2015, Vol. 30
2. 福建省农业科学院农业生态研究所, 福建 福州 350003
2. Agricultural Ecology Institute, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou, Fujian 350002, China
氮素是农作物生长必需的大量元素，对农作物有至关重要的影响。土壤可溶性有机氮(SON)是指在土壤中能被纯水、盐溶液(如 KCl、K2SO4 等)或用电超法(EUF)提取的有机氮素33-N,NH44-N)来维持其生长发育，这使得研究重点集中在无机氮方面，忽略了对土壤 SON 研究。直到近年来，一些研究证实，植物除吸收无机氮外，SON 可以作为土壤氮素有效养分的来源，能够被作物吸收利用，供其生命活动所需；另一方面，SON 有较强移动性,可能随土壤水分运移而发生迁移和流失，造成水文生态系统富营养化，引起生态环境恶化。SON 在土壤中的行为和矿质氮、不溶性有机氮有很大区别[6]，其组分与含量又受到多种因素影响，且随季节而发生变化，进而影响其对土壤的供氮能力。本文对农业生态系统 SON 主要来源、组分与提取方式、含量和影响因素、季节性动态变化及其功能等内容进行总结分析，以期指导农业生态系统 SON 后期研究方向。
1 农业生态系统 SON 主要来源、组分与提取方法农业生态系统比草地和森林生态系统复杂得多，因此SON 来源也较复杂。农业生态系统的形成与发展受到人为因素的控制，如施肥。有研究报道，有机肥本身就含有一定量 SON，农田所施入的有机肥可能是 SON 的重要来源之一[7]，这对于森林和草地来说几乎没有。Chapman等[8]指出，农业生态系统中有机肥料和作物秸秆的施入、植物生长过程中根系的分泌物、动植物残体以及腐殖质被微生物分解所产生的中间产物等均是农业土壤 SON 的来源。有报道指出，森林生态系统中，SON 的产生过程包括土壤有机质分解(包括根、枯枝落叶)过程、土壤胶体解吸过程和微生物残骸分解过程以及大气沉淀过程等[2]。而对于草地土壤 SON 的来源尚少有报道，普遍认为土壤 SON 的来源和可溶性有机物的来源具有一致性。Zsolnay[9]报道指出，有机物质腐殖化过程产生的物质可作为可溶性有机物的一个主要来源。Williams等[10]发现，土壤溶液中可溶性有机物中会有一部分微生物代谢产物存在，因此，可溶性有机物另一个潜在的重要来源是土壤微生物生物量。
综上，不难看出农业和森林、草地生态系统 SON 来源有其共性和特性。其共性来源主要体现在3个方面：(1)三大生态系统中动植物残体以及腐殖质被微生物所分解而产生的中间产物；(2)根系和微生物的分泌物，如酶类和氨基酸；(3)大气沉降。而特性为：(1)与另2个生态系统相比，农业生态系统中人为施入的肥料也可能是其 SON 的来源；(2)森林和草地中，大型动植物残体的归入在农业生态系统中基本没有。
农业土壤 SON 组分大致可分为两类：(1)难分解的大分子含氮有机化合物，以富含腐殖物质的有机酸等为主；(2)易分解的小分子含氮化合物，以氨基酸、氨基糖、蛋白质等为主[11]。
农业土壤 SON 组分的研究，多集中在小分子量的 SON 方面，对大分子量的研究尚少有报道。不过和草地及森林土壤相比，农业土壤微生物分解动植物有机残体和腐殖质所产生的可溶性有机物中，亲水性有机酸占较大比重[12]。小分子含氮化合物由于其分子量较小、移动性强，因此循环速度也较快[11]。例如土壤氨基酸，有学者指出它会很快被土壤微生物所吸收利用并释放出新的氨基酸，使其处于动态变化之中，是土壤 SON 较活跃的一个组分[13]。李世清等[14]在研究土壤中氨基酸组成和含量时，分别对几个不同地区农田进行采样分析，结果发现，土壤氨基酸占总氨基酸含量的比例顺序为：中性氨基酸 (53.99%) > 碱性氨基酸(24.94%)>酸性氨基酸(20.59%)。同样，该结论在陈水挟等[15]、周克瑜等[16]的研究中也得到了证实。另外，Murphy等[17]的研究表明农田土壤 SON 的化学组分主要以易分解的小分子量含氮化合物为主。
土壤 SON 提取剂主要有蒸馏水和盐溶液，蒸馏水有常温水、冷水以及热水之分，而盐溶液包括 KCl、K2SO4 等溶液[18]。土壤的采样、样品筛选和干燥、土壤水分、提取温度、震荡时间以及提取剂的体积比都会影响土壤 SON 的提取量[19]。有学者建议用热水浸提法测定土壤中 SON 的含量，并将其纳入土壤有效氮的常规测量中[20]。Huang等[21]发现用 2 mol·L-1KCl 提取时，台湾中部不同海拔梯度的种植园所提取的 SON 含量没有差异，而用热水时，1 200 m含量最高，其次是1 400 m，最低分布在600、800和1 000 m；但也有研究指出盐溶液提取土壤 SON 的量要高于蒸馏水提取的量；Jiang等[22]用 KCl 和热水分别对 0~10 cm和 10~20 cm 土壤 SON 进行提取，结果发现，用 KCl 提取的量分别为35.1~116.9 mg·kg-1 和11.2~78.2 mg·kg-1，显著高于用热水提取的量(20.7~72.8 mg·kg-1 和8.4~30.6 mg·kg-1)。Victoria等[23]和周碧青等[24]也得出类似的结果；在盐溶液方面也有不同结论，Zhong等[1]用1 mol·L-1KCl 和 0.5 mol·L-1K2SO4 作为提取剂，分析和比较矿质土壤和有机土壤在不同提取剂条件下土壤 SON 的含量，结果显示，在矿质土壤中用这2种盐溶液提取出的量基本相近，而有机土壤中，用 KCl 提取出的量是 K2SO4 的1.2~1.4倍。但邹玉亮等[25]在其研究中指出 0.5 mol·L-1K2SO4 是土壤 SON 最合适的浸提剂；也有研究指出用蒸馏水提取 SON 的量和用盐溶液提取的量没有差异[26]。
2 土壤 SON 含量及其影响因素 2.1 土壤 SON 含量关于农业生态系统 SON 含量方面有较多的研究。有学者认为农田土壤中存在另一个氮素形式 —SON，它与矿质氮同等重要，并且在一定情况下具有同等规模，在矿化、固定、淋溶流失以及植物吸收方面，其库存量要比矿质氮更为稳定[5]。Smith[27]对农业土壤进行风干处理，测量 SON 含量，发现 SON 的量和矿质氮的量大体相等或高于矿质氮的量。Zhong等[1]研究发现，土壤 SON 含量无论是与氮素的矿化量还是和微生物量氮正相关系数都达到显著水平。由于研究方法不同及其影响因素的多样性，使学者们得到的结果也不同。Victoria等[23]对 7 种不同耕作土壤 SON 含量进行测定，发现每千克耕作土壤含有15~20 mg SON，约占可溶性总氮 (Total soluble nitrogen,TSN) 的79%。还有报道指出，小麦土壤 TSN 中55%~66%为 SON[28]。而Shepherd等[29]研究了 0~15 cm 土层SON 含量，指出其含量在 8~10 kg·hm-2的范围。张宏威等[30]指出，设施菜田土壤在 0~1.8 m 的土层内，不同土层土壤 SON 含量范围为 29.1~88.9 mg·kg-1，占 TSN 的27%~50%。郝晓晖[31]对亚热带稻田土壤进行长期施肥处理,结果发现，在土壤总氮(Total nitrogen,TN)中，SON 含量6.19~30.86 mg·kg-1，占0.32%~0.96%。
2.2 主要影响因素土壤 SON 含量始终处于动态的变化过程，并受到多种因素影响[32]，包括合理施用肥料、土壤温度变化、土地利用方式、作物栽培方式、耕地土质与土壤类型等。
2.2.1 施用肥料施加的肥料一般包括无机肥、有机肥、有机无机配施肥 3 种类型，不同类型肥料使用对农田土壤有不同的影响，导致研究的结果也有很大差异。首先，无机肥方面，Currie等[4]每年对农田进行 150 kg· hm-2 高氮肥处理后，发现农田土壤 SON 含量呈 2~3 倍增加，即使是低氮处理的农田，土壤 SON 增加量也达到显著水平。张宏伟等[30]认为化肥施用会增加土壤 SON 含量，且随施肥量的增加而增加。但也有学者持相反意见，杨绒[33]指出，农田土壤 SON 含量施入无机氮肥后没有明显变化。Sun等[34]也有相似的报道。其次，有机肥施用方面也有不同的观点。Tida等[35]研究园艺土壤发现，有机农业土壤 SON 平均含量(42.10 mg·kg-1)明显高于常规农业土壤(24.59 mg·kg-1)。丁婷婷等[36]等指出，和不加秸秆相比,培养时加入秸秆增加土壤 SON 积累量。但薛菁芳等[37]认为 SON 浓度表现为随土壤肥力增加而降低。有机无机肥配施方面，大部分研究结果表明有机无机肥配施促进土壤 SON 含量的增加。例如，有报道指出，在长期定位实验中，土壤 SON 含量在牛厩肥和化肥配施的情况下有明显升高[38]。梁斌等[39]认为化肥配施有机肥显著提高小麦各生育期 0~10、10~20 cm 土层 SON 含量。仇少君等[40]报道，红黄泥和紫潮泥处于25℃、淹水条件下，并对其进行稻草-硫铵配施与单施硫铵处理，结果显示，2种水稻土 SON 含量的峰值均出现在稻草-硫铵配施处理中。而宋震震等[41]则指出，土壤分别进行1∶1 的有机无机配施肥(常量施肥)和高量化肥处理后，两者土壤 SON 含量几乎是同等水平。
2.2.2 土壤温度土壤温度的改变影响土壤微生物活性，进而影响微生物对有机质的分解过程[42, 43]，而这一过程的产物又是土壤 SON 的重要来源，因此温度是影响土壤 SON 含量的重要因素。杨绒等[44]研究发现，由于大棚土壤温度较高，土壤有机物质分解速率快，致使大棚土壤 SON 含量(320.16 mg·kg-1)比农田(39.19 mg·kg-1)高。另外，有研究提出温度对 SON 含量没有影响，如游娟[45]研究发现，果园土壤中 SON 含量的季节变动大致呈“N”型，夏季和冬季的 SON 含量最高。甚至有研究发现因夏季温度较高，微生物矿化速率也较高，导致土壤中 SON 含量比较低[46]。卢红玲等[47]指出，淹水降低土壤温度，使供试土壤 SON 平均浓度从 23.9 mg·kg-1升至 118.1 mg·kg-1。
2.2.3 土地利用方式影响农田土壤养分的因素很多，而土地利用方式是其重要因素，土地利用方式不同，导致整个物质转化过程发生改变，从而影响整个陆地生态系统的氮素循环[48, 49]。土地利用方式发生改变时，SON作为土壤氮素较活跃的组分，其含量也快速发生变化[50]。有研究表明，0~90 cm的耕种土层SON 含量为2.0~2.3 mg·L-1，高于闲置土地土层 SON 含量(1.3~1.6 mg·L-1)[51]。林地和农田相比，土壤 SON 含量表现为林地大于或等于农田[52, 53]。吕学军等[54]研究了 4 种不同的土地利用方式(蔬菜用地、果树用地、粮田以及闲置地块)土壤 SON含量的变化特性，结果显示，不同土地利用方式土壤 SON 含量不同，蔬菜用地 SON 含量(86.6 mg·kg-1)最高，闲置土地的含量最低(20.1 mg·kg-1)，而粮田和果树用地居中。另外，黄靖宇等[55]指出，小麦田、玉米田、人工林地和弃耕还湿地表层土壤 SON 平均含量分别为：21.3、24.1、42.4和39.3 mg·kg-1，其中人工林地和弃耕还湿地表层土壤 SON 含量显著高于小麦田和玉米田。
2.2.4 作物栽培方式不同的栽培方式也对土壤 SON 含量造成不同影响[56]。相同肥力条件下，小麦连作和小麦-土豆轮作相比，前者土壤 SON 含量较高[5]，这可能是由于栽培的作物不同而导致归还土壤的有机物及土壤微生物种类的不同而造成的。梁斌[57]指出，小麦-玉米轮作和小麦-休闲2种栽培方式相比，前者显著提高 0~10 cm 土层 SON 含量。大田和温室栽培2种情况下，后者 SON 含量较高，但对土壤蛋白质和游离氨基酸含量没有显著影响[58]。另外，秸秆和地膜覆盖也是较常见的栽培方式，有报道显示，小麦进行秸秆或地膜覆盖时，小麦拔尖期和灌浆期土壤 SON 含量明显降低[39]。还有报道指出，种植牧草可提高农业土壤 SON 含量及其占 TSN 含量的比例[59]。
2.2.5 土质与土壤类型每种土质有其特定的土壤孔隙度等理化性质，这使得土壤微生物活性、有机质分解与释放的可溶性物质种类发生改变，进而导致土壤 SON 含量的差异性。Holst等[60]认为土壤 SON 含量从大到小的顺序为：黏质>壤质>砂质土壤，这可能与黏质土壤具有较好的保肥作用有关。李晓月[61]把小麦分别种植在粘壤土和砂质壤土中，发现粘壤土小麦根际土壤 SON含量高于砂质壤土。
土壤类型方面，赵满兴等[62]对黄土区红油土、黑垆土、淋溶褐土进行培养，研究SON 含量及特性的变化，结果表明，整个培养过程红油土 SON 平均含量始终最高。葛体达[63]选取 5 种土壤研究其 SON 含量，结果显示，灰壤土 SON 含量最高，其余依次是腐殖黑钙土、有机土壤、常规土壤、转换期土壤。
2.2.6 其他影响因素除上述几种影响因素外，农业土壤 SON 含量还受到其他因素影响，如土壤水分、pH、微生物等。土壤水分改变土壤孔隙度、通气状况，进而影响土壤微生物活性，导致土壤 SON 发生改变[64]。土壤水分较高或饱和时，微生物处于缺氧状态，其活性和分解速率降低，进而使土壤 SON 累计量提高[65, 66]。李亚娟等[67]对青紫泥和潮土做不同水分处理，观察土壤 SON 含量的变化特性，发现 SON 含量先升高后下降，21~35 d 时达到峰值，而后快速降低到初始水平，可见土壤水分对土壤 SON 含量有一定影响。土壤 pH 对 SON 含量影响机理的相关报道较少，不过有学者认为土壤 pH 值的高低影响土壤微生物活性，而可溶性有机物的迁移和转化过程离不开微生物的参与，因此，土壤 pH 可能是影响可溶性有机物含量的重要因素[68, 69, 70]。土壤中含有大量细菌、真菌、放线菌等微生物，这些微生物本身就是一种有机氮源，同时它们还会分解有机质和分泌一些酶类，影响土壤 SON 含量[71]。
3 农业生态系统 SON 季节动态变化及其功能 3.1 农业生态系统 SON 季节动态变化随着季节变化，土壤微生物对有机质的分解作用及其分泌的氨基酸和酶类也随之发生改变，进而引起土壤 SON含量的季节波动[72]。有文章指出，土壤 SON 含量夏季和冬季较高，春季和秋季则较低[45, 73]。但也有不同报道，Mark等[74]发现在较低生产力地块，土壤 SON 含量在春季有很大提高，夏季和秋季其含量达到最高值，认为 SON 含量的提高和可溶性无机氮的转化有很大关系。邹玉亮等[25]对湖南长沙和重庆 2 个试验地土壤分别进行有机肥和氮肥处理，观察土壤 SON 含量的季节变化特性，结果发现，两地 SON 含量都发生明显的季节性变化，长沙试验点土壤 SON 含量春季最高,秋季最低；重庆则是夏季最高,冬季最低。另外，Holst等[60]测定了澳大利亚热带农业土壤中氨基酸的含量，发现夏季氨基酸的含量高于其他季节。不同研究结果可能由于土壤受到温度、水分等因素的影响，加之种植的作物类型不同而引起的。
3.2 SON 在农业生态系统中的功能SON 在农业生态系统氮素循环中至关重要，其作用和地位不容忽视[75]。国内外研究表明，植物(至少是部分植物)可以直接吸收土壤 SON[76]。和矿质氮素一样，SON 同样也被土壤所吸附，且能发生迁移和流失，对水文生态系统(如河流、湖泊叶海洋)产生影响，因此，SON 生态功能也是重要的研究领域。
农作物对土壤营养元素的吸收能力决定了其生长状况和产量水平，特别是对氮素的吸收，可以说，较好的氮素吸收能力是作物高产的前提，尤其在自给和低投入的农业生态系统中，SON 在植物氮素供应方面发挥着重要作用44-N≥甘氨酸≥NO33-N。曹小闯[80]对氨基酸进行同位素标记，发现用高浓度或低浓度的甘氨酸处理时，小白菜均可吸收甘氨酸。王小丽[81]也有类似的报道。另外，Nasholm等[82]发现，小麦至少能够吸收20%完整分子态双标记的甘氨酸。可见在植物的生长发育过程中，土壤 SON 对植物营养的贡献不可忽视。
土壤 SON 能被植物吸收利用已被诸多研究所证明，它能够和无机氮素一样为植物提供营养，但同时也会随着土壤水分移动而发生迁移和流失，对环境造成影响。有研究指出，陕西关中红油土和淋溶褐土对 SON 具有较低的吸附能力，吸附率仅为24.3%和38.3%，2种类型土壤中 SON 可能很容易发生迁移和流失[83]。耕作层和母质层对 SON 的吸附能力也存在差异，据赵满兴等[84]报道，耕作层和母质层对 SON 的吸附能力都较低，但是两者相比，耕作层吸附 SON 的能力会偏高些。另外，随着温度的升高，土壤对 SON 的吸附性呈现降低趋势，进而引起流失量加大[85]。
土壤 SON 大量迁移和流失势必引起生态环境的改变，尤其是水环境的变化。有人研究了南美洲 13 个地区中未被人类干扰的 100 条河流中 SON 含量，结果发现，在流失的可溶性氮素中，有机氮的平均含量可以达到80%[86, 87]。而 Wang等[88]研究了洱海湖水 SON 含量及其对湖水水质的影响，结果发现中部水域湖水沉积物的 SON 占 TSN 的31.7%。农业生产过程中的农业措施如施肥也会造成农业生态系统 SON 的流失，但高忠霞[89]研究发现，化肥配施有机肥能显著提高土壤保肥能力，降低氮素流失。另外，张宏威等[30]发现在菜地土壤中施用秸秆在一定程度上能减少土壤氮素的流失。
4 结语与展望综上所述，目前农业土壤 SON依然是重要领域，同时在研究过程中也遇到不少瓶颈，如土壤 SON 的量主要采用土壤 TSN 和矿质氮的量的差值确定，而土壤 TSN 的测定从凯式定氮法到 K2S2O8 氧化法的发展，促进了土壤 SON 的测定，但土壤的浸提方法不同，导致测定结果差异，如何选用更好更便捷的测定方法还有待创新和突破。另外电超滤法由于费用较昂贵加之工作量较大，使其难以普及。这些都阻碍农业生态系统 SON 的研究进程。但随着农业生态系统土壤 SON 的作用日益明朗，越来越多的人会更加关注土壤 SON 的研究。笔者认为今后对农业生态系统土壤 SON 的研究应重点关注以下几个方面：(1)加强对农业生态系统 SON 组分的研究，特别是大分子量 SON组分的研究。目前国内外学者对 SON 小分子量研究比较多，但由于 SON 组分的复杂性，对大分子量的 SON 研究进展比较缓慢，而大分子量 SON 又是其重要组成部分，以后应加强这方面的研究；(2)加强不同作物对 SON 吸收机理以及量的研究。目前研究已经证实作物可吸收土壤 SON，但作物对其吸收、转运和转化过程以及不同作物吸收的量还不清楚，应增加这方面的研究，为以后作物施肥和管理措施提供指导，进而提高农作物的产量；(3)加强农业生态系统 SON 的吸附特性及其影响因素的研究。调节和控制其影响因素以提高农业土壤 SON 的吸附特性，进而增强其保肥能力，减少氮素流失，以达到增肥地力和改善生态环境条件的效果。
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