编译：Sun，编辑：小菌菌、江舜尧。

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该研究在中国广东省鼎湖山生物圈保护区（DBR）（23◦09′21′′– 23◦11′30′′N，112◦30′39′′– 112◦33′41′′E）进行。该保护区（1155公顷）具有典型的亚热带湿润季风气候，年平均气温为21℃（1月份为12.6℃，7月份为28.0℃），年平均降水量为1927毫米（下降约80％）（4月至9月）。DBR共有3种演替森林：松树林（PF），松木和阔叶混交林（MF）和季风常绿阔叶林（BF），分别代表了森林演替的早期，中期和后期。在2016年1月，我们选择了5种（P. massoniana, S. superba, Mallotus paniculatus, Evodia lepta, and Schefflera octophylla），4种（P.massoniana, S. superba, Castanopsis chinensis, and Aporosa chinensis），以及7种优势树种 PF，MF和BF中的（S. superba，C. chinensis，Acmena acuminatissima，Gironniera subaequalis，chinhils chinensis，Cryptocarya continna和Aporosa yunnanensis）。对于每个森林中的每个物种，我们随机选择了3–4棵大小相似的树木。在2016年1月（干旱季节）和8月（潮湿季节）的三个演替森林中，从选定的树种中采集了叶片和根际样品。为了采集叶片样品，我们使用了一个长距离修剪机从树冠上收集了暴露于阳光下的树枝所选物种的顶部。对于每个森林中的每个物种，我们在每个季节从每棵单独的树木中收集了3–4个阳光照射的树枝。从每棵树中选择约20个完全膨胀且健康的叶子来测量N和P浓度。总共收集了100个叶子样本（50棵单独的树×2个季节）。通过对叶片营养成分和根际理化性质、根际微生物量以及根际P组分和根际酸性磷酸酶活性进行了测定。

使用线性混合效应模型评估森林演替对所有参数的主要影响，并将演替作为固定影响和树木物种和季节为随机效应；Tukey检验用于比较三个演替森林中的均值。独立样本t检验用于确定季节之间的差异。使用线性回归模型分析了根际特定酸性磷酸酶活性，AMF和EMF与根际P组分比例之间的关系。利用皮尔森相关分析，研究了根际P组分比例与理化性质之间的相关性。线性混合效果模型和Tukey测试是使用带有“ nlme”和“ multcomp”软件包的R软件（R Core Team，2018）进行的。

1 叶片P、根际MBP和P组分

树木的叶片P，叶片N：P和根际MBP有所不同，但总体上具有相似的根际P分数（p <0.05，表S2）。这些差异在潮湿季节的后期森林中尤为明显。湿润季节马尾松的叶片N:P显著低于早期演替林的吴茱萸和八爪木（p <0.05，表S3）。在两个季节的后期演替森林中，Gironniera subaequalis的叶片P均显着高于Schima superba（p <0.05，表S3）。

表1 线性混合效应模型的结果显示了演替（固定效应），树木种类和季节（随机效应）对某些因变量的影响。

森林演替显着影响大多数P参数（p <0.05，表1）。从PF到MF和BF的森林演替过程中，叶片P的浓度显着降低（p <0.05, 图1a），而从PF和MF到BF的森林演替，根际MBP浓度显着增加（p<0.05, 图1c）。BF中的叶片N：P比明显高于PF（p <0.05；图1b），但BF中的根际微生物N：P比明显低于MF或PF（p <0.05） ；图1d）。在雨季，BF（45.7）中的荷叶木（所有森林中相同的树种）的叶N：P比高于PF（20.2）和MF（25.9）（表S3）。BF和MF的根际不稳定Po的浓度和比例显着高于PF（p<0.05；图2d和3d），并且随着森林从PF过渡到MF和BF，吸附的P的比例显着降低。（p ＜0.05；图3f）。此外，在演替阶段中，不稳定和中等不稳定的Pi的浓度以及中等不稳定的Po的比例没有显着差异，但是随着森林演替的增加而呈现出增加的趋势（图2a，b和图3e）。

图1.受森林演替阶段和演替影响的叶片磷浓度（a），叶片氮：磷比（b），根际微生物生物量磷（MBP）浓度（c）和根际微生物生物量氮：磷比（d） 中国南方鼎湖山生物圈保护区的旺季。值是平均值±标准误差。不同的小写字母表示跨季节平均的连续阶段之间的显着差异（p <0.05）。每个图顶部的干湿两用之间的比较表明，连续两个阶段的平均干季和湿季之间存在显着差异。PF：松林，MF：松木和阔叶混交林，BF：季风常绿阔叶林。

图2.中国南方鼎湖山生物圈保护区的根际P含量受森林演替阶段和季节的影响。值是平均值±标准误差。不同的小写字母表示每个季节的平均连续阶段之间的显着差异（p <0.05）。每个图顶部的干湿两用之间的比较表明，连续两个阶段的平均干季和湿季之间存在显着差异。PF：松林，MF：松木和阔叶混交林，BF：季风常绿阔叶林。

图3.中国南方鼎湖山生物圈保护区的根际P组分比例受森林演替阶段和季节的影响。值是平均值±标准误差。不同的小写字母表示跨季节平均的连续阶段之间的显着差异（p <0.05）。每个图顶部的干湿两用之间的比较表明，连续两个阶段的平均干季和湿季之间存在显着差异。PF：松林，MF：松木和阔叶混交林，BF：季风常绿阔叶林。

季节也显着影响大多数P参数（p <0.05，表S4）。与干旱季节相比，PF，MF和BF湿季的叶片P浓度分别降低了29.4％，38.7％和36.2％（图1a）。干旱季节的根际不稳定Pi、不稳定的Po和主要矿物质P均明显高于雨季（p <0.05；图1和图2）。相反，在雨季，叶片N：P，根际MBP和根际中度不稳定的Pi明显高于干旱季节（p <0.05；图1和图2）。

2 根际物理化学和微生物特性

从PF到MF和BF的森林演替，根际土壤水分，DN，酸性磷酸酶活性，比酸性磷酸酶活性和AMF生物量显着增加（p <0.05；表2和图4），而根际C：N比则显着增加 从PF到MF和BF的森林演替减少（p <0.05，表2）。在MF中，根际pH最低，而EMF生物量最高（表2和图4）。湿季的根际酸性磷酸酶活性，特异性酸性磷酸酶活性和DN显着高于旱季（p<0.05，表2和图4）。相反，干旱季节的AMF和EMF生物量，SOC和C：N比明显高于雨季（p<0.05，表2和图4）。

表2 鼎湖山生物圈保护区湿、旱季三种演替林的根际理化性质。

图4.受森林演替阶段和季节影响的根际中的酸性磷酸酶活性（a），特异性酸性磷酸酶活性（b），丛枝菌根真菌（AMF）生物量（c）和外生菌根真菌（EMF）生物量（d） 位于中国南方的鼎湖山生物圈保护区。值是平均值±标准误差。不同的小写字母表示每个季节的平均连续阶段之间的显着差异（p <0.05）。每个图顶部的干湿两用之间的比较表明，连续两个阶段的平均干季和湿季之间存在显着差异。PF：松林，MF：松木和阔叶混交林，BF：季风常绿阔叶林。

3 根际磷组分与理化和微生物特性的关系

    AMF生物量与不稳定Po和中度不稳定Po的比例呈正相关，但与吸附P的比例呈负相关，而EMF生物量仅与不稳定Po的比例呈正相关（p <0.05；图5）。特定的酸性磷酸酶活性与不稳定的Po和中等不稳定的Po的比例呈负相关，但与吸附的P的比例呈正相关（p <0.05；图5）。不稳定和中等不稳定的Po的比例与SOC和TN呈正相关，而与根际pH呈负相关（p<0.05；表3）。P的含量与根际pH呈正相关，而与根际水分，SOC，TN，C：N比和DN呈负相关（p <0.05；表3）。此外，在本研究中，根际提取的[Mn]与AMF生物量呈正相关，而与P含量呈负相关（图S1）。

图5. 在所有森林以及湿季和旱季根际，丛枝菌根真菌（AMF）生物量，外生菌根真菌（EMF）生物量，比酸性磷酸酶活性（Specific APA）和P组分比例之间的关系 。PF：松林，MF：松木和阔叶混交林，BF：季风常绿阔叶林。

表3 中国南方鼎湖山生物圈保护区（DBR）所有三个森林阶段和季节的根际理化性质与根际P组分的比例之间的相关性

1 森林演替过程中植物和微生物磷的限制

我们的第一个假设是森林演替会增加植物和微生物的P限度，但这种假设仅被植物接受，而未被微生物接受，因为我们观察到植物叶片的N：P比值增加，但根际微生物量N：P比值从早期开始就下降到后期演替阶段（图1）。根据Huang等人（2013年）的研究，在森林演替过程中，植物的有效P变得更加有限。他们报告说明演替后期森林中的植物叶片N：P比和土壤酸性磷酸酶活性高于早期演替森林，而这些参数是P限制的指标。通常，叶片N：P比率> 20表示P限制，而叶片N：P比率<10表示森林中的N限制。在这项研究中，我们发现演替后期森林的叶片N：P比高于早期演替森林，所有演替森林的叶片N：P比值在雨季都超过20（图 1）。该结果表明，在森林演替过程中，P对植物生长的限制加剧了。另外，在所有森林中，相同的物种，即荷叶木，在后期演替森林（45.7）中的叶片N：P比值高于森林中早期（20.2）和中期（25.9）的森林在潮湿季节（表S3），表明在森林演替期间木荷木受磷的限制更大。在许多研究中，磷酸酶活性还可以用作P限制的替代指标。在当前的研究中，我们发现，从早期到后期的森林，根际酸性磷酸酶的活性增加了48.7％，这也表明在森林演替过程中植物对P的限制更大。叶片中较高的P限制反映了森林演替期间对P的需求增加。因此，我们将叶子的N：P比率解释为意味着植物对P的需求随森林演替而增加。该站点以前的一项研究发现，从早期到晚期的演替森林，植物群落生物量增加了2.6倍，这表明在森林演替期间植物对P的需求量增加。

然而，在森林演替过程中，根际微生物生物量氮：磷比值的下降并不支持我们的第一个假设。这也与Liu等人（2012年）不一致。，他们报告说，P的添加增加了土壤微生物的生物量和土壤呼吸，与后期演替森林的控制相比，但在早期和中期演替森林中没有。微生物生物量氮：磷比是陆地生态系统养分限制的指标。随着森林演替，根际微生物生物量氮：磷比值降低，这表明森林演替过程中微生物对P的限制得到缓解。该结果还表明，在森林演替过程中，微生物对P的吸收能力要强于植物，这将进一步加剧植物对P的限制，并增加后期森林中植物对P的需求。造成这种现象的一个可能原因是，在我们的贫P研究地点，微生物比植物更有效地从土壤溶液中获取P，因为微生物的初始养分吸收速率比植物快得多。另一个可能的原因是微生物不仅能够吸收与植物来源的化合物结合的养分，而且还能分解这些植物来源的化合物并将养分固定在生物质中，然后再到达根表面。因此，它们比植物更具竞争力。因此，我们假设由于森林生物量增加，植物P限制加剧和森林演替过程中微生物对P的竞争加剧，植物对P的需求随森林演替而增加。在森林演替过程中，植物对P的需求增加，这就导致了一个问题:演替后期的森林植物如何能够在更有限的P条件下获得足够的P来维持其较高的生物量和生产力。

2 菌根真菌和酸性磷酸酶对根际磷组分转化的作用

我们的第二个假设表明，根际中的菌根真菌和酸性磷酸酶会加速其他P组分向不稳定Pi的转化。因为我们观察到，根际中磷的减少比例与AMF生物量的增加呈负相关，而中度不稳定Po与森林演替过程中AMF生物量的增加呈正相关，与比酸性磷酸酶活性的增加负相关（图5）。

作为植物共生体，菌根真菌从其寄主植物获取能量，进而向其寄主植物供应可用的磷。在本研究中，我们发现根际中AMF和EMF的生物量与不稳定Po的比例呈正相关。AMF的生物量也与中度不稳定的Po的比例呈正相关，但与吸附的P的比例呈负相关，这表明AMF可能会促进吸附的P增溶为不稳定和中度不稳定的Po。吸附P是P在土壤中最顽固的形式。它与铝或铁（Al / Fe）氧化物和其他颗粒结合，使其对植物和其他微生物的利用率非常低。多项研究表明，AMF可以在土壤中释放有机酸，并且释放的有机酸可以进一步动员Al / Fe氧化物固定的P。因此，AMF可以通过分泌有机酸来加速被吸附的P溶解为有机P，有机酸可以通过螯合与铝结合的Al / Fe氧化物从被吸附的P中释放出有机P。尽管我们没有直接测量根际中的有机酸，但我们确实测量了根际中提取的[Mn]，在许多研究中，其已被用作替代根际中有机酸（或羧酸盐）浓度的代表。在这项研究中，我们发现AMF生物量与根际提取的[Mn]之间存在显着的正相关，而根际提取的[Mn]与被吸附的P的比例之间存在显着的负相关（图S1）。这些结果部分证实了AMF可以通过分泌有机酸来加速被吸附的P溶解为有机P。因此，森林演替过程中增强的AMF生物量可能是植物通过从被吸附的P中释放有机P来满足其P需求的策略，部分证明了我们的第二个假设。

土壤有机质是森林生态系统中土壤有机P的重要来源。在我们的研究中，不稳定和中等不稳定Po的比例与根际SOC含量呈正相关（表3），这表明后期演替森林中不稳定和中等不稳定Po的高含量部分是由于有机物的分解物。由于微生物和植物释放的细胞外磷酸酶，有机P可以作为植物不稳定的Pi的潜在来源。多项研究表明，根际中有机P的消耗与磷酸酶活性的增加有关，但是只有某些形式的有机P可以被磷酸酶水解。我们发现，根际中不稳定和中等不稳定的Po的比例与特定的酸性磷酸盐活性呈负相关，这可能表明这些级分中的某些有机P在森林演替过程中被酸性磷酸酶水解为不稳定的Pi。然而，将需要测量可水解有机P的形式以证实森林演替过程中这种机制的发生。酸性磷酸盐活性的增加使有机P矿化成不稳定的P，这是植物在森林演替期间满足其P需求的另一种可能的策略，这也部分证明了我们的第二种假设。

土壤不稳定的P是土壤中P的最有效形式，可以被植物和微生物直接吸收。尽管酸性磷酸酶使有机P矿化可以增加土壤中不稳定P的含量，但我们发现，在森林演替过程中，根际中不稳定P的含量没有显着变化（图2）。这可能是由于植物和微生物对不稳定的Pi的吸收与其他P组分（例如有机P）向不稳定的Pi的转化之间的权衡所致。

根据当前和以前的结果，图6提供了一个概念框架，说明植物在演替过程中如何部分满足其对P的日益增长的需求（图6）。森林演替减少了微生物所经历的P限制（如微生物生物量氮：磷比值降低），但增加了植物所经历的P限制（如叶氮：磷比值增加）。微生物比植物更容易获得土壤中的有效P，这可能会进一步增加森林演替过程中植物对P的限制和植物对P的需求。然而，为了帮助满足其对P的需求，植物可以与丛枝菌根真菌合作，以增加被吸附的P向不稳定和中等不稳定的Po的转化，并可能增加酸性磷酸酶的排泄，以将这些Po矿化为不稳定的Pi。但是，我们承认这一发现是基于相关分析的。因此，我们需要进行受控的现场实验，以在未来的研究中确认建议的关系。

图6 中国南方亚热带森林演替过程中植物如何帮助满足其日益增长的磷需求的概念框架。AMF:根际丛枝菌根真菌生物量。

3 根际磷含量的季节变化

除了不同演替森林之间的差异外，我们发现根际不稳定的Pi，不稳定的Po，中等不稳定的Pi和主要矿物P在湿季和旱季之间也存在显着差异（图2），表明这些P分数是参与季节性磷循环。湿季和干季之间土壤P分数的差异可以通过多种生物和化学过程来解释，例如植物吸收，微生物动员，酶矿化和土壤氧化还原。吸收植物可能比其他过程更重要，因为植物在生长季节需要大量的磷，因为在此季节它们会快速积累生物量。土壤氧化还原影响铁在湿润热带森林中对磷的吸附能力，并影响磷的吸附和溶解度，这也可能解释了不同P组分的季节性振荡。

总而言之，这项研究提出了森林演替过程中获取植物P的潜在机制，这可能会增进我们对P受限的热带和亚热带森林巨大生产力和高生物多样性水平的理解。需要进一步的研究来阐明在根际中驱动P转化的植物-AMF相互作用的各自和协同作用，特别是进行一些可操作的实验以找到更可靠的证据。除菌根真菌和磷酸酶外，还需要弄清森林演替过程中根际中不同P形态的氧化还原转化。

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