摘要：氨基糖作为土壤微生物来源物质的定量指标和重要标识物， 经过微生物周而复始的生长-代谢-死亡的循环过程， 不断地在土壤中积累， 对评价土壤有机质转化和积累的微生物作用过程具有独特的意义和价值。本文重点阐述了氨基糖在我国东北黑土中的稳定机制、对养分管理措施和土地利用方式的响应， 分析了土壤氨基糖研究技术的优缺点， 建议未来应侧重结合稳定同位素示踪技术， 以期为指导黑土农田质量恢复， 深入认识农田黑土碳氮转化过程和调控机理提供参考。
关键词：黑土； 土壤有机质； 氨基糖； 东北；
0 引言
微生物是土壤有机质分解和循环的主要驱动因素[1].氨基糖作为微生物细胞壁残留物质， 由于其特有的化学性质， 与土壤矿物颗粒相结合后选择性保留下来， 在土壤中不断积累[2], 是用于评价微生物对土壤有机质积累和转化的重要指标[3-4].现今主要研究的氨基糖共包含4种： （1） 主要来源于真菌的氨基葡萄糖， 在土壤中含量最高[5], 占土壤氨基糖总量的60%以上； （2） 多数研究认为由细菌合成的氨基半乳糖[3,6]; （3） 其他两种为氨基甘露糖和唯一来源于细菌的胞壁酸[7].氨基糖对土壤有机质转化和截获的微生物作用过程具有指示作用， 依据其容量特性 （数量特征） , 可以评价微生物代谢残留物对土壤有机质循环的碳氮调控机制；利用来源于真菌和细菌的氨基糖组成特性 （比值变化） , 可以区分微生物群落在有机质循环过程中的相对贡献[8-9].
温带草原土壤具有表层有机质含量高、盐基饱和的特点， 在土壤分类学中称为软土[10], 我国东北区黑土即是其中一种。开垦前该地区形成了覆盖度达100%的杂类草群落的草原化草甸植被[11-12], 但开垦后黑土有机质含量迅速下降[13].通过合理改进田间管理措施， 降低土壤有机质的矿化速率， 并提高外源有机物的输入量， 能够显着提高退化黑土的有机质含量[14-15].自从1996年Zhang和Amelung[2]利用气相色谱法成功定量分离了土壤中的氨基糖， He[16]等进一步结合同位素示踪， 通过气相色谱/质谱 （GC/MS） 技术测定并明确了东北黑土土壤微生物如何利用有效碳源合成氨基糖后， 有关我国东北黑土氨基糖的研究相当活跃。微生物细胞残体是土壤稳定有机碳库的重要组分， 在土壤中的积累转化及分配对黑土有机质的长期截获和稳定具有重要作用。以微生物细胞代谢产物的氨基糖为目标化合物， 研究黑土有机质的变化特征， 将有助于我们从微观角度来理解土壤有机质转化的生物化学过程。本文概述了土壤氨基糖在东北黑土中的稳定机制及对养分管理和土地利用措施的响应， 并展望了今后的研究趋势。
1 氨基糖在黑土各粒级库中分布特征
土壤孔隙网络是调控真菌和细菌生长和活性的主要因素， 尺寸相对较大的真菌可以更好的生活在大粒级团聚体中， 细菌则一贯生活在小孔隙内 （微团聚体） , 这为真菌和细菌在不同粒级团聚体间的分布提供了一个理论基础[17-19].一般而言， 真菌来源的氨基葡萄糖易富集在大粒级团聚体中， 而细菌来源的胞壁酸则易富集在小粒级团聚体中， 土壤团聚体内真菌和细菌的富集有其特有的机制。来源于真菌的氨基葡萄糖在大粒级团聚体内富集改善了土壤结构， 而改善后的大粒级团聚体也可以反过来保护其不受土壤微生物的分解， 有利于大粒级团聚体内微生物来源有机碳的积累[20].
不同粒级土壤团聚体内氨基糖含量和分布受可利用碳源影响显着。外源碳氮输入时， 黑土团聚体内氨基糖含量均显着增加， 氨基葡萄糖峰值一般出现在>2 000μm和250~2 000μm粒级团聚体内， 而胞壁酸则出现在53~250μm粒级内[21].Ding等[21]发现当有机肥施用量达22.5 mg·hm·yr时， 大粒级团聚体氨基糖总量较微团聚体显着增加， 说明较高的有机肥输入量可促进黑土中大粒级团聚体的形成和稳定， 此过程与土壤氨基糖含量呈显着正相关关系。团聚体参数 （如质量分数和平均重量直径） 和氨基糖含量之间存在显着相关关系[22], 氨基糖积极的参与到土壤团聚体的形成和稳定， 微生物来源物质的转化对土壤碳、氮截获的贡献是研究黑土的一个重要过程， 这将有助于改善土壤团聚体结构， 提高以微生物为媒介的土壤团聚体的稳定性[23].此外， 不同粒级团聚体内土壤微生物固碳存在分级现象， 随外源物质输入量的增加， 小粒级团聚体氨基糖库较大粒级团聚体库易先饱和[21].同时， 在大粒级团聚体形成和氨基糖积累过程中可能存在一种正相关关系的反馈循环， 可利用碳源的存在促进微生物残留量的增加， 有益于土壤团聚体的形成；团聚体可以对微生物细胞壁残留物提供保护， 防止其降解。这两个过程本质上是相互关联的， 外源物质的输入则可进一步突出这种相辅相成的反馈循环， 且促进土壤中碳氮以微生物残留的形式存在[21].当微生物细胞死亡后， 大多数的碳水化合物将被迅速分解， 而细胞壁碎片则长时间稳定存在于土壤中， 并重新与土壤颗粒结合， 有助于保持团聚体的凝聚力和稳定[9].
土壤矿物颗粒分级是研究有机质动态过程的有效手段[24], 结合氨基糖的变化可进一步反映微生物对土壤有机质转化的动力学过程[9,25], 也可反映出不同结构和功能的土壤碳库在有机质循环中的作用[26].已有研究表明， 土壤矿物基质与氨基化合物的相互作用对氨基糖的稳定性具有显着影响[27], 黑土中氨基糖主要分布在粘粒级和粉粒级库中， 占全土氨基糖的一半以上， 其中粘粒级库内氨基糖含量最多。通过与粘粒矿物结合， 氨基糖可免于矿化而保持相对稳定， 同时粘粒中微生物数量和活性也很高， 可进一步增加氨基糖含量[28-29].黑土室内培养试验结果表明：随培养时间的延长， 外源养分的添加促使黑土中新合成的氨基糖向小粒级库富集， 逐渐积累在粘粒级中， 对土壤有机质数量和质量的长期保持具有重要作用；而富集在砂粒级和粉粒级库中的氨基糖相对于粘粒级较易于发生降解转化， 且充足的氮源对各粒级库中的氨基糖的积累也起到明显的促进作用[29].但当土壤处于长期养分匮乏时， 粘粒内氨基糖更易受到微生物的分解， 表现出部分矿化[9].
土壤颗粒由于矿质组成和理化性质存在很大差异， 使与其结合的有机组分的转化与循环特征存在分异， 从而控制着土壤有机质积累与转化的源-库调节[30-31].团聚体的物理保护作用是土壤有机质稳定的重要作用机制， 土壤有机质在不同粒级团聚体上的分布和团聚体的稳定性是反映团聚体对土壤有机质物理保护作用的关键， 作为微生物细胞壁残留物的氨基糖在土壤团聚体中的分布必将受到团聚体动态变化的影响。将微生物标识物与土壤颗粒相结合， 能够将以微生物为媒介的土壤有机质与土壤空间和结构有效关联起来， 有助于阐明土壤微生物对有机质循环转化的作用机制。但目前关于以上的研究还十分有限[32], 尤其对微生物来源物质在土壤有机质形成和稳定中的作用缺乏深入认识[33-34], 针对黑土区这方面的研究更是少见报道， 这在很大程度上限制了我们对黑土有机质的积累和内在驱动机理的认识。这方面问题的研究更具有实践意义。
2 氨基糖对黑土养分管理和土地利用措施的响应
氨基糖在土壤中积累的同时也参与土壤碳氮循环[35-38].在活性氮源存在条件下， 相对丰富的碳源有利于氨基糖积累， 外源养分输入类型和数量也对其影响显着。对黑土进行室内培养， 每周加入葡萄糖和NH4混合溶液， 18周后氨基葡萄糖与原土相比增加了70%[39].肥料等外源养分的输入也显着影响土壤氨基糖库的动态平衡， 但影响程度随肥料和作物种类的变化而不同。施用肥料， 尤其增施大量有机肥后， 可显着增加黑土中氨基糖数量， 经过连续26年有机肥配施化肥， 氨基糖总量较单施化肥和不施肥处理增幅达28%~39%[40].大量有机肥的施用为土壤微生物带来额外的底物[41-42], 促进微生物生长和提高其活性[43].然而， 增施有机肥并不能使氨基糖数量无限增加， 当有机肥施用量高于15 mg·hm·yr时， 氨基糖总量无显着增加， 说明黑土氨基糖含量随有机肥输入量的增加存在阈值[44].此外， 外源碳输入的质量也与土壤氨基糖的积累密切相关， 植物残体和根际沉积作用进一步增加土壤微生物底物的有效性[41,45], 但与化肥配施有机肥相比， 秸秆替代有机肥后氨基糖总量明显降低[46].因此， 由于土壤培肥过程中施入物料多种多样， 如动物厩肥和植物秸秆等， 其含有的营养成分差异较大， 使以利用不同碳氮源为代表的微生物群落会发生相应变化[47], 并伴随代谢功能改变， 促使有机质的微生物转化和积累过程不尽相同[48], 对黑土有机质的提升效果存在很大不确定性[44].
由于自身稳定性不同， 每种氨基糖数量变化随不同养分管理措施有所不同。氨基葡萄糖和胞壁酸受养分输入影响显着， 可利用碳氮的同时供给， 提高土壤微生物的活性， 任何单一元素的匮乏均会造成氨基糖的分解并释放碳源或氮源， 以维持土壤微生物的新陈代谢[39].通过观察东北黑土各氨基糖经过26年不同农业管理措施影响的结果发现[40], 主要来源于真菌的氨基葡萄糖改变最显着， 独特的分子结构和理化特性使其稳定性远高于胞壁酸聚合物[40].同时， 氨基葡萄糖含量更多的积累源于施用大量有机肥处理， 可利用碳源的存在对提高真菌细胞壁残留物具有正效应， 这可能与底物有效性的增强使真菌菌丝保留或加速其生长有关， 也可能是二者并存[2].而胞壁酸由于自身循环较快、稳定性较低， 在土壤中积累量相对较少[16,49], 减弱了其在土壤有机质循环和稳定过程中的作用。外源养分的输入对土壤氨基半乳糖的影响较小[39], 但也有研究表明， 同为黑土环境下经过7年的免耕秸秆还田试验， 土壤中氨基半乳糖含量显着增加[50].施加有机肥后氨基半乳糖变化趋势表现与胞壁酸相同， 其可能与细菌群落密切相关[44].在今后的研究中， 还需要更多的研究来阐明氨基半乳糖的来源和作用。此外， 由于氨基甘露糖仅微量存在于土壤中且来源具有完全不确定性， 目前关于其对不同养分管理措施响应规律的研究还相对较少[51], 在未来研究中还有待进一步明确此问题。
土壤氨基糖含量变化对观察微生物固碳及土壤有机质动态变化具有重要意义[52], 在不同土地利用方式下， 其含量存在显着差异。与裸地相比， 东北黑土区草地氨基糖总量显着增加[40], 一方面是来源于植物残体和根系分泌物的有机质输入可促进土壤中微生物群落的建立， 提高微生物的活性和数量；另一方面由于裸地持续没有植物生长且没有外源养分输入， 使土壤中微生物群落生长所需养分受限[53], 导致氨基糖合成速率下降或分解， 释放部分碳氮源以供土壤微生物的新陈代谢[54].同时， 草地无翻耕等人类活动带来的扰动， 也使土壤中真菌菌丝不易被破坏， 且相对稳定的土壤温度和湿度， 有利于真菌在土壤中生长繁殖[1,8,40].长期免耕则可显着增加土壤氨基糖总量， 来源于真菌的氨基葡萄糖含量增加尤甚[52].土地利用方式较为复杂地影响着土壤的有机碳矿化和氨基糖含量， 在研究土地利用方式对氨基糖的影响时， 不仅要从土壤真菌和细菌代谢等本身生物学过程考虑， 还应对微生物死亡后细胞裂解以及土壤结构破坏后的养分释放等相关因素进行综合分析。再者， 如何明确氨基糖变化与气候、环境因素和土壤物理性状等诸多作用的关系还需要作进一步的研究。
3 氨基糖对黑土微生物群落结构变化的指示作用
由于土壤氨基糖具有一定抗分解能力且兼具一定可分解性， 因此在土壤中可视为一种土壤养分库存在[54-55].根据Appuhn和Joergensen[49]的研究结果， 在根际土壤中， 来源于已死亡的真菌和细菌细胞壁组分占到了土壤有机质含量的50%, 在土壤中的存留时间最长可达90年， 在不同粒级组分中也长达30年[56].较高的稳定性和占土壤有机质的比例， 使得氨基糖动态可表达出一种对土壤微生物在长期作用过程的“记忆效应”[9], 依据该“记忆效应”可以评价微生物群落结构 （真菌和细菌） 在土壤有机质循环过程中的长期持续作用效应[57].并且因其有异源性， 可以通过计算分析来源于真菌的氨基葡萄糖与来源于细菌的胞壁酸 （Glu N/Mur A） 或氨基半乳糖 （Glu N/Gal N） 的比值变化， 反映出土壤微生物对有机质转化相对贡献的大小[9,56].与初始值相比， 比值升高表明土壤中真菌残留物的相对积累量增加， 对土壤有机质的贡献和稳定作用大于细菌， 比值降低则结果相反[7-8], 由此也可表征土壤微生物群落的演变。外源碳氮输入可显着增加Glu N/Mur A比值， 而单独施用无机氮素对土壤氨基糖的积累无显着影响[58], 耕作可显着改变土壤微生物特性[59], 进而弱化无机氮肥输入后引起的效果。Ding等[40]发现由于作物残体等外源有机质的输入且真菌固持碳素能力强于细菌， 东北黑土区草地Glu N/Mur A显着高于裸地和不施肥耕作处理， 草地土壤微生物群落正向以真菌为优势群体的方向改变；Glu N/Mur A峰值出现在有机肥配施无机氮肥处理下， 但不施肥、单施无机氮肥和配施有机肥处理间Glu N/Mur A无显着差异， 长期的耕作并没有改变黑土微生物群落结构， 该地区细菌和真菌群落结构已经达到一个相对平衡的状态。而在免耕秸秆还田处理下， 土壤微环境更有利于真菌的生长代谢， Glu N/Mur A比值显着高于耕翻地， 真菌逐渐转为优势群体[50].
4 土壤氨基糖分析技术的局限性
作为土壤微生物残留的定量指标， 氨基糖分析方法具有快速、可靠并可重现等优良特点， 可用于分析土壤微生物对有机质分解和转化的贡献[1-2].同时， 土壤微生物由于分布广、数量大和种类多， 常规的分析方法只能检测到其数量的10%左右[60], 因此有关氨基糖的研究比微生物量更具有独特的意义和价值。但仅通过测定的氨基糖含量不能获得土壤中活体真菌和细菌的生物量， 虽然氨基糖含量用于表征土壤中活体和已死亡的微生物残留量的总和[16,61], 但来源于微生物量的仅占很小一部分[62], 其主要是反映土壤中已经死亡的微生物的一种长期过程而产生的残留的结果， 而并非短期变动很大的微生物量的情况[16,62], 并且诸如真菌种类和年龄等因素的存在， 也使源于真菌的氨基糖含量存在差异， 因此并不能作为衡量土壤微生物量的指标[63].
利用来源不同的氨基糖含量的比值变化揭示养分利用过程中真菌和细菌对土壤有机质的相对贡献时， 一般采用氨基葡萄糖与胞壁酸和氨基葡萄糖与氨基半乳糖的比值来研究此类问题， 但二者均存在优缺点：首先， 胞壁酸作为细菌标识物， 来源具有唯一性， 但由于胞壁酸的分子结构不同于氨基葡萄糖， 且无黑色素等类似物质保护， 使其在土壤中的稳定性较低， 不易在土壤中积累， 同时也有相关研究表明胞壁酸在较高的p H条件下存在转化为氨基葡萄糖的可能性[64].其次， 以氨基半乳糖作为细菌标识物时， 尽管分子结构与氨基葡萄糖相似， 但对于其来源仍具有一定的不确定性。尽管多数研究认细菌是氨基半乳糖的主要来源， 但进行室内选择性培养和施加高量葡萄糖时， 均表明真菌对氨基半乳糖的贡献不可被忽视[39].
因此， 仅基于氨基糖含量的变化， 无法明确微生物来源氨基糖的动态变化及评价微生物活性的相对变化。同时， 已有研究也无法区分微生物合成氨基糖过程中消耗的养分是“外源输入”还是“土壤固有”, 进而无法明确土壤微生物对外源养分的利用特征及其对有机质循环的相对贡献比例， 因此也无法准确评价土壤微生物在此过程中的作用。有效区分土壤中新合成的氨基糖和原有氨基糖是明确微生物在养分循环转化过程中作用的关键[65].色谱/质谱联机 （GC/MS） 技术和土壤氨基糖分析技术相结合为研究稳定标记同位素在土壤中的微生物转化过程及其去向提供了有力保证[66-67].根据稳定同位素进入不同微生物来源氨基糖的富集动态变化特征， 可以阐明外源养分进入微生物细胞组分的转化过程及在此过程中真菌和细菌的相对贡献[68].
5 结论和展望
纵观多年黑土氨基糖的研究， 不难看出， 氨基糖的相对分布和数量特征与外源养分输入和土地利用方式等密切相关， 作为一种具有较高稳定性的土壤微生物标识物， 其在土壤养分循环与调控过程中的作用逐渐受到重视。然而， 迄今关于土壤氨基糖在东北黑土生态系统中的定量化研究仍较少。C和N同位素示踪法可作为定量研究的重要手段， 但由于C和N的试剂费和测试费相对H和O高， 对C和N示踪实验的影响因素也还不是很清楚， 限制了该方法在相关科学研究中的应用[69].同时， 不同关于土壤氨基糖研究之间既有相互联系之处， 也有相互矛盾的地方， 内在机制还存在较大的不确定性。此外， 关于氨基半乳糖的来源需要进一步明确。
自2000年以来， 随东北黑土区耕地质量下降日益严重与实现国家粮食安全的迫切需要， 重视黑土资源的保护和研究黑土退化机理的人逐日增多， 恢复黑土耕地质量和实现黑土可持续利用发展已成为当今研究探讨的热点问题。因此， 掌握黑土区生态环境状况， 开展相关氨基糖特性的研究， 具有以下潜在的价值：
（1） 指导黑土农田质量恢复。依据土壤氨基糖特有的“记忆效应”可以指示不同微生物群落 （真菌和细菌） 在土壤营养循环转化过程中的长期持续作用效应， 调控微生物对养分固持-转化过程， 细化厩肥、化肥和秸秆还田用量， 实现东北黑土区农业精确化。同时， 依托合理的研究方案， 可以演化微生物来源的氨基糖时空变化规律， 追溯微生物对黑土有机质合成和降解历程， 反演解析黑土有机质消长机制， 对于揭示黑土消长机制具有重要意义。
（2） 深入认识农田黑土碳氮转化过程和调控机理。黑土区已有研究主要集中于长期培肥与农业管理措施下土壤氨基糖数量特征的研究， 缺乏对黑土碳氮的转化与微生物作用过程之间的内在关系认识， 这将限制对黑土碳氮转化过程和调控机理进行科学评价。因此， 利用先进的稳定同位素示踪技术， 以标记同位素进入微生物细胞代谢组分的转化过程为切入点， 系统研究并揭示碳氮在黑土中的微生物转化过程将成为今后的主要研究方向。
综上， 利用土壤中氨基糖含量的变化特征， 可以从微生物学角度进一步说明土壤有机质循环机理， 结合稳定同位素示踪技术， 在今后也可更加系统的进行黑土有机质变化与调控方面的研究， 评估和监控东北黑土有机质的指标体系和量化表征理论。但目前关于黑土中微生物细胞残体的变化及其对有机质的贡献机制至今仍不清楚， 缺乏针对土地利用方式改变和长期不同培肥措施影响下土壤有机质积累和转化的微生物作用过程的研究和探讨， 以及土壤团聚体中微生物细胞残体含量和分布对培肥和土地利用方式的响应， 及与团聚体稳定性间的关系。
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