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土壤健康是維護生态系統功能和農業生産力的基礎，監測和評估土壤健康對确保生态和食品安全至關重要。目前大多數土壤健康研究主要集中在重金屬和農藥殘留等污染物的檢測和分析，忽視了生物群落要素。為驗證eDNA方法能否有效識别不同農業生态系統的群落變化和健康狀況，我院張遠教授團隊利用eDNA技術在浙江省嘉善縣開展了典型農業生态系統土壤生物監測研究，相關成果近期發表在Environmental Research期刊上。該論文第一作者為碩士研究生幸凱航，通訊作者為李飛龍副教授。

本研究采用eDNA技術對嘉善縣4個典型農業系統（即經濟作物田、魚塘、藕塘和水稻田）土壤生物區系進行監測（圖1），篩選出48個敏感生物指标，建立了以生物多樣性指标為核心的土壤生态健康評價框架。然後，與傳統的基于理化變量的土壤質量指标（SQI）進行比較，評價新框架在農業生态系統中的适用性和可靠性。主要研究目的包括：（1）研究不同農業生态系統土壤生物的種類組成，分析生物多樣性及其環境脅迫的決定因素；（2）篩選敏感生物指标，建立土壤生态健康評價新框架；（3）比較新型eDNA指數與傳統理化SQI指數，确定eDNA在土壤生态健康評價中的适用性。

研究結果

利用eDNA技術，在不同農業生态系統的土壤樣品中監測到多個類群的生物組成，包括真菌、細菌、後生動物以及其他真核微生物（圖2）。eDNA技術揭示了土壤生物多樣性的新視角，使能夠以前所未有的精度和深度監測土壤生物多樣性。

圖2.監測的屬或種在不同農業生态系統和季節的相對豐度存在顯著差異。氣泡大小表示該物種在所有土壤樣品中監測到的屬或種的百分比。

對土壤理化變量進行主成分分析（PCA），構建代表新的理化變量描述符的環境應力梯度。通過Spearman相關系數矩陣檢驗多樣性指數與土壤理化變量之間的關系，篩選出了48個能夠響應環境脅迫變化的敏感生物指标（表1）

表1.與土壤理化變量顯著相關的生物指标。綠色箭頭表示正相關，紅色箭頭表示負相關。

研究發現，通過四個類群的eDNA指數與SQI指數拟合後，四種類群eDNA指數均與SQI指數有顯著的相關性（P＜0.01），其中細菌和後生動物eDNA指數與SQI指數的相關性最明顯（R2bacteria = 0.50, R2 metazoa = 0.58，圖3），表明構建的以生物指标為核心的土壤生态健康指數具有評價土壤環境污染的能力。

圖3.四個類群的eDNA指數與傳統土壤質量指數（SQI）的比較。黑色實線來自多元線性回歸，陰影區域表示95%置信區間。

研究基于eDNA技術監測了嘉善典型農業生态系統的土壤生物多樣性，聯合理化性質篩選敏感性生物指标，構建eDNA指數評價體系并與SQI指數對比後發現：eDNA指數與SQI指數具有顯著的相關性，這一發現說明基于生物指标的eDNA指數具有評價土壤生态健康的能力，凸顯了eDNA技術在未來土壤健康研究領域中的潛力。

Xing K, Lu W, Huang Q, et al. Soil eDNA biomonitoring reveals changes in multitrophic biodiversity and ecological health of agroecosystems[J]. Environmental Research, 2024: 119931.

https://doi.org/10.1016/j.envres.2024.119931