火山土中吸附强度调控丙氨酸矿化过程及其对有机氮生物有效性的影响

本研究针对高吸附性火山土中有机氮（N）生物有效性机制不清的问题，通过量化O/A/B层土壤吸附特性（Langmuir方程、比表面积SSA、活性Al/Fe）及13C/15N标记丙氨酸矿化实验，揭示吸附通过抑制矿化（降幅达35%）调控氮循环，为酸性土壤氮管理提供理论依据。

　　

火山土中的氮循环密码：吸附强度如何锁住丙氨酸的生物有效性

氮素是生命体的核心元素，但土壤中最大的氮库——有机氮（Organic N）的生物有效性机制仍是未解之谜。在火山土这类"氮素保险箱"中，富含短程有序矿物和铁铝氧化物（活性Al/Fe）的土壤胶体对氨基酸等小分子有机氮具有极强的吸附能力，犹如磁铁般牢牢锁住这些养分。然而，这种吸附究竟会促进还是阻碍微生物对氮的利用？传统研究多聚焦中性土壤中的静电吸附，而对酸性火山土中占主导的配体交换（ligand exchange）机制知之甚少。这直接影响了我们对全球1.2亿公顷火山土地区氮循环的精准预测。

京都大学等机构的研究团队选择土壤中最丰富的氨基酸——丙氨酸（alanine）作为突破口，通过创新性地对比自由丙氨酸与铁氧化物结合态丙氨酸（iron-associated alanine）的矿化差异，首次揭示了火山土剖面中氮素生物有效性的"深度密码"。研究发现，随着土壤深度增加，活性Al/Fe含量上升而有机质（OM）覆盖度降低，丙氨酸吸附强度（Ks）呈指数增长，导致B层矿化率较O层显著下降。更惊人的是，铁结合态丙氨酸的矿化率普遍比自由态低35%，证实了强吸附对微生物氮获取的抑制作用。这些发现为构建火山土氮循环模型提供了关键参数，对热带农业可持续施肥具有重要指导意义。

关键技术方法
研究选取日本三处典型火山土剖面（Dystric Cambisol、Aluandic Andosol、Silandic Andosol）的O/A/B层样本，通过Langmuir方程量化吸附强度参数（Ks），结合酸草酸盐提取法测定活性Al/Fe含量及N₂-BET法测比表面积（SSA）。采用同位素示踪技术，对比¹³C/¹⁵N双标记的自由丙氨酸与预先吸附于赤铁矿的丙氨酸在7天培养期的矿化动态，通过同位素比值质谱（IRMS）分析CO₂释放量及微生物生物量碳（MBC）的同位素富集。

分层解码的吸附机制
土壤性质
Tango土壤（pH 4.0-4.9）的活性Al/Fe含量最高（B层达47.3 g kg^-1），其O层总碳（457 g kg^-1）形成显著OM保护层。Nobeyama土壤的硅烷化处理证实SSA降低与OM覆盖度直接相关（r = -0.89, p<0.01），揭示OM通过屏蔽矿物表面活性位点削弱吸附。

吸附特性
Ks值与活性Al/Fe含量呈正相关（R²=0.76），与Cp（有机碳含量）呈负相关。B层因OM覆盖度<15%，配体交换主导的强吸附占优，其Ks达O层的3.2倍；A层则呈现OM-矿物复合体的过渡特征。

矿化动态
自由丙氨酸矿化率呈现O层（78%）>A层（52%）>B层（31%）的垂直梯度，与Ks值呈显著负相关（p<0.001）。铁结合态丙氨酸的矿化抑制效应在活性Al/Fe含量>30 g kg^-1的土壤中尤为显著，证实矿物-氨基酸复合体的稳定性差异。

结论与范式转变
该研究建立了"有机质-矿物-微生物"三元调控模型：① 表层土壤OM通过占据高能吸附位点（如Al/Fe的边面位）维持丙氨酸生物有效性；② 深层土壤因裸露的活性Al/Fe引发强配体交换，形成"氮素锁定"效应；③ 微生物对吸附态氮的获取效率受限于解吸动力学而非代谢能力。这一发现突破了传统"吸附-解吸平衡"理论框架，提出OM覆盖度（OM/活性Al/Fe比）可作为预测火山土氮素周转的关键指标，为发展"基于矿物组成的精准氮管理"策略奠定基础。论文成果发表于土壤学顶级期刊《Soil Biology and Biochemistry》，通讯作者Tetsuhiro Watanabe团队强调，未来需重点解析微生物分泌有机酸破解矿物-氮复合体的分子机制。