戈 悅,劉悅秋*,叢一蓬,胡振園,馮佳寧
(1.北京農(nóng)學(xué)院園林學(xué)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(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的基本要素。在城市公園綠地中,只有當(dāng)土壤質(zhì)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(zhì)量評價(jià)是綜合分析土壤各方面功能[2],從而達(dá)到對土壤進(jìn)行有效管理和保護(hù)的目的。隨著研究的深入,土壤質(zhì)量評價(jià)方法越來越多,也更加趨向于多種方法結(jié)合以評價(jià)土壤質(zhì)量。美國學(xué)者Zadeh于1965年提出了一種用于評價(jià)土壤質(zhì)量的模糊數(shù)學(xué)算法,較其他土壤質(zhì)量評價(jià)方法分辨率高而得到廣泛應(yīng)用并發(fā)展改進(jìn)[3]。趙蛟等[4]采用模糊數(shù)學(xué)綜合評價(jià)法對建甌市林地土壤肥力進(jìn)行了綜合評價(jià)。蔡雄飛等[3]利用改進(jìn)后的模糊數(shù)學(xué)算法對貴州五馬河沿岸土壤重金屬污染進(jìn)行了評價(jià)。Smith等[5]應(yīng)用多變量指標(biāo)克里格法,將其與GIS技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了土壤的自動評估和動態(tài)監(jiān)測。孫蓓婷等[6]基于加權(quán)Topsis法綜合評價(jià)了典型灘涂圍墾區(qū)土壤質(zhì)量演變,得出培肥的同時合理使用化學(xué)肥料可以有效提升灘涂圍墾區(qū)的土壤質(zhì)量的結(jié)論。而土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)眾多,為了減少數(shù)據(jù)分析的困難程度,最小數(shù)據(jù)集(MDS)被運(yùn)用于土壤質(zhì)量評價(jià),在后續(xù)的研究中,越來越多的生物學(xué)指標(biāo)被用作質(zhì)量評價(jià)的指標(biāo)添加到最小數(shù)據(jù)集中[7]。鄧紹歡等[8]將線蟲數(shù)量作為評價(jià)指標(biāo),納入最小數(shù)據(jù)集對南方冷浸田土進(jìn)行了土壤質(zhì)量評價(jià)。李桂林等[9]驗(yàn)證了最小數(shù)據(jù)集的穩(wěn)定性和可靠性,為土壤評價(jià)過程中最小數(shù)據(jù)集廣泛應(yīng)用的可行性提供了科學(xué)依據(jù)。
頤和園作為著名的皇家園林及世界文化遺產(chǎn)之一,具有極高的藝術(shù)文化價(jià)值,而高負(fù)荷的游客接待服務(wù),使得園內(nèi)綠地土壤環(huán)境壓力增大,土壤質(zhì)量下降[10],進(jìn)而影響植被生長以及綠地系統(tǒng)在調(diào)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(zhì)量是土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反映,本研究對頤和園的土壤理化性質(zhì)及生物指標(biāo)進(jìn)行測定分析,并基于主成分分析構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集,評價(jià)其土壤肥力質(zhì)量,為維護(hù)與改善頤和園土壤質(zhì)量、保護(hù)和管理遺產(chǎn)地生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。
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(fēng)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(zhì)為近代河洪沖積物與黃土性母質(zhì)[11],土壤質(zhì)地為砂壤質(zhì)至壤質(zhì)[12]。園林土壤發(fā)育歷經(jīng)自然褐潮土—農(nóng)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(nèi)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(xiàn)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(jīng)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(xì)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(nèi)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(shè)置2塊樣地,其他植被區(qū)域土壤設(shè)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(fēng)干、過篩用于土壤理化指標(biāo)的測定;另一份放入-80 ℃冰箱保存,用于土壤細(xì)菌多樣性測定。
1.2.1 土壤理化指標(biāo)測定
在北京農(nóng)學(xué)院華北都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤理化性狀測試,共測定10項(xiàng)指標(biāo),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(dǎo)率(EC)采用電導(dǎo)率儀(DDSJ—308A,上海雷磁公司);有機(jī)質(zhì)(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(kuò)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(jì)法[14]。
1.2.2 土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)測定
土壤總DNA抽提和PCR擴(kuò)增。根據(jù)Soil DNA Kit (康為世紀(jì))試劑盒說明書進(jìn)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(jì)(美國)進(jìn)行檢測,利用1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA提取質(zhì)量;用341F(5′-ACTCCTACGGGRSGCAGCA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)引物對16S V3-V4可變區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增,用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產(chǎn)物,并用AxyPrep DNA凝膠回收試劑盒(Axygen公司)切膠回收PCR產(chǎn)物?;厥蘸?利用Thermo NanoDrop 2000紫外微量分光光度計(jì)和2%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行文庫質(zhì)檢。質(zhì)檢合格后利用Illumina HiSeq測序平臺對PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行雙端測序分析,得到2×250 bp的Paired-End數(shù)據(jù)。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行QC(Quality Cleaner)之后,使用Usearch軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除嵌合體的操作。利用Usearch軟件,根據(jù)97%的相似度對序列進(jìn)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(shù)(HShannon)估算微生物群落的多樣性:
式中:HShannon為Shannon指數(shù),指數(shù)值越大,多樣性越高;Sobs為實(shí)際觀察到的OTU數(shù)量;ni為第i個OTU的序列數(shù)量;N為所有序列數(shù)。
1.3.1 最小數(shù)據(jù)集的構(gòu)建
研究綜合選取表征土壤理化性質(zhì)及生物指標(biāo)的共11個指標(biāo),建立土壤質(zhì)量評價(jià)全數(shù)據(jù)集(total data set,TDS),對11個指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析,以評估不同土壤類型對土壤指標(biāo)的影響。采用因子分析和判別分析,與Pearson 相關(guān)性分析結(jié)合,建立最小數(shù)據(jù)集(minimum data set,MDS)。
對指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,將特征值>0.8且荷載值≥0.5的指標(biāo)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(nèi)的指標(biāo),然后比較每組中指標(biāo)的相關(guān)性和Norm值,若相關(guān)系數(shù)高則選取Norm值大的指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集(MDS),若相關(guān)性不高則全部納入MDS[15]。若一個指標(biāo)在兩個主成分中因子載荷都≥0.5,則將其歸入相關(guān)性較低的一組[16]。指標(biāo)的Norm值越大,表示其綜合荷載值越高,能覆蓋、表達(dá)的主成分上的綜合信息越全面。計(jì)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(zhì)量指數(shù)的構(gòu)建[17]
采用土壤質(zhì)量指數(shù)(soil quality index,SQI,公式中表示為SSQI)進(jìn)行土壤質(zhì)量評價(jià):
式中:SSQI為土壤質(zhì)量指數(shù);Wi為第i項(xiàng)土壤指標(biāo)的權(quán)重;Ni為第i項(xiàng)土壤指標(biāo)的隸屬度,n為所有參評指標(biāo)/最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)。
由于不同指標(biāo)具有不同的單位,需對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,轉(zhuǎn)化為0~1的無綱量值。所有土壤指標(biāo)根據(jù)對植物作用的不同,選取不同的標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù),具體公式[18]及參數(shù)見表1。
表1 土壤指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評分函數(shù)及參數(shù)
利用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析,顯著性水平設(shè)置為0.05。
經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)DB11/T 864—2020《園林綠化種植土壤技術(shù)要求》[20]和DZ/T 029—2016《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)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(jī)質(zhì)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(dǎo)率為0.139 mS/cm,處于中等偏高水平。園區(qū)內(nèi)土壤總體呈現(xiàn)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(shù)5.11%,表明pH相對穩(wěn)定,區(qū)域差異較小,這與多數(shù)研究結(jié)果[10,22]相同。史東梅等[23]定義變異系數(shù)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(xiàng)土壤指標(biāo)作為評價(jià)因子,pH和Shannon指數(shù)為不敏感指標(biāo);容重及有機(jī)質(zhì)、全鉀和速效鉀含量變異系數(shù)分別為11.83%、33.32%、13.21%、47.86%,為低敏感指標(biāo);全氮含量、電導(dǎo)率和全磷、堿解氮含量為中等敏感度指標(biāo),變異系數(shù)分別為55.01%、55.93%、70.87%;速效磷屬于高敏感度指標(biāo),變異系數(shù)為161.55%。表明園內(nèi)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(diǎn))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(shù)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(yán)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?dú)埩袅扛摺⒌魇эL(fēng)險(xiǎn)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(dāng)施用化肥有關(guān)。
表2 頤和園土壤肥力指標(biāo)測定統(tǒng)計(jì)
頤和園不同樣地類型的土壤理化性質(zhì)有顯著差異(表3),牡丹種植區(qū)土壤指標(biāo)均顯著優(yōu)于其他樣地類型,說明其土壤質(zhì)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(nèi)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(shí)度、土壤持水性、入滲性、透氣性等土壤物理性狀,是評價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo);在一定范圍內(nèi),土壤容重越小,說明土壤結(jié)構(gòu)、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(biāo)準(zhǔn)上限值(1.35 g/cm3),表明該區(qū)域土壤受人類活動壓實(shí)作用影響嚴(yán)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(biāo)測量值
2.2.1 最小數(shù)據(jù)集的建立
依據(jù)土壤指標(biāo)主成分載荷值及Norm值10%以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)(表4)結(jié)合每組中所選指標(biāo)之間的相關(guān)性(表5),可知在PC1中,載荷值≥0.5的指標(biāo)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(shù)據(jù)集(TP與所選指標(biāo)TN、AN和AK之間相關(guān)性系數(shù)均>0.6);PC2中載荷值≥0.5的指標(biāo)有SBD和EC,其中SBD的載荷值也在PC4上≥0.5,比較兩組的相關(guān)性,將SBD納入相關(guān)性較低的第4組,將EC納入第2組;PC3中僅有Shannon指數(shù)的載荷值≥0.5,故直接將其納入最小數(shù)據(jù)集;綜上所述,最終入選最小數(shù)據(jù)集(MDS)的指標(biāo)有TP、EC、HShannon和SBD。
表4 頤和園土壤肥力指標(biāo)主成分荷載值及Norm值
表5 頤和園表層土壤肥力指標(biāo)之間的相關(guān)性矩陣
依據(jù)Norm值(在Norm值10%范圍內(nèi))及相關(guān)性系數(shù)來判別進(jìn)入MDS的指標(biāo),建立最小數(shù)據(jù)集(MDS),權(quán)重確定利用主成分分析對土壤全數(shù)據(jù)集(TDS)指標(biāo)進(jìn)行分析得到各個指標(biāo)的公因子方差,指標(biāo)公因子方差所占比例得到各個指標(biāo)的權(quán)重值;最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)的權(quán)重值,通過各指標(biāo)所在主成分的貢獻(xiàn)率所占比例獲得,結(jié)果見表6。
表6 頤和園土壤各指標(biāo)全數(shù)據(jù)集(TDS)及最小數(shù)據(jù)集(MDS)的權(quán)重
通過對頤和園內(nèi)土壤全數(shù)據(jù)集(TDS)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(表7),提取4個主成分,其累計(jì)貢獻(xiàn)率為83.274%,可見4個主成分可以解釋大部分參評指標(biāo)的變異。
表7 頤和園土壤特征值及主成分貢獻(xiàn)率
2.2.2 土壤質(zhì)量評價(jià)
對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的參數(shù)代入土壤質(zhì)量指數(shù)方程,計(jì)算全數(shù)據(jù)集(TDS)和最小數(shù)據(jù)集(MDS)的土壤質(zhì)量指數(shù)(圖1)。全數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI-TDS)介于0.23~0.85之間,平均值為0.47;最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)(SQI-MDS)介于0.24~0.93,平均值為0.51,略大于全數(shù)據(jù)集。由此說明,頤和園土壤質(zhì)量整體處于一般水平,39%樣地土壤質(zhì)量指數(shù)在0.40~0.60,45%樣地土壤質(zhì)量指數(shù)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(zhì)量最好,土壤質(zhì)量指數(shù)高達(dá)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(zhì)量最差,土壤質(zhì)量指數(shù)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(nèi)的國花臺,人為關(guān)注度較高,日常養(yǎng)護(hù)較為頻繁,而踐踏草坪區(qū)因人為踩踏,致使土壤板結(jié)、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(zhì)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(zhì)量指數(shù)并無顯著差異。
不同大寫及小寫字母分別表示全數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)和最小數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)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(yàn)
最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)選擇的合理性,直接影響土壤質(zhì)量評價(jià)的準(zhǔn)確性。本研究對最小數(shù)據(jù)集和全數(shù)據(jù)集的土壤質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行回歸分析,對最小數(shù)據(jù)集評價(jià)結(jié)果的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。從線性回歸分析結(jié)果(圖2)可知,兩者線性顯著相關(guān)(n=51,R2=0.877,P<0.01),表明研究建立的最小數(shù)據(jù)集評價(jià)體系,能較好地代替全數(shù)據(jù)集來反映區(qū)域土壤質(zhì)量。
圖2 最小數(shù)據(jù)集(MDS)的可靠性檢驗(yàn)Fig.2 Reliability verification of the minimum data set (MDS)
隨著對土壤質(zhì)量研究的深入,大量的數(shù)學(xué)方法被應(yīng)用到土壤質(zhì)量評價(jià)中并得到推廣。例如內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法[25]、灰色關(guān)聯(lián)分析法[26]、Topsis法[27]、物元法[28]、土壤質(zhì)量指數(shù)法[9]等。由于土壤質(zhì)量指數(shù)法(SQI)能很好地地評估管理措施對土壤質(zhì)量的影響,適合于土壤可持續(xù)管理,是應(yīng)用最為廣泛的方法。土壤質(zhì)量評價(jià)中可供選擇的指標(biāo)很多,主要分為物理、化學(xué)、生物與環(huán)境指標(biāo)四大類。在篩選評價(jià)指標(biāo)時,最小數(shù)據(jù)集(MDS)因包含了反應(yīng)土壤質(zhì)量最少的指標(biāo),簡單易行被廣泛應(yīng)用。構(gòu)建 MDS 的方法主要為專家經(jīng)驗(yàn)法、主成分分析(PCA)[29]、聚類分析(CA)[30]、典范對應(yīng)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(jié)合Norm值法篩選出MDS,包括物理指標(biāo)(土壤容重),化學(xué)指標(biāo)(全磷、電導(dǎo)率),生物指標(biāo)(細(xì)菌Shannon多樣性指數(shù))。土壤生物(細(xì)菌、真菌、原生生物和無脊椎動物)多樣性與多種生態(tài)系統(tǒng)功能(包括養(yǎng)分循環(huán)、分解、植物生產(chǎn)以及降低致病性等)顯著正相關(guān),在環(huán)境修復(fù)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(guān)性是由土壤生物多樣性間接驅(qū)動的[35]。由于當(dāng)前微生物測試技術(shù)與成本限制,土壤質(zhì)量評價(jià)中生物指標(biāo)選取較少。本研究將細(xì)菌Shannon多樣性指數(shù)納入全數(shù)據(jù)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(jìn)行回歸分析顯示二者顯著相關(guān),說明 MDS 能夠較好替代 TDS對頤和園土壤質(zhì)量進(jìn)行正確評價(jià)。
頤和園SQI分3個等級,牡丹種植區(qū)的土壤理化性質(zhì)呈現(xiàn)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(zhì)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(zhì)量較差(0.20