張維維，韓繼剛 ，張 琪，劉 文，何山文，安 磊，張曉霞2

（1.上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，城市困難立地生態(tài)園林國(guó)家林草局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200232；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；4.上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心，上海 200232）

土壤是維持生態(tài)系統(tǒng)功能和可持續(xù)性的重要基礎(chǔ)，人們對(duì)土壤質(zhì)量歷來(lái)非常重視，對(duì)土壤質(zhì)量的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了一個(gè)逐步深化的過(guò)程，陸續(xù)出現(xiàn)了“土壤質(zhì)量”“土壤健康”“土壤安全”等一些相似的概念和術(shù)語(yǔ)[1]。其中，“土壤質(zhì)量”和“土壤健康”這兩個(gè)概念在多數(shù)情況下是同義的，常常被互用[1-3]。目前被廣泛接受的土壤質(zhì)量的定義是：在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，土壤維持生物的生產(chǎn)力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量及促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力[4-5]。因此，土壤質(zhì)量是一個(gè)綜合概念，包括土壤肥力質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量和土壤健康質(zhì)量3個(gè)維度[6-7]。其中，土壤健康質(zhì)量是土壤質(zhì)量的重要組成部分，可定義為土壤影響或促進(jìn)人類和動(dòng)植物健康的能力[4-7]。土壤生物是土壤生態(tài)功能得以實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)因子，土壤健康質(zhì)量通常需要通過(guò)某種生物類群或群落的健康程度來(lái)反映。因此，對(duì)其評(píng)價(jià)主要集中在土壤的生物成分上[8-9]。近年來(lái)，一方面，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，城市化以及環(huán)境污染所導(dǎo)致的城市土壤質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重；另一方面，生態(tài)城市的建設(shè)對(duì)城市土壤特別是城市綠地土壤質(zhì)量提出了更高的要求[10-13]。在上海的研究表明，上海市綠地土壤普遍存在壓實(shí)嚴(yán)重、肥力下降等問(wèn)題，土壤重金屬和有機(jī)物污染呈加重趨勢(shì)[12-15]。同時(shí)，城市快速發(fā)展導(dǎo)致的綠地土壤生物總量減少、生物活性降低等土壤健康質(zhì)量問(wèn)題，已經(jīng)嚴(yán)重制約了城市綠地土壤生態(tài)功能的發(fā)揮[16-18]。因此，必須在以往偏重土壤肥力質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，更加重視對(duì)土壤健康質(zhì)量的評(píng)價(jià)[1，19]，不斷滿足城市建設(shè)和發(fā)展的需求。

目前，常用于評(píng)價(jià)土壤健康質(zhì)量的指標(biāo)主要包括土壤細(xì)菌、真菌等微生物群落和土壤蚯蚓、線蟲等動(dòng)物群落的生物量、活性、多樣性等[1，8-9，19]。其中，基于土壤微生物進(jìn)行土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)是更具代表性和可行性的方法，應(yīng)用更為普遍[1-2]。例如，近期歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)開展的一系列土壤健康監(jiān)測(cè)評(píng)估項(xiàng)目，如美國(guó)土壤健康路線圖[20]、北美土壤健康監(jiān)測(cè)評(píng)估項(xiàng)目[21]、歐盟土壤健康行動(dòng)[22]，均已將土壤微生物學(xué)指標(biāo)列為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。土壤微生物是土壤生物區(qū)系中重要的組成部分，在土壤結(jié)構(gòu)形成、養(yǎng)分分解和轉(zhuǎn)化、污染物質(zhì)降解等方面均發(fā)揮著關(guān)鍵作用，對(duì)土壤微生物進(jìn)行評(píng)估能夠綜合反映土壤健康質(zhì)量的總體情況[19，23-24]。同時(shí)，土壤微生物對(duì)外界環(huán)境變化十分敏感，可快速、準(zhǔn)確地反映土壤質(zhì)量的變化，預(yù)測(cè)土壤質(zhì)量未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[2，25]。在眾多土壤微生物學(xué)指標(biāo)中，微生物生物量碳、土壤呼吸以及與土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)的胞外酶活性是目前土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中應(yīng)用最多的指標(biāo)[1-2，25]。隨著土壤生物學(xué)的快速發(fā)展，特別是基于DNA、RNA等分子生物學(xué)方法的廣泛應(yīng)用，使高效、快速地測(cè)定土壤微生物多樣性和土壤關(guān)鍵生態(tài)過(guò)程成為可能[26]。因此，有學(xué)者建議在土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)中引入微生物多樣性、功能基因豐度、病原菌豐度等基于分子生物學(xué)方法的指標(biāo)[1-2，27]。盡管土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)已成為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中不可或缺的重要組成部分，但是如何量化和評(píng)價(jià)土壤健康質(zhì)量還存在著很大的挑戰(zhàn)，目前還未形成公認(rèn)或統(tǒng)一的土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和定量化的綜合評(píng)價(jià)方法[1-3]。主要原因是：（1）大部分土壤微生物學(xué)指標(biāo)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的取樣和測(cè)樣方法；（2）土壤微生物易受多種因素影響，指標(biāo)變異性較大；（3）大部分指標(biāo)缺乏被廣泛接受的評(píng)價(jià)閾值和對(duì)土壤生態(tài)功能明確的解釋[1，28]。此外，近期提出的分子生物學(xué)相關(guān)指標(biāo)還存在測(cè)定費(fèi)用高、數(shù)據(jù)處理和分析過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題，也在一定程度上制約了它們?cè)谕寥蕾|(zhì)量評(píng)價(jià)中的大規(guī)模應(yīng)用。

上海是我國(guó)人口最多的超大型城市，也是我國(guó)快速城市化的典型代表之一[29]。本文基于上海市228個(gè)綠地表層土壤和14個(gè)土壤微生物學(xué)指標(biāo)，采用主成分分析、Pearson相關(guān)性分析等分析方法，擬建立城市綠地土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，并以此為基礎(chǔ)，采用康奈爾土壤健康評(píng)價(jià)方法對(duì)上海市綠地表層土壤進(jìn)行健康質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)，以期為城市綠地土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)分級(jí)和科學(xué)管理提供參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

上海市位于我國(guó)東部長(zhǎng)江三角洲沖積平原的前緣，介于120°52′～122°12′E、30°40′～31°53′N之間，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。年平均氣溫為15.8℃，年平均降水量為1122 mm[30]。上海市屬于平原地貌，主要土壤類型為水稻土、濱海鹽土、灰潮土和黃棕壤土[15，31]。上海市擁有徐匯區(qū)、靜安區(qū)、黃浦區(qū)、崇明區(qū)等16個(gè)市轄區(qū)，總面積6340 km2[32]。

1.2 土壤樣品采集與處理

公園綠地和道路綠地是上海市最主要的綠地類型[32]，本研究在全市16個(gè)行政區(qū)范圍內(nèi)選擇代表性公園和道路設(shè)置采樣點(diǎn)。每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置5個(gè)子樣點(diǎn)，每個(gè)土壤樣品由5個(gè)子樣等量混合組成，樣品采集深度為0～20 cm。共采集土壤樣品228個(gè)，包括公園綠地土壤樣品148個(gè)，道路綠地土壤樣品80個(gè)（表1）。土壤樣品采集于2019年5月。采樣完成后，將樣品充分混合，過(guò)2 mm篩。采用四分法將樣品分成2份，1份于4℃保存，用于土壤微生物量碳、土壤呼吸和酶活性測(cè)定；1份于-20℃保存，用于土壤細(xì)菌、真菌、古菌豐度測(cè)定。本研究采集土壤樣品的土壤質(zhì)地均為粉砂壤土或粉（砂）質(zhì)粘壤土；大部分土壤存在一定程度的壓實(shí)，土壤容重范圍為0.89～1.75 g/cm3，平均值為（1.40±0.13）g/cm3（均值±標(biāo)準(zhǔn)差，下同）；土壤以堿性土為主，pH范圍為5.53～8.55，平均值為7.79±0.34；土壤有機(jī)質(zhì)含量范圍為6.29～75.80 g/kg，平均值為（24.00±11.46）g/kg。

表1 采樣點(diǎn)分布情況 （個(gè)）

1.3 指標(biāo)測(cè)定

采用氯仿熏蒸法測(cè)定土壤微生物量碳[33]；采用密閉靜置培養(yǎng)測(cè)二氧化碳法測(cè)定土壤呼吸[34]；代謝熵由土壤呼吸與微生物量碳的比值計(jì)算[9]；微生物熵由微生物量碳與有機(jī)碳的比值計(jì)算[9]；采用分光光度法測(cè)定土壤酚氧化酶、葡萄糖甘酶、木聚糖酶和堿性磷酸酶活性，測(cè)定所用底物分別為左旋多巴、4-硝基苯-β-D-吡喃葡萄糖苷、木聚糖和對(duì)硝基苯磷酸鈉[35-36]。土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶活性采用試劑盒（北京索萊寶科技有限公司）進(jìn)行測(cè)定。

采用土壤DNA提取試劑盒（MoBio Laboratories，Carlsbad，Inc.，CA，USA）提取土壤樣品的DNA。采用LightCycler?96實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀進(jìn)行土壤細(xì)菌16S rDNA、真菌18S rDNA、古菌16S rDNA的基因拷貝數(shù)測(cè)定，PCR引物分別為338F/518R、SSU-0817F/SSU-1196R和344F/915R[37-39]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 25.0進(jìn)行主成分分析、Pearson相關(guān)性分析，構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集，確定指標(biāo)權(quán)重。

通過(guò)主成分分析，將每個(gè)特征值≥1的主成分中載荷絕對(duì)值≥0.5的土壤微生物學(xué)指標(biāo)篩選出來(lái)，作為一組；若某指標(biāo)同時(shí)在2個(gè)主成分中載荷絕對(duì)值≥0.5，則該指標(biāo)被劃分到與其他指標(biāo)相關(guān)性較低的那一組[40-41]。根據(jù)指標(biāo)Norm值對(duì)指標(biāo)進(jìn)一步篩選，每組中僅保留Norm值最大的指標(biāo)以及與最大Norm值相差在10%以內(nèi)的指標(biāo)[40-41]。對(duì)每組內(nèi)保留的指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，若指標(biāo)間高度相關(guān)（相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值≥0.5），則僅保留Norm值最高的指標(biāo)；若指標(biāo)間無(wú)顯著相關(guān)性或相關(guān)系數(shù)較低（相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值＜0.5），則該組內(nèi)指標(biāo)均保留[42]。之后，對(duì)全部保留的指標(biāo)再次進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，并將相關(guān)性較高的指標(biāo)去除[42]，最終保留下來(lái)的指標(biāo)則為所有指標(biāo)的最小數(shù)據(jù)集。

將最小數(shù)據(jù)集中指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得到最小數(shù)據(jù)集中指標(biāo)的公因子方差，指標(biāo)權(quán)重根據(jù)各指標(biāo)公因子方差占公因子方差總和的比例確定[40]。

采用康奈爾土壤健康評(píng)價(jià)方法對(duì)土壤健康質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)累積頻率曲線對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行賦值[43-44]。具體步驟為：（1）將最小數(shù)據(jù)集中每一指標(biāo)測(cè)得的指標(biāo)值按從小到大的順序排列，計(jì)算各指標(biāo)值的累積頻率曲線；（2）累積頻率曲線中，累積頻率≤25%的指標(biāo)值對(duì)應(yīng)的評(píng)分函數(shù)值為1，累積頻率≥75%的指標(biāo)值對(duì)應(yīng)的評(píng)分函數(shù)值為10；（3）在累積頻率為25%的指標(biāo)值和累積頻率為75%的指標(biāo)值之間進(jìn)行線性插值，獲得評(píng)分函數(shù)值為2～9所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值；（4）各指標(biāo)評(píng)分函數(shù)值加權(quán)求和，即為土壤健康質(zhì)量綜合得分[43-44]。

土壤健康質(zhì)量綜合得分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：綜合得分＜4.0，土壤健康質(zhì)量“很低”；綜合得分在4.0～5.5之間，土壤健康質(zhì)量“低”；綜合得分在5.5～7.0之間，土壤健康質(zhì)量“中等”；綜合得分在7.0～8.5之間，土壤健康質(zhì)量“較高”；綜合得分≥8.5，土壤健康質(zhì)量“高”[43-44]。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠地土壤微生物學(xué)指標(biāo)特征

本文對(duì)上海市綠地土壤14個(gè)微生物學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。由表2可知，土壤樣品微生物量碳范圍為63.28～876.39 mg/kg，平均值為（429.31±182.54）mg/kg，變異系數(shù)為42.5%。土壤樣品微生物熵范圍為0.31%～13.21%，平均值為（3.60±2.10）%，變異系數(shù)為58.2%。土壤樣品古菌豐度范圍為8.47×106～5.24×109拷貝數(shù)/g，平均值為（7.66×108±8.96×108）拷貝數(shù)/g，變異系數(shù)為116.9%；細(xì)菌豐度范圍為1.23×109～5.71×1011拷貝數(shù)/g，平均值為（2.59×1010±4.45×1010）拷貝數(shù)/g，變異系數(shù)為171.8%；真菌豐度范圍為5.93×103～1.50×108拷貝 數(shù)/g，平均值為（9.59×106±1.72×107）拷貝數(shù)/g，變異系數(shù)為179.1%。

表2 土壤微生物學(xué)指標(biāo)描述性統(tǒng)計(jì)

土壤呼吸范圍為0.01～0.88 CO2mg/（g·d），平均值為（0.28±0.14）CO2mg/（g·d），變異系數(shù)為50.7%。代謝熵范圍為0.61～158.90 mg/（g·h），平均值為（33.46±23.82）mg/（g·h），變異系數(shù)為71.2%。

土壤樣品酚氧化酶活性范圍為0.02～3.15 μmol/（g·h），平均值為（0.71±0.60） μmol/（g·h），變異系數(shù)為84.5%；葡萄糖苷酶活性范圍為0.02～1.50 μmol/（g·h），平均值為（0.38±0.25） μmol/（g·h），變異系數(shù)為64.5%；堿性磷酸酶活性范圍為0.13～4.73 μmol/ （g·h），平均值為（2.38±1.08 ）μmol/（g·h），變異系數(shù)為45.5%；木聚糖酶活性范圍為0.08～2.71 μmol/（g·h），平均值為（0.51±0.44） μmol/（g·h），變異系數(shù)為86.3%；脲酶活性范圍為0.15～2.88 μmol/ （g·h），平均值為（0.80±0.38） μmol/（g·h），變異系數(shù)為47.3%；蔗糖酶活性范圍為0.91～18.23 μmol /（g·h），平均值為（5.78±2.40） μmol/（g·h），變異系數(shù)為41.5%；脫氫酶活性范圍為0.07～4.59 U/g，平均值為（1.89±0.98）U/g，變異系數(shù)為51.6%。

其中，土壤細(xì)菌、真菌、古菌豐度變異系數(shù)高于100%，屬于高度敏感指標(biāo)；其他11個(gè)指標(biāo)變異系數(shù)在10%～100%之間，為中度敏感指標(biāo)[45]。

2.2 最小數(shù)據(jù)集構(gòu)建

對(duì)228個(gè)土壤樣品的14個(gè)微生物學(xué)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示，前5個(gè)主成分的特征值≥1，方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為64.944%，說(shuō)明前5個(gè)主成分能夠在一定程度上解釋土壤微生物學(xué)指標(biāo)的變異性（表3）。因此，通過(guò)主成分分析將14個(gè)土壤微生物學(xué)指標(biāo)提取成5個(gè)主成分。

表3 土壤微生物學(xué)指標(biāo)主成分特征值

根據(jù)指標(biāo)在各主成分上的載荷，將14個(gè)指標(biāo)分為5組，微生物量碳、古菌豐度、堿性磷酸酶、細(xì)菌豐度、蔗糖酶和脫氫酶為第1組，代謝熵和微生物熵為第2組，土壤呼吸和酚氧化酶為第3組，脲酶為第4組，木聚糖酶為第5組（表4）。第1組中，Norm值最大的指標(biāo)為微生物量碳，其值為1.409，堿性磷酸酶、細(xì)菌豐度、蔗糖酶、脫氫酶的Norm值與微生物量碳Norm值相差超過(guò)10%，將堿性磷酸酶、細(xì)菌豐度、蔗糖酶和脫氫酶去除，第1組保留微生物量碳和古菌豐度。第2組中Norm值最大的指標(biāo)為代謝熵，其值為1.375，微生物熵與代謝熵Norm值相差超過(guò)10%，將微生物熵去除，保留代謝熵。第3組中，Norm值最大的指標(biāo)為土壤呼吸，其值為1.162，酚氧化酶與土壤呼吸Norm值相差超過(guò)10%，將酚氧化酶去除，保留土壤呼吸。第4組和第5組均僅有一個(gè)指標(biāo)，均保留。第1組中，微生物量碳和古菌豐度不存在顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)僅為0.073，因此，這兩個(gè)指標(biāo)均進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集（表5）。通過(guò)以上篩選，保留的指標(biāo)有微生物量碳、古菌豐度、代謝熵、土壤呼吸、脲酶和木聚糖酶。其中，代謝熵與微生物量碳和土壤呼吸的相關(guān)系數(shù)分別為-0.628和0.543，相關(guān)性較強(qiáng)，將代謝熵剔除。綜上所述，最終進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集的指標(biāo)包括微生物量碳、古菌豐度、土壤呼吸、脲酶和木聚糖酶。

表4 土壤微生物學(xué)指標(biāo)主成分因子載荷、分組及Norm值

表5 土壤微生物學(xué)指標(biāo)間Pearson相關(guān)性分析

通過(guò)主成分分析計(jì)算土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集中各指標(biāo)公因子方差，根據(jù)公因子方差計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。由表6可得，土壤呼吸權(quán)重最高，為0.251；其次是脲酶、木聚糖酶和古菌豐度；微生物量碳的貢獻(xiàn)最低，為0.102。

表6 土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集指標(biāo)公因子方差及權(quán)重

2.3 土壤健康質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 指標(biāo)值的確定

根據(jù)各指標(biāo)累積頻率曲線確定評(píng)分函數(shù)值對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值，結(jié)果見表7，以微生物量碳為例，微生物量碳＞562.86 mg/kg，評(píng)分函數(shù)值為10；微生物量碳＜289.63 mg/kg，評(píng)分函數(shù)值為1；微生物量碳在289.63～562.86 mg/kg之間，評(píng)分函數(shù)值通過(guò)線性差值獲得。

表7 土壤微生物學(xué)指標(biāo)值

2.3.2 土壤健康質(zhì)量綜合得分計(jì)算

將各指標(biāo)評(píng)分函數(shù)值加權(quán)求和，獲得各土壤樣品土壤健康質(zhì)量綜合得分。土壤樣品健康質(zhì)量綜合得分范圍為1.08～10.00，平均值為5.16±1.94，變異系數(shù)為37.6%。其中，綜合得分＜4.0的樣品比例為29.4%，土壤健康質(zhì)量屬于“很低”；綜合得分在4.0～5.5之間的樣品比例為28.1%，土壤健康質(zhì)量屬于“低”；綜合得分在5.5～7.0之間的樣品比例為25.4%，土壤健康質(zhì)量屬于“中等”；綜合得分在7.0～8.5之間的樣品比例為10.5%，土壤健康質(zhì)量屬于“較高”；綜合得分≥8.5的樣品比例為6.6%，土壤健康質(zhì)量屬于“高”（圖1）。其中，楊浦區(qū)、嘉定區(qū)、松江區(qū)綠地土壤樣品健康質(zhì)量綜合得分平均值高于5.5，且綠地土壤健康質(zhì)量整體情況優(yōu)于其他行政區(qū)（圖2）。

圖1 上海市綠地土壤健康質(zhì)量綜合得分分布頻率

圖2 上海市16個(gè)行政區(qū)綠地土壤健康質(zhì)量綜合得分

3 討論

城市綠地是城市生態(tài)系統(tǒng)中唯一有生命的基礎(chǔ)設(shè)施，具有固碳釋氧、維持生物多樣性、改善城市小氣候等多種生態(tài)功能[10]。綠地土壤作為整個(gè)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換的中心環(huán)節(jié)，了解土壤健康質(zhì)量現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)對(duì)于維持城市綠地的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[10]。

正確地選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)，是科學(xué)地揭示土壤健康質(zhì)量的前提，會(huì)直接影響土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確程度。由于評(píng)價(jià)土壤健康質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)眾多，為避免數(shù)據(jù)冗余等問(wèn)題，從候選指標(biāo)中篩選出具有代表性的最小數(shù)據(jù)集是科學(xué)評(píng)價(jià)土壤健康質(zhì)量的首要步驟[3]。目前，指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集的建立主要基于專家判斷[4]或相關(guān)分析、主成分分析、冗余分析、判別分析和多重回歸分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[46-49]。其中，主成分分析法應(yīng)用最為廣泛，它通過(guò)線性組合將候選指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)獨(dú)立的且能夠反映總體信息的代表性指標(biāo)[50]?；谥鞒煞址治鰳?gòu)建最小數(shù)據(jù)集的方法已廣泛應(yīng)用于土壤肥力質(zhì)量、環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究中[40-42]。本研究主要采用主成分分析方法，同時(shí)結(jié)合Pearson相關(guān)分析，從14個(gè)土壤微生物學(xué)指標(biāo)中篩選獲得5個(gè)代表性的核心指標(biāo)，構(gòu)建了城市綠地土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集。該研究方法以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，客觀性較強(qiáng)，篩選獲得的指標(biāo)能夠在很大程度上代替候選指標(biāo)對(duì)土壤健康質(zhì)量進(jìn)行正確分析，并且不會(huì)存在信息疊加或遺漏的現(xiàn)象[3]。

本研究建立的城市綠地土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集由土壤呼吸、脲酶活性、木聚糖酶活性、古菌豐度和微生物量碳5個(gè)指標(biāo)構(gòu)成。其中，前3個(gè)指標(biāo)主要反映土壤微生物的活性，后兩個(gè)指標(biāo)反映土壤微生物的數(shù)量，指標(biāo)涵蓋范圍較為全面。土壤呼吸表征土壤微生物的總體活性，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中，土壤呼吸也是最常用的生物學(xué)指標(biāo)之一[1-2]。土壤酶直接參與土壤化學(xué)元素循環(huán)，其活性在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[1-2]。由于土壤酶具有一定的專一性，因此可以反映參與某種特定生態(tài)過(guò)程的微生物的活性[2]。本研究最小數(shù)據(jù)集中木聚糖酶和脲酶分別與土壤碳、氮元素循環(huán)密切相關(guān)，可表征參與土壤碳、氮元素循環(huán)的微生物的活性。而在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中應(yīng)用較為普遍的脫氫酶、磷酸酶并未最終入選最小數(shù)據(jù)集，可能與城市綠地土壤重金屬污染相對(duì)嚴(yán)重，脫氫酶、磷酸酶活性被抑制有關(guān)[51-52]。微生物量碳是從整體上反映土壤微生物群落的數(shù)量，對(duì)土壤質(zhì)量的變化反應(yīng)靈敏[9]。古菌是土壤微生物群落中最主要的類群之一，過(guò)去人們普遍認(rèn)為古菌僅存在于極端環(huán)境中，利用古菌表征土壤質(zhì)量的研究相對(duì)較少[50]。但隨著分子生態(tài)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，古菌在中溫環(huán)境中被大量發(fā)現(xiàn)，并且在土壤碳、氮等關(guān)鍵元素循環(huán)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[53]。本研究結(jié)果表明，土壤古菌豐度與細(xì)菌、真菌豐度高度相關(guān)，但古菌豐度入選最小數(shù)據(jù)集，說(shuō)明古菌豐度對(duì)綠地土壤健康質(zhì)量的影響可能高于細(xì)菌、真菌豐度。原因可能是，城市綠地土壤壓實(shí)比較嚴(yán)重，土壤通氣性差、氧氣不足，而與細(xì)菌、真菌相比，古菌在低氧環(huán)境中適應(yīng)性更強(qiáng)[14，54]。另外，基于主成分分析確定各指標(biāo)權(quán)重的結(jié)果表明，3種土壤微生物活性相關(guān)的指標(biāo)在反映土壤健康質(zhì)量中的貢獻(xiàn)高于微生物數(shù)量相關(guān)的指標(biāo)。本研究中建立的城市綠地土壤健康質(zhì)量指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集，是進(jìn)一步準(zhǔn)確、定量化評(píng)價(jià)綠地土壤健康質(zhì)量的基礎(chǔ)。但是也應(yīng)注意，14個(gè)微生物學(xué)指標(biāo)歸為5個(gè)主要成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率僅有64.944%，雖然能夠從一定程度上反映綠地土壤健康質(zhì)量概況，但仍有一定的局限性。在今后的研究中，應(yīng)引入蚯蚓、線蟲等土壤動(dòng)物學(xué)指標(biāo)，構(gòu)建更全面的城市綠地土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

與土壤理化指標(biāo)相比，土壤微生物學(xué)指標(biāo)更為復(fù)雜，指標(biāo)的變異性較大，并且缺少被廣泛接受的參考閾值[1，28]。本研究所選擇的康奈爾土壤健康評(píng)價(jià)法，指標(biāo)評(píng)分函數(shù)值可由研究區(qū)域的數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，能夠解決土壤微生物學(xué)指標(biāo)無(wú)參考閾值的問(wèn)題[55]。本研究共設(shè)置228個(gè)采樣點(diǎn)，點(diǎn)位數(shù)量較多，同時(shí)包括了上海市主要的綠地類型和地上植被類型，各指標(biāo)最大、最小值之間差距均較大，基本涵蓋了上海市各種質(zhì)量等級(jí)的綠地土壤。因此，基于本研究數(shù)據(jù)確定的各指標(biāo)評(píng)分函數(shù)值代表性、科學(xué)性較強(qiáng)。另外，康奈爾土壤健康評(píng)價(jià)法計(jì)算簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確性強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有較強(qiáng)的優(yōu)越性[3，43-44]。通過(guò)康奈爾土壤健康評(píng)價(jià)法對(duì)上海市綠地土壤健康質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示，上海市大部分綠地土壤樣品（57.5%）健康質(zhì)量處于“很低”或“低”水平。原因可能是：（1）城市中枯枝落葉被及時(shí)清理，阻斷了土壤養(yǎng)分的歸還途徑，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量降低[14-15]；（2）綠地土壤受到強(qiáng)烈的人為干擾，土壤中重金屬、有機(jī)污染物等污染物質(zhì)存在不同程度的積累，可能對(duì)微生物產(chǎn)生直接或間接的毒害作用[11-13]，從而限制了土壤中微生物的生存及生態(tài)功能的發(fā)展。

4 結(jié)論

采用主成分分析方法，結(jié)合Pearson相關(guān)分析，篩選出土壤呼吸、脲酶活性、木聚糖酶活性、古菌豐度和微生物量碳5項(xiàng)指標(biāo)，建立了城市綠地土壤健康質(zhì)量評(píng)價(jià)最小數(shù)據(jù)集。利用主成分分析法確定了最小數(shù)據(jù)集中各指標(biāo)權(quán)重，其中，土壤呼吸權(quán)重最高，為0.251；微生物量碳權(quán)重最低，為0.102。采用康奈爾土壤健康評(píng)價(jià)法對(duì)上海市綠地土壤健康質(zhì)量進(jìn)行了量化評(píng)價(jià)，其中57.5%的綠地土壤樣品健康質(zhì)量處于“很低”或“低”水平。研究結(jié)果對(duì)科學(xué)評(píng)估城市綠地土壤健康質(zhì)量高低，實(shí)現(xiàn)城市綠地土壤科學(xué)管理有著重要意義。