《Land Degradation & Development》：Tree Species Configuration Shapes Soil Phosphorus Fractions and Microbial Communities in Uneven-Aged Multilayered Chinese Fir–Broadleaved Mixed Forests
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摘要：中国南方杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林常受磷（phosphorus, P）有效性限制，制约了生产力和可持续经营。研究人员假设多物种、复层、异龄配置可通过调控磷组分和微生物磷转化来增强土壤磷有效性。本研究旨在确定缓解磷限制和改
摘要：中国南方杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林常受磷（phosphorus, P）有效性限制，制约了生产力和可持续经营。研究人员假设多物种、复层、异龄配置可通过调控磷组分和微生物磷转化来增强土壤磷有效性。本研究旨在确定缓解磷限制和改善土壤质量的最佳树种配置。比较了四种配置：纯杉木林（M0）、杉木+闽楠（Phoebe bournei）（M1）、杉木+闽楠+南方红豆杉（Taxus wallichiana var. chinensis）（M2）、以及杉木+闽楠+南方红豆杉+木荷（Schima superba）（M3）。采集0–20 cm、20–40 cm和40–60 cm土层样品，分析了磷组分、酸性磷酸酶（acid phosphatase, ACP）活性、土壤性质以及细菌和真菌群落。采用多变量分析、网络分析、结构方程模型（structural equation modeling, SEM）和土壤质量指数（soil quality index, SQI）分析来识别调控路径。不同树种配置显著改变了土壤磷库组成及其垂直分布。混交配置增加了有机磷（organic phosphorus, Po）和有效磷（available phosphorus, AP），主要增强了表层土壤有机质（soil organic matter, SOM）和全氮（total nitrogen, TN），并重塑了细菌和真菌群落。M1富集了如青霉属（Penicillium）和木霉属（Trichoderma）等解磷真菌，而M2表现出最高的真菌网络复杂性和SQI值，且其AP含量高于纯林。SEM表明，有效铁（available Fe, AFe）是AP形成的重要驱动因子，而铝结合态磷（Al-bound P, Al─P）和闭蓄态磷（occluded P, O─P）对AP有负向影响。总体而言，M2是改善土壤磷有效性和土壤质量的最优配置。
一、研究背景与科学问题
杉木（Cunninghamia lanceolata）是中国南方重要的用材树种，在木材生产和生态恢复中发挥关键作用。然而，长期单一种植、连作及单一树种结构常导致杉木人工林土壤质量退化、养分失衡和生产力下降。在中国南方酸性红壤区，强烈的风化和淋溶作用使土壤磷（phosphorus, P）易被铁铝氧化物吸附固定，导致全磷（total phosphorus, TP）储量与有效磷（available phosphorus, AP）供给之间脱钩，从而限制树木生长和土壤养分循环。因此，阐明不同树种配置如何调控土壤磷循环，对于维持立地肥力和促进面临土壤肥力衰退的杉木人工林的可持续经营具有重要意义。
现有研究表明，建立混交异龄林被认为是缓解纯林退化、改善土壤养分循环和恢复土壤生态功能的重要策略。然而，混交配置对土壤磷循环的影响可能因树种特性、混交比例、林分结构、林龄和立地条件而异，有时混交林对土壤磷有效性的影响相对较弱。特别是在复层、异龄和多物种配置条件下，土壤磷有效性的提升究竟是由磷组分再分配、酶促矿化增强，还是由土壤环境因子与微生物群落的协同调控所主导，尚不清楚。
二、研究内容与结论
为此，研究人员以湖南省浏阳市浏阳湖国有林场为研究区域，于2022年9月采集土壤样品，比较了纯杉木人工林与通过不同林下套种配置建立的杉木-阔叶混交林（均为复层异龄结构）之间的差异。设置了四种配置：纯杉木（M0）、杉木+闽楠（M1）、杉木+闽楠+南方红豆杉（M2）、杉木+闽楠+南方红豆杉+木荷（M3）。通过测定土壤磷组分、酸性磷酸酶（acid phosphatase, ACP）活性、土壤环境因子以及细菌和真菌群落特征，旨在明确：（1）不同配置是否改变了土壤磷库及其垂直分布；（2）土壤环境因子、ACP活性和微生物群落如何贡献于磷转化；（3）哪种配置最有效地促进了不稳定磷的形成并改善了土壤质量。
研究得出以下主要结论：不同树种配置显著改变了土壤磷库组分及其垂直分布，同时影响了ACP活性和土壤环境特征。其中，M2配置在促进不稳定磷库形成方面潜力最大。树种配置还显著改变了细菌和真菌的群落结构、关键类群组成以及群落共现网络，真菌网络对配置变化的响应比细菌网络更敏感。M1以富集与磷活化相关的真菌类群为特征，而M2不仅富集了关键类群，还展现出更复杂的真菌网络和更强的群落连通性。土壤磷有效性的变化并非由单一因素决定，而是土壤环境、磷组分转化、酶活性和微生物过程的共同作用结果。结构方程模型（structural equation modeling, SEM）表明，有效铁（available Fe, AFe）是AP形成的重要正向驱动因子，而铝结合态磷（Al-bound P, Al─P）和闭蓄态磷（occluded P, O─P）则对AP产生显著的负向效应。综合土壤质量指数（soil quality index, SQI）评估显示，M2处理的平均SQI值最高（M2 > M1 > M0 > M3），表明M2配置在改善土壤综合质量方面表现最佳。
三、主要关键技术方法
研究人员采用了以下关键技术方法：在湖南省浏阳湖国有林场设置12块独立样地（每处理3个重复，20 m × 20 m），按0–20 cm、20–40 cm和40–60 cm分层采集土壤样品。采用Chang和Jackson连续提取法测定无机磷组分，采用灼烧-浸提法测定有机磷（organic phosphorus, Po），采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定AP。利用Illumina NovaSeq 6000平台进行细菌16S rRNA基因（V3-V4区）和真菌ITS2区高通量测序，以97%相似度聚类为操作分类单元（operational taxonomic units, OTU）。采用非度量多维尺度分析（non-metric multidimensional scaling, NMDS）、置换多元方差分析（permutational multivariate analysis of variance, PERMANOVA）、线性判别分析效应大小（linear discriminant analysis effect size, LEfSe）分析差异丰度类群。通过冗余分析（redundancy analysis, RDA）、Mantel检验和变差分解分析（variation partitioning analysis, VPA）评估环境-群落关系。基于主成分分析（principal component analysis, PCA）筛选最小数据集（minimum data set, MDS），采用线性评分函数和加权求和法计算SQI。利用结构方程模型（SEM）解析磷有效性的关键驱动路径。
四、研究结果
3.1 不同树种配置对土壤磷组分、酸性磷酸酶活性和土壤环境因子的影响
双因素方差分析显示，树种配置对土壤TP、Po、AP、Al─P、Fe─P、Ca─P和ACP活性有显著影响，而土层深度显著影响Po、AP、Fe─P和ACP。总体上，TP、Po、AP、Al─P和Fe─P呈现明显的表层富集趋势，随土层加深含量降低；ACP活性则随土层加深而增加。与纯林（M0）相比，混交配置普遍提高了表层土壤Po含量、20–40 cm土层的Pi含量、0–20 cm土层的AP含量以及20–60 cm土层的O─P含量，并显著增加了表层土壤全氮（total nitrogen, TN）和土壤有机质（soil organic matter, SOM）含量。M1处理具有最高的TN和SOM含量，以及相对较低的Al─P、Fe─P和Ca─P含量，但在40–60 cm土层表现出最高的ACP活性。M2处理的TP和Al─P含量普遍最高，土壤pH显著高于M0；与M0相比，M2在0–20 cm和20–40 cm土层分别使AP含量提高了36.60%和28.57%，同时0–20 cm土层的Fe─P和Ca─P含量也显著高于M0。M3处理表现出较高的Pi和O─P含量。
3.2 不同树种配置下土壤细菌和真菌群落的响应特征
细菌和真菌群落的Simpson指数在各处理和土层间无显著差异。M2处理的细菌Shannon指数在各土层均显著高于其他配置。真菌Shannon指数在M1和M3处理中各土层间无显著差异，而其他处理总体呈随土层加深递减的趋势。NMDS排序显示，不同树种配置和土层间的细菌和真菌群落结构存在明显差异。在门水平，细菌群落以酸杆菌门（Acidobacteriota）和疣微菌门（Verrucomicrobiota）为主，真菌群落以子囊菌门（Ascomycota）和毛霉菌门（Mucoromycota）为主。LEfSe分析揭示了各配置下的差异生物标志物：M1富集了念珠菌属（Candidatus_Udaeobacter）和念珠菌属（Candidatus_Solibacter）等细菌类群以及青霉属（Penicillium）和伞状霉属（Umbelopsis）等真菌类群；M2富集了芽孢杆菌目（Bacillales）细菌以及副伯氏酵母属（Paraboeremia）和酵母菌属（Saccharomyces）真菌；M3富集了土芽孢杆菌属（Tumebacillus）细菌和赛托兹马属（Saitozyma）真菌。共现网络分析表明，M0的细菌网络复杂度最高，而M2的真菌网络复杂度最高，表现为节点数、边数、平均度、密度和聚类系数均显著高于其他处理。FAPROTAX功能预测显示，化能异养和好氧化能异养是主要的细菌功能群，其在M1和M2处理中的相对丰度较高。FUNGuild功能预测表明，腐生营养型是真菌的主要功能群，混交配置下腐生营养型和病原-腐生营养型的相对丰度普遍低于M0，而病原-腐生-共生营养型的相对丰度较高。
3.3 土壤磷组分、微生物群落与环境因子的关系
冗余分析（RDA）表明，经方差膨胀因子（variance inflation factor, VIF）筛选后的变量（AP、Fe-P、Ca-P、Po、ACP、pH和AFe）分别解释了细菌和真菌群落组成的82.93%和96.19%。环境因子贡献分析显示，AFe对细菌群落的解释贡献最大，而ACP对真菌群落的贡献最大。相关性分析表明，优势细菌属与土壤磷组分及相关环境因子的整体相关性不显著，而真菌群落与环境因子的关联更强。Mantel检验进一步显示，磷组分和ACP活性与微生物群落结构变化之间存在强关联，真菌群落与关键磷循环因子的耦合强度普遍高于细菌群落。
3.4 土壤综合质量变化与磷有效性的关键驱动因子
通过最小数据集（MDS）筛选（包括AFe、Fe─P、Po和N/P），构建了土壤质量指数（SQI）。SQI权重结果显示，Fe─P和Po的累积权重为0.522，是SQI的核心组成部分。SQI结果表明，M2处理在表层土壤中具有最高的SQI值，平均SQI值顺序为M2 > M1 > M0 > M3。结构方程模型（SEM）路径分析显示，AFe对AP、ACP、Al─P、Ca─P、O─P和真菌多样性均有显著的正向效应。细菌多样性对AP和O─P有显著的负向效应，真菌多样性对O─P和Ca─P有显著的负向效应。同时，O─P和Al─P对AP有显著的负向效应。
五、讨论总结
讨论部分指出，不同树种配置通过改变地上和地下有机输入，改善了表层土壤资源条件，促进了Po积累和AP形成。AP的提升并不必然依赖于ACP活性的同步升高，更高的AP供给可能降低了植物和微生物对磷酸酶的诱导需求。深层土壤中磷循环更强烈地受到资源限制和矿物固定过程的约束。M1配置更依赖Po的酶促矿化来维持磷供应；M2配置既增强了磷库容量又保持了较高的磷供给水平，有助于缓解土壤磷限制；M3配置倾向于促进无机磷和闭蓄态磷的积累，但未能转化为更高的AP或更好的土壤质量。在微生物机制方面，M1以富集与磷活化相关的真菌类群为特征，而M2不仅富集了关键类群，还展现出更复杂的真菌网络和更强的群落连通性，“关键类群富集加群落合作增强”的组合特征可能是M2改善土壤磷有效性的重要微生物基础。AFe是影响磷组分分配和AP形成的重要环境因子，而Al─P和O─P对AP的负向效应表明矿物固定和闭蓄仍是限制磷有效性的关键机制。M2配置的优势不在于简单地减少磷固定，而在于更有效地协调了矿物保持、生物活化和磷库周转之间的关系。
六、研究结论翻译
本研究表明，在异龄复层杉木-阔叶混交林中，不同树种配置显著改变了土壤磷库组分、酸性磷酸酶活性、土壤环境因子和微生物群落特征，进而影响了土壤磷有效性。土壤磷组分表现出明显的垂直分化，总磷、有机磷、有效磷、铝结合态磷和铁结合态磷主要富集在表层土壤，而酸性磷酸酶活性随土层深度增加而升高。这些结果表明，树种配置对土壤磷循环的影响具有明显的土壤剖面特征。
土壤磷有效性的变化受环境因子和微生物过程的共同调控。有效铁是影响磷组分分配和有效磷形成的重要环境因子，而铝结合态磷和闭蓄态磷对有效磷的负向效应表明，矿物固定和闭蓄仍然是限制磷有效性的关键机制。同时，细菌和真菌的群落结构和多样性与磷组分的变化密切相关，表明微生物不仅参与有机磷矿化和难溶性无机磷活化，还调节着矿物结合态和闭蓄态磷的转化。因此，土壤磷有效性的形成并非由单一过程驱动，而是矿物保持、生物活化和磷库周转共同作用的结果。
在不同配置中，M2表现出更高的有效磷含量和土壤质量指数，同时富集了与磷活化相关的微生物类群并具有更复杂的真菌网络结构。这表明M2更有利于协调土壤磷库储备与磷活化。相比之下，尽管M3促进了部分无机磷和闭蓄态磷组分的积累，但其对土壤质量改善的贡献相对较弱，表明树种配置的效果具有很强的配置依赖性。总体而言，通过林下套种闽楠和南方红豆杉形成的M2配置在缓解杉木人工林土壤磷限制方面显示出更大的潜力。
