤中主要是将N源进行矿化，因此低肥力土壤中植物主要利用氨基酸等有机氮源，而高肥力土壤中则利用无机氮源。Aber等人的理论不仅与目前研究实验结果数据相吻合，同时也与两极、高海拔生态系统、北方寒冷森林系统实际情况相一致。

目前相关研究显示土壤中的氨基酸不仅仅为植物还有微生物提供碳源和氮源，同时还在生态系统中碳氮循环中起到至关重要的作用。对土壤中氨基酸等有机氮源的研究，不仅可以了解不同生态系统中物质循环的规律与机理，同时对生态系统的改造、保护及农业发展具有重要意义。

2 土壤中游离氨基酸的种类及来源

2.1 土壤中氨基酸的种类

生命系统中主要是20种天然的α-氨基酸参与生命过程中功能载体蛋白质的合成。研究发现，从土壤溶液或土壤提取液中鉴定出多种氨基酸，其中谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸含量相对较高，其次是丙氨酸、精氨酸、赖氨酸等氨基酸。土壤中氨基酸的含量受地域、季节、采样时间、生物分布于活动等多种因素的影响，同时因为土壤中游离氨基酸易被植物吸收利用，因此土壤中主要氨基酸种类处于动态变化之中。土壤中氨基酸的种类的丰富化是有机氮库的重要组成部分，也是植物氮源的保证。

2.2 土壤中氨基酸的来源

土壤中的氨基酸主要是各种来源的高分子有机物质通过微生物的分解后进人土壤中，其主要来源包括以下途径：

2.2.1 植物地上部分凋落腐败。植物的枯枝落叶花瓣等凋落后，通过微生物的腐败分解作用后释放出大量的含氮物质，其中包括大量的氨基酸，释放出的氨基酸通过直接的沉降或者雨水的冲刷淋入土壤。地面植被的种类直接影响土壤中氨基酸的种类和含量。

2.2.2 植物根系的死亡腐败。植物根系功能复杂而强大，其中含有丰富的蛋白质，植物根系死亡腐败后能释放出各种丰富的氨基酸。

2.2.3 其他来源途径。主要包括土壤中微生物集中死亡释放出的氨基酸、植物根系自身分泌释放出的氨基酸、外源性氮源的添加如人工施肥后进入土壤中的氨基酸、动物活动因素如动物粪便偶然的动物尸体腐败而进入土壤的氨基酸。总之，蛋白质来源的氨基酸是土壤中氨基酸最稳定也是最主要的来源途径。

3 土壤中氨基酸含量及测定方法

要保证植物的生长，提供其所需的氨基酸，则需要保证土壤中氨基酸的含量在一定指标之上。研究显示，氨基酸的含量常占土壤中氮元素含量的20%～50%，其含量与土壤中的微生物代谢息息相关，有机碳源和无机碳源共同为生态系统循环提供物质基础。

土壤中氨基酸总含量是相当丰富的，然而游离的氨基酸含量却是很少。土壤中游离氨基酸的含量通常在每4μg/g以下，而土壤中氨基酸的总含量在500～1600μg/g之间，游离氨基酸占土壤中氨基酸总量1%以下，也只有土壤中游离的氨基酸才能够被植物吸收并利用。其中，丙氨酸（7%～15%）、组氨酸（5%～10%）、谷氨酸及其盐类（0～20%）、天冬氨酸及其盐类（0～20%）占游离氨基酸总量的80%以上。同样，土壤中游离氨基酸的含量随地域、季节等多重因素的变化而变化。

土壤中氨基酸的鉴定与含量测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、离子交换性等物理化学性质。如前所述，土壤中的氨基酸主要包括游离氨基酸和其他类型的氨基酸（如多肽、蛋白质中的氨基酸）。氨基酸总量的测定可以通过常规的显色反应进行，如茚三酮分光光度法、邻二苯甲醛和β-巯基乙醇荧光光度法。以上检测方法能够快速、准确、便宜地检测出土壤中氨基酸含量，但不能对氨基酸的组成进行分析。在不同地域、气候等条件下，植物对不同的氨基酸具有不同的吸收速率，因需要对土壤中的氨基酸组成进行定性和定量，才能揭示氨基酸在生态系统中氮素循环的重要作用。

研究中，常用于个体氨基酸定性和定量分析的方法主要包括气相色谱法（Gc）、高效液相色谱法（HPLC）、气质联用色谱法（Gc-MS）、液质联用色谱法（LC-MS），柱后水合茚三酮显色阳离子交换色谱法、阴离子交换色谱一积分脉冲安培检测法等。气相色谱是发展比较成熟的分析技术，其应用于土壤中氨基酸的测定操作简便快捷；但是气相色谱法也由于专一性差等因素限制了其在土壤中氨基酸测定中的应用。随着分析技术的发展，气相色谱与其他方法联用的检测技术开始出现，如气相色谱与质谱联用（GC-MS），气相色谱与同位素比例质谱联用等技术。气相色谱与同位素比例质谱联用，不仅能测定土壤中氨基酸含量，同时能够利用同位素标记追踪土壤中氨基酸的转化和生态循环过程。高效液相色谱法是目前分析方法中最常用，也是应用最为广泛的检测方法，高效液相色谱法测定土壤中的氨基酸关键是进行衍生和检测器的选择。常用于土壤中氨基酸测定的高效液相色谱衍生方法主要是二硝基氟苯衍生法、邻苯二甲醛衍生法等。不同检测方法各有特点和检测特性，需根据待检测样品的性质和实验目的综合考虑选择检测方法。

气相色谱和液相色谱在土壤中氨基酸检测中不足之处在于样品的前处理。土壤成分十分复杂，常常需要水解、提取、脱盐甚至衍生化后才能进行检测。操作步骤的繁琐常导致最终测定结果的偏差较大。目前出现的一些新兴分析技术，如毛细管电泳技术、荧光OPAME技术能够快速、准确定量，已经开始逐渐在测定土壤氨基酸含量中使用。

4 影响土壤中游离氨基酸含量的因素

土壤中游离氨基酸主要来源于生物有机体蛋白质的分解。因此能够影响土壤氨基酸来源的因素均会影响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质、温度、氨基酸本身的性质等。由于不同区域土壤组成成分存在差异，如三氧化二物能够吸附氨基酸，导致氨基酸不易流失而使得土壤中氨基酸含量相对较高。土壤中矿质元素的含量和种类对土壤中氨基酸含量变化也有影响。氨基酸会与矿质元素发生相互作用（如络合等），从而影响氨基酸的流向。土壤的酸碱性会影响土壤中蛋白水解酶的活性，因而影响土壤中氨基酸含量的变化。相关研究显示，土壤中氨基酸的含量随土壤肥力的升高而减低，这也在一定程度上解释为什么严寒地域的植物对氨基酸的吸收利用高于无机氮源。在低湿度的土壤中，氨基酸的含量随湿度的增加无显著变化，但湿度达到一定程度后，土壤中氨基酸的含量随湿度的变化出现显著性差异，这可能是由于土壤中水分含量较高时微生物综合利用合成氨基酸量增加而导致。温度主要是通过影响土壤中水分的含量和影响蛋白水解酶的活性而影响土壤中氨基酸的含量。氨基酸本身的性质如分子量、疏水性、电性、CN比等因素会通过影响土壤对氨基酸的吸附、交换和生物利用而影响土壤中氨基酸含量。

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，同时植物和微生物通过分泌和死亡分解释放出氨基酸成为土壤氨基酸的来源，氨基酸含量的变化取决于上述2个过程的综合作用结果，同时植物和微生物的相互作用也是影响土壤中氨基酸含量的因素之一。其次，人类社会生产活动（农业灌溉、施肥）和动物活动都会影响土壤中氨基酸的含量。

5 土壤氨基酸在土壤中氮循环中的意义

19世纪中期，Liebig等人提出的纯矿质营养论认为，生态系统中氮的有效性和植物营养都是基于矿质化的氮，即使有研究显示植物根部能直接吸收氨基酸加以利用，但当时普遍认为植物吸收的氨基酸仅是微生物利用剩下的极少部分，并且植物和微生物在有机氮源的竞争中一直处于劣势。因此传统的纯矿质营养论长期处于主导地位，矿质氮（NH⁴⁺，NO^3-）和氮净矿作用一直是生态系统中土壤氮的有效性评价核心。通常以土壤中矿质氮（NH⁴⁺，NO^3-）含量及变化和土壤矿质氮的通量来作为生态系统中有效性氮的指标。

1960年以后，随着相关研究的深入，越来越多的研究结果揭示，植物能够直接吸收氨基酸等有机氮源，许多土壤生态系统中有机氮源是充足的，并且植物能够竞争过微生物直接利用这些有机氮源。传统纯矿质理论开始受到挑战，植物对土壤中氨基酸的吸收利用，让人们重新思考氮的矿质化是否仍是土壤生态系统中氮循环的核心。植物对氨基酸类有机氮源的吸收，直接跨越了生物体内矿质氮（NH⁴⁺，NO^3-）向有机氮转化过程，成为生态系统中氮循环的快速通道，加快了土壤中氮元素的库存周转，对研究整个生态系统中氮循环具有重要意义。同时也要求人们进行更加细致深入的研究，提出更加完善的生态系统氮循环模型，以解释氮循环的奥秘及作用。

6 总语

随着对生态系统中氮循环研究的深入，人们发现以氮矿质化过程为核心的传统植物矿质营养理论受到严重挑战。本文总结了对生态系统中植物直接吸收利用土壤中氨基的相关研究、土壤中氨基酸的种类和来源、土壤中氨基酸的含量和测定方法、影响土壤中氨基酸含量的因素及土壤中氨基酸在生态系统中氮循环的意义。植物对氨基酸等有机氮源的直接吸收利用，成为氮素循环的快速通道，并要求提出更加完善合理的氮循环模型以解释氮循环过程。

（收稿：2016-03-17）