在農田生態系統的物質循環中，土壤碳、氮、磷、硫等養分以及水分循環是最為重要的，因為它們決定了土壤質量以及農田生態系統的生產力和可持續特性。每種養分（包括水分在內）都按照自身的過程和規律進行轉化和循環，並且這些養分之間通過相互作用構成一個或多個復雜的生態過程。農田生態系統物質循環分為土壤與環境之間的物質循環以及土壤內部物質循環。土壤和環境之間的物質循環是以土壤為核心，沿著一定的途徑從環境到達土壤，再從土壤到環境，不斷地進行物質和能量循環流動；土壤內循環則是自然界生物地球化學循環的有機組成部分。在農田土壤系統中，碳（氮）循環是物質循環的基礎並影響和控制其它物質或養分循環過程。所以，考察農田土壤生態過程常以碳（氮）轉化和循環過程的研究為基礎，即通過揭示碳（氮）土壤生態過程的特性和機理以及碳氮轉化、循環過程與其它物質（養分和水分等）循環過程的關系，最終實現優化和調控土壤物質循環過程。
我國耕作土壤可持續利用的核心問題是有機質數量的耗竭和質量的惡化，這直接導致土壤功能的衰退。由於土壤有機質是影響土壤可持續利用最重要的物質基礎，碳、氮循環和截獲的研究已經成為相關領域的前沿研究課題。在農田生態系統中，作物通過光合作用固定CO 2並轉化出相當數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在土壤中的分解是一個生物化學過程，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釋放到土壤中，供高等植物利用；部分養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，在土壤中構成復雜的土壤有機碳庫。這種截獲過程與有機質的腐殖化過程密切相關，而腐殖化過程形成土壤有機質，腐殖化系數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，或以可溶性形態從土壤淋失）是兩個相反的過程，兩者都受到土壤內有機質轉化循環過程的制約。土壤有機質的礦化和腐殖化過程對於土壤碳循環同樣重要：沒有礦化過程，土壤有機質中的養分不能釋放並被植物利用；若沒有腐殖化過程，有機質不能在土壤中截獲積累。缺少其中任何一個過程，土壤碳循環都不能實現，兩個過程的相對速率對於土壤有機質的動態變化至關重要。可見，處理好土壤有機質積累和消耗的關系，是農業土壤碳循環研究中的重要任務。
農田生態系統氮循環在某些環節上與碳循環相伴存在並具有相似之處，碳氮循環相互影響、相互促進。土壤氮的循環過程是氮素不斷進行生物、生物化學、化學、物理、物理化學變化的過程，也是不斷進行氮素形態變化的過程，這些過程主要有生物固氮過程、化學固氮過程、礦化－生物固持過程、硝化過程、反硝化過程、揮發與淋失過程、共侵蝕和徑流損失過程等。但是氮循環的重要環節在於氮素養分的固定、有效化和損失過程，特點是微生物作用下的生物化學過程。雖然磷和硫也是土壤有機質的組成成分，也參與土壤碳氮循環的生物化學過程，但是磷和硫的純化學轉化循環佔有更重要的地位，磷和硫在農田系統中的循環是生物地球化學循環的一部分。與農田生態系統中碳氮及其它養分循環同等重要。水循環影響作物的生長、養分轉化循環、有效性及損失，在幹旱和半幹旱地區，農田生態系統的水循環往往成為整個系統物質循環的制約因素。氣候，特別是溫度，是影響土壤物質轉化循環的外因，對土壤物質平衡起重要作用。農業管理是影響土壤物質轉化循環的另一個重要因素，它可以改變土壤物質循環過程和強度，最終影響養分循環效率以及平衡水平，決定農田生態系統的可持續利用能力。
土壤有機質是土壤系統的基礎物質，影響土壤的物理、化學性質，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揮著重要的作用，良好的土壤的物理、化學和生物學性質以及土壤的生產力都與土壤有機質的含量和特性密切相關。農田土壤中有機碳的儲量和特性影響系統的質量和功能。從農田土壤可持續利用的角度出發，如何提高農田土壤有機碳的截獲具有理論和實踐的雙重意義。土壤有機質庫的形態和特性不僅與土壤碳氮的轉化和循環過程密切相關，同時也和其它養分的轉化循環以及水分的循環密不可分。土壤有機碳庫的化學穩定機制，以及相對應的化學或形態分級成為重要的研究課題。因為不同的有機碳庫組成不同，性質不同，分解和轉化的時間不同，有機質的穩定性和質量也不同。從土壤養分循環、有機質的積累和作物殘留物管理對環境質量和土壤生產力的影響的角度出發，我們更關心土壤有機質的轉化過程以及有機碳庫在土壤中的周轉速率和滯留時間。土壤有機碳各組分的轉化過程和存留時間有較大差異，所以根據土壤有機碳穩定性和轉化時間的差異，可把土壤有機質分為活性的(易變的)和穩定的組分。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、其它非腐殖物質等，其分解速度快，轉化周期通常為幾周到幾個月的時間。穩定組分是指礦化速率很低的土壤腐殖質部分，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、物理穩定有機質、化學穩定有機質。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。土壤有機氮的轉化過程和穩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，根據木質素和氮的比例，植物殘體被劃分為植物殘體代謝碳和結構碳，土壤有機質劃分為活性碳、“慢分解”土壤碳和非活性碳共5個庫，相應的平均滯留時間為0.1～1年、1～5年、1～5年、20～40年和200～1500年。
土壤有機質本身的化學組成和結構是導致土壤有機碳庫組分穩定性不同的原因之一。結構復雜、性質穩定的某些有機質如土壤腐殖質，抵抗土壤微生物分解的能力顯著高於其它結構簡單、活性較強的有機質，因而具有更高的穩定性。但大量研究表明，土壤有機碳的穩定性並不單一地取決於土壤有機質的化學組成的差異，其它方面的許多因素都能影響土壤有機碳的穩定性。如在物理穩定機制中，土壤有機質的存在狀態(是遊離態或結合態)、在土壤中的分布物理位置(大團聚體、微團聚體內或外)和顆粒大小等；與土壤有機質相關的很多土壤物理、化學、生物化學過程，如團聚體形成與分解過程(aggregation formation/degradation)、土壤有機質的吸附與解吸過程(adsorption/desorption)、土壤有機質的聚合與復合過程(condensation/complexation)等也都能影響土壤有機碳的穩定性。目前一般認為，土壤有機質的穩定性機制主要有三種，即化學穩定性(chemical stabilization)、物理穩定性(physical stabilization)和生物化學穩定性(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。因為有關土壤有機碳、氮轉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在有機碳、氮的起源和滯留時間。
因此，深入研究土壤有機質的轉化過程將有助於掌握土壤物質循環的本質。有機碳、氮的轉化、循環和截獲是由一系列復雜生物和生物化學過程決定的，生物是這些過程的主導因素。如果能夠揭示土壤有機質生物化學轉化過程及其機制，就可以定向調控這些生態過程，進而達到優化土壤功能的目的。雖然土壤中一切生物和生物化學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雜性、數量的易變性和測定結果的不穩定性，採用微生物本身作為土壤生態過程的指示物質具有不確定性。然而，可以選擇具有一定穩定性的微生物來源物質來表征土壤微生物的作用，從而探討土壤有機物質的動態變化機制。這些對土壤生物和生物化學過程具有指示作用的微生物來源物質被稱為微生物標識物（Microbial Biomarker）。目前探索研究的標識物有氨基糖、氨基酸手性異構體、類脂等。分析評價這些微生物標識物已經成為土壤生物化學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"固有或內在"有機碳的轉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轉化的因素和條件，我們才有可能調控土壤有機質的微生物轉化過程，進而調控有機碳的截獲，優化土壤的功能
氮素在土壤中的轉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是氮素在土壤中轉化過程及其調控原理。目前氮素在土壤中的轉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化，轉化途徑是多方面的。以NH + 4－N為例，轉化過程包括硝化、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。因此，活性有機氮庫處在不斷轉化更新中，而這種轉化更新過程影響土壤氮素的供應。我們用穩定同位素示蹤研究發現，雖然土壤中無機氮的轉化途徑是多方面的，施到土壤中的無機氮素可快速轉化成某種形態有機氮，新形成的這種有機氮包被在土壤礦物-有機復合體或團聚體的表面，具有較高的活性和循環速率，所以在特定條件下，這種有機態氮又會礦化釋放出無機態氮，因而這種有機態氮處於不斷轉化循環之中，這種特殊的有機態氮就構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和供應具有調節作用，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，而土壤功能影響土壤對氮素的調控能力。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。對比研究不同農業生態系統發現，輸入高量有機物料的土壤系統中，活性碳庫明顯大於單施化肥的土壤系統。高輸入有機物料的土壤系統由於微生物活性的增強，氮素供應能力隨之增強。但是，土壤有效碳源如何控制土壤氮素的轉化過程，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。
