磷是植物生长发育所必需的营养元素，虽然在植物体内磷的含量很低(平均约占干重的0.2％)^[1]，但其重要性不亚于碳、氮，很容易成为植物生长的限制性因子^{[2, 3, 4, 5]}，尤其在参与蛋白质合成、细胞分裂、新生组织发育和能量转化方面有着特殊的功能，直接影响植物的生长发育、初级生产力的形成和其它生物学过程的进行^{[6, 7, 8]}。植物所利用的磷素主要来源于土壤，而能够被植物直接吸收利用的磷仅占土壤全磷的很小部分，绝大部分(95%—99%)的磷以难以利用的迟效状态存在^{[3, 9]}，成为地质时代尺度上生物生产力的限制性养分元素^{[9, 10]}，作为不可再生资源的磷在控制陆地生态系统生态过程方面越来越受到关注^{[11, 12]}。因此，研究土壤中磷素的含量和分布特征及其动态过程对于更好地认识、调控和管理磷的生物地球化学循环十分必要^[13]。

国内外对磷的研究多集中于农田、湿地、水域生态系统，主要内容侧重于土壤磷分级、存在规律、形态及其转化、吸附解吸、有效性、生物地球化学循环以及碳氮磷元素互补作用和化学计量等方面^{[14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]}。目前我国南方林区进行了一些施肥的对比试验，结果表明，对于松、杉、桉等树种的生长表现为不同程度的肥效，在许多情况下，磷似乎是比氮、钾更重要的养分要素，这表明土壤磷可能是制约南方人工林速生丰产、影响地力、维持生态系统平衡和稳定的一个重要因素^[23]。因此，近年来对森林生态系统中磷形态及其转化和植物对磷吸收利用的研究愈发关注。

我国亚热带的红壤地区，由于高温多雨，土壤进行着强烈的富铝化作用,大多数呈酸性或强酸性，土壤磷素大多被铁、铝等固定，形成林木难以利用的磷酸铁、铝和闭蓄态磷，使得土壤磷对红壤区的植物生长影响明显^{[24, 25, 26, 27]}。由于土壤磷形态和磷化学行为的复杂性，有效磷含量与土壤全磷量不一定具有相关性^{[3, 28, 29, 30]}。在森林生态系统中，土壤有效磷的供应能力取决于磷素的矿化、解吸和释放作用，不同土壤类型、不同的植被类型中磷各形态的含量、比例及其有效性差异很大^[30]。

杉木是我国南方重要的速生用材树种之一，随着栽培面积的扩大、林木经营集约度的提高以及轮伐期的缩短,杉木人工林地力衰退、初级生产力下降的问题受到广泛关注^[31]。自20世纪70年代开始，许多学者展开了杉木人工林生产力和养分循环的研究，对包括磷素在内的大量元素的含量、分布和循环特征作了较系统地报道，取得了一批重大研究成果。然而，对该系统中磷元素的系统研究不多，对有机磷与无机磷形态以及它们对杉木生长发育以及生产力形成和物质循环的作用仍不十分清楚。过去的几十年里，由于人类活动的加强，导致氮沉降量不断增加，使得林地土壤中碳氮磷比例失调，进而影响磷素在林木生长发育、生理功能以及在生态系统中的循环特征。作为杉木人工林磷素动态特征研究项目的一部分，本文重点描述土壤磷形态以及磷各组分的比例特征，揭示这些特征参数在不同林龄中的变化状况，探讨土壤中磷各形态之间的相互关系，可为南方杉木人工林持续经营管理提供科学依据和实践指导。

试验地设于湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站(109°45′E，26°50′N)，气候属典型的亚热带湿润性气候，年平均气温 16. 8 ℃，年降水量为 1100—1400 mm，年相对湿度为 80% 以上。地貌为低山丘陵，海拔 300—500 m。土壤为变色页岩和砂岩发育成的山地黄壤，pH值在4.9—5.1，气候、土壤等都有利于杉木的生长。本实验选取7年生、17年生和25年生3个年龄的杉木林分建立标准样地，每个样地面积为20 m×20 m，设置3个重复，共9块样地。3个年龄杉木林均是炼山后用实生苗进行的全垦造林，造林后的3a内每年进行2次(6、11月)林地人工抚育，抚育期后任其自然生长。3种杉木林分样地土壤类型、立地条件一致，林分的基本状况见表 1，林下灌木主要是杜茎山、菝葜和冬青，草本有狗脊蕨、铁芒萁和华南毛蕨等。

野外采样于2013年8月进行。分别在各试验林分内按照“随机”、“等量”和“多点混合”的原则，采用品字布点取样。采样深度为0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm 3层，取土深度及采样量均匀一致，各样地内共取3个样点，将土样按层次分别混合，去掉杂质，采用四分法各取 1 kg左右土样。将带回的土样置于室内通风处自然风干，采用对角线法取土样100—200 g，用木棍碾压并过 2 mm孔径筛的土样，可供有效磷的测定，然后从 2 mm 的土壤样品中取 200 g左右磨细全部过 0.149 mm 筛备用，进行全磷、无机磷Al-P、Fe-P 、O-P、Ca-P的测定。

土壤全磷用碱熔—碱熔-钼锑抗比色法测定^[32]；有效磷采用氟化铵-盐酸浸提法测定^[32]；土壤无机磷用张敬守和Jackson提出的分级方法测定^[33]，土壤有机磷含量是根据土壤全磷和土壤无机磷的差值估算。

数据分析采用 SPSS18. 0统计软件,对3种林龄杉木林土壤的全磷、有效磷、无机磷进行方差分析。

土壤磷素含量高低在一定程度上反映了土壤中磷素的储量和潜在的供应能力^{[7, 34]}。由表 2可以看出，3种林龄杉木人工林土壤全磷含量在 317.06—398.56 mg/kg之间，依据《中国土壤》中全磷含量的分级统计标准^[35]，全磷含量均处于低级水平(0.2—0.4 g/kg)。3种林龄杉木人工林土壤全磷含量平均分别为328.62 mg/kg、393.31 mg/kg、380.36 mg/kg，7年生与17年生、25年生差异性显著(P<0.05)，而17年生、25年生之间没有差异性显著(P>0.05)，形成这种现象的原因可能是3个林龄杉木林的林下凋落物层厚度不同造成的，17年生、25年生林下凋落物层较厚，通过枯枝落叶归还土壤和淋洗作用使得全磷含量增加。

由表 2还可以看出，7年生杉木人工林土壤全磷含量表现为：随着土层深度的增加而增加。 杉木人工林造林前，被砍伐的成熟林枯落物、采伐剩余物经过炼山归还土壤，丰富的营养元素为后期幼苗生长提供了条件，随着林龄的推移，由于元素的迁移、淋溶和幼苗、杂草消耗，可能使得土壤表层全磷含量较少，当7年生杉木人工林开始进入林冠郁闭期后，林内光照条件仍较好，林间杂草生长依然茂密，杂草与杉木共同吸收利用了表层土壤中的磷以合成各种营养物质导致随着土层深度的增加而增加；而17年生、25年生杉木人工林土壤全磷含量表现为：随着土层深度的增加，全磷含量先下降再升高，这是可能是因为杉木处于速生生长阶段吸收了大量可利用磷，加之0—40 cm是杉木根系主要集中的土层，因此表层土全磷减幅较大。

全磷含量并不反映土壤磷素的丰缺程度，土壤有效磷是植物根系吸收的直接来源，是土壤P素的现实供应指标。3种林龄杉木人工林土壤有效磷的含量在 0.82—1.38 mg/kg之间(表 3)，依据《中国土壤》中速效磷含量的分级统计标准^[35]，3种林龄杉木人工林土壤速效磷含量处于低水平(<3 mg/kg)，这表明杉木人工林土壤严重供磷不足。3种林龄杉木人工林土壤速效磷平均分别为0.90、1.31、1.31 mg/kg，含量均很小，不同系统间差异不大，土壤有效磷浓度的变化与全磷一致。从年龄方面来看，17 年生和25年生林分土壤有效磷含量比7年生林分提高了45.55%左右，差异性显著(P<0.05)。

从表 3可以看出，3种林龄杉木人工林，土壤有效磷含量表现出从7年生幼龄林到17年生中龄林土壤有效磷含量增加的规律，这首先可能是7年生幼龄林后凋落物开始增加，凋落物的分解为土壤提供了营养，其次随着树龄的增加对养分需要量增大，微生物和根系分泌酶促进了有机磷的水解，释放出大量的生物有效磷；17年生中龄林到25年生近熟林有效磷含量变化不明显。

用速效磷与全磷之比作为土壤磷素活化系数 (Phosphorus activation coefficient，简称 PAC) 来表征土壤磷素有效性，土壤磷素活化系数越高，则土壤磷素有效性越高。PAC小于2.0%，说明全磷各形态很难转化为速效磷，有效性不高^{[31, 36, 37]}。由图 1可以看出，3种林龄杉木林土壤磷素活化系数均在0.25%—0.35%，远远小于2.0%，这表明本研究区土壤全磷向速效磷转化较难，土壤中磷素的有效性较低；但从3种杉木林的 PAC 指标来看25年生 > 17年生> 7年生，表明随着年龄的增长，速效磷容量和供应强度增加，且全磷较容易转化为速效磷，土壤中磷素的有效性增加；从同一林龄不同土层的 PAC 指标变化来看，PAC没有表现出明显的变化规律，说明该参数变异不大。

图 1 不同林龄杉木林各土层土壤磷的有效性 Fig. 1 Effectiveness of phosphorus in different layers of soils in the studied three aged stands of Chinese fir plantations

图选项

依据张守敬无机磷的分级，将土壤中的无机磷分为铝结合态磷(Al-P)、高铁结合态磷(Fe-P)、被铁铝氧化物包裹的闭蓄态磷(O-P)以及与钙结合在一起的钙磷(Ca-P)^[38]。土壤中无机磷的存在形态、数量与土壤磷的有效性密切相关^[38]。3种不同林龄杉木林土层土壤无机磷含量为165.71—195.14 mg/kg，约占全磷总量的43.78%—53.03%，平均为48.06%。无机磷分组测定结果表明(见表 4)，土壤中无机磷组分以O-P含量最高，约占无机磷总量的48.30%— 59.80%；其次是Fe-P，约占21.61%—28.98%；Ca-P约占12.57%—23.53%；Al-P最少，约占2.16%—3.32%；3种不同林龄杉木林无机磷组分的排序及比例情况与杉木、马尾松纯林及其混交林中根际、非根际土壤的研究结果大体一致^[39]。由表 4还可以看出，3个林龄杉木林土壤不同剖面中，无机磷4个组分的分布没有呈现明显的规律。

由表 5可以看出，不同林分无机磷含量分别为：7年生 169.50 mg/kg、17年生182.03 mg/kg、25年生175.94 mg/kg，表现出从幼龄林、中龄林到近熟林先上升后下降的趋势，17年生中龄林时无机磷含量超过了7年生幼龄林的7.39%，无机磷在全磷中所占比例下降了5.30%，这可能是由于17年生杉木林下枯枝落叶较厚，在微生物作用下分解归还土壤而使土壤中全磷含量和无机磷含量增加，杉木处于速生生长阶段，吸收利用了土壤中可溶性的磷而使无机磷所占比例下降，而无机磷的增加量大于无机磷在全磷中所占比例的下降量，这表明根系分泌物和微生物作用下，有机磷被矿化为无机磷，从而使杉木生长可利用的磷酸盐含量增加。17年生中龄林以后，土壤全磷和无机磷含量有所减少。

从图 2杉木林无机磷各组分所占比例随林龄的变化可以看出，Al-P、O-P比例从7年生幼龄林到17年生中龄林分别下降了0.79%、4.95%，而Fe-P比例分别上升了2.35%，由于O-P是难溶解的非晶态的铁铝钙等胶膜包裹的磷酸盐，O-P比例的下降是杉木根系分泌物对O-P的活化，使O-P表面的铁铝氧化物膜逐渐“溶解”，而将Al-P、Fe-P放出使其比例增加，杉木处于速生生长，对养分的需求增大，而Fe-P上升、Al-P比例反而明显下降是由于对Al-P吸收较大且吸收速率大于O-P释放速率，对Fe-P的吸收较少且吸收速率小于O-P释放速率导致的，同时可能还存在部分Al-P向Fe-P的转化。17年生中龄林到25年生近熟林Al-P、Fe-P、O-P比例分别增加0.30%、0.18%、5.91%，由于有效性高的磷向着有效性低的O-P转化而使含量增加，说明17年生中龄林时杉木对磷的需求量最大，中龄林后林木对磷的吸收量减少，同时也存在可逆的O-P活化过程而使Al-P、Fe-P含量增加，加之杉木对Al-P的吸收减少较多，因此Al-P 比例比前一阶段略微增加；虽然Fe-P比例略有增加，但Fe-P吸收速率开始大于向O-P的转化速率，表明中龄林后杉木对Fe-P吸收增加，并且与中龄林之前相比Fe-P的变化程度较Al-P大，因此此阶段杉木以吸收Fe-P为主。Ca-P比例中龄林比幼龄林高3.40%，这是O-P活化释放、土壤矿物风化大于杉木吸收的结果；近熟林比幼龄林低2.98%，是由于近熟林比幼龄林对Ca-P需求较大，林木吸收更多Ca-P的结果，而近熟林比中龄林低6.38%，要高于近熟林比幼龄林的降低量，这说明除了杉木对其吸收增加外，随着林龄、土壤风化增加形成的过量Ca²⁺以氧化物的形式被吸附在土壤胶体内形成闭蓄态O-P导致的。

图 2 杉木林无机磷4种组分在无机磷中比例随林龄的变化 Fig. 2 Changes of four fractions in inorganic phosphorus in soils with aged Chinese fir plantations

图选项

测定土壤有机磷含量及其在全磷中的比例，可以判断土壤有机磷对树木的有效性及土壤供磷的调节能力^[40]。由表 5可以看出，3种不同林龄的杉木林有机磷含量分别为：159.12、211.28、204.42 mg/kg，并且17年生、25年生与7年生林分差异性显著(P<0.05)。3种林龄杉木林有机磷含量随林龄增加而增加,而17年生中龄林到25年生近熟林时有所降低，但其含量比幼龄林分别提高了32.78%、28.47%，这可能是由于枯枝落叶归还土壤，通过分解和淋溶作用使土壤全磷和有机磷含量增加；有机磷含量在全磷中的比例分别为：48.42%、53.72%、53.74%，从幼龄林到近熟林呈现增加的趋势，中龄林、近熟林比幼龄林分别增加5.30%、5.32%，由于中林龄和近熟林比幼龄林全磷含量分别增加19.68%、15.75%，有机磷在全磷中的比例大约在45% —55%之间，其比例的实际增加分别小于理论范围8.86% —10.82%、7.09%— 8.66%，表明杉木生长过程中始终存在有机磷的矿化作用。

从表 6可以看出，3种林龄杉木林土壤中的全磷、有效磷、有机磷与无机磷组分存在一定的相关性。统计结果表明：土壤全磷与有效磷、Fe-P、O-P、有机磷存在不同程度的相关关系，相关系数分别为0.725、0.586、0.446和0.940，达到显著或者极显著相关。土壤有效磷与有机磷的相关系数为0.667，呈现极显著相关性，这说明有机磷是有效磷的主要贡献者，是土壤有效磷的主要来源，林木吸收会引起土壤中 P匮乏，土壤有机磷会在土壤微生物和磷酸酶作用下，将含磷有机化合物转化为无机磷酸盐释放进入土壤溶液中。土壤Al-P含量与Fe-P含量之间存在一定的相关性，相关系数为0.454；O-P与Ca-P存在显著的负相关关系，这说明O-P的释放也是Ca-P含量的主要来源之一；其余各形态磷之间均不存在显著相关性(P>0.05)。

3种不同林龄杉木林土壤全磷和有效磷的含量分别在 317.06—398.56 mg/kg和 0.82 —1.38 mg/kg之间，土壤全磷和速效磷含量均属低水平，这表明研究地土壤磷素供应不足，这将影响林木的生长和杉木人工林的可持续经营。3种林龄杉木人工林，土壤全磷含量平均分别为328.62 mg/kg、393.31 mg/kg、380.36 mg/kg，17 年生和25 年生林分比7 年生林分分别增加了19.68%、15.75%，并表现出从7年生幼龄林到17年生中龄林土壤全磷含量增高,17年生中龄林到25年生近熟林全磷含量降低的规律，这与不同发育阶段落叶松人工林土壤全磷含量的演变的研究结果一致^[41]。

17年生和25 年生杉木林土壤有效磷含量比7年生提高了45.55%左右；3种杉木林土壤磷素活化系数(PAC)在0.25%—0.35%之间，均小于2.0%，这表明本研究区速效磷容量和供应强度小，土壤全磷向速效磷转化较难，直接供植物吸收利用的磷很少，这与赵均嵘对杉木林生态系统转换对土壤磷形态的影响中的研究结果一致^[31]。

土壤无机磷各组分中，植物最难利用的是O-P，无机磷活化过程O-P首先转变为Fe-P、Al-P，才能再由Fe-P、Al-P转化为可供植物吸收利用的有效磷^[39]。无机磷分组测定结果表明，土壤中无机磷组分以O-P含量最高，其次是Fe-P、Ca-P，Al-P最少。3种林龄杉木林无机磷含量从幼龄林到中龄林增高，中龄林以后降低；无机磷含量随年龄的变化规律与全磷含量的演变是一致的，这与不同发育阶段落叶松人工林土壤无机磷含量的演变的研究结果相反^[41]，两种森林类型土壤无机磷含量变化的差异可能是由于凋落物的分解与树种生长对养分吸收利用的情况引起的。

从无机磷各组分所占比例随林龄的变化趋势来看，杉木不同发育阶段对无机磷形态的吸收是有选择性的，幼龄林到中龄林阶段林木以吸收Al-P为主，近熟林到成熟林阶段林木以吸收Fe-P和Ca-P为主，这与陈立新对落叶松人工林不同发育阶段对无机磷形态吸收的研究结果不同^[41]，落叶松中龄林和近熟林林木以吸收Fe-P为主，成熟林林木以吸收Al-P和 Ca-P 为主，两种人工林对无机磷形态利用的差异可能是由于树种的生物学特性导致的。

土壤不同形态磷的相关性分析结果显示，土壤Al-P含量与Fe-P含量之间相关系数为0.454，Al-P与Fe-P含量的增加是O-P活化释放的结果，而在杉木生长过程中，其在无机磷中所占比例的非一致性变化是由于不同发育阶段杉木对两者选择性吸收的结果。土壤有效磷与有机磷的相关系数为0.667，呈现极显著相关性；同时，从有机磷、无机磷在全磷所占比例随林龄的变化趋势来看，杉木生长过程中在根系分泌物和微生物作用下，有机磷有一定的矿化作用，或者是有机磷的矿化作用大于生物固持作用而出现有机磷的净矿化，为杉木生长提供可吸收利用的磷酸盐，这表明有机磷是杉木林土壤有效磷的主要来源。Chen 对我国南方18年生杉木人工林研究结果表明，有机磷和无机磷中的Ca-P是有效磷的主要来源^[42]。本研究中土壤有效磷与Ca-P存在不显著的正相关关系，但从Ca-P比例在3种林龄杉木林变化来看，杉木生长过程中一直对Ca-P进行吸收，且中龄林、近熟林比幼龄林对Ca-P的吸收利用较大，因此Ca-P也是杉木生长的有效磷源。