徐娴雅 胥一波
关键词：城市生态;垂直森林建筑;土壤微生物;a多样性;b多样性
0引言
城市化过程中发生的土地利用类型改变是人类破坏自然生态系统的主要形式之一[1-2].在城市中绿地占比面积较小且以破碎化状态分布，导致城市生物多样性的维持面临极大挑战，威胁本已脆弱的城市生态系统服务功能，进而影响城市居民的生活品质[3-4].尽管已有越来越多的城市在规划时加大绿地建设投入，但是在城市生态系统中开展生物多样性保护的关键“瓶颈”在于城市极其有限的空间导致绿化用地紧缺[2，5].因此，为了尽可能地增加城市绿地面积，利用建筑物外表进行绿化已成为改善城市生态环境、保护生物多样性的一种重要措施，也是“海绵城市”建设的必要组成部分[6-7].然而，目前建筑物绿化的重点普遍集中于屋顶，而其他建筑表面的绿化利用效率较低[8-9].
为了更好地开发建筑物侧面的绿化潜力，提升建筑对城市生物多样性保护的贡献，生态建筑设计 师联合了包括植物学、动物学、生态学专家在内的团队，于2007年在意大利米兰启动了垂直森林建筑设计和建设项目，并于2014年10月完成了首批共两座垂直森林建筑并交付使用.该设计方案将乔木与灌木运用于建筑立面绿化，种植在垂直森林建筑单体侧面总面积达到8900m2的露台上[10-11]（图1）.此外，基于城市生态学中近自然林的人工绿地设计理念，选取建筑周边约5km范围内城市公园中较常见的本土植物品种用于垂直森林绿化[12].尽管垂直森林设计对地表植物群落进行了妥善保护，但是并未考虑对城市生态系统中其他生物类群开展保护.土壤微生物群落对整个绿地系统的新陈代谢以及植物生长起到决定性作用，是影响生态系统服务功能的关键因素[13-14].然而，目前尚不明确垂直森林建筑绿化中土壤微生物群落组成与多样性格局，因而无法检验该种建筑绿化方式是否对城市土壤微生物多样性的维持具有重要贡献.
因此，本研究采集位于米兰的两座垂直森林与其周边绿地中的土壤样品，通过基于二代测序的高通量基因条形码技术（meta-barcoding），分析垂直森林绿化中土壤细菌、真菌与微型动物这3类主要的土壤微生物的物种组成与多样性水平，并与周边绿地中的土壤微生物群落进行比较，以此检验垂直森林绿化方式对城市土壤微生物多样性的贡献.
1材料与方法
1.1 研究对象
位于意大利米兰市区的首批两座垂直森林建筑（45°29"N，9°11"E）分别高80m（D座）和112m（E座），共包含113户居住单位.米兰垂直森林建筑突破传统藤木植物和小灌木种植绿化理念，在每座建筑中将711棵3～9m高的乔木种植于建筑侧面的露台中，同时这些露台中还种植了5000株灌木和15000株草本植株（表1）.此外，建筑设计团队针对风、灌溉、湿度、日照等一系列实际问题，制定了一套植物的培育、迁移和养护方案[10].自2014年建成，首批垂直森林建筑已正常使用了6年，目前綠化植物总体长势良好.
1.2 样品采集
于2019年7月对土壤样品进行采集.在两座垂直森林塔楼中（D座与E座）共设置40个采样地点（即每座建筑各20个垂直森林露台）.在每座建筑中各个侧面都设置了5个采样地点，位于不同的5个层高区域，每个区域中随机选择1个露台作为采样地点（图2）.同时，在周边绿地中随机选取5个采样地点作为参照进行土壤样品采集.
在每个采样点中，采用对角线法选取1m×1m的正方形样地的4个顶点与对角线交点进行表层土壤样品采集，采集深度为20cm的土壤.在去除植被根系后，将同一平台中获取的5份土壤样品充分混匀，将其作为一份测试样品，用于土壤微生物种类的鉴定.在提取环境DNA前，所有测试样品置于℃环境中妥善保存.
1.3 基因条形码选择与高通量测序
采用环境生物DNA提取试剂盒提取土壤微生物的总DNA.DNA浓度与纯度使用NanoDrop2000分析仪进行检测，并采用1%琼脂糖凝胶电泳技术检测DNA片段的完整性.采用16SrRNA、ITS与COI基因作为条形码标记分别对土壤DNA样品中的真菌、细菌和土壤微型动物（属于后生动物门（Metazoa）的微型动物）种类进行分析鉴定（深圳华大基因科技有限公司（BGI））（表2）.合成这3个基因的通用引物采用基因扩增仪（ABIGeneAmp?9700）进行PCR扩增（反应退火温度为53～57℃，循环数均为35），使用AgencourtAMPureX磁珠对PCR扩增产物进行纯化，使用Agilent2100Bioanalyzer对扩增基因片段范围及浓度进行检测.检测合格后，根据Illumina测序平台（Illumina，SanDiego，USA）标准操作规程构建PE300测序文库，采用IlluminaMiseq平台进行测序.使用软件Trimmomatic进行数据质控，采用Q20指标对初始测序数据（RawData）中的碱基进行质检，过滤低质量reads，产生CleanData.采用软件FLASH（FastLengthAdjustmentofShortReads）version1.2.11设置50bp滑动窗口和最小重叠序列10bp进行reads序列拼接，获取条形码基因的变异信息.将拼接后无法延长的序列片段作为基本数据处理单位进行OTU（OperationalTaxonomicUnit）聚类.
1.4 数据分析
1.4.1OTU聚类分析
使用软件UPARSEversion7.1（http：//drive5.com/uparse/），根据97%的相似度对序列进行OTU聚类.采用软件RDPclassifier（http：//rdp.cme.msu.edu/）将聚类后的序列数据比对至Silva数据库，对每条序列进行物种分类注释，设置比对阈值为70%.在GenBank数据库中进行Blast，对每条OTU进行比对搜索，以E<10–5为阈值寻找最相似的序列片段，进而确定OTU所属的分类单位（属或种），完成分类鉴定.由于COI位点也能检测到部分真菌与藻类的序列信息，因此在分析时将这些序列所对应的OTUs去除，仅保留后生动物门物种OTU信息用以土壤微型动物群落组成分析.E1E90740-0DC0-4343-A25B-1540B459E182
1.4.2a多样性分析
采用R软件包Veganversion2.5-6进行a多样性分析.以OTU为基本分类单元，采用ObservedOTU、Chao、Shannon、Simpson等多样性指数分析、比较各物种类群的a多样性水平.此外，通过随机抽样的方式，绘制各多样性指数随OTU样本量增加而变化的稀释曲线，以反映样品取样力度是否充分.
1.4.3土壤微生物群落聚类分析
在每个土壤微生物类群中，采用非度量多维尺度（Non-metricMultidimensionalScaling，NMDS）方法对不同样品中的土壤微生物群落进行特征分类.将两种分析方法得到的最重要的两个维度进行可视化处理，根据样品间离散程度可以反映出不同样品间土壤微生物群落的相似性.上述分析采用R软件包Veganversion2.5-6.
1.4.4b多样性分析
为了进一步分析各微生物类群在样品间存在的差异，采用软件QIIMEversion1.80进行b多样性分析.根据序列数最少的样品对其他样品进行序列随机抽取，生成新的OTUtablebiom文件，并采用unweightedUniFrac指数计算b多样性距离.该指数在比较样品间的群落结构差异时也考虑了OTU序列间的遗传距离，该指数越大，表示样品间的差异越大.根据unweightedUnifrac距离矩阵做UPGMA聚类分析可以直观地展示样品间群落特征差异.
1.4.5差异分类单元筛选
为了揭示不同样本组别（垂直森林D座、垂直森林E座和周边绿地）间土壤微生物群落组成存在差异的主要成因，基于样本中各分类单元的多度数据，采用Wilcox秩和检验与基于Turkey-Kramer方法的post-hoc检验，并采用FDR校正法筛选土壤细菌、真菌与微型动物中在不同样本组别间相对多度存在显著差异的纲一级分类单元.
2结果
2.1 数据质控与OTU聚类
采用高通量测序技术对各土壤样品中不同土壤微生物类群的特异性基因片段进行测序，在每个样品中分别获得约37.5Mb的土壤细菌（16SrRNA基因）与土壤真菌（ITS基因）的测序数据（CleanData）以及约10.2Mb的COI基因测序数据.各样品测序数据经质控、拼接后获得至少7万条16SrRNA基因、9万条ITS基因与1.6万条COI基因序列用于OTU聚类分析.
对16SrRNA与ITS基因序列进行OTU聚类，共计发现6721种细菌OTUs以及4300种真菌OTUs，其中多度最高的优势细菌物种来自假单胞菌属（Pseudomonas），优势真菌物种为来自肉座菌目（Hypocreales）的Ilyonectriamacrodidyma.经OUT聚类和筛选后，COI基因序列中共发现3621种土壤微型动物（后生动物门）OTUs，其中千足蟲科（Blaniulidae）物种Choneiuluspalmatus为多度最高的优势物种.在每个土壤样品中共发现1913～3145种细菌OTUs、285～777种真菌OTUs以及134～495种土壤微型动物OTUs.
土壤细菌群落中，垂直森林D座土壤中的细菌OTU数量最多，达6284种;E座土壤次之，为6160种;而周边绿地中的土壤细菌OTU数量较少，仅为4556种（图3（a））.所有细菌中54.4%的OTUs为3种样本组别共有，两座垂直森林建筑共享84.5%的细菌OTUs;同时，周边绿地土壤细菌OTU总数的92.8%（4226种）也存在于两座垂直森林建筑中（图3（a））.因此，3种样本组别的土壤细菌群落组成相似.土壤真菌群落中，垂直森林D座土壤中的真菌OTU数量最多，达2854种;E座土壤次之，为2721种;而周边绿地中的土壤真菌OTU数量为1750种（图3（b））.与土壤细菌群落有所不同的是，仅17.7%的土壤真菌OTUs为3种样本组别共有，两座垂直森林建筑也仅共享44.7%的真菌OTUs，而各样本组别中特有真菌OTU的数量较多，占真菌总OTUs的47.3%（图3（b））.土壤微型动物群落格局与土壤真菌群落相似，3种样本组别仅共享10.1%的微型动物OTUs，且各样本组别中特有微型动物OTU数量较多，占微型动物总OTUs的57.3%（图3（c））.因此，不同样本组别间土壤真菌与微型动物群落物种组成存在较大差异.
2.2 a多样性
尽管在各生物类群中不同样品间各项a多样性指数存在较大差异，但是不同样本组别中各项a多样性指数均无显著差异（p>0.05）（图4）.这些结果说明，垂直森林建筑与周边绿地间单个样品中土壤微生物多样性无明显差异.此外，多样性稀释曲线分析的结果表明，在大部分土壤样品中的细菌、真菌与微型动物群落各a多样性指数的变化幅度随抽样OTU数量增加而逐渐减小（图5），说明测序力度充分，能够准确地反映各样品中不同生物类群的a多样性.
2.3 土壤微生物群落聚类
采用非度量多维尺度方法（NMDS）的分析结果表明，各土壤微生物类群具有相似的聚类格局（图6（a）—（c））.尽管各垂直森林建筑中的土壤样品间在同一生物类群的群落组成上存在一定差异，但是两座垂直森林建筑中各样品集中于同一区域且相互重叠，表明这些样品具有相似的土壤群落特征，而周边绿地与两座垂直森林建筑间群落特征差异较大.
2.4 b多样性
采用unweightedUniFrac指数计算样品间各生物类群b多样性并进行聚类分析.结果表明，周边绿地样品的土壤细菌和真菌群落组成与两座垂直森林建筑中的样品相比差异较大，而不同垂直森林建筑中样品则往往聚为同类，说明周边绿地与垂直森林建筑间存在较高的b多样性（图6（d）—（e））.然而，土壤微型动物的b多样性聚类结果与以上两个生物类群存在一定差异.尽管在聚类时2个周边绿地样品率先与其他样品分离，但是垂直森林D座中的一个样品（D03V06）却与其他样品存在较大差异，单独形成一个二级分支，并且，其余2个周边绿地样品与垂直森林D座和E座中各一个样品聚为一类（图6（f））.这些结果说明，不同样本组别中各样品间土壤微型动物群落组成差异较大.E1E90740-0DC0-4343-A25B-1540B459E182
2.5 差异分类单元筛选
采用Wilcox秩和检验对不同样本组别中各生物类群纲一级分类单元的相对多度进行比较检验.结果表明，土壤细菌群落中仅有1个纲一级分类单元在两座垂直森林建筑间有显著差异（p<0.05），而周遭绿地与两座垂直森林建筑间分别有24个和17个纲一级分类单元存在显著差异（p<0.05）;在土壤真菌群落中，两座垂直森林建筑间以及D座与周遭绿地间无显著差异的纲一级分类单元（p>0.05），仅E座与周遭绿地间存在1个具有显著差异的纲一级分类单元（p<0.05）;在土壤微型动物中，两座垂直森林建筑间中无显著差异的纲一级分类单元（p>0.05），而周遭绿地与两座垂直森林建筑间分别有4个（水螅纲（Hydrozoa）、蛭形轮虫纲（Bdelloidea）、色矛纲（Chromadorea）和多毛纲（Polychaeta））与1个（水螅纲（Hydrozoa））纲一级分类单元存在显著差异（p<0.05）.上述结果从一定程度上揭示了两座垂直森林建筑间土壤微生物群落结构差异较小，而与周边绿地差异较大的原因.
3讨论
通常认为，城市扩张与绿化用地间存在着不可调和的矛盾，有限的绿化面积不利于城市生物多样性的维持[1].垂直森林是一种充分利用建筑物侧面拓展城市森林绿地的设计理念，为解决城市绿化用地紧缺问题提供了可行方案[10].尽管通过人工栽种、养护地上植被来保护地表植物多样性，但垂直森林绿化系统对地下土壤微生物多样性的贡献仍不明确.本研究采用基于高通量测序的基因条形码技术，对来自两座垂直森林建筑及周边绿地的45份土壤样品中土壤细菌、真菌与微型动物群落组成与多样性格局进行分析，发现不同样本组别中各样品土壤微生物群落具有相似的a多样性;同时，聚类分析与b多样性的分析结果也表明，垂直森林建筑及周边绿地间各土壤微生物类群的群落均存在较大差异，并确定了造成群落差异的关键分类单元.因此，总体而言，两座垂直森林建筑中的绿化土壤能够容纳的土壤微生物种类数与周边绿地土壤相似;但是，这两种不同类型的绿化系统中土壤微生物种类组成与群落特征存在较大差异，而两座垂直森林建筑则具有较为相似的土壤微生物群落组成.
土壤微生物群落组成与地表植被有着重要关系[13-16].两座垂直森林建筑间较为相似的土壤微生物群落可能是由于栽种相似的植物.更为重要的是，尽管栽种的都是本地植物，能够导致不同采样地点具有相似的a多样性，但是周边绿地中的植物群落组成必然与垂直森林绿化存在一定差异，进而造成土壤微生物群落组成上的差异.土壤理化条件也是影响土壤微生物群落的重要因素[17-18].垂直森林绿化由于人工养护等原因，其土壤可能含有较周边绿地更为丰富的养分;同时，垂直森林露台设置了良好的排水系统，使得土壤含水量较低.这些理化条件上的变化也是导致垂直森林绿化与周边绿地土壤微生物群落存在差异的潜在因素.
此外，某些潜在的影响因素，如外界干扰等[19]，不太可能对本研究中的土壤微生物群落造成显著影响.因为在采集土壤样品时，垂直森林建筑已投入使用5年，其间没有发生大规模维修等干扰事件，绿化土壤中的微生物群落已基本达到稳定状态.垂直森林绿化的朝向与所在楼层也可能导致风力、温度和光照时间等气象条件发生变化，进而影响土壤微生物多样性.然而，本研究发现，同一垂直森林建筑内具有相同朝向以及来自同一楼层或相近楼层的样品中各土壤微生物类群均未体现出聚集分布的格局.因此，土壤微生物群落差异与朝向和楼层无明显相关性（图6）.在各土壤微生物类群中垂直森林绿化中发现的总物种数均多于周边绿地，这主要是由于周边绿地中的土壤样品较少所致.在今后的研究中，需加强对周边绿地的取样力度，更好地了解原有绿地中的微生物分布格局.
综上所述，垂直森林建筑能够容纳较多的土壤微生物种类，并为在景观尺度上提高土壤微生物的b多樣性做出一定贡献.这对地表植物多样性的长期维持起到了重要的支撑作用，也为取食不同类型植物的土壤微生物和小型动物提供了丰富的食物资源，进而为吸引鸟类等体形较大的动物前来定居创造了条件，有利于城市动物多样性的提高.因此，垂直森林建筑能够成为城市绿地系统的重要组成部分，并参与城市生物多样性保护，也为城市生态系统建设从平面到空间的设计革新提供了有益参考.继米兰垂直森林作为该类建筑原型后，荷兰埃因霍恩、瑞士洛桑、中国南京和中国武汉的4座垂直森林相继启动.这些项目分别依据当地的气候和环境，针对建筑原型的设计方法、手段开展因地制宜的调整，构建一套适合不同项目需求的动植物蓝本[19]，为城市生态建筑设计提供新范式，也为城市扩张而带来的一系列生态问题提供有效的修复策略.E1E90740-0DC0-4343-A25B-1540B459E182
猜你喜欢 土壤微生物 不同类型控释肥对辣椒生长及土壤养分和微生物的影响湖北农业科学(2017年2期)2017-03-27长期施用化肥对土壤微生物多样性的影响探讨俪人·教师版(2016年18期)2017-03-02基于PCR—DGGE的间作油茶林土壤细菌多样性江苏农业科学(2016年8期)2017-02-15基于PCR—DGGE的间作油茶林土壤细菌多样性江苏农业科学(2016年8期)2017-02-15不同氮浓度对高粱苗期生长特性及土壤性质的影响江苏农业科学(2016年9期)2016-11-28黑汁缘微生物肥料在番茄上的应用天津农业科学(2015年12期)2015-12-03重金属污染对土壤微生物及土壤酶活性影响的研究进展江苏农业科学(2015年5期)2015-10-20辽西半干旱区果粮间作对土壤微生物和酶的影响江苏农业科学(2015年9期)2015-10-20渍涝对玉米产量和根际土壤微生物的影响湖北农业科学(2014年3期)2014-07-21 相关热词搜索： 多样性 微生物 土壤