城市微农场：植物与土壤生物多样性的热点还是冷点？

《European Journal of Soil Science》：Urban Microfarms: Hot or Cold Spots for Plants and Soil Biodiversity?

本综述深入探讨了快速发展的城市微农场在支持生物多样性方面的潜力。研究发现，与地面微农场相比，屋顶微农场的土壤有机质、微生物（特别是细菌）和弹尾虫的丰度与多样性更高，而地面微农场则更有利于大型土壤动物和自发植物的丰富度。文章强调了城市农场土壤极高的内外变异性，并初步为城市土壤生物多样性提供了参考值，为未来可持续城市农业的规划与发展提供了关键科学依据。

　　

引言

过去十年间，城市农业在全球范围内经历了新一轮的兴起。这种农业形式不仅为城市居民提供新鲜农产品，还在生态系统服务方面扮演重要角色，例如调节气候、维系社会联系和支持生物多样性。城市微农场作为城市农业的一种新兴形式，通常指面积小于1.5公顷、生产超过30种蔬菜、并主要通过短链销售的小型有机农场。它们因其多功能性（结合生产、教育、休闲等活动）和适应城市有限空间的特点而蓬勃发展。然而，关于这些微农场，尤其是其土壤，是作为城市生物多样性的“热点”（庇护所）还是“冷点”，目前科学认知尚不充分。土壤对于微农场的功能至关重要，但城市微农场的土壤具有高度变异性，既包括受人类活动影响的伪自然土壤，也包括在屋顶上人为建造的Technosol（工程土壤）。本研究旨在系统调查巴黎地区12个地块（7个地面，5个屋顶）的城市微农场中，微生物、中型动物（弹尾虫）、大型动物和植物的生物多样性，并将其与土壤地球化学参数相关联，以评估其作为生物多样性栖息地的潜力。

材料与方法

研究在巴黎大区密集城市环境中选择了12个微农场栽培地块，包括7个地面微农场和5个屋顶微农场。地面微农场主要为伪自然土壤，而屋顶可食用绿色屋顶则主要由有机质含量较高的浅层Technosol构成。在每个选定的栽培地块中，随机设置五个1平方米的采样区。在其中三个采样区，采集0-20厘米深度的土壤混合样品，用于微生物和土壤理化分析；并在相同区域采集用于土壤水分、容重、弹尾虫和大型动物的样品。植物鉴定则在全部五个1平方米区域进行。土壤采样于2018年10月进行，植物鉴定则在2018年和2019年春季进行。

微生物分析方面，土壤DNA提取后，通过定量实时PCR量化16S和18S rDNA基因序列以评估真菌与细菌比例（F:B），并通过MiSeq技术测序分析细菌和真菌群落组成。弹尾虫采用高梯度麦克法迪恩提取器从土壤核心样本中提取，并在显微镜下鉴定到物种水平。大型动物则通过陷阱法捕获，并鉴定到目、科或种水平。自发植物和栽培植物均在样方内鉴定到物种水平。土壤理化分析则涵盖了颗粒组成、pH、有机碳（C_org）、全氮、阳离子交换量（CEC）、养分及重金属含量等指标。利用广义线性模型（GLM）评估差异，并通过非度量多维标度（NMDS）和共生性分析研究群落组成差异及生物与非生物参数间的关联。

结果

3.1 土壤理化特性

微农场土壤特性因其位置不同而对比鲜明。屋顶微农场土壤质地更粗，粘土和细粉砂含量显著较低。屋顶土壤的平均有机碳含量（170 ± 3 g kg^-1）是地面土壤（60 ± 7 g kg^-1）的2.8倍。全氮和P₂O₅含量也在屋顶土壤中更高。两种微农场土壤pH均呈弱碱性。部分微量元素（如Pb、Ni、Se）浓度存在显著差异，铬（Cr）在屋顶土壤中含量是地面的1.5倍。土壤容重值较低，但地面（1.1 g cm^-3）高于屋顶（0.7 g cm^-3）。

3.2 生物多样性的地块内与地块间变异性

所有分类群均表现出非常高的地块内和地块间变异性。

微生物群落：土壤微生物生物量平均为136.3 μg DNA g^-1土壤，范围在49至346 μg DNA g^-1之间，地块内变异系数极高（5%–66%）。细菌和真菌丰度在不同地块间差异显著。细菌香农指数在5.3至6.0之间变化显著。共检测到31个细菌门和936个属，其中变形菌门和拟杆菌门占主导。真菌子囊菌门占平均序列的41%。NMDS分析显示，不同栽培地块间的细菌和真菌群落组成存在显著差异。

弹尾虫群落：表层土壤弹尾虫密度在不同栽培地块间差异很大，从约10³到2.1×10⁴个体 m^-2不等。共鉴定出46个弹尾虫物种，其中21种为独有种。NMDS显示不同微农场间的弹尾虫群落组成存在显著差异。

大型动物群落：每个陷阱的有机体数量在不同重复和不同地块间变异性极高，变异系数在30%到82%之间。共鉴定出26科大型土壤动物，分属于17个目。NMDS显示地块间大型动物群落组成存在显著差异。

植物群落：在微农场的栽培地块中共鉴定出82种自发植物物种，其中52%为独有种。栽培植物记录了46个物种。自发植物和栽培植物的物种丰富度在不同地块间差异明显。

3.3 屋顶与地面微农场生物多样性对比

微生物：屋顶栽培地块的微生物生物量平均是地面的1.9倍。细菌和真菌丰度也在屋顶更高，且细菌丰度、物种丰富度、香农指数和均匀度指数的差异显著。NMDS显示两种微农场类型的细菌和真菌OTU群落存在显著差异。

弹尾虫：屋顶的弹尾虫密度大约是地面的两倍，但差异仅在p=0.1水平显著。然而，NMDS显示地面和屋顶的弹尾虫群落组成存在显著差异。

大型动物：大型动物的丰度和分类丰富度在地面微农场中高于屋顶。

植物：地面微农场拥有更多的自发植物物种。

3.4 生物多样性与土壤理化特性的关系

共生性分析显示，土壤生物参数与非生物参数之间存在强烈的协同变化关系。有机质含量（C、N）与大多数生物多样性指标（除弹尾虫物种丰富度外）呈正相关。分析将微农场土壤分为两组，主要对应于两种类型：地面微农场和屋顶微农场，其中一个地面微农场（6号）因大量有机投入（主要是堆肥和粪肥）而特征更接近屋顶组。

讨论

4.1 城市微农场是城市生物多样性的热点还是冷点？

本研究为评估城市微农场的生物多样性提供了初步数据。研究发现，城市微农场，无论是地面还是屋顶类型，都承载着多样的生物群落。屋顶微农场似乎更有利于微生物（尤其是细菌）和弹尾虫，而地面微农场则更有利于大型土壤动物和自发植物。这种差异与两种土壤类型的不同特性有关：屋顶Technosol通常有机质含量更高、质地更粗糙、容重更低；而地面伪自然土壤则更具粘性、容重更高。因此，不能简单地将城市微农场归类为统一的生物多样性“热点”或“冷点”，其价值因生物类群和农场位置而异。研究观测到的高变异性也提示，管理实践、土壤历史和环境背景可能对生物多样性产生重大影响。

4.2 对城市农业研究和发展的建议

基于本研究，对未来支持城市农业发展的研究提出建议：首先，需要建立更全面的城市土壤生物多样性参考数据库，特别是针对不同城市农业形式。其次，应进行长期监测，以了解管理措施和环境变化对生物多样性的动态影响。此外，需要更深入地研究土壤生物多样性与生态系统功能（如养分循环、害虫调控）之间的具体联系，以优化管理实践促进有益生物。最后，在研究设计和采样时需要充分考虑城市农业系统固有的高度空间异质性。这些工作将有助于城市规划者和农民更好地理解和管理城市农业地块，从而在保证食物生产的同时，最大化其生态服务功能，尤其是对城市生物多样性的支持作用。