磷(P) 是植物生长发育所必需的养分元素，土壤中的P含量及其供磷特性对于植物的生长非常关键^[1]。P来源于土壤矿物沉积和风化作用，并在土壤中以多种无机化合物和有机化合物形式存在，各种形式的P相互转化，用于维持土壤中溶液的平衡以及有效P的供给^[2]。但有效P含量占总磷(TP) 含量较低，不能满足植物需求，特别是亚热带土壤严重缺P^{[1, 3]}。其原因一方面是由于植物和微生物的吸收、转化和沉淀等过程，有效P容易被耗尽，另一方面亚热带森林土壤具有高度风化、酸性等特征，土壤溶液中的磷酸根离子容易与铁、铝离子产生反应形成难溶性的磷酸铁盐、磷酸铝盐, 造成土壤P有效性相对低下^[4]。土壤中P有效性取决于土壤中P的存在形态，P的存在形态与植被类型^[5]、成土母质^[6]、土地利用方式^[7]等因素密切相关，直接影响着陆地生态系统中植物的生产力^[8]。因此，明晰不同林分下土壤P有效性，对提高森林生态系统生产力有着十分重要的意义。

不同植被类型可以通过改变土壤pH值、凋落物输入、根系结构和微生物活性等，进而影响P的输入与输出，导致土壤P有效性产生差异^[9-11]。CHEN et al^[12]对全球尺度下的不同生态系统研究发现，植物混交提高了土壤P有效性和植物生产力，混交可以通过调控土壤pH值来实现对土壤有机磷矿化微生物群落的影响，进而实现对土壤P有效性的调控^[13]。在亚热带不同植被类型的天然林(80 a) 中，相比于针叶林与针阔混交林，阔叶林土壤有效P含量显著偏高，出现这种趋势的原因是阔叶林土壤具有较高的有机碳(TOC) 含量^[14]，有机碳为微生物提供养分和能量，进一步增强磷酸酶活性，阔叶树种还会通过降低土壤中铁铝氧化物含量影响土壤磷组分的转化，进而影响土壤P对植物的供应能力^[15]。此外，张磊等^[16]发现凋落物和根系输入后可以有效缓解天然林土壤P限制状况，二者输入土壤后会使土壤微环境发生变化，增加土壤微生物生物量和增强土壤酸性磷酸酶活性，从而间接影响P在生态系统中的循环以及有效性。目前，土壤理化性质和微生物特性对天然林和人工林土壤磷组分影响的研究已有较多报道^[12-14]，但关于凋落物和细根化学组成如何影响土壤磷组分研究甚少，尤其是对成熟次生林土壤P的影响程度尚不清楚。

紫金山森林植被曾因战争而遭到严重破坏，经过封山育林和在部分地段营造马尾松(Pinus massoniana) 纯林，在人为干扰相对较弱的情况下，经过长期自然演替，形成了朴树(Celtis sinensis)、糙叶树(Aphananthe aspera)、枫香(Liquidambar formosana)、栓皮栎(Quercus variabilis)、马尾松等不同程度混交的成熟次生林。以往关于紫金山典型林分的研究集中在群落特征、种群动态、空间结构、物种多样性等^[17-18]方面，对不同典型林分土壤P含量及其组分特征研究鲜见。

因此，本试验以紫金山南坡朴树糙叶树落叶阔叶混交林和马尾松枫香针阔混交林两种典型林分为研究对象，测定两种林分土壤理化性质、酸性磷酸酶活性、磷组分、凋落物和细根化学组成差异，并解析它们之间的相关性，旨在阐明林分类型对土壤P含量及其组分的影响程度及调控因素，以期为维持森林生态系统的土壤肥力和可持续经营提供理论依据。

试验地位于南京市紫金山国家森林公园(118°48′24″~118°53′04″E，32°01′57″~ 32°16′15″N)，属于北亚热带季风气候，夏长春短，季节分明，年平均气温19.6 ℃，年平均日照时间1 629 h，年降水量1 091~2 371 mm，全年无霜期322 d。土壤为酸性山地黄棕壤和灰棕壤。紫金山森林针叶树种主要为马尾松，阔叶树种主要为栓皮栎、枫香、麻栎(Quercus acutissima)、朴树、糙叶树等。

在本课题组2016年于紫金山南坡设置的地理位置相邻、立地条件相似以及林龄相同的长期固定样地中，选取朴树糙叶树落叶阔叶混交林(以下简称阔叶混交林，DBF) 与马尾松枫香针阔混交林(以下简称针阔混交林，CBF) 两种典型林分为研究对象。其中，阔叶混交林的主要优势树种为朴树和糙叶树，伴生树种有黄连木(Pistacia chinensis)、栓皮栎等，林下灌木有枸骨(Ilex cornuta)、山胡椒(Lindera glauca)、老鸦柿(Diospyros rhombifolia) 等，林下草本植物主要有麦冬(Ophiopogon japonicus) 和沿阶草(Ophiopogon bodinieri)。针阔混交林的主要优势树种为马尾松和枫香，伴生树种有榔榆(Ulmus parvifolia)、冬青(Ilex chinensis) 等，林下灌木以山胡椒(Lindera glauca)、野蔷薇(Rosa multiflora) 为主，草本层有荩草(Arthraxon hispidus) 等。林分基本概况见表 1。

2021年10月，在两个长期固定样地中，分别随机设置3个互不相邻的20 m×20 m典型林分样方。在每个样方内，去除地表凋落物、砾石以及其他动植物残体，按“S”型取样法选取5个采样点，用土钻取土层深度(h) 为0＜h≤20 cm和20 cm＜h≤40 cm的土样，将每层土样混合均匀后作为该层土壤样品，过2 mm钢筛后分为两份备用, 其中，一份在室外风干后，用于测定土壤磷组分及其他理化性质；一份储存在4 ℃冰箱内，用于测定土壤酶活性、硝态氮、微生物生物量磷、铵态氮和含水率。

在每个样方内随机取5个样点，采用内径为8 cm的根钻，按0~20 cm、20~40 cm采集细根样品，根据根系外形、颜色等挑出直径＜2 mm的乔木植物活根装袋。细根样品带回实验室后洗掉根系表面的土粒和杂质，拭干水分，在65 ℃烘箱烘至恒重，磨细过0.25 mm筛，用于C、N、P测定。

在每个20 m×20 m的大样方内，沿对角线设置5个1 m×1 m的小样方，在每个小样方内，用20 cm×20 cm的凋落物固定框收集包括枝、干、叶在内的混合凋落物，带回实验室进行化学含量测定。

土壤基本理化性质的测定参照常规分析方法^[19]：采用元素分析仪(Vario ElementⅢ，德国) 测定土壤全碳(TC)、全氮(TN) 含量；采用TOC-L有机碳分析仪测定可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)、可溶性有机氮(dissolved organic nitrogen, DON) 含量；采用pH计(pHS-3C) 测定土壤pH值(V_水∶V_土=1∶2.5)；土壤含水率用烘干法测定；土壤全磷(TP) 含量用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；采用熏蒸提取-无机磷测定法测定土壤微生物生物量磷(MBP) 含量；采用氯化钾浸提靛酚蓝比色法测定土壤铵态氮含量；采用氯化钾浸提双波长比色法测定土壤硝态氮含量。酸性磷酸酶(acid phosphatase，ACP) 活性采用对硝基苯磷酸二钠法。细根和凋落物样品烘干计算干重，求得凋落物和细根生物量；细根和凋落物TC、TN含量采用元素分析仪(Vario ElementⅢ，德国) 测定，细根和凋落物TP含量采用H₂SO₄-H₂O₂消煮法测定。

土壤磷组分采用SUI et al^[20]修正后的Hedley磷素分级方法，依次用蒸馏水浸提水溶性磷(H₂O-Pi)、0.5 mol·L^-1 NaHCO₃浸提碳酸氢钠有机磷和碳酸氢钠无机磷(NaHCO₃-Pi、NaHCO₃-Po)、0.1 mol·L^-1 NaOH浸提氢氧化钠有机磷和氢氧化钠无机磷(NaOH-Pi、NaOH-Po)、1 mol·L^-1 HCl溶液浸提盐酸无机磷(HCl-Pi)，最后残留土样用浓H₂SO₄-H₂O₂在360 ℃下高温消煮，提取残余态磷(Residual-P)，最终得到活性磷(H₂O-Pi、NaHCO₃-Pi、NaHCO₃-Po)、中等活性磷(NaOH-Pi、NaOH-Po)、稳定性磷(HCl-Pi、Residual-P)。

表中数据为平均值±标准误。用Excel 2016软件对试验数据进行整合处理；用SPSS 19.0软件对数据进行方差分析和显著性检验，对两种林分土壤磷组分和土壤理化性质进行Pearson相关性分析；利用Origin 9.1软件对土壤P含量及其组分等进行绘图处理；用Canoco 5.0软件对两种林分土壤磷组分和凋落物及其细根性质分别进行冗余分析。

由表 2可知，土壤理化性质在不同林分类型之间存在显著差异(P＜0.05)，其中，NH₄⁺-N和NO₃^--N含量具有相似的规律，均表现为针阔混交林＞阔叶混交林，容重、含水率、pH值、TC、TN、DOC、DON均是阔叶混交林高于针阔混交林。另外，除容重在两种林分土壤中表现为下层土壤高于上层土壤之外，含水率、NH₄⁺-N、NO₃^--N、pH值、TC、TN、DOC和DON含量均是上层土壤高于下层土壤。

由图 1可知，针阔混交林MBP含量高于阔叶混交林，土壤中MBP含量均沿土层加深显著减少，但在林分间差异不显著(P＞0.05)。不同林分类型间ACP活性差异特征在0~20 cm和20~40 cm土层中一致，针阔混交林的ACP活性显著高于阔叶混交林(P＜0.05)，分别增加了1.79%和0.83%。ACP活性均是上层土壤显著高于下层土壤(P＜0.05)，分别提高了3.57%和4.52%。

注：图中不同大写字母表示相同林分在土层间差异显著(P＜0.05)，不同小写字母表示不同林分间土壤理化性质差异显著(P＜0.05)。 Note: capital case letters that differ within the same stand type indicate significant differences between soil layers (P < 0.05); lowercase letters indicate significant differences in soil physical and chemical properties between different stands (P < 0.05). 图 1 两种典型林分土壤酸性磷酸酶活性和微生物生物量磷含量 Fig. 1 Soil acid phosphatase activity and microbial biomass phosphorus in two typical stands

图选项

由表 3可得，在细根化学性质中，除细根生物量在林分类型间无显著差异，其余指标在两种林分类型间存在显著差异(P＜0.05)，阔叶混交林的细根生物量、TC、TN、TP含量均高于针阔混交林，细根C/N、N/P、C/P均低于针阔混交林。在凋落物化学性质中，除凋落物N/P在林分类型间无显著差异外，其余指标均在林分类型间存在显著差异(P＜0.05)，阔叶混交林的凋落物生物量、TC、TN、TP含量均高于针阔混交林，凋落物C/N、N/P、C/P均低于针阔混交林。

由图 2(a)可知，阔叶混交林TP、有机磷(Po)、无机磷(Pi) 含量均高于针阔混交林。林分类型和土层对试验地土壤TP、Po以及Pi有极显著的影响(表 4，P＜0.05)。在不同林分之间，阔叶混交林比针阔混交林具有更高的土壤TP、Po以及Pi均值含量，分别增加了200.62、123.98、76.64 mg·kg^-1，在不同土层之间，表层土的TP、Po、Pi的含量均显著高于下土层[图 2(a)，P＜0.05]。

注：图中不同大写字母表示相同林分在土层间差异显著(P＜0.05)，不同小写字母表示不同林分间土壤理化性质差异显著(P＜0.05)。 Note: capital case letters that differ within the same stand type indicate significant differences between soil layers (P < 0.05); lowercase letters indicate significant differences in soil physical and chemical properties between different stands (P < 0.05). 图 2 两种典型林分土壤磷含量及组分特征 Fig. 2 Soil phosphorus content and fraction characteristics of the two typical stands

图选项

对于不同磷组分[图 2(b)~(d)]，在0~20 cm土壤中，阔叶混交林土壤各磷组分含量均高于针阔混交林，20~40 cm土壤中，除NaHCO₃-Pi含量在针阔混交林土壤高于阔叶混交林土壤之外，其余磷组分含量均为阔叶混交林较高。此外，针阔混交林下层土壤的NaHCO₃-Pi含量高于上层土壤。在不同林分之间，阔叶混交林相比于针阔混交林具有显著较高的土壤活性磷、中等活性磷以及稳定性磷的含量[图 2(b)~(d)，P＜0.05]，较高的中等活性磷与下层土壤稳定性磷的比例，以及较低的土壤活性磷比例(图 3)。在不同土层之间，表层土壤活性磷、中等活性磷以及稳定性磷含量显著高于下层土壤[图 2(b)~(d)，P＜0.05]。双因素方差分析表明，除中等活性磷比例外，林分类型和土层对活性磷、中等活性磷以及稳定性磷的含量与占比有显著影响(P＜0.05)，并且林分类型与土层的交互作用对活性磷含量与占比、中等活性磷以及稳定性磷的占比有显著影响(表 5，P＜0.05)。

注：图中大写字母不同表示相同林分在土层间差异显著(P＜0.05)，小写字母不同表示不同林分间土壤理化性质差异显著(P＜0.05)。 Note: capital case letters that differ within the same stand type indicate significant differences between soil layers (P < 0.05); lowercase letters indicate significant differences in soil physical and chemical properties between different stands (P < 0.05). 图 3 两种典型林分土壤活性磷、中等活性磷及稳定性磷含量与占比 Fig. 3 Soil active phosphorus, medium active phosphorus, stable phosphorus content, and proportion of two typical stands

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除NaHCO₃-Pi外，林分类型与土层深度对土壤其他磷组分均产生极显著的影响(P＜0.01)，且林分类型与不同土层之间的交互作用对H₂O-Pi、NaHCO₃-Pi、NaOH-Po、Residual-P有显著影响(表 4，P＜0.05)。在不同林分之间，阔叶混交林相比于针阔混交林具有显著较高的土壤H₂O-Pi、NaHCO₃-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-Pi、Residual-P等磷组分含量[图 2(b)~(d)，P＜0.05]。在不同土层之间，所有磷组分均表现出明显的“表聚”特征。

相关性分析表明(表 6)，在阔叶混交林中，H₂O-Pi与DOC、DON、MBP呈极显著正相关(P＜0.01)，与TC、TN、NH₄⁺-N呈显著正相关(P＜0.05)；NaHCO₃-Pi与TN、DOC、MBP呈极显著正相关(P＜0.01)，与TC、DON、NH₄⁺-N呈显著正相关(P＜0.05)；NaOH-Pi与DOC、NH₄⁺-N、MBP呈极显著正相关(P＜0.01)；HCl-Pi与TN、MBP之间呈显著正相关(P＜0.05)；Residual-P与TC、TN、MBP呈极显著正相关(P＜0.01)。

在针阔混交林中，H₂O-Pi与SWC、DOC、DON、MBP呈显著正相关(P＜0.05)；NaHCO₃-Pi与NO₃^--N呈显著负相关(P＜0.05)；NaHCO₃-Po与NH₄⁺-N、MBP呈极显著正相关(P＜0.01)，与TC、DON呈显著正相关(P＜0.05)；NaOH-Pi与SWC、TN、DON、NH₄⁺-N、MBP呈极显著正相关(P＜0.01)，与TC呈显著正相关(P＜0.05)；NaOH-Po与NH₄⁺-N、MBP呈极显著正相关(P＜0.01)，与SWC、TN、DON呈显著正相关(P＜0.05)；HCl-Pi和Residual-P均与DON、NH₄⁺-N、MBP呈极显著正相关(P＜0.01)，与SWC、TC、TN呈显著正相关(P＜0.05)。

由图 4(a)、(b)可知，在凋落物化学性质中，RDA1轴和RDA2轴共同解释变量的99.3%，C/P_L是土壤磷组分变化的主要贡献因子，解释了35.8% (P=0.190)，土壤各磷组分与P_L呈正相关，与C_L、C/N_L、N/P_L、C/P_L呈负相关，但均不显著；细根化学性质中，C_F和C/N_F是影响阔叶混交林土壤磷组分变化的主要因子，其中C/N_F解释率最高，解释了37.6% (P=0.126)。

注：LB. 凋落物生物量；FRB. 细根生物量；C/NL. 凋落物全碳和全氮的比值；N/PL. 凋落物全氮和全磷的比值；C/PL. 凋落物全碳和全磷的比值；C/NF. 细根全碳和全氮的比值；N/PF. 细根全氮和全磷的比值；C/PF. 细根全碳和全磷的比值。 Note: LB. litter biomass; FRB. fine root biomass; C/NL. ratio of litter TC and TN; N/PL. ratio of litter TN and TP; C/PL. ratio of litter TC and TP; C/NF. ratio of fine root TC and TN; N/PF. ratio of fine root TN and TP; C/PF. ratio of fine root TC and TP. 图 4 两种典型林分下凋落物及细根化学性质与磷组分的冗余分析 Fig. 4 Redundancy analysis of the chemical properties and phosphorus fractions of litter and fine roots in two typical stands

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由图 4(c)、(d)可知，凋落物和细根化学性质的RDA1轴解释变量的99.4%，RDA2轴解释变量的0.4%，N/P_L和P_F分别是影响土壤磷组分的主要因子，分别解释了47.7% (P=0.298) 和76.3% (P=0.032)，各磷组分与P_F呈显著正相关(P＜0.05)，与C/N_L呈正相关，与LB、C_L、P_L、N/P_L、C_F、C/N_F、C/P_F、N/P_F呈负相关，但均不显著。

总体来看，各磷组分含量表现出阔叶混交林＞针阔混交林的趋势，这与HOU et al^[14]研究结果类似。其中，阔叶混交林土壤H₂O-Pi和NaHCO₃-Pi与DOC呈极显著正相关(P＜0.01)，一方面由于土壤中的有机碳会与磷酸盐竞争铁铝氧化物表面的吸附位点，从而使土壤中固定的磷被解吸附，增加土壤中活性磷含量^[21]，另一方面DOC作为微生物的C源，参与微生物生成磷酸酶的过程^[22]，进而提高活性P含量。在针阔混交林中，NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-Pi、Residual-P与SWC呈极显著或显著正相关(P＜0.01，P＜0.05)，有研究表明，土壤含水量是影响亚热带地区磷限制的关键因子^[23]，含水量增加会提高土壤有机酸浓度，溶解更多土壤中固定的P^[24]，进而影响土壤磷组分。此外，土壤P的吸附还会受pH值的强烈影响，土壤中微生物会释放有机酸并通过根际酸化、配位交换和P吸附位点的占据，促进土壤无机P的溶解^[25]。针阔混交林土壤中的NaHCO₃-Pi、NaHCO₃-Po、NaOH-Po与pH值呈负相关关系，表明针阔混交林土壤可能会通过分泌有机酸诱导pH值改变对土壤中固定的P进行解吸附，从而提高土壤P有效性。

已有研究认为MBP作为土壤中最活跃的磷组分之一，能够通过快速周转释放土壤无机P，从而成为有效P的重要来源^[26]，阔叶混交林与针阔混交林土壤活性磷组分都与MBP具有极显著正相关(P＜0.01)，表明土壤通过增加MBP含量积累活性磷，是提高土壤P有效性的关键途径。此外，两种林分土壤磷组分还与TN、DON等N元素具有相关性，THROOP et al^[27]研究表明土壤中过多的N元素与有机质结合造成土壤C/N降低，使得土壤中有机质分解和养分释放加快，促进土壤磷组分含量的增加。本试验地中阔叶混交林土壤中TN、DON含量均高于针阔混交林，进而导致了阔叶混交林土壤中磷组分含量高于针阔混交林。

凋落物是植物生长发育过程中的代谢产物，其质量和数量影响着森林生态系统中的养分循环和生产力，前人研究表明土壤90%以上N、P元素都来源于凋落物归还养分的再循环^[3]。因此，凋落物输入量的多少以及凋落物分解释放养分的过程都会对土壤N、P含量及其有效性产生深刻影响。李雪峰等^[28]认为，凋落物N/P较低时，其分解速率较快，本试验地N/P_L (34.29) 较高，表明本试验地凋落物分解缓慢。也可能是由于马尾松是针叶树种的特殊性质，针叶含有大量的纤维素、木质素以及单宁等难分解物质^[29]，导致分解速率偏低，归还到土壤中的P较少，加上植物对土壤P的吸收，造成土壤中活性磷含量较低。

有研究表明，C/P_L越低，凋落物分解速率越快^[30]。C/P_L是影响阔叶混交林土壤磷组分产生差异的主要因子，且与两种林分土壤磷组分呈负相关。阔叶混交林C/P_L比针阔混交林低，表明阔叶混交林凋落物分解速率比针阔混交林快，且凋落物中的P主要以活性磷为主^[6]，更多凋落物中的活性磷被归还到土壤中。同时，在凋落物分解过程中会释放一些有机酸，这些有机酸与土壤中的金属离子络合释放其中的P，缓解土壤对P的吸附^[31]。因此，较高的P_L养分归还量和分解速率是导致阔叶混交林活性磷组分较高的主要原因。

细根作为植物根系器官中最敏感的部分^[32]，其生物量及化学计量比能够较好地反映植物-土壤养分循环情况^[33]。拥有较高C/N的植物对土壤中N和P有较高的利用率^[34]，阔叶混交林C_F与磷组分呈负相关，表明C_F越高，相应地，C/N_F越高，植物能更好吸收土壤中的P用于自身生长发育，造成土壤中活性磷含量降低。与阔叶混交林相比，针阔混交林C_F含量与土壤中P含量无相关性，可能是不同树种具有不同的根系结构，不同树种对养分的吸收利用策略不同^[35]，与土壤养分之间的关系也存在着极大差异。针阔混交林的P_F与土壤活性磷含量呈正相关，表明细根中的P主要来源于土壤，其生长依赖于土壤中P元素的供应能力。针阔混交林P_F较低，说明针阔混交林土壤P供应能力较低，同时也表明了该林分土壤活性磷含量较低。

TERZAGHI et al^[36]研究发现细根C/N越小，细根周转越快。本试验地阔叶混交林与针阔混交林C/N_F与土壤磷组分呈负相关且阔叶混交林C/N_F低于针阔混交林，表明阔叶混交林细根周转速率更快，能够将更多有机碳输入土壤^[37]，为微生物提供更多碳源，从而提高ACP活性，而ACP又会对土壤中的P进行水解，促进活性磷的生成^[27]，进而使得阔叶混交林的活性磷含量高于针阔混交林。

在本试验地，阔叶混交林土壤中的活性磷、中等活性磷和稳定性磷含量均高于针阔混交林，表明阔叶混交林土壤P供应能力较强。两种林分土壤磷组分分别受不同因素调控，针阔混交林主要是通过SWC和pH值调控磷组分含量，凋落物分解缓慢和细根周转速率慢是造成针阔混交林土壤活性磷组分较低的原因。阔叶混交林因其有较高的凋落物归还量、较快的凋落物分解速率和细根周转速率，间接影响土壤微生物和ACP活性，使其TP含量和活性磷含量较高。MBP和N元素是调控两种林分类型土壤磷组分变化的主要土壤因子，MBP快速周转和有机质分解加快是增加土壤中活性磷组分的关键途径。综上，相比于针阔混交林，阔叶混交林具有更高的P有效性和供应能力，建议在亚热带地区植被恢复时，优先考虑阔叶混交。