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土壤有机质的转化是维持土壤物理化学和生物学功能的核心组分，不同形态的有机物在土壤中的分解特征存在极大的差异，受到土壤和环境因素等因子的调控。本研究通过分别探讨小分子有机物氨基酸在草地土壤的分解特征及凋落物在森林和农田土壤的分解特征深入认识不同有机物质在土壤中的转化及其影响因素，进而为不同生态系统中土壤的健康管理和物质循环提供理论依据。
游离的氨基酸在土壤氮循环中具有极快的流动性，在氮循环过程中起到举足轻重的作用，在以往的研究中认为，氨基酸必须先经过矿化作用生成无机氮才能被微生物吸收利用，但是近来越来越多的研究表明氨基酸可以直接被微生物吸收，但关于游离氨基酸在不同类型草地土壤中的生物吸收利用特征及其影响因素还极少见研究。
因此本论文首先以中国北方温带干旱半干旱草地土壤（包括高寒草甸、荒漠草原、典型草原和草甸草原）为研究对象，以同位素双标记技术结合气相色谱-质谱(GC-MS)技术开展游离氨基酸在土壤中的转化特征研究。氨基酸选择碳氮比最低和最高的甘氨酸和L-亮氨酸，分别测定微生物对两种氨基酸分子的直接吸收量和矿化后氨基酸分子中氮和碳的去向，包括微生物胞内胞外13C，15N-甘氨酸和13C，15N-L-亮氨酸含量以及矿化为15N-铵态氮(15NH4+)、15N-硝态氮(15NO3-)的比例以及合成不同微生物种群的13C-磷脂脂肪酸(13C-PLFA)的比例和13C-二氧化碳(13CO2)的生成量。主要开展两组试验，试验一系统研究氨基酸在不同草地土壤中的转化特征，试验二进一步探讨四类草地土壤在添加不同量外源铵态氮时氨基酸的转化特征。主要研究结果如下:
1、在不同类型的草地土壤中分别添加13C，15N-甘氨酸和13C，15N-L-亮氨酸培养24小时，探讨氨基酸转化特征及影响因素。在高山草甸土中，51.9％的甘氨酸和34.5％的L-亮氨酸转化为15NH4+，显著高于其它的三个样点，其转化与革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、放线菌等土壤微生物群落有显著正相关性。而甘氨酸在典型草原的转化为15NO3-比例最高(9.5％)，L-亮氨酸在高山草甸的转化比例最高(9.5％)，甘氨酸来源的15N-微生物量氮(15N-MBN)在高山草甸样点中转化比例最大，但L-亮氨酸来源的15N-MBN在4个样点中没有显著差异，说明氨基酸种类也显著影响其在土壤中的行为。氨基酸通过微生物呼吸产生13C-二氧化碳(13CO2)，草甸草原样点的13CO2比例显著高于其它的三个样点，13CO2的产生均与所有的微生物群落都有极显著负相关性。总体看氨基酸添加后合成革兰氏阳性菌的13C-PLFA的比例大于革兰氏阴性菌和放线菌，说明氨基酸更容易被革兰氏阳性菌吸收利用。
2、为了探讨不同铵态氮浓度对氨基酸转化的影响，以四个样点的土壤初始铵态氮浓度为基准，向土壤中加入0倍、1倍、2倍初始浓度的外源铵态氮，测定双标记氨基酸的转化特征。结果表明:在三个外源铵态氮浓度下仅在高山草甸土壤中微生物对甘氨酸和亮氨酸有直接吸收，分别为8.6％-10.4％和2.3％-3.7％，且不同的铵态氮含量对氨基酸的直接吸收量没有显著影响，而在其它三个样点均没有检测到氨基酸的直接吸收;另外甘氨酸被微生物直接吸收的比例大于L-亮氨酸，说明氨基酸种类影响其吸收利用。进一步通过对四种草地样点氨基酸矿化固持进行分析，只在高山草甸和草甸草原土壤中15NH4+的比例随着铵态氮浓度增大而变大，氨基酸转化为15NH4+的比例主要受到土壤碳、氮浓度的影响。而15NO3-在典型草原样点中随着铵态氮浓度越高转化的比例也越高，与年平均降水有一定的相关性。氨基酸被微生物同化主要转化为革兰氏阳性菌和放线菌的13C-PLFA，13C，15N-氨基酸添加后对土壤有机质产生正激发效应。
通过以上研究表明微生物吸收氨基酸在这四种草地土壤中主要通过矿化固持，而微生物对氨基酸的直接吸收仅在高山草甸土壤中存在。转化过程主要受到土壤中铵态氮浓度、微生物种群、土壤的碳氮含量以及pH的影响。游离氨基酸的快速周转为作物和微生物提供了有效氮源和能量，研究进一步明确了氨基酸在草地生态系统中氮素和能量供给的重要性。
另外植物凋落物是土壤有机质的主要来源，其物理化学性质以及分解速率是能够预测凋落物来源的碳在生态系统的循环的主要变量。但目前，凋落物分解的生物控制因素还没有进行深入全面的研究，从而不能体现其在全球碳模型中的作用。锰过氧化物酶是木质素分解的重要酶，而锰是这种酶的重要组成部分。目前，在植物掉落物分解过程中锰的作用相关研究较少。因此本试验通过在森林和农田系统进行41个月的研究，探讨添加锰肥对锰过氧化物酶活性的影响，以及对八种不同木质素浓度的凋落物(9.8％-44.6％)的分解的影响。主要研究结果如下:
渐进分解模型符合本研究中凋落物的分解规律，因此可以利用此模型所提供的数据比较锰肥对凋落物不同分解阶段和对不同来源凋落物的影响。在木质素为主的凋落物类型中，锰肥能够促进凋落物分解后期的分解速率，从而可以使难分解比例降低。添加锰肥提高锰过氧化酶的活性，这解释了添加锰的处理促进有机质分解的机制，同时，初始锰浓度高的凋落物，最后残留物比例低于初始锰浓度低的凋落物，因此锰的生物可利用性能够认为是长期凋落物分解的主要调控者，也为微生物群落分解植物凋落物时主要受到凋落物的可利用资源的控制提供了进一步支持。
游离的氨基酸在土壤氮循环中具有极快的流动性，在氮循环过程中起到举足轻重的作用，在以往的研究中认为，氨基酸必须先经过矿化作用生成无机氮才能被微生物吸收利用，但是近来越来越多的研究表明氨基酸可以直接被微生物吸收，但关于游离氨基酸在不同类型草地土壤中的生物吸收利用特征及其影响因素还极少见研究。
因此本论文首先以中国北方温带干旱半干旱草地土壤（包括高寒草甸、荒漠草原、典型草原和草甸草原）为研究对象，以同位素双标记技术结合气相色谱-质谱(GC-MS)技术开展游离氨基酸在土壤中的转化特征研究。氨基酸选择碳氮比最低和最高的甘氨酸和L-亮氨酸，分别测定微生物对两种氨基酸分子的直接吸收量和矿化后氨基酸分子中氮和碳的去向，包括微生物胞内胞外13C，15N-甘氨酸和13C，15N-L-亮氨酸含量以及矿化为15N-铵态氮(15NH4+)、15N-硝态氮(15NO3-)的比例以及合成不同微生物种群的13C-磷脂脂肪酸(13C-PLFA)的比例和13C-二氧化碳(13CO2)的生成量。主要开展两组试验，试验一系统研究氨基酸在不同草地土壤中的转化特征，试验二进一步探讨四类草地土壤在添加不同量外源铵态氮时氨基酸的转化特征。主要研究结果如下:
1、在不同类型的草地土壤中分别添加13C，15N-甘氨酸和13C，15N-L-亮氨酸培养24小时，探讨氨基酸转化特征及影响因素。在高山草甸土中，51.9％的甘氨酸和34.5％的L-亮氨酸转化为15NH4+，显著高于其它的三个样点，其转化与革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、放线菌等土壤微生物群落有显著正相关性。而甘氨酸在典型草原的转化为15NO3-比例最高(9.5％)，L-亮氨酸在高山草甸的转化比例最高(9.5％)，甘氨酸来源的15N-微生物量氮(15N-MBN)在高山草甸样点中转化比例最大，但L-亮氨酸来源的15N-MBN在4个样点中没有显著差异，说明氨基酸种类也显著影响其在土壤中的行为。氨基酸通过微生物呼吸产生13C-二氧化碳(13CO2)，草甸草原样点的13CO2比例显著高于其它的三个样点，13CO2的产生均与所有的微生物群落都有极显著负相关性。总体看氨基酸添加后合成革兰氏阳性菌的13C-PLFA的比例大于革兰氏阴性菌和放线菌，说明氨基酸更容易被革兰氏阳性菌吸收利用。
2、为了探讨不同铵态氮浓度对氨基酸转化的影响，以四个样点的土壤初始铵态氮浓度为基准，向土壤中加入0倍、1倍、2倍初始浓度的外源铵态氮，测定双标记氨基酸的转化特征。结果表明:在三个外源铵态氮浓度下仅在高山草甸土壤中微生物对甘氨酸和亮氨酸有直接吸收，分别为8.6％-10.4％和2.3％-3.7％，且不同的铵态氮含量对氨基酸的直接吸收量没有显著影响，而在其它三个样点均没有检测到氨基酸的直接吸收;另外甘氨酸被微生物直接吸收的比例大于L-亮氨酸，说明氨基酸种类影响其吸收利用。进一步通过对四种草地样点氨基酸矿化固持进行分析，只在高山草甸和草甸草原土壤中15NH4+的比例随着铵态氮浓度增大而变大，氨基酸转化为15NH4+的比例主要受到土壤碳、氮浓度的影响。而15NO3-在典型草原样点中随着铵态氮浓度越高转化的比例也越高，与年平均降水有一定的相关性。氨基酸被微生物同化主要转化为革兰氏阳性菌和放线菌的13C-PLFA，13C，15N-氨基酸添加后对土壤有机质产生正激发效应。
通过以上研究表明微生物吸收氨基酸在这四种草地土壤中主要通过矿化固持，而微生物对氨基酸的直接吸收仅在高山草甸土壤中存在。转化过程主要受到土壤中铵态氮浓度、微生物种群、土壤的碳氮含量以及pH的影响。游离氨基酸的快速周转为作物和微生物提供了有效氮源和能量，研究进一步明确了氨基酸在草地生态系统中氮素和能量供给的重要性。
另外植物凋落物是土壤有机质的主要来源，其物理化学性质以及分解速率是能够预测凋落物来源的碳在生态系统的循环的主要变量。但目前，凋落物分解的生物控制因素还没有进行深入全面的研究，从而不能体现其在全球碳模型中的作用。锰过氧化物酶是木质素分解的重要酶，而锰是这种酶的重要组成部分。目前，在植物掉落物分解过程中锰的作用相关研究较少。因此本试验通过在森林和农田系统进行41个月的研究，探讨添加锰肥对锰过氧化物酶活性的影响，以及对八种不同木质素浓度的凋落物(9.8％-44.6％)的分解的影响。主要研究结果如下:
渐进分解模型符合本研究中凋落物的分解规律，因此可以利用此模型所提供的数据比较锰肥对凋落物不同分解阶段和对不同来源凋落物的影响。在木质素为主的凋落物类型中，锰肥能够促进凋落物分解后期的分解速率，从而可以使难分解比例降低。添加锰肥提高锰过氧化酶的活性，这解释了添加锰的处理促进有机质分解的机制，同时，初始锰浓度高的凋落物，最后残留物比例低于初始锰浓度低的凋落物，因此锰的生物可利用性能够认为是长期凋落物分解的主要调控者，也为微生物群落分解植物凋落物时主要受到凋落物的可利用资源的控制提供了进一步支持。