戈 悅,劉悅秋*,叢一蓬,胡振園,馮佳寧

(1.北京農學院園林學院,北京 102206;2.北京市動物園管理處,北京 100044;3.北京市頤和園管理處,北京 100091)

土壤是植物生長發(fā)育所需水分、養(yǎng)分及熱量的載體[1],受地形、植被、凋落物等各種因素的影響,構成生態(tài)系統的基本要素。在城市公園綠地中,只有當土壤質量滿足植物生長需求時,才能使綠地的生態(tài)功能得到有效發(fā)揮。土壤質量評價是綜合分析土壤各方面功能[2],從而達到對土壤進行有效管理和保護的目的。隨著研究的深入,土壤質量評價方法越來越多,也更加趨向于多種方法結合以評價土壤質量。美國學者Zadeh于1965年提出了一種用于評價土壤質量的模糊數學算法,較其他土壤質量評價方法分辨率高而得到廣泛應用并發(fā)展改進[3]。趙蛟等[4]采用模糊數學綜合評價法對建甌市林地土壤肥力進行了綜合評價。蔡雄飛等[3]利用改進后的模糊數學算法對貴州五馬河沿岸土壤重金屬污染進行了評價。Smith等[5]應用多變量指標克里格法,將其與GIS技術相結合,實現了土壤的自動評估和動態(tài)監(jiān)測。孫蓓婷等[6]基于加權Topsis法綜合評價了典型灘涂圍墾區(qū)土壤質量演變,得出培肥的同時合理使用化學肥料可以有效提升灘涂圍墾區(qū)的土壤質量的結論。而土壤質量評價指標眾多,為了減少數據分析的困難程度,最小數據集(MDS)被運用于土壤質量評價,在后續(xù)的研究中,越來越多的生物學指標被用作質量評價的指標添加到最小數據集中[7]。鄧紹歡等[8]將線蟲數量作為評價指標,納入最小數據集對南方冷浸田土進行了土壤質量評價。李桂林等[9]驗證了最小數據集的穩(wěn)定性和可靠性,為土壤評價過程中最小數據集廣泛應用的可行性提供了科學依據。

頤和園作為著名的皇家園林及世界文化遺產之一,具有極高的藝術文化價值,而高負荷的游客接待服務,使得園內綠地土壤環(huán)境壓力增大,土壤質量下降[10],進而影響植被生長以及綠地系統在調節(jié)區(qū)域小氣候、維持生物多樣性等方面的功能發(fā)揮。土壤肥力質量是土壤理化性質和生物學性質的綜合反映,本研究對頤和園的土壤理化性質及生物指標進行測定分析,并基于主成分分析構建最小數據集,評價其土壤肥力質量,為維護與改善頤和園土壤質量、保護和管理遺產地生態(tài)環(huán)境提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣品采集

研究區(qū)位于北京西郊海淀區(qū)的頤和園(116°25′29″E,39°54′20″N)。該區(qū)屬于溫帶半濕潤大陸性季風型氣候,年平均氣溫11.9 ℃,全年降水量為500～700 mm。頤和園地處北京平原地區(qū),園區(qū)成土母質為近代河洪沖積物與黃土性母質[11],土壤質地為砂壤質至壤質[12]。園林土壤發(fā)育歷經自然褐潮土—農田土或菜園土—堆墊或回填—人踏車壓等特殊成土過程[11]。頤和園主體由萬壽山和昆明湖組成,園區(qū)內植被群落由喬木、灌木、藤本植物、草本植物和部分水生植物組成,現存植物86科231屬305 種,其中,以禾本科(Poaceae)、菊科(Asteraceae)植物最多;濕地植物49科94屬109種,包含33種水生植物和76種濕生植物[13]。經查證前期記錄,目前頤和園共記錄有鳥類15目35科92種,以雀形目(Passeriformes)鳥類為主,其次為雁形目(Anseriformes)、隼形目(Falconiformes)和鸛形目(Ciconiiformes)。共記錄到昆蟲12目109科398種,以半翅目(Hemiptera)、雙翅目(Diptera)、鞘翅目(Coleoptera)和鱗翅目(Lepidoptera)為優(yōu)勢類群。頤和園土壤細菌群落中優(yōu)勢菌門主要為酸桿菌門(Acidobacteriota)、變形菌門(Proteobacteria),綠彎菌門(Chloroflexi)、放線菌門(Actinobacteriota)和芽單胞菌門(Gemmatimonadota)。

2018年7—9月選取頤和園內包括牡丹(Paeonia×suffruticosa)種植區(qū)(編號MD)、宿根花卉區(qū)(編號SG)、落葉闊葉林區(qū)(編號LY)、針闊葉混交林區(qū)(編號HJ)、野生灌草叢區(qū)(編號GC)和踐踏草坪區(qū)(編號CP)的土壤。以園區(qū)綠地上優(yōu)勢植物群落分類,牡丹種植區(qū)設置2塊樣地,其他植被區(qū)域土壤設置3塊代表性樣地,按照梅花形采樣法采集5個土壤樣品均勻混合,四分法取樣,約1 kg作為1個土壤樣品,每塊樣地采集6～9份樣品,采樣深度為0～20 cm。所取鮮樣分成兩份,一份風干、過篩用于土壤理化指標的測定;另一份放入-80 ℃冰箱保存,用于土壤細菌多樣性測定。

1.2 土壤指標測定

1.2.1 土壤理化指標測定

在北京農學院華北都市農業(yè)重點實驗室進行土壤理化性狀測試,共測定10項指標,測定方法如下:土壤容重(SBD)采用環(huán)刀法[14];pH采用電位法[14];電導率(EC)采用電導率儀(DDSJ—308A,上海雷磁公司);有機質(SOM)含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法[14];全氮(TN)含量采用半微量凱氏法[14];全磷(TP)含量和全鉀(TK)含量采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(賽默飛ICP6300)測定,待測液制備采用NaOH熔融法[14];堿解氮(AN)含量采用堿解擴散法[14];有效磷(AP)含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法[14];速效鉀(AK)含量采用乙酸銨溶液浸提、火焰光度計法[14]。

1.2.2 土壤細菌多樣性指數測定

土壤總DNA抽提和PCR擴增。根據Soil DNA Kit (康為世紀)試劑盒說明書進行總DNA抽提,DNA濃度和純度利用Thermo NanoDrop 2000紫外微量分光光度計(美國)進行檢測,利用1%(質量分數,下同)瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA提取質量;用341F(5′-ACTCCTACGGGRSGCAGCA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)引物對16S V3-V4可變區(qū)進行PCR擴增,用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產物,并用AxyPrep DNA凝膠回收試劑盒(Axygen公司)切膠回收PCR產物?；厥蘸?利用Thermo NanoDrop 2000紫外微量分光光度計和2%瓊脂糖凝膠電泳進行文庫質檢。質檢合格后利用Illumina HiSeq測序平臺對PCR擴增產物進行雙端測序分析,得到2×250 bp的Paired-End數據。對原始數據進行QC(Quality Cleaner)之后,使用Usearch軟件對數據進行剔除嵌合體的操作。利用Usearch軟件,根據97%的相似度對序列進行OTU(operational taxonomic units)聚類(委托上海銳翌基因生物醫(yī)藥科技有限公司完成)。

采用Shannon指數(HShannon)估算微生物群落的多樣性:

式中:HShannon為Shannon指數,指數值越大,多樣性越高;Sobs為實際觀察到的OTU數量;ni為第i個OTU的序列數量;N為所有序列數。

1.3 土壤質量評價

1.3.1 最小數據集的構建

研究綜合選取表征土壤理化性質及生物指標的共11個指標,建立土壤質量評價全數據集(total data set,TDS),對11個指標進行單因素方差分析,以評估不同土壤類型對土壤指標的影響。采用因子分析和判別分析,與Pearson 相關性分析結合,建立最小數據集(minimum data set,MDS)。

對指標進行主成分分析,將特征值>0.8且荷載值≥0.5的指標歸為一組;分組后,選取每組中Norm值(公式中表示為Nik)在最高Norm值10%以內的指標,然后比較每組中指標的相關性和Norm值,若相關系數高則選取Norm值大的指標進入最小數據集(MDS),若相關性不高則全部納入MDS[15]。若一個指標在兩個主成分中因子載荷都≥0.5,則將其歸入相關性較低的一組[16]。指標的Norm值越大,表示其綜合荷載值越高,能覆蓋、表達的主成分上的綜合信息越全面。計算公式如下:

式中:Nik為第i個變量在特征值≥1的前k個主成分上的綜合荷載;uik為第i個變量在第k個主成分上的荷載;λk為第k個主成分的特征值。

1.3.2 土壤質量指數的構建[17]

采用土壤質量指數(soil quality index,SQI,公式中表示為SSQI)進行土壤質量評價:

式中:SSQI為土壤質量指數;Wi為第i項土壤指標的權重;Ni為第i項土壤指標的隸屬度,n為所有參評指標/最小數據集指標。

由于不同指標具有不同的單位,需對其進行標準化處理,轉化為0～1的無綱量值。所有土壤指標根據對植物作用的不同,選取不同的標準化函數,具體公式[18]及參數見表1。

表1 土壤指標標準評分函數及參數

1.4 數據處理

利用SPSS 26.0軟件進行數據統計與分析,顯著性水平設置為0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質及生物指標評價

經分析,頤和園的土壤養(yǎng)分含量(表2)與北京市綠化種植土壤地方標準DB11/T 864—2020《園林綠化種植土壤技術要求》[20]和DZ/T 029—2016《土地質量地球化學評價規(guī)范》[21]對比,堿解氮含量較豐富,總平均值為182.91 mg/kg;有機質含量較缺乏,總平均值為11.16 g/kg;速效磷含量10.85 mg/kg,處于中等水平;速效鉀含量164.37 g/kg,電導率為0.139 mS/cm,處于中等偏高水平。園區(qū)內土壤總體呈現中性至堿性,pH偏高(均值為8.25,分布范圍6.83～8.71),變異系數5.11%,表明pH相對穩(wěn)定,區(qū)域差異較小,這與多數研究結果[10,22]相同。史東梅等[23]定義變異系數在0～10%為不敏感,≥10%～50%為低敏感,≥50%～100%為中等敏感,100%以上的則為高敏感。本研究選取11項土壤指標作為評價因子,pH和Shannon指數為不敏感指標;容重及有機質、全鉀和速效鉀含量變異系數分別為11.83%、33.32%、13.21%、47.86%,為低敏感指標;全氮含量、電導率和全磷、堿解氮含量為中等敏感度指標,變異系數分別為55.01%、55.93%、70.87%;速效磷屬于高敏感度指標,變異系數為161.55%。表明園內有效磷空間分布極不平衡,不同區(qū)域含量差異很大。除了牡丹種植區(qū)和宿根花卉區(qū),其他植被區(qū)(76.00%的樣點)均低于10 mg/kg,土壤處于缺磷狀態(tài)。不同區(qū)域堿解氮分布差異也較大,變異系數為97.55%接近100%,變化范圍36.52～838.38 mg/kg。踐踏草坪區(qū)的部分樣地(占總樣地的6%)堿解氮含量小于60 mg/kg,土壤嚴重缺氮;牡丹種植區(qū)部分樣地(占總樣地的6%)堿解氮含量大于800 mg/kg,土壤氮殘留量高、氮流失風險大;另有18%的樣地土壤堿解氮含量大于200 mg/kg,有效態(tài)氮含量偏高,分析其原因與人為長期不當施用化肥有關。

表2 頤和園土壤肥力指標測定統計

頤和園不同樣地類型的土壤理化性質有顯著差異(表3),牡丹種植區(qū)土壤指標均顯著優(yōu)于其他樣地類型,說明其土壤質量相對較好。分析其原因,在1880、1904年便將牡丹確立為國花并在頤和園內搭建國花臺,一百多年來牡丹種植區(qū)備受重視,澆灌、施肥頻繁,使得該區(qū)土壤養(yǎng)分含量顯著高于其他植被覆蓋區(qū)域。土壤容重可以反映土壤的緊實度、土壤持水性、入滲性、透氣性等土壤物理性狀,是評價土壤質量的重要指標;在一定范圍內,土壤容重越小,說明土壤結構、透氣性、透水性能越好[24]。踐踏草坪區(qū)土壤容重(1.36 g/cm3)高于其他植被區(qū),超過北京市綠化種植土壤地方標準上限值(1.35 g/cm3),表明該區(qū)域土壤受人類活動壓實作用影響嚴重,土壤通氣、透水性能不佳,不利于植物生長。

表3 頤和園各植被覆蓋區(qū)土壤肥力指標測量值

2.2 土壤質量評價指標體系

2.2.1 最小數據集的建立

依據土壤指標主成分載荷值及Norm值10%以內的標準(表4)結合每組中所選指標之間的相關性(表5),可知在PC1中,載荷值≥0.5的指標有pH及SOM、TN、TP、TK、AN、AP和AK含量,最后將Norm值最高的TP納入最小數據集(TP與所選指標TN、AN和AK之間相關性系數均>0.6);PC2中載荷值≥0.5的指標有SBD和EC,其中SBD的載荷值也在PC4上≥0.5,比較兩組的相關性,將SBD納入相關性較低的第4組,將EC納入第2組;PC3中僅有Shannon指數的載荷值≥0.5,故直接將其納入最小數據集;綜上所述,最終入選最小數據集(MDS)的指標有TP、EC、HShannon和SBD。

表4 頤和園土壤肥力指標主成分荷載值及Norm值

表5 頤和園表層土壤肥力指標之間的相關性矩陣

依據Norm值(在Norm值10%范圍內)及相關性系數來判別進入MDS的指標,建立最小數據集(MDS),權重確定利用主成分分析對土壤全數據集(TDS)指標進行分析得到各個指標的公因子方差,指標公因子方差所占比例得到各個指標的權重值;最小數據集指標的權重值,通過各指標所在主成分的貢獻率所占比例獲得,結果見表6。

表6 頤和園土壤各指標全數據集(TDS)及最小數據集(MDS)的權重

通過對頤和園內土壤全數據集(TDS)指標進行主成分分析(表7),提取4個主成分,其累計貢獻率為83.274%,可見4個主成分可以解釋大部分參評指標的變異。

表7 頤和園土壤特征值及主成分貢獻率

2.2.2 土壤質量評價

對各評價指標進行標準化處理,將標準化處理后的參數代入土壤質量指數方程,計算全數據集(TDS)和最小數據集(MDS)的土壤質量指數(圖1)。全數據集土壤質量指數(SQI-TDS)介于0.23～0.85之間,平均值為0.47;最小數據集土壤質量指數(SQI-MDS)介于0.24～0.93,平均值為0.51,略大于全數據集。由此說明,頤和園土壤質量整體處于一般水平,39%樣地土壤質量指數在0.40～0.60,45%樣地土壤質量指數在0.30～0.40。相比較其他植被覆蓋區(qū)域的土壤,牡丹種植區(qū)的土壤肥力高、質量最好,土壤質量指數高達0.80(TDS)和0.90(MDS),顯著高于其他植被區(qū)。踐踏草坪區(qū)土壤質量最差,土壤質量指數為0.31(TDS)和0.33(MDS),顯著低于除針闊葉混交林的其他植被覆蓋區(qū),土壤相對貧瘠。牡丹種植區(qū)為頤和園內的國花臺,人為關注度較高,日常養(yǎng)護較為頻繁,而踐踏草坪區(qū)因人為踩踏,致使土壤板結、透氣透水性變差,地表植被少,土壤多裸露,這是造成這兩個區(qū)域土壤肥力、質量與其他區(qū)域之間差異明顯的主要原因。宿根花卉區(qū)、落葉闊葉林區(qū)、針闊葉混交林區(qū)和野生灌草叢之間土壤質量指數并無顯著差異。

不同大寫及小寫字母分別表示全數據集土壤質量指數和最小數據集土壤質量指數在不同樣區(qū)間差異顯著。Different uppercase and lowercase letters show significant differences among different plots of the soil quality index of the total data set and the minimum data set, respectively.

2.2.3 MDS的可靠性檢驗

最小數據集指標選擇的合理性,直接影響土壤質量評價的準確性。本研究對最小數據集和全數據集的土壤質量指數進行回歸分析,對最小數據集評價結果的可靠性進行了驗證。從線性回歸分析結果(圖2)可知,兩者線性顯著相關(n=51,R2=0.877,P<0.01),表明研究建立的最小數據集評價體系,能較好地代替全數據集來反映區(qū)域土壤質量。

圖2 最小數據集(MDS)的可靠性檢驗Fig.2 Reliability verification of the minimum data set (MDS)

3 討 論

隨著對土壤質量研究的深入,大量的數學方法被應用到土壤質量評價中并得到推廣。例如內梅羅綜合指數法[25]、灰色關聯分析法[26]、Topsis法[27]、物元法[28]、土壤質量指數法[9]等。由于土壤質量指數法(SQI)能很好地地評估管理措施對土壤質量的影響,適合于土壤可持續(xù)管理,是應用最為廣泛的方法。土壤質量評價中可供選擇的指標很多,主要分為物理、化學、生物與環(huán)境指標四大類。在篩選評價指標時,最小數據集(MDS)因包含了反應土壤質量最少的指標,簡單易行被廣泛應用。構建 MDS 的方法主要為專家經驗法、主成分分析(PCA)[29]、聚類分析(CA)[30]、典范對應分析(CCA)[31]、逐步回歸分析(SRA)[32]、偏最小二乘回歸分析(PLSRA)[33]等。本研究采用了PCA結合Norm值法篩選出MDS,包括物理指標(土壤容重),化學指標(全磷、電導率),生物指標(細菌Shannon多樣性指數)。土壤生物(細菌、真菌、原生生物和無脊椎動物)多樣性與多種生態(tài)系統功能(包括養(yǎng)分循環(huán)、分解、植物生產以及降低致病性等)顯著正相關,在環(huán)境修復方面發(fā)揮了作用[34]。此外,植物多樣性和生物群落多功能性之間的正相關性是由土壤生物多樣性間接驅動的[35]。由于當前微生物測試技術與成本限制,土壤質量評價中生物指標選取較少。本研究將細菌Shannon多樣性指數納入全數據集(TDS)且被選入MDS,能夠更客觀地反映土壤功能。盡管SQI-MDS略高于SQI-TDS,但對其進行回歸分析顯示二者顯著相關,說明 MDS 能夠較好替代 TDS對頤和園土壤質量進行正確評價。

頤和園SQI分3個等級,牡丹種植區(qū)的土壤理化性質呈現為好(SQI≥0.80),落葉闊葉林區(qū)、宿根花卉區(qū)和野生灌草叢土壤質量屬于中等(0.40≤SQI<0.80),踐踏草坪區(qū)和針闊葉混交林區(qū)土壤質量較差(0.20