摘要
土壤磷（P）是制约我国亚热带人工林生产力的关键因子, 而长期的单一化马尾松人工林经营导致土壤P循环失衡等问题突出。为探究马尾松人工纯林引入阔叶树种异龄混交改造对土壤生物有效性磷（bioavailable P, Bio-P）组分的动态特征及主要影响因素，该研究以南亚热带马尾松人工林为对象, 基于Bio-P分级方法, 对比分析了马尾松-红锥混交林（MP）、马尾松-红锥/大叶栎/格木/香梓楠多树种混交林（MMP）及未改造马尾松人工纯林（PP，对照）的腐殖质层和淋溶层的Bio-P组分（酶磷、柠檬酸磷、氯化钙磷、盐酸磷）动态特征, 并结合相关土壤理化性质、微生物生物量及酶活性等指标, 探明Bio-P的主要影响因素。结果表明：（1）相对于PP, MP腐殖质层的柠檬酸磷和盐酸磷分别显著增加了31.50%和39.78%（P<0.05）, MMP的盐酸磷显著增加了59.77%（P<0.05）；MP和MMP淋溶层的酶磷分别显著增加了39.00%和91.13%（P<0.05），氯化钙磷含量分别显著增加了8.40%和8.90%（P<0.05）。（2）相对于PP, MMP腐殖质层的有机碳、铵态氮、速效磷和微生物生物量磷含量显著降低（P<0.05），而MP和MMP淋溶层的有机碳、全氮、全磷、速效磷及微生物生物量碳、氮和磷均显著增加（P<0.05）。（3）相对于PP, MMP腐殖质层的碳、氮、磷循环相关的酶活性分别显著降低了41.42%、34.22%、30.23%（P<0.05）, 而MP淋溶层的上述酶活性分别显著增加了61.17%、157.98%、31.70%（P<0.05），以及MMP淋溶层的上述酶活性分别显著增加了40.91%、238.66%、37.93%（P<0.05）。（4）硝态氮和速效磷是影响腐殖质层Bio-P组分的主要调控因子，而全磷和酶碳氮比是影响淋溶层Bio-P组分的主要驱动因子。综上认为, 马尾松人工林引入阔叶树种混交改造有利于土壤P的储存和供应, 该研究结果为提高南亚热带人工林土壤P有效性的树种选择和经营管理策略提供了重要的科学依据。
Abstract
Soil phosphorus (P) is a key factor constraining the productivity of subtropical plantation in China. However, long-term monocultural management of Pinus massoniana plantations has led to prominent issues such as soil P cycle imbalance. To explore the dynamic characteristics of soil bioavailable phosphorus (Bio-P) fractions and their main influencing factors after the uneven-aged mixed transformation of P. massoniana pure plantations by introducing broadleaf tree species, this study took southern subtropical P. massoniana plantations as study objects. Based on the Bio-P fractionation method, this study comparatively analyzed the dynamic characteristics of Bio-P fractions (Enzyme-P, Citrate-P, CaCl2-P, HCl-P) in the humus layer and eluviated layer of three forest types:mixed plantation of Pinus massoniana-Castanopsis hystrix (MP), multiple species mixed plantation of Pinus massoniana-Castanopsis hystrix/Quercus griffithii/Erythrophleum fordii/Michelia hedyosperma (MMP), and untransformed Pinus massoniana pure plantation (PP, used as control). Additionally, this study combined indicators such as soil physicochemical properties, microbial biomass, and enzyme activities to identify the main factors influencing Bio-P. The results were as follows: (1) Compared with PP, the Citrate-P and HCl-P contents in the humus layer of MP were significantly increased by 31.50% and 39.78% (P<0.05), respectively, while the HCl-P content in the humus layer of MMP was significantly increased by 59.77% (P<0.05). In the eluviated layer, the Enzyme-P contents of MP and MMP were significantly increased by 39.00% and 91.13% (P<0.05), respectively, and the CaCl2-P contents of MP and MMP were significantly increased by 8.40% and 8.90% (P<0.05), respectively. (2) Compared with PP, the contents of organic carbon (OC), ammonium nitrogen (NH4+-N), available phosphorus (AP), and microbial biomass phosphorus (MBP) in the humus layer of MMP were significantly reduced (P<0.05). However, the contents of OC, total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), AP, microbial biomass carbon (MBC), microbial biomass nitrogen (MBN), and MBP in the eluviated layer of MP and MMP were significantly increased (P<0.05). (3) Campared with PP, the enzyme activities associated with carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P) cycling in the humus layer of MMP were significantly reduced by 41.42%, 34.22%, and 30.23% (P<0.05), respectively. In contrast, the aforementioned enzyme activities in the eluviated layer of MP were significantly increased by 61.17%, 157.98%, and 31.70% (P<0.05), respectively, and those in the eluviated layer of MMP were significantly increased by 40.91%, 238.66%, and 37.93% (P<0.05), respectively. (4) Nitrate nitrogen (NO3--N) and AP were the primary regulatory factors influencing Bio-P fractions in the humus layer, whereas TP and enzyme C∶N were the main driving factors affecting Bio-P fractions in the eluviated layer. In conclusion, the introduction of broadleaf tree species for uneven-aged mixed transformation in Pinus massoniana plantations is beneficial to soil P storage and supply. The results of this study provide an important scientific basis for tree species selection and management strategies aimed at improving soil P availability in southern subtropical plantations.
磷（phosphorus，P）是陆地生态系统中限制植物生长的营养元素，参与植物体内的能量储存和传递等过程，影响地上和地下的养分循环（Helfenstein et al., 2024）。生物有效性磷（bioavailable P, Bio-P）是土壤中某些低分子量的有机P（organic P, OP）化合物和能直接被植物和微生物吸收和利用的无机P（inorganic P, IP）, 是土壤P有效性的重要组成（Xue et al., 2024）, 尽管土壤中总P（total phosphorus, TP）含量相对充足，但Bio-P含量却处于较低水平，这将直接制约植物生长势和生产力水平。目前，关于Bio-P的研究大多集中于农业生态系统中干湿交替（田仓等，2021）、土壤酸化（Zhang et al., 2021）、不同土地利用方式（张海帆等，2024）等特定环境，而在林业上尤其是人工林生态系统中少有研究。在热带亚热带高度风化土壤中，维持 Bio-P 水平是森林生态系统管理中亟须解决的问题。因此，开展人工林生态系统土壤Bio-P组分特征、环境因素调控机制和P有效性的提升途径的系统研究，可为精准地揭示不同形态P在土壤中的真实规律，可为土壤P高效利用与生态可持续发展提供支撑。
我国人工林面积居全球首位，给经济发展提供了重要支撑。然而，长期的人工林单一纯林的经营管理方式引发了生物多样性丧失、土壤肥力下降等生态问题，已严重制约了人工林的可持续经营（Feng Y H et al., 2022）。Liu等（2024）研究表明，对人工纯林进行疏伐后补植乡土阔叶树种进行异龄混交改造，已成为当前我国常见的人工林营林改造模式之一。相较于纯林，混交林中树种多样化，凋落物量增加和复杂的根系网络通过改变微生物群落活性影响土壤养分循环，特别是提高土壤P的有效性、供给潜力和周转速率，从而显著提升生态稳定性与可持续性（Guo et al., 2025）。现有研究发现，异龄混交改造可促进植物根系分泌有机酸和增强磷酸酶活性，从而提高可溶性无机P（氯化钙磷，CaCl2-P）和活性有机P（酶磷，Enzyme-P）的含量，但矿物闭蓄态P（盐酸磷，HCl-P）和化学吸附态P（柠檬酸磷，Citrate-P）的含量呈现降低趋势（Deng et al., 2024；贺明霞等，2025）。因此，目前异龄混交改造如何影响土壤P的生物有效性的认识尚不清楚，并且选择单一树种还是多树种混交等问题仍存在较大争议。因此，探究单一或多种树种混交种植将如何通过影响地下土壤理化性质、微生物和酶活性，从而影响P循环过程，是当前生态学领域研究的热点问题之一。
马尾松（Pinus massoniana）作为重要的人工林经济树种，其长期单一化纯林种植模式导致土壤酸化、生物多样性下降、土壤养分循环特别是P素循环失衡等问题，严重制约其生产力的发展（Tang et al., 2025）。通过引入乡土阔叶树种对马尾松人工林进行混交改造是实现林业可持续发展的有效措施，混交改造能通过长期的根系相互作用，调节土壤微生物活性，有效促进林内的土壤养分循环（李娜娜等，2024；Guo et al., 2025）。贺明霞等（2025）通过马尾松分别与红锥和格木混交种植的研究发现，混交种植通过根系-菌丝-微生物的作用调控土壤P循环过程，但两种树种混交对土壤养分的差异不显著。针对马尾松人工林引入单一树种的研究较多（周玮等，2024）, 但同时引入多种树种混交效应与单一树种混交效应的对比研究仍鲜有报道。基于此，本研究以我国南亚热带马尾松人工林为对象，选取2种不同混交模式的马尾松人工林：引入单一树种红锥（Castanopsis hystrix）进行异龄混交改造，形成单一阔叶树种混交改造林（mixed plantation, MP）；此外，还同时引种了红锥、大叶栎（Quercus griffithii）、格木（Erythrophleum fordii）、香梓楠（Michelia hedyosperma）4种树种进行混交改造，形成由马尾松和4种阔叶树种构成的多树种异龄混交改造林（multiple species mixed plantation, MMP）, 并以未进行改造的马尾松人工纯林（pure plantation, PP）为对照。采用基于生物有效性磷（biologically-based phosphorus，BBP）分级法（李欢等，2023）对土壤Bio-P组分进行系统提取分析，重点探究马尾松人工林引入阔叶树种进行异龄混交改造对腐殖质层和淋溶层土壤Bio-P的影响与驱动机制，阐明单一树种与多树种引入模式的效应差异及混交改造如何改造土壤Bio-P的生态过程，以期为马尾松人工林可持续经营提供理论支撑。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
研究区域位于广西壮族自治区凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心的伏波实验场内（106°39′50″—106°59′30″E、21°57′47″—22°19′27″N）。该区域属南亚热带季风气候区，降雨充沛，干湿季节分明，雨热同期，年均降水量约1 500 mm, 年均日照1 260 h, 年均气温21.50~21.70 ℃。研究区域地形以山地丘陵为主，土壤类型主要以花岗岩在高温、干湿交替环境下风化形成的酸性红壤为主。研究区域内的人工林类型丰富，主要为不同树种的纯林和混交林。
1.2 样地设置与调查
本研究以马尾松人工林作为研究对象，于1993年种植，经2007年间伐后，2008年春季引种了单一阔叶树种红锥进行异龄混交改造，形成由单一阔叶树种构成的异龄混交改造林（MP）；此外，还同时引种多种阔叶树种，包括红锥、大叶栎、格木、香梓楠4种树种进行异龄混交改造，形成由4种阔叶树种构成的异龄混交改造林（MMP）, 所有改造树种均为1年生实生苗。同时，选取相邻未进行改造的马尾松人工纯林（PP）作为研究对象。所有样地在造林后的营林管理措施保持一致。
为减少环境异质性对采样的影响，在每种林分类型内随机设置5个30 m × 30 m的独立样方（共15个样方）, 所有样方的环境条件保持一致：坡度范围控制在15.40°~34.00°, 坡向为西南坡，土壤类型均为红壤土。采用传统调查法调查3种林分类型的基本信息，3种林子的郁闭度为0.74~0.87；PP中树种的平均树高和平均胸径分别为22.64 m和25.87 cm；MP中马尾松、红锥平均树高分别为20.17 m和12.13 m, 平均胸径分别为33.34 cm和13.28 cm；MMP中的马尾松、阔叶树种（红锥、大叶栎、格木、香梓楠）的平均树高分别为21.74 m和11.48 m, 平均胸径分别为36.69 cm和13.46 cm。
1.3 样品采集
土壤样品采样采用网格化布点法确保取样代表性。2022年8月，每个30 m × 30 m样方划分为9个7.50 m × 7.50 m网格，在网格交点设置采样点（共9个）。土壤采样分为两个土层进行取样，即土壤腐殖质层（PP腐殖质层厚度较厚，为5~10 cm, MP和MMP的腐殖质层较薄，为2~4 cm, 腐殖质层空间异质性小）和淋溶层。采样时先清除表层凋落物，使用土钻（内径5 cm）分层分别采集腐殖质和淋溶层的土样，将9点样点形成的混合土样装入无菌袋，低温保存运输至实验室过2 mm土壤筛，在-20 ℃下保藏备用。
1.4 样品测定方法
土壤理化性质相关指标主要参照《土壤农化分析》（鲍士旦，2000）中的实验方法，pH值采用pH计测定；有机碳（organic carbon, OC）含量采用重铬酸钾-外加热法测定；全氮（total nitrogen, TN）含量采用H2SO4和K2SO4-CuSO4（10∶1，V/V）催化消解体系，待测液使用SEAL AutoAnalyzer 3连续流动分析仪测定；硝态氮（nitrate nitrogen, NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N）和铵态氮（ammonia nitrogen, NH\begin{equation}_{4}^{+}\end{equation}-N）含量先用CaCl2浸提后再用连续流动分析仪测定；全磷（total phosphorus, TP）和速效磷（available phosphorus, AP）的含量均采用钼蓝比色法进行定量分析，其中TP的测定采用HClO4-H2SO4消解，AP的测定采用HCl-H2SO4双酸浸提。
水解酶活性的测定采用荧光微平板法（Deforest, 2009）, 其中包含参与碳循环相关的β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase, BG）、纤维二糖水解酶（cellobiohydrolase, CB）和氮循环的β-1, 4-N-乙酰-葡萄糖苷酶（β-1, 4-N-acetylglucosaminidase, NAG）、亮氨酸氨基肽酶（leucine aminopeptidase, LAP）, 以及参与磷循环的酸性磷酸酶（acid phosphatase, ACP）（Sinsabaugh et al., 2008）。具体操作如下：准确称取1.00 g土壤样品，加入125 mL醋酸钠缓冲液（pH=4.9）, 4 ℃条件下振荡制备均匀土壤悬浮液。取200 μL土壤悬浮液到微平板孔中，分别加入相应的底物后，25 ℃条件下避光培养3 h, 反应终止时加入5 μL NaOH（0.5 mol·L-1）溶液，最后使用多功能酶标仪（波长为365~450 nm）测定荧光值。其中，酶活性的单位为nmol·g-1·h-1。
土壤微生物生物量碳（microbial biomass carbon, MBC）、微生物生物量氮（microbial biomass nitrogen, MBN）、微生物生物量磷（microbial biomass phosphorus, MBP）的测定采用氯仿熏蒸浸提法（吴金水，2006）。具体如下：称取12.5 g新鲜土样置于100 mL烧杯，转入真空干燥器，加入NaOH溶液和氯仿，25 ℃真空条件下熏蒸24 h, 同时设立对照组不进行熏蒸；熏蒸后，MBC、MBN用0.5 mol·L-1 K2SO4溶液浸提，MBP用0.5 mol·L-1 NaHCO3溶液浸提；浸提液C、N浓度通过德国耶拿公司的TOC仪（multi N/C 3100）测定，P浓度采用钼蓝比色法测定。三者按以下公式计算：MBC=EC/KEC；MBN=EN/KEN；MBP=EP/(KEP×RIP)。式中：EC、EN与EP分别为熏蒸与未熏蒸土样浸提液OC、TN和TP的差值，KEC、KEN、KEP分别表示它们的转换系数，其值为0.45、0.54、0.40,RIP代表加入无机磷的回收率。
土壤生物有效磷 [氯化钙磷（CaCl2-P）、酶磷（Enzyme-P）、柠檬酸磷（Citrate-P）、盐酸磷（HCl-P）]的测定采用BBP法（Deluca et al., 2015；李欢等，2023）进行分级提取。具体如下：称取0.5 g新鲜土壤于离心管中，分别加入10 mL的0.01 mol·L-1 氯化钙溶液（用于提取CaCl2-P）、0.02 EU·mL-1 酶混合液（用于提取Enzyme-P）、0.01 mol·L-1 柠檬酸溶液（用于提取Citrate-P）和1 mol·L-1 盐酸溶液（用于提取HCl-P）；将离心管置于25 ℃、180 r·min-1 条件下振荡3 min；随后，移取1 mL混合提取液至1.5 mL离心管，于25 ℃以10 000 r·min-1 离心1 min, 收集上清液（4种Bio-P组分的提取物）待分析；提取物采用孔雀石绿法，使用瑞士infinite M20 PRO多功能酶标仪，在630 nm波长下分别测定。
1.5 数据分析
土壤酶C∶N、酶C∶P、酶N∶P的化学计量比表示方式如下：酶C∶N=ln(CB+BG)∶ln(LAP+NAG)；酶C∶P=ln(CB+BG)∶ln(ACP)；酶N∶P=ln(LAP+NAG)∶ln(ACP)[（CB+BG）为参与C循环相关的酶活性；（LAP+NAG）为参与N循环相关的酶活性；ACP为参与P循环相关的酶活性]。
土壤碳氮比（Soil C∶N）、碳磷比（Soil C∶P）、氮磷比（Soil N∶P）的表示方式如下：Soil C∶N=SOC∶TN; Soil C∶P=SOC∶TP; Soil N∶P=TN∶TP。微生物生物量化学计量比分别以MBC∶MBN、MBC∶MBP、MBN∶MBP表示。
利用Excel软件对数据进行初步分析与计算，再利用R 4.0.5软件对实验数据进行单因素方差分析（one-way ANOVA）, 分别比较PP、MP和MMP的腐殖质层及淋溶层的土壤理化性质、养分化学计量比（Soil C∶N、Soil C∶P和 Soil N∶P; MBC∶MBN、MBC∶MBP和 MBN∶MBP）、酶活性、酶化学计量比（酶C∶N、酶C∶P和酶N∶P）和Bio-P等指标的差异程度（设定显著水平为P<0.05）。借助冗余分析（redundancy analysis, RDA）, 在显著性水平P<0.05下，筛选对腐殖质层及淋溶层Bio-P起主导调控作用的环境因子，并计算其变异解释率。利用Origin 2025完成图1、图2和图3的绘制，利用R 4.0.5软件完成图4的绘制。
2 结果与分析
2.1 马尾松人工林改造后腐殖质层和淋溶层的生物有效性磷组分变化
马尾松人工林引入单一阔叶或多种阔叶树种显著影响了腐殖质层和淋溶层Bio-P组分（Enzyme-P、Citrate-P、CaCl2-P、HCl-P）（图1）。在腐殖质层中，与PP相比，MP与MMP的Enzyme-P含量无显著性差异；在淋溶层中，与PP相比，MP和MMP的Enzyme-P含量分别显著增加39.00%和91.13%（P<0.05）且MMP的Enzyme-P含量较MP显著增加37.50%（P<0.05）（图1：A）。在腐殖质层中，与PP相比，MP的Citrate-P含量显著增加31.50%（P<0.05）, MP与MMP无显著性差异；在淋溶层中，与PP相比，MP的Citrate-P含量无显著性差异，而MMP的Citrate-P含量显著降低6.89%（P<0.05），且MMP的Citrate-P含量较MP显著降低13.31%（P<0.05）（图1：B）。在腐殖质层中，与PP相比，MMP的CaCl2-P含量显著降低15.86%（P<0.05）, PP与MP无显著性差异；在淋溶层中，与PP相比，MP和MMP的CaCl2-P含量分别显著增加8.40%和8.90%（P<0.05）, MP与MMP无显著性差异（图1：C）。在腐殖质层中，与PP相比，MP和MMP的HCl-P含量分别显著增加39.78%和59.77%（P<0.05），且MMP的HCl-P含量较MP显著增加14.30%（P<0.05）；在淋溶层中，与PP相比，MMP的HCl-P含量无显著性差异，而MP的HCl-P含量显著增加25.62%（P<0.05），且MMP的HCl-P含量较MP显著降低12.45%（P<0.05）（图1：D）。
2.2 马尾松人工林改造后腐殖质层和淋溶层土壤的理化性质和微生物生物量变化
如表1所示，在马尾松人工纯林中引入单一阔叶或多种阔叶类型树种对腐殖质层和淋溶层中的土壤理化性质、养分化学计量比和微生物生物量均有不同程度的影响。在腐殖质层中，与PP相比，MP的TP、NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N、MBN分别显著增加26.00%、50.60%、30.97%（P<0.05）, 但NH\begin{equation}_{4}^{+}\end{equation}-N、MBC∶MBN分别显著下降22.69%、25.87%（P<0.05）；MMP的NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N、MBC∶MBP、MBN∶MBP分别显著增加80.82%、70.01%、88.73%（P<0.05）, 但MMP的OC、AP、NH\begin{equation}_{4}^{+}\end{equation}-N、MBP、Soil C∶P、Soil N∶P分别显著下降31.61%、30.98%、50.09%、46.81%、32.51%、28.38%（P<0.05）；与MP相比，MMP的NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N、MBC∶MBP、MBN∶MBP分别显著增加20.06%、95.18%、63.41%（P<0.05）, 但MMP中的OC、NH\begin{equation}_{4}^{+}\end{equation}-N、AP、MBN、MBP分别显著下降30.39%、35.44%、30.53%、26.64%、54.09%（P<0.05）。在淋溶层中，与PP相比，MP和MMP的多项指标呈现显著变化：MP的OC、TN、TP、NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N、NH\begin{equation}_{4}^{+}\end{equation}-N、AP、MBC、MBN、MBP分别显著增加45.51%、58.82%、42.42%、47.27%、32.44%、29.43%、37.88%、29.17%、76.44%（P<0.05）；MMP的上述指标（除NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N和NH\begin{equation}_{4}^{+}\end{equation}-N以外）也分别显著增加16.33%、34.12%、15.15%、12.97%、61.46%、40.80%、48.81%（P<0.05），同时，MP和MMP的Soil C∶N与PP相比分别显著下降了9.31%、14.05%（P<0.05）。与MP相比，MMP的OC、TN、TP、NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N、NH\begin{equation}_{4}^{+}\end{equation}-N、AP、MBP分别显著下降20.05%、15.56%、19.15%、29.02%、16.95%、12.72%、15.66%（P<0.05）, 但MBC、MBC∶MBP分别显著增加了17.11%、39.67%（P<0.05）。
图
1
腐殖质层和淋溶层的生物有效性磷变化
Fig.
1
Changes in bioavailable phosphorus of humus layer and eluviated layer
2.3 马尾松人工林改造后腐殖质层和淋溶层的水解酶活性变化
马尾松人工林引入单一阔叶树种或多种阔叶树种对土壤C、N、P循环相关的酶（分别为CB+BG、LAP+NAG、ACP）活性均有显著影响（图2）。在腐殖质层中，与PP相比，MP中ACP活性显著降低10.44%（P<0.05）, MMP中CB+BG、LAP+NAG和ACP的活性分别显著降低41.42%、34.22%和30.23%（P<0.05）；与MP相比，MMP中CB+BG、LAP+NAG、ACP的活性分别显著降低37.98%、31.31%、22.09%（P<0.05）。在淋溶层中，与PP相比，MP中CB+BG、LAP+NAG和ACP的活性分别显著增加61.17%、157.98%和31.70%（P<0.05）, MMP中CB+BG、LAP+NAG和ACP的活性分别显著增加40.91%、238.66%和37.93%（P<0.05）；与MP相比，MMP中LAP+NAG活性显著增加31.27%（P<0.05）。
表
1
腐殖质层和淋溶层土壤理化性质和微生物生物量特征
Table
1
Soil physicochemical properties and microbial biomass characteristics of humus layer and eluviated layer
注：PP. 马尾松纯林; MP. 马尾松-红锥混交林; MMP. 马尾松-红锥/大叶栎/格木/香梓楠多树种混交林; OC. 有机碳; TN. 全氮; TP. 全磷; NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N. 硝态氮; NH\begin{equation}_{4}^{+}\end{equation}-N. 铵态氮; AP. 速效磷; pH. 酸碱度; MBC. 微生物生物量碳; MBN. 微生物生物量氮; MBP. 微生物生物量磷; Soil C∶N. 土壤碳氮比; Soil C∶P. 土壤碳磷比; Soil N∶P. 土壤氮磷比; MBC∶MBN. 微生物生物量碳氮比; MBC∶MBP. 微生物生物量碳磷比; MBN∶MBP. 微生物生物量氮磷比。同行不同小写字母表示不同林型之间存在显著性差异（P<0.05）。
Note: PP. The pure plantation of Pinus massoniana; MP. The mixed plantation of Pinus massoniana and Castanopsis hystrix; MMP. The multiple species mixed plantation of Pinus massoniana-Castanopsis hystrix/Quercus griffithii/Erythrophleum fordii/Michelia hedyosperma; OC. Organic carbon; TN. Total nitrogen; TP. Total phosphorus; NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N. Nitrate nitrogen; NH\begin{equation}_{4}^{+}\end{equation}-N. Ammonia nitrogen; AP. Available phosphorus; pH. pH value; MBC. Microbial biomass carbon; MBN. Microbial biomass nitrogen; MBP. Microbial biomass phosphorus; Soil C∶N. Soil carbon-nitrogen ratio; Soil C∶P. Soil carbon-phosphorus ratio; Soil N∶P. Soil nitrogen-phosphorus ratio; MBC∶MBN. Microbial biomass carbon-nitrogen ratio; MBC∶MBP. Microbial biomass carbon-phosphorus ratio; MBN∶MBP. Microbial biomass nitrogen-phosphorus ratio. Different lowercase letters in the same row indicate significant differences between different plantation types(P<0.05).
与C、N、P循环相关的水解酶活性的相关性分析结果如图3所示。C循环相关酶（CB+BG）活性与N循环相关酶（NAG+LAP）活性之间呈极显著正相关关系（R2=0.560 8, P<0.001）（图3：A）；C循环相关酶（CB+BG）活性与P循环相关酶（ACP）活性同样呈极显著正相关（R2=0.400 7, P<0.001）（图3：B）；N循环相关酶（NAG+LAP）活性与P循环相关酶（ACP）活性之间也呈极显著的线性正相关关系（R2=0.621 4, P<0.001）（图3：C）。
图
2
腐殖质层和淋溶层的水解酶活性变化
Fig.
2
Changes in hydrolytic enzyme activities of humus layer and eluviated layer
图
3
与碳、氮、磷循环相关的水解酶活性的相关性分析
Fig.
3
Correlation analysis of hydrolytic enzyme activities associated with C, N, and P cycles
2.4 土壤生物有效性磷组分主要调控的生物或非生物因子
以土壤Bio-P组分为响应变量，土壤理化性质、养分化学计量比、微生物生物量、微生物生物量化学计量比、酶活性、酶化学计量比等环境因子为解释变量进行RDA, 进一步确定调控土壤Bio-P组分的主要因子。结果表明，在腐殖质层中，所有因子共同解释了土壤Bio-P变异的80.40%, 其中第一主轴和第二主轴的解释率分别为43.90%和36.50%（图4：A）, NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N（P=0.001）、AP（P=0.006）是调控腐殖质层Bio-P组分的主要驱动因子。在淋溶层中，所有因子共同解释了土壤Bio-P变异的85.61%, 其中第一主轴和第二主轴的解释率分别为47.35%和38.26%（图4：B）, TP（P=0.001）、Enzyme C∶N（P=0.001）是调控淋溶层Bio-P组分的主要驱动因子。
图
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Bio-P组分与生物和非生物因子的冗余分析
Fig.
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Redundancy analysis of Bio-P fractions with biotic and abiotic factors
3 讨论
3.1 引入阔叶树种异龄混交改造对土壤理化性质、微生物生物量和酶活性的影响
大量研究表明，混交改造通过优化人工林的林分结构和空间层次，可显著提高资源利用能力，改善林内微环境小气候，并最终促进土壤养分的积累与循环（李勋等，2022；Dai et al., 2023）。在腐殖质层中，PP表现出最高的有机碳和铵态氮含量，这可能归因于马尾松针叶具有较高的木质素含量，加上马尾松叶片比叶面积较小，凋落物分解速率较混交林慢，使得半分解的凋落物大量堆积。这一机制解释了PP中腐殖质层最厚且有机碳积累最多。作为凋落物分解的主要场所，腐殖质层为土壤微生物提供了充足的能量来源（Zhou et al., 2024）, 因此PP和MP中土壤微生物生物量较高，促进了矿化作用，进而积累了更多的铵态氮。本研究发现，相较于PP，混交林（MP和MMP）的淋溶层养分含量显著增加，其中MP的OC、TN、TP、AP、MBC、MBN和MBP分别显著增加45.51%、58.82%、42.42%、29.43%、37.88%、29.17%和76.44%（P<0.05），MMP的上述指标分别显著增加16.33%、34.12%、15.15%、12.97%、61.46%、40.80%和48.81%（P<0.05），这与黄超等（2020）的研究结果一致。这种养分增加效应可能源于两方面机制：其一，混交林郁闭度高，凋落物输入量大，有利于土壤养分的长期积累（李万等，2025）；其二，混交林具有发达的根系，通过根系分泌物和根系活动改善土壤通气性，为微生物的繁殖生长提供更多底物，以及创造更适宜的有氧环境，从而提高微生物生物量（Feng J G et al., 2022；Li Z Y et al., 2025）。土壤C、N、P元素间的比值是评估土壤养分状况和质量的重要指标，能够反映土壤有机质分解程度和养分循环状态，这些比值会随区域类型、生境条件和植被类型等因素而变化（Chen et al., 2021）。本研究发现，马尾松人工林引入一种或多种阔叶树混交改造后淋溶层的碳氮比均显著降低，结合混交林凋落物易分解（Bai et al., 2024）和微生物生物量较高等特征，表明该混交改造模式能有效促进有机质的转化。
土壤酶活性作为反映土壤健康状况的重要生物学指标，酶在凋落物分解过程中发挥着重要的调控作用（Błońska et al., 2021）。本研究结果表明，在腐殖质层中，与PP相比，MMP中的C、N、P循环相关的酶活性均显著降低，而MP仅P循环相关的酶活性显著降低。这归因于不同林分凋落物性质的差异，PP、MP的凋落物积累了更多未完全分解的有机物质，为酶作用提供了持续的底物来源（张艳等，2022）。特别是针叶纯林凋落物富含难降解的木质素、纤维素和单宁等物质，为有效分解这些顽固性化合物，微生物需要分泌更多的水解酶（Wang et al., 2020）。相比之下，混交林（尤其是多种树种混交林）的凋落物较易分解（Bai et al., 2024）, 养分释放较快，微生物无需维持高酶活性即可满足需求。然而，本研究还发现，混交改造模式总体上提升了淋溶层的C、N、P循环相关的酶活性，这可能的因素有以下两点：第一，混交林表层土壤根系分泌物的有机酸、糖类等物质能够刺激根际微生物活动，使其具有较高的养分有效性（C、N、P含量较高）；第二，有研究发现，混交林通过凋落物的输入和根系活动来改善土壤的孔隙度，促进氧气和水分扩散，为好氧微生物的生长创造了有利条件（Huang et al., 2025；Li M et al., 2025）。相关性分析进一步揭示了C、N、P循环水解酶活性之间的协同关系，这种协同作用源于微生物的代谢需求，在获取更多C的同时，微生物也需要分解相应的N、P以满足自身生长发育，从而驱动N、P循环的酶活性（Keane et al., 2020）。
3.2 引入阔叶树种异龄混交改造对土壤生物有效性磷组分的影响
土壤P的吸附-解吸过程可以调控土壤P的生物有效性和迁移能力，直接影响植物对P素的利用效率。Huang等（2022）研究表明，树种混交可以显著提升土壤有效P, 缓解人工林土壤P限制的问题。本研究发现，马尾松引入一种或多种阔叶树种混交改造显著提高了淋溶层中的Enzyme-P和CaCl2-P含量，但在腐殖质层中发现HCl-P（最难利用的P组分）含量最高。这一结果表明针阔混交在一定程度上能有效促进P活化，提高土壤中的游离态有效P以满足林木生长需求。CaCl2-P作为能直接被植物根系吸收利用的水溶性无机P组分，较高的含量使得植物根系无需依赖大量有机酸分泌来活化额外P源；而Citrate-P则表示可被低分子有机酸活化的潜在有效P, 其含量变化反映了植物的磷活化策略差异（陈利军等，2020）。本研究中发现MP腐殖质层中Citrate-P含量最高，而在淋溶层中，MMP的Citrate-P含量最低，这可能归因于MMP中充足的CaCl2-P含量供给，以满足植物的需求，从而减少了有机酸对难溶性有机P的活化（李金凤等，2024）。此外，HCl-P是土壤中主要潜在的难溶性无机P库，在MP中含量最高，表明该林分具有较强的P固持能力，能够通过利用HCl-P来补充P素需求。
Bio-P组分和转化受凋落物质量、土壤理化性质和酶活性的动态协同调控影响。土壤养分和酶活性通过双重机制调控P循环：一方面，有机碳与金属氧化物形成复合物，通过增加吸附位点和物理封闭作用固定P素（Xu & Tsang, 2024）；另一方面，酶活性的提高促进难溶性P矿物的生物分解。大量研究表明，树种混交能显著提升Bio-P, 其通过促进微生物大量繁殖和根系生长，刺激磷酸酶、有机酸（如柠檬酸）及质子（H+）分泌。其中，磷酸酶催化有机P矿化（主导Enzyme-P动态）；有机酸通过配位交换竞争吸附位点，从而影响Citrate-P含量；而质子（H+）则促进难溶性P矿物溶解，从而影响HCl-P含量（Chen et al., 2022；Deng et al., 2024）。此外，本研究还发现，腐殖质层中NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N和AP对Bio-P组分调控起主导作用，表明NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N积累可能通过酸化作用促进难溶P释放；AP则通过调控磷酸酶活性影响Enzyme-P, 这一过程与腐殖质层有机质分解特征和微生物代谢策略密切相关。在淋溶层中，TP和酶C∶N对Bio-P组分调控起主导作用。Citrate-P和HCl-P作为表征微生物-植物系统P活化潜能的关键指标，其动态变化与土壤结构改良（增加孔隙度和持水能力）以及根系分泌物介导的金属离子络合作用直接相关（Chang et al., 2025）, 共同构成了Bio-P的核心机制。本研究结果表明，树种混交可通过优化不同Bio-P组分的动态平衡，通过凋落物分解促进Bio-P组分的积累和转化，为提高森林生态系统P利用效率提供了理论依据。
4 结论
马尾松人工林通过引入单一或多种阔叶树种进行异龄混交改造后，显著提高了腐殖质层和淋溶层的养分、微生物生物量和酶活性等指标。在Bio-P组分方面，混交林表现出明显的层次特征，在腐殖质层中，混交林显著提高了难溶性HCl-P含量，在淋溶层中，混交改造能显著提高易利用性磷（Enzyme-P和CaCl2-P）含量，表明其有效促进了无机P矿化和有效P释放。腐殖质层和淋溶层的Bio-P组分分别受到不同因子的调控，腐殖质层主要受NO\begin{equation}_{3}^{-}\end{equation}-N和AP驱动，淋溶层则主要受TP和酶C∶N调控。综上，在针叶人工纯林间伐后补植凋落物数量多和质量高且根系发达的阔叶树种，可以增强微生物生物量和酶活性，将是改善马尾松人工林土壤质量，以及提高养分有效性的一种有效经营管理措施。