在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)中，土壤碳、氮、磷、硫等養(yǎng)分以及水分循環(huán)是最為重要的，因為它們決定了土壤質(zhì)量以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和可持續(xù)特性。每種養(yǎng)分（包括水分在內(nèi)）都按照自身的過程和規(guī)律進行轉(zhuǎn)化和循環(huán)，並且這些養(yǎng)分之間通過相互作用構(gòu)成一個或多個復(fù)雜的生態(tài)過程。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)分為土壤與環(huán)境之間的物質(zhì)循環(huán)以及土壤內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)。土壤和環(huán)境之間的物質(zhì)循環(huán)是以土壤為核心，沿著一定的途徑從環(huán)境到達土壤，再從土壤到環(huán)境，不斷地進行物質(zhì)和能量循環(huán)流動；土壤內(nèi)循環(huán)則是自然界生物地球化學(xué)循環(huán)的有機組成部分。在農(nóng)田土壤系統(tǒng)中，碳（氮）循環(huán)是物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)並影響和控制其它物質(zhì)或養(yǎng)分循環(huán)過程。所以，考察農(nóng)田土壤生態(tài)過程常以碳（氮）轉(zhuǎn)化和循環(huán)過程的研究為基礎(chǔ)，即通過揭示碳（氮）土壤生態(tài)過程的特性和機理以及碳氮轉(zhuǎn)化、循環(huán)過程與其它物質(zhì)（養(yǎng)分和水分等）循環(huán)過程的關(guān)系，最終實現(xiàn)優(yōu)化和調(diào)控土壤物質(zhì)循環(huán)過程。

    我國耕作土壤可持續(xù)利用的核心問題是有機質(zhì)數(shù)量的耗竭和質(zhì)量的惡化，這直接導(dǎo)致土壤功能的衰退。由於土壤有機質(zhì)是影響土壤可持續(xù)利用最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，碳、氮循環(huán)和截獲的研究已經(jīng)成為相關(guān)領(lǐng)域的前沿研究課題。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，作物通過光合作用固定CO 2並轉(zhuǎn)化出相當(dāng)數(shù)量的植物殘體和分泌物（包括動物殘體及排泄物）；後者進入土壤，在土壤動物和微生物的作用下完成分解、轉(zhuǎn)化、合成等一系列過程。植物殘體（包括動物殘體）以及土壤自身的有機質(zhì)在土壤中的分解是一個生物化學(xué)過程，通過這個過程，碳以CO 2的形式歸還到大氣中；而氮、磷、硫和微量元素以無機的形態(tài)釋放到土壤中，供高等植物利用；部分養(yǎng)分被土壤微生物同化為微生物生物量，參與土壤微生物的快速周轉(zhuǎn)過程。在植物殘體微生物分解過程中，雖然大部分的碳以CO 2形式釋放到空氣中，但是 14 C標(biāo)記的研究表明，植物殘體進入土壤一年後，約有三分之一的碳被土壤截獲，在土壤中構(gòu)成復(fù)雜的土壤有機碳庫。這種截獲過程與有機質(zhì)的腐殖化過程密切相關(guān)，而腐殖化過程形成土壤有機質(zhì)，腐殖化系數(shù)決定土壤碳截獲的效率。有機碳的截獲和礦化（以CO 2的形式排放到大氣，或以可溶性形態(tài)從土壤淋失）是兩個相反的過程，兩者都受到土壤內(nèi)有機質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)過程的制約。土壤有機質(zhì)的礦化和腐殖化過程對於土壤碳循環(huán)同樣重要：沒有礦化過程，土壤有機質(zhì)中的養(yǎng)分不能釋放並被植物利用；若沒有腐殖化過程，有機質(zhì)不能在土壤中截獲積累。缺少其中任何一個過程，土壤碳循環(huán)都不能實現(xiàn)，兩個過程的相對速率對於土壤有機質(zhì)的動態(tài)變化至關(guān)重要。可見，處理好土壤有機質(zhì)積累和消耗的關(guān)系，是農(nóng)業(yè)土壤碳循環(huán)研究中的重要任務(wù)。

    農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)在某些環(huán)節(jié)上與碳循環(huán)相伴存在並具有相似之處，碳氮循環(huán)相互影響、相互促進。土壤氮的循環(huán)過程是氮素不斷進行生物、生物化學(xué)、化學(xué)、物理、物理化學(xué)變化的過程，也是不斷進行氮素形態(tài)變化的過程，這些過程主要有生物固氮過程、化學(xué)固氮過程、礦化－生物固持過程、硝化過程、反硝化過程、揮發(fā)與淋失過程、共侵蝕和徑流損失過程等。但是氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)在於氮素養(yǎng)分的固定、有效化和損失過程，特點是微生物作用下的生物化學(xué)過程。雖然磷和硫也是土壤有機質(zhì)的組成成分，也參與土壤碳氮循環(huán)的生物化學(xué)過程，但是磷和硫的純化學(xué)轉(zhuǎn)化循環(huán)佔有更重要的地位，磷和硫在農(nóng)田系統(tǒng)中的循環(huán)是生物地球化學(xué)循環(huán)的一部分。與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中碳氮及其它養(yǎng)分循環(huán)同等重要。水循環(huán)影響作物的生長、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化循環(huán)、有效性及損失，在幹旱和半幹旱地區(qū)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)往往成為整個系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的制約因素。氣候，特別是溫度，是影響土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)的外因，對土壤物質(zhì)平衡起重要作用。農(nóng)業(yè)管理是影響土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)的另一個重要因素，它可以改變土壤物質(zhì)循環(huán)過程和強度，最終影響?zhàn)B分循環(huán)效率以及平衡水平，決定農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用能力。

    土壤有機質(zhì)是土壤系統(tǒng)的基礎(chǔ)物質(zhì)，影響土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)，並通過所提供的C、N源控制微生物活性，從而在土壤肥力中發(fā)揮著重要的作用，良好的土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)以及土壤的生產(chǎn)力都與土壤有機質(zhì)的含量和特性密切相關(guān)。農(nóng)田土壤中有機碳的儲量和特性影響系統(tǒng)的質(zhì)量和功能。從農(nóng)田土壤可持續(xù)利用的角度出發(fā)，如何提高農(nóng)田土壤有機碳的截獲具有理論和實踐的雙重意義。土壤有機質(zhì)庫的形態(tài)和特性不僅與土壤碳氮的轉(zhuǎn)化和循環(huán)過程密切相關(guān)，同時也和其它養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)以及水分的循環(huán)密不可分。土壤有機碳庫的化學(xué)穩(wěn)定機制，以及相對應(yīng)的化學(xué)或形態(tài)分級成為重要的研究課題。因為不同的有機碳庫組成不同，性質(zhì)不同，分解和轉(zhuǎn)化的時間不同，有機質(zhì)的穩(wěn)定性和質(zhì)量也不同。從土壤養(yǎng)分循環(huán)、有機質(zhì)的積累和作物殘留物管理對環(huán)境質(zhì)量和土壤生產(chǎn)力的影響的角度出發(fā)，我們更關(guān)心土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程以及有機碳庫在土壤中的周轉(zhuǎn)速率和滯留時間。土壤有機碳各組分的轉(zhuǎn)化過程和存留時間有較大差異，所以根據(jù)土壤有機碳穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化時間的差異，可把土壤有機質(zhì)分為活性的(易變的)和穩(wěn)定的組分。一般認為，活性的組分包括植物殘留物、輕組分、微生物生物量、動物生物量及其排泄物、其它非腐殖物質(zhì)等，其分解速度快，轉(zhuǎn)化周期通常為幾周到幾個月的時間。穩(wěn)定組分是指礦化速率很低的土壤腐殖質(zhì)部分，在土壤中能保存幾年、幾十年，或更長時間。因此，土壤有機質(zhì)可分為5個庫：易分解植物殘體、難分解植物殘體、土壤生物量、物理穩(wěn)定有機質(zhì)、化學(xué)穩(wěn)定有機質(zhì)。這些有機碳庫的半分解時間分別為0 17年、2 3年、1 7年、50年和2000年。土壤有機氮的轉(zhuǎn)化過程和穩(wěn)定機制與有機碳相似，可分為四個庫：微生物生物量、活性非微生物生物量、穩(wěn)定有機N和"老化"有機氮；半分解時間分別為0.5年、1.5年、27年和600年。在CENTURY模型中，根據(jù)木質(zhì)素和氮的比例，植物殘體被劃分為植物殘體代謝碳和結(jié)構(gòu)碳，土壤有機質(zhì)劃分為活性碳、“慢分解”土壤碳和非活性碳共5個庫，相應(yīng)的平均滯留時間為0.1～1年、1～5年、1～5年、20～40年和200～1500年。

    土壤有機質(zhì)本身的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致土壤有機碳庫組分穩(wěn)定性不同的原因之一。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性質(zhì)穩(wěn)定的某些有機質(zhì)如土壤腐殖質(zhì)，抵抗土壤微生物分解的能力顯著高於其它結(jié)構(gòu)簡單、活性較強的有機質(zhì)，因而具有更高的穩(wěn)定性。但大量研究表明，土壤有機碳的穩(wěn)定性並不單一地取決於土壤有機質(zhì)的化學(xué)組成的差異，其它方面的許多因素都能影響土壤有機碳的穩(wěn)定性。如在物理穩(wěn)定機制中，土壤有機質(zhì)的存在狀態(tài)(是遊離態(tài)或結(jié)合態(tài))、在土壤中的分布物理位置(大團聚體、微團聚體內(nèi)或外)和顆粒大小等；與土壤有機質(zhì)相關(guān)的很多土壤物理、化學(xué)、生物化學(xué)過程，如團聚體形成與分解過程(aggregation formation/degradation)、土壤有機質(zhì)的吸附與解吸過程(adsorption/desorption)、土壤有機質(zhì)的聚合與復(fù)合過程(condensation/complexation)等也都能影響土壤有機碳的穩(wěn)定性。目前一般認為，土壤有機質(zhì)的穩(wěn)定性機制主要有三種，即化學(xué)穩(wěn)定性(chemical stabilization)、物理穩(wěn)定性(physical stabilization)和生物化學(xué)穩(wěn)定性(biochemical stabilization)機制(圖1)。雖然這些有機碳庫的劃分理論上看似合理，但它們的存在至今還不能很好地被實驗証明。因為有關(guān)土壤有機碳、氮轉(zhuǎn)化過程和去向信息至今仍知之甚少，主要是缺少合適有效的實驗分析方法來鑒定土壤內(nèi)在有機碳、氮的起源和滯留時間。

    因此，深入研究土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程將有助於掌握土壤物質(zhì)循環(huán)的本質(zhì)。有機碳、氮的轉(zhuǎn)化、循環(huán)和截獲是由一系列復(fù)雜生物和生物化學(xué)過程決定的，生物是這些過程的主導(dǎo)因素。如果能夠揭示土壤有機質(zhì)生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程及其機制，就可以定向調(diào)控這些生態(tài)過程，進而達到優(yōu)化土壤功能的目的。雖然土壤中一切生物和生物化學(xué)過程都是在微生物的參與下完成的，不過由於微生物類群的復(fù)雜性、數(shù)量的易變性和測定結(jié)果的不穩(wěn)定性，採用微生物本身作為土壤生態(tài)過程的指示物質(zhì)具有不確定性。然而，可以選擇具有一定穩(wěn)定性的微生物來源物質(zhì)來表征土壤微生物的作用，從而探討土壤有機物質(zhì)的動態(tài)變化機制。這些對土壤生物和生物化學(xué)過程具有指示作用的微生物來源物質(zhì)被稱為微生物標(biāo)識物（Microbial Biomarker）。目前探索研究的標(biāo)識物有氨基糖、氨基酸手性異構(gòu)體、類脂等。分析評價這些微生物標(biāo)識物已經(jīng)成為土壤生物化學(xué)過程研究中一種很有效的工具。這種分析和評價能夠使我們確認在某些條件下，土壤"固有或內(nèi)在"有機碳的轉(zhuǎn)化過程是有助於土壤碳氮的積累，還是促進土壤碳氮的消耗。隻有掌握影響土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化的因素和條件，我們才有可能調(diào)控土壤有機質(zhì)的微生物轉(zhuǎn)化過程，進而調(diào)控有機碳的截獲，優(yōu)化土壤的功能

    氮素在土壤中的轉(zhuǎn)化過程決定氮素的吸收利用，因此研究氮素高效利用的理論基礎(chǔ)是氮素在土壤中轉(zhuǎn)化過程及其調(diào)控原理。目前氮素在土壤中的轉(zhuǎn)化和去向已成為研究的焦點之一。研究表明，無機氮在土壤中可迅速轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化途徑是多方面的。以NH + 4－N為例，轉(zhuǎn)化過程包括硝化、反硝化和微生物固定。硝化和反硝化作用可導(dǎo)致氮素的損失；而微生物固定是一個更重要的同化過程，可降低氮素的損失。微生物固定的氮存在於活性的有機庫中，活性庫中的有機氮具有易變特性，因而比非活性庫中的有機氮更容易分解礦化；活性庫中的氮化合物參與土壤氮快速循環(huán)。因此，活性有機氮庫處在不斷轉(zhuǎn)化更新中，而這種轉(zhuǎn)化更新過程影響土壤氮素的供應(yīng)。我們用穩(wěn)定同位素示蹤研究發(fā)現(xiàn)，雖然土壤中無機氮的轉(zhuǎn)化途徑是多方面的，施到土壤中的無機氮素可快速轉(zhuǎn)化成某種形態(tài)有機氮，新形成的這種有機氮包被在土壤礦物-有機復(fù)合體或團聚體的表面，具有較高的活性和循環(huán)速率，所以在特定條件下，這種有機態(tài)氮又會礦化釋放出無機態(tài)氮，因而這種有機態(tài)氮處於不斷轉(zhuǎn)化循環(huán)之中，這種特殊的有機態(tài)氮就構(gòu)成土壤有效氮的暫存“過渡庫”（圖2）。過渡庫對土壤有效氮的循環(huán)和供應(yīng)具有調(diào)節(jié)作用，因而影響土壤無機氮素或肥料氮的利用率。土壤有效氮過渡庫的概念給我們一個重要的啟示，氮肥利用率的高低與土壤功能密切相關(guān)，而土壤功能影響土壤對氮素的調(diào)控能力。土壤中無機氮素的微生物同化固定受土壤有效碳源的控制，提高土壤有效碳源的含量可促進土壤氮素的同化作用。對比研究不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，輸入高量有機物料的土壤系統(tǒng)中，活性碳庫明顯大於單施化肥的土壤系統(tǒng)。高輸入有機物料的土壤系統(tǒng)由於微生物活性的增強，氮素供應(yīng)能力隨之增強。但是，土壤有效碳源如何控制土壤氮素的轉(zhuǎn)化過程，以及不同特性的碳源對土壤氮素過渡庫的影響，還有待進一步研究。