库滨带 (riparian buffer strips) 是水陆间重要的生态交错带，具有重要的水文、生态、美学和社会经济功能，其作为一种水土保持和控制非点源污染的重要生物措施，能维持河 (湖) 岸稳定和生物多样性，且对氮、磷等污染物具有截留作用^[1-2]。土壤氮素矿化是指土壤有机氮在微生物的作用下，转化为无机氮的过程，是氮素循环的关键过程之一，外源有机物 (凋落物和植物残体等) 是生态系统重要氮源，经矿化作用生成大量无机氮，对土壤理化性质产生重要影响，对该生态系统适应性植物的选择有重要作用。大量研究表明：环境因子 (温度和水分)^[3]、土壤理化性质 (有机质质量分数、质地、团聚体、水分和土壤温度等)^[4]及人为活动^[5]等非生物因素，对土壤氮矿化有重要的影响；土壤动物和微生物在其活动和代谢过程中，通过对有机质的破坏、分解及其他生化作用，而对氮素矿化产生影响。

国内外对植被与土壤氮矿化关系的研究主要集中在土壤类型^[6]、水热条件^[7]和植被种类^[8]等因素，植被地上部分^[9-11]的研究已有报道，但对地下部分植物根系以及地上地下混合处理的矿化研究鲜有报道。苘麻 (Abutilon theophrasti Medicus) 是丹江口库区库滨带最常见的一年生亚灌木状草本，野外调查发现其伴生的蛇床 (Cnidium monnier L. Cuss) 最为常见；因此，笔者研究不同部位植物添加土壤后的有机氮矿化特征，探究植物化学性质与土壤氮矿化的关系，为该区域植被生态恢复、水土保持与非点源污染治理，提供参考依据。

习家店镇位于湖北省丹江口市，丹江口水库北岸 (E 110°10′，N 32°43′)，属于北亚热带季风气候，年平均气温15.1 ℃，年均降水量在800 mm左右，降雨集中在4—10月份。该区地形的主要特点是高差大、坡度陡和切割深，海拔在500~1 500 m之间，总的地势是西北高、东南低、北陡南缓，汉江沿线形成峡谷和盆地相间的地貌。土壤以山地黄棕壤和黄褐土为主。该区处于亚热带常绿阔叶林和北亚热带常绿落叶阔叶林地带，适生的植物种类繁多，库周群丛生长显著，主要有柑橘 (Citrus reticulate Blanco.)+小飞蓬 (Conyza canadensis L. Cronq.) 群丛，苘麻+蛇床群丛等。

供试土样和植物 (苘麻，蛇床)，于2013年6月采自丹江口习家店镇库周库滨带。土样采自无植物生长的裸地，按“S”型路线随机采集0~10 cm表层土壤 (黄棕壤)，间距20 m，多点混合，土壤黏粒、粉粒和砂粒质量分数分别为14.07%、50.50%和35.43%(按美国制为粉壤土)；植物样采集完整植株，带回实验室。土壤风干后，剔除杂质，研磨过2 mm筛，取少量过0.149 mm筛，分别做培养和化学分析试验。植物洗净后将地上部分和根分开，105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒重，磨碎过2 mm筛备用。

以上述土壤及植物的叶和根为材料，并设置不添加植物的土壤为对照，采用室内需氧连续培养法，共9个处理，分别为对照 (CK)、苘麻叶 (QL)、苘麻根 (QR)、蛇床叶 (SL)、蛇床根 (SR)、苘麻叶+蛇床叶 (QL+SL)、苘麻叶+蛇床根 (QL+SR)、苘麻根+蛇床叶 (QR+SL)、苘麻根+蛇床根 (QR+SR)，每个处理9个培养瓶对应9个取样时间点，3个重复，植物基本性质见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 植物的初始化学性状 Table 1 Initial chemical properties of plant residuals used g/kg 处理 Treatment C N P L CE HC PP C:N L:N QL 380.47± 16.39 27.39± 0.10 3.36± 0.00 187.16± 17.84 104.75± 5.15 287.64± 11.66 2.39± 0.04 13.89± 1.22 6.83± 0.67 QR 516.81± 34.23 10.08± 0.10 2.89± 0.18 392.56± 16.20 192.35± 8.45 327.74± 7.62 2.05± 0.38 51.28± 1.72 38.95± 1.47 SL 501.65± 36.37 6.76± 0.33 1.00± 0.14 312.50± 16.39 128.14± 18.03 306.85± 12.62 2.78± 0.01 74.32± 3.20 46.31± 3.25 SR 502.00± 32.01 6.04± 0.28 0.95± 0.01 232.24± 15.75 178.20± 15.23 325.50± 1.46 2.29± 0.05 83.31± 6.31 38.45± 1.37 QL+SL 490.51± 19.64 16.29± 0.33 2.20± 0.06 255.27± 46.55 219.88± 19.88 318.76± 16.61 2.53± 0.08 30.12± 1.64 15.67± 2.89 QL+SR 395.38± 11.41 16.13± 0.27 2.36± 0.06 208.93± 13.58 232.22± 22.02 299.32± 17.72 2.73± 0.93 24.51± 0.88 12.95± 0.69 QR+SL 448.66± 29.26 8.76± 0.16 1.81± 0.01 370.36± 30.74 155.75± 8.01 313.01± 22.79 2.19± 0.42 51.23± 1.07 42.32± 3.95 QR+SR 431.37± 34.41 7.34± 0.17 1.90± 0.07 415.85± 9.00 193.84± 8.61 280.97± 20.72 1.93± 0.33 58.81± 4.74 56.69± 0.91 注：C：全碳；N：全氮；P：全磷；L：木质素；CE：纤维素；HC：半纤维素；PP：多元酚；C:N：碳氮比；L:N：木质素/全氮；QL：茼麻叶；QL：茼麻根；SL：蛇床叶；SR：蛇床根。以下类同。Note：C：Total carbon. N：Total nitrogen. P：Total phosphorus. L: Lignin. CE: Cellulose. HC: Hemicellulose. PP: Polyphenols. C: N：C/N ratio. L: N：Lignin/Nitrogen ratio. QL: single Abutilon theophrasti leaf. SL: single Cnidium monnier leaf. QR: single Abutilon theophrasti root. SR: single Cnidium monnier root. The same below.

表 1 植物的初始化学性状 Table 1 Initial chemical properties of plant residuals used

称取植物样 (50.00±0.50) g，根叶混合植物样以质量比1:1各添加0.25 g，混合均匀后平铺于容积为500 mL带盖的特制塑料广口瓶底部，加水使样品含水量为田间持水量的60%，温度设置为25 ℃，分别在培养的1、3、7、14、21、31、41、51和61 d取对应样本，测定土壤铵态氮和硝态氮的质量分数。每次取样将所有处理取下瓶盖，放置于空气中，完全通气4 h。培养期间每隔2 d称量，如果需要浇水保持容器恒重。

土壤机械组成采用吸管法，容重采用环刀法，土壤和植物有机碳采用重铬酸钾外加热法，全磷采用氢氧化钠钼蓝比色法，全氮采用半微量凯氏法，铵态氮采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法，硝态氮采用氯化钾浸提-紫外分光光度法，微生物碳采用氯仿薰蒸浸提法，植物木质素和纤维素采用酸性洗涤剂-碘量法，半纤维素采用盐酸水解-DNS法以及多元酚采用Folin-Ciocalteu比色法。

采用SPSS 17.0和Excel 2010等软件进行方差分析 (在0.05水平上差异显著，在0.01水平上差异极显著)，不同处理之间的多重比较采用LSD法，利用Pearson法，分析不同植物初始化学性质与土壤氮矿化量之间的相关关系，主成分分析 (PCA) 确定植物各化学性质的重要程度。

混合处理有机氮矿化累积量预测值=((苘麻叶或根处理)X+(蛇床叶或根处理)Y)/(X+Y)。

式中：X，Y分别为对应处理所占混合植物样的质量分数之比，X，Y均为50%^[12]。

添加植物后，不同处理的土壤氮矿化量随时间推移而有所差异 (表 2)。整个试验期，各处理矿化量均小于对照CK，整体趋势表现为：前期减小，中期缓慢增大，最终基本处于平衡。在试验前期1~7 d，各处理的矿化量均表现为减小，其中QL的降幅最大，达到19.46 mg/kg；中期7~41 d，各处理的矿化量均有所增加，其中CK和QL增长幅度较大，达到49.43 mg/kg以上，而SL增长最小，仅为0.32 mg/kg；后期41~61 d，各处理缓慢增长，并最终基本平衡。试验结束时，除混合处理QL+SL和QL+SR仍表现出增长趋势外，其他各处理基本达到平衡。

表 2(Table 2)

表 2 不同处理土壤氮矿化量 Table 2 Soil nitrogen mineralization rates under different treatments g/kg 处理Treatment 1 d 3 d 7 d 14 d 21 d 31 d 41 d 51 d 61 d CK 24.84 18.14 22.33 27.08 35.02 55.16 71.76 77.97 79.53 QL 24.57 4.71 5.11 6.69 16.93 43.41 58.15 73.57 71.62 QR 0.76 0.39 1.03 1.16 1.60 1.93 2.43 5.31 4.93 SL 1.36 1.09 1.12 1.22 1.26 1.32 1.44 1.51 6.87 SR 1.47 0.94 1.15 1.18 1.71 2.00 2.02 3.14 2.97 QL+SL 5.09 1.02 2.89 2.87 5.61 6.13 7.97 8.36 25.69 QL+SR 6.43 2.18 3.00 3.38 3.52 4.52 7.73 11.78 26.43 QR+SL 2.67 0.41 1.56 1.69 2.00 2.09 2.19 6.47 2.65 QR+SR 1.42 0.98 1.01 1.16 2.35 3.87 4.05 5.30 1.04

表 2 不同处理土壤氮矿化量 Table 2 Soil nitrogen mineralization rates under different treatments

对于叶处理，苘麻和蛇床在试验期间，氮矿化量均表现为差异显著，差值最大是后期41~61 d，为64.76 mg/kg；根处理在试验前期1~7 d和中期7~41 d，苘麻和蛇床氮矿化量差异均不显著，后期41~61 d差异显著，差值最大为1.97 mg/kg；混合处理QL+SL和QL+SR以及QR+SL和QR+SR，在试验期氮矿化量差异均不显著。

土壤环境的改变会引起微生物的迅速响应，微生物碳的质量分数可作为一种较好的微生物活动数量的指示指标^[13]。由图 1可知，仅试验前期1~7 d，处理QR的微生物碳质量分数＜CK，其他阶段添加植物处理均大于CK，且均达显著水平。试验结束时，各处理微生物碳质量分数的大小顺序为QL>QR+SL>QL+SR>QR+SR>QL+SL>QR>SL>SR>CK，添加植物处理的微生物碳质量分数为CK的1.25~5.86倍，混合处理微生物碳质量分数＞单一处理 (QL除外)，总体表现为QL>混合处理>单一处理 (QL除外)。说明添加植物后，土壤微生物质量分数会显著增加，苘麻茎叶的效果最好，混合处理的效果＞单一处理。

图 1(Figure 1)

不同小写字母表示不同处理有显著差异P < 0.05。 Values with different letters refer to significant difference at 0.05 levels among the treatments. The same below. 图 1 不同处理土壤微生物碳质量分数变化 Figure 1 Carbon content of soil microbial with time under different treatments

不同时期土壤氮矿化量与植物性质相关分析见表 3。结果表明，在整个试验期间，土壤氮矿化量与植物全磷、木质素、纤维素、半纤维素和多元酚质量分数相关性不显著，与全碳质量分数显著正相关，与全氮质量分数极显著正相关；在试验前期1~7 d和后期41~61 d，与植物C:N和L:N显著负相关。

表 3(Table 3)

表 3 植物化学性质与氮累积矿化量的相关关系 Table 3 Pearson linear correlation coefficients between plant chemical properties and accumulative soil nitrogen mineralization rates 时间time/d C N P L CE HC PP C:N L:N 1~7 0.841** 0.981** 0.675 -0.679 -0.246 -0.401 0.352 -0.864** -0.899** > 7~41 0.757* 0.895** 0.671 -0.554 -0.561 -0.490 0.083 -0.664 -0.653 > 41~61 0.833* 0.976** 0.700 -0.671 -0.379 -0.473 0.317 -0.811* -0.816* 注：*表示在0.05水平上差异显著，**表示在0.01水平上差异显著。Note: * and ** refer to significant difference at 0.05 and 0.01 level.

表 3 植物化学性质与氮累积矿化量的相关关系 Table 3 Pearson linear correlation coefficients between plant chemical properties and accumulative soil nitrogen mineralization rates

对植物化学性质进行主成分分析 (PCA)，参考叶回春等^[14]方法，计算指标得分系数和权重。由表 4可知：所有变量中，前3个主成分特征值＞1，累积方差达到85.26%；第1主成分中，植物全氮、C:N和L:N占有较高载荷，多元酚和纤维素分别在第2和第3主成分中占有最高载荷。因而，选择植物全氮、C:N、L:N、多元酚和纤维素作为最后决定植物化学性质的代表性指标，将各主成分对应的数据除以对应特征值的平方根，得到相应的每个指标的对应系数。由此可得到以下方程：

表 4(Table 4)

表 4 植物化学性质主成分分析表 Table 4 Principal component analysis of different plant chemical properties 参数Parameter 成分Component 指标得分系数Index score coefficient 指标权重Index weight 1 2 3 特征值Eigenvalue 4.571 1.812 1.291 — — 方差Variance 50.788 20.135 14.341 — — 累积方差Accumulative variance 50.788 70.923 85.264 — — C 0.773 0.401 0.271 — — N -0.971 -0.026 0.036 -0.270 0.317 P -0.741 -0.384 0.439 — — L 0.685 -0.61 0.212 — — CE 0.105 0.177 0.704 0.165 0.194 HC 0.454 0.608 0.495 — — PP -0.355 0.753 -0.357 -0.020 0.023 C:N 0.927 0.126 -0.279 0.239 0.281 L:N 0.900 -0.385 -0.179 0.157 0.184

表 4 植物化学性质主成分分析表 Table 4 Principal component analysis of different plant chemical properties

综合植物化学性质指标F₁、F₂、F₃各指标乘以相应贡献率，除以总贡献率之和，即

由表 3和表 4可知，各植物化学性质得分系数和权重，由大到小顺序为N>C:N>CE>L:N>PP，说明植物全氮质量分数是土壤有机氮矿化最重要的决定因素，对土壤有机氮矿化有促进作用，植物C:N、L:N、多元酚和纤维素也有重要作用，其为矿化作用的抑制因素。

对混合处理，通过假设检验，比较预测值和实测值之间的差异。氮素矿化量的实测值与预测值对比结果见表 5，所有混合处理实测氮素矿化量均极显著，且小于预测值，说明混合植物处理并不能促进土壤中有机氮矿化，也无激发效应。

表 5(Table 5)

表 5 混合处理氮矿化量预测值 Table 5 Predicted values of N mineralization under mixed treatments (mean±SE, n=3) 处理 Treatment 累积矿化量Accumulative N mineralization/(mg·kg-1) 实测值 Measured value 预测值 Predicted value P value QL+SL 25.69±0.65 39.24±0.39 0.002 QL+SR 26.43±0.50 39.24±0.39 0.001 QR+SL 2.65±0.49 5.90±0.29 0.002 QR+SR 1.04±0.38 3.95±0.03 0.005

表 5 混合处理氮矿化量预测值 Table 5 Predicted values of N mineralization under mixed treatments (mean±SE, n=3)

2种植物叶片处理的土壤氮矿化量，在试验期表现出显著性差异，根处理在试验前期和中期差异不显著，而后期差异显著。这可能与植物自身的化学性质有关^[15]，化学性质不同，会影响它们的分解速率^[3]。B.R.Taylor等^[16]研究发现，分解前期由N制约凋落物分解速率，后期由木质素浓度或L:N比制约分解速率；Xu Xiaoniu等^[17]也认为，植物质量分解前期主要受养分质量分数的影响，后期则受木质素和纤维素/木质素比支配。笔者研究认为：QL的全氮质量分数是SL的4.05倍，木质素和L:N分别为SL的59.89%和14.75%(表 1)；主成分分析表明，植物化学性质重要程度，由大到小顺序为N>C:N>CE>L:N>PP。B.Berg等^[18]发现，植物中N、P、K初始浓度高，使得初期分解较快。当N质量分数较低时，制约微生物的生长发育，增加N质量分数，可促进微生物活动，提高土壤氮矿化^[3]，土壤有机氮矿化与植物C:N比呈负相关，C:N＞25时，土壤氮矿化表现为固持作用^[4]，L:N较高时，会将氮矿化限制在较低的水平，当L:N降至较低后，土壤氮矿化会迅速增加^[19]。研究中，各植物处理后，植物纤维素质量分数、C:N、L:N均较高，而全氮质量分数较低，这可能是导致添加植物后，各处理土壤有机氮矿化作用表现为固持的原因。

研究表明，添加植物后，土壤有机氮矿化分为3个阶段，即前期减小，中期迅速增长，后期基本保持稳定，这与很多学者的研究相同^[16-17]。若将研究前期看作预培养，赵满兴等^[20]认为培养的前一周时间，由于微生物需要逐步适应环境，并不能准确的反映有机氮矿化情况，笔者研究的中期和后期变化趋势与前人的结果一致。QL虽然是植物质量最好，仍表现为氮固持，这可能与土壤理化性质和植被种类有关。由于植被类型差异，而导致土壤氮矿化的不同，许晓静等^[21]发现，针叶树种和豆科树种的凋落物分解N动态模型不同。土壤质地也可能是影响土壤氮矿化的原因，B.A.Roberts等^[11]将棉花凋落物加到2种土壤中培养，结果均表现为氮固持，且黏壤土固持量>砂壤土。这是因为黏粒的小孔隙持有更多水分，对土温变化的响应与砂壤土不同，进而影响微生物的种群数量和活动。而笔者研究中，土壤黏粒质量分数为14.07%，介于B.A.Roberts等试验用2种土壤黏粒质量分数之间。

T.B.Gartner等^[22]对凋落物混合矿化研究认为，凋落物混合分解过程中，存在无效应、促进效应和抑制效应3种情况，而这3种情况并不是一成不变的，有可能随时间的推移而表现出来^[17]。笔者研究中，混合处理无促进作用，也没产生激发效应，这与T.B.Gartner等^[22]、A.Hector等^[23]研究结论相反，这可能与参与矿化作用的微生物数量和活性有关。Bai Junhong等^[24]发现，参与土壤有机氮矿化的微生物主要是真菌、细菌和放线菌，尽管试验期间，叶、根以及混合处理的土壤微生物质量分数显著增加 (图 1)，可能参与矿化作用的相关微生物的数量并没有显著增长。M. Zaman等^[7]发现，升高温度，有益于土壤氮矿化，当温度由25 ℃升高到40 ℃时，土壤氮矿化量从每天5.5 μg/kg增加到20.9 μg/kg，这是因为温度的升高，使土壤可溶性碳增加，促进了微生物的活动。J.Dessureault-Rompre等^[25]发现，大约80%的土壤有机氮矿化作用，发生在微生物活动的水层，且矿化作用的最佳含水量为田间持水量。综上所述，笔者研究的土壤有机氮矿化量较小。

1) 添加植物后的土壤有机氮矿化呈现3个阶段，即前期减小，中期缓慢增大，最终基本处于平衡；所有处理的有机氮矿化量均＜对照，矿化作用是抑制效应。由于植物化学性质的不同，叶处理试验期间，苘麻和蛇床氮矿化量均表现为差异显著；根处理在试验期前期和中期，苘麻和蛇床氮矿化量差异均不显著，后期差异显著；混合处理QL+SL和QL+SR以及QR+SL和QR+SR在试验期，氮矿化量差异均不显著。

2) 根叶混合处理显著增加了土壤微生物数量，但是土壤有机氮矿化并没增加，无激发效应。

3) 主成分分析表明，影响土壤有机氮矿化的主要植物化学性质是全氮、C:N、L:N、多元酚和纤维素，其中全氮的影响效果最为明显，而全磷、木质素和半纤维素作用则较弱，其顺序为全氮>C:N>纤维素>L:N>多元酚。