磁处理改善豌豆根际土壤生物学性状

张传进 任奎喻 郭霜 庞师婵 王帅帅 杨尚东

摘  要：采用盆栽的方法，分析磁处理对豌豆根际土壤生物学性状的影响，旨在探究磁处理对豌豆根际土壤肥力及健康状况的影响。试验设置无处理（对照CK），添加铁粉（A）、磁化铁粉（B）、场强为0.2特斯拉（T）磁铁+铁粉（C）以及0.2 T磁铁（D）的处理，基于高通量测序技术分析磁处理对豌豆根际土壤生物学性状的影响。结果表明：C处理显著增加豌豆根际土壤中可培养细菌和真菌数量，同时微生物生物量C、N、P与CK相比分别增加了34.0%、46.0%、44.2%;β-葡萄糖苷酶、氨肽酶、磷酸酶酶活性分别增加了24.6%、23.7%、31.8%;另一方面，C处理中土壤细菌丰富度和多样性指数Ace、Chao1、Shannon指数显著高于CK;属（Genus）分类水平韦恩图分析中上，CK处理特有的属细菌主要有3个：Sneathiella、Desulfurispora、nannocystaceae;A处理特有的属细菌有7个;B处理特有的属细菌亦有7个;C处理特有的属细菌有11个;D处理特有的属细菌有8个。综上所述，C处理能够显著提高豌豆根际土壤中可培养微生物数量、微生物生物量（C、N、P）、酶活性和细菌多样性等多项指示土壤肥力和健康状况的生物学指标，表明磁场强度为0.2 T的磁铁+5 g磁化铁粉处理具有提高土壤肥力抵御土传病害的能力。

关键词：豌豆;磁处理;细菌多样性;高通量测序

中图分类号：S154.3      文献标识码：A

Abstract： To explore the effect of magnetic treatments on the soil fertility and health， the soil biological properties in the rhizosphere of peas were analyzed using pot culture. Five treatments， i.e. No-treatment （CK）， iron powder （A）， magnetized iron powder （B）， magnetized iron powder+0.2 T magnet （C） and 0.2 T magnet treatments （D） were set for analyzing with the high-throughput sequencing technique. The amounts of cultivable bacterial and fungi could be significantly increased by treatment C. Meanwhile， compared to CK， the biomass C， N， P and the activities of β-Glucosidase， Aminopeptidase and Phosphatase were also increased by 34.0%， 46.0%， 44.2% and 24.6%， 23.7%， 31.8% compared to treatment C， respectively. In addition， the indexes of richness and diversity of bacteria， such as Ace， Chao1 and Shannon in treatment C were also significantly higher than those in CK. Moreover， Sneathiella， Desulfurispora and nannocystaceae were the unique bacteria in CK under genus level， but seven different bacterial groups under genus level were showed in treatments A and B. Eleven different bacterial groups were presented in treatment C. And there were only eight different bacterial groups in treatment D. In summary， the biological indicators of soil fertility and health， such as soil cultivable microorganisms， microbial biomass， enzyme activities and bacteria diversity were all significantly improved under treatment C， which used 0.2 T magnet + 5 g magnetized iron powder. It indicated that the soil fertility and ability to resist soil-borne diseases could be promoted by treatment.

Keywords： peas; magnetic treatment; bacterial diversity; high-throughput sequencing

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.04.026

目前，隨着农业产业结构的不断变更，我国设施园艺发展迅猛，设施栽培面积位居世界第一，占世界设施栽培总面积的85%以上，且人均设施面积居世界第2，其中设施栽培又以设施蔬菜栽培为主，占95%以上[1]。近年来，全国设施蔬菜栽培面积及比例不断攀升，其种植面积达370万公顷，产量达2.5亿吨[2]。

1.3  数据处理

数据采用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行统计分析，结果以“平均值±标准差（SD）”表示。

2  结果与分析

2.1  磁处理对豌豆根际土壤可培养微生物影响

由表1可知，土壤中可培养微生物数量（细菌、真菌、放线菌）均受磁处理的影响而发生不同程度地变化。其中，可培养细菌、真菌数量以C处理为最高、依次分别为D、CK、B和A处理。C和D处理中可培养细菌和真菌数量均显著高于CK，分别比CK增加了21.0%、13.67%和8.6%、8.1%;可培养放线菌数量对磁处理的响应异于细菌和真菌，磁处理导致可培养放线菌数量下降，单一的D处理中可培养放线菌数量显著低于CK;同时，无论是普通铁粉，抑或是磁化铁粉处理，均导致可培养细菌、真菌和放线菌数量显著下降。同时，土壤细菌和真菌的生长对磁处理的响应相仿，但放线菌的生长对磁处理的响应则与细菌和真菌相异，即磁处理促进土壤中可培养细菌和真菌的生长，但抑制了可培养放线菌的生长。

2.2  磁处理对豌豆根际土壤微生物生物量C、N、P的影响

由表2可发现，微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）和微生物生物量磷（MBP）在持续的磁处理（C和D）中均显著高于CK，表明持续的磁处理可显著提高豌豆根际土壤的微生物生物量，而且以C的处理为最高，分别比CK增加了34.0%、46.0%、44.2%;同时，与CK相比，B处理亦显著提高了豌豆根际土壤中MBC、MBN和MBP，但提升效果逊于C处理，表明C处理方式对MBC、MBN、MBP的影响效果最为显著，不仅显著优于CK，而且优于单一的磁铁和磁化铁粉处理。另一方面，添加普通铁粉处理虽然显著提高了豌豆根际土壤的MBN，但却导致MBP显著降低，而且对MBC的影响不显著。上述结果表明土壤中微生物生物量碳、氮、磷极易受磁处理的影响，C处理有助于提高豌豆根际土壤的肥力效果。

2.3  磁处理对豌豆根际土壤中涉及C、N、P循环相关酶活性的影响

由表3可知，β-葡萄糖苷酶、氨肽酶、磷酸酶活性对磁处理的响应与微生物生物量相仿，持续的磁处理（C和D）均显著提高了豌豆根际土壤中涉及碳、氮、磷循环的β-葡萄糖苷酶、氨肽酶、磷酸酶活性。其中，C的处理中β-葡萄糖苷酶、氨肽酶和磷酸酶活性分别比CK提高了24.6%、23.7%、31.8%;同时，与CK相比，D处理亦显著提高了β-葡萄糖苷酶、氨肽酶、磷酸酶的活性，但提升效果不如C;另一方面，B处理对豌豆根际土壤中β-葡萄糖苷酶、氨肽酶、磷酸酶活性的影響效果不稳定，氨肽酶和磷酸酶的活性虽然显著高于CK，但β-葡萄糖苷酶活性显著降低;同时，A处理对β-葡萄糖苷酶、氨肽酶、磷酸酶活性的影响呈现无规律的变化，其中，β-葡萄糖苷酶活性与CK之间无显著差异，虽然氨肽酶活性显著高于CK，但磷酸酶活性却显著降低。上述结果表明，土壤中涉及碳、氮、磷循环相关酶活性均显著地受磁处理的影响，持续、稳定的磁处理有助于提高豌豆根际土壤酶活性，加快豌豆根际土壤微环境中碳、氮、磷循环进程。

2.4  磁处理对豌豆根际土壤细菌多样性的影响

分析发现，不同磁处理豌豆根际土壤中细菌包括37个门、89个纲、187个目、355个科、681个属、1283个种和3140个OTU。Ace和Chao1指数表征菌群的丰富度，Simpson和Shannon指数表征菌群多样性;其中，Ace、Chao1和Shannon指数越大，而Simpson指数越小，则说明样品的物种丰富度和多样性越大[24]。由表4可知，Ace指数以C处理为最大，其不仅显著高于CK，而且显著高于其他处理，B处理最低，显著低于其他处理;Chao 1指数同样以C处理为最大，显著高于CK和其他处理，另一方面，除A与CK之间无显著差异外，B和D则显著低于CK，表明C处理最有利于提升土壤细菌的丰富度;多样性Shannon指数虽然以D为最高，但其影响效果与C和A之间并无显著差异，而且这3个处理的Shannon指数均显著高于CK;另一方面，Simpson指数以CK为最大，D为最小，但其表现出与Shannon指数相似的变化趋势，即D、C和A处理均显著低于CK，同时A、C、D处理之间无显著差异。结果表明持续的磁处理有助于提高土壤细菌的多样性，而短暂的磁处理则无益于细菌丰富度和多样性的提升。

2.5  不同磁处理条件下根际土壤中优势细菌种群分析

2.5.1  门分类水平细菌群落结构  门分类水平下，不同磁处理条件中豌豆根际土壤样品中优势细菌门（>1%）共有9个（图1），分别为Proteobacteria（变形菌门）、Actinobacteria（放线菌门）、Chloroflexi（绿弯菌门）、Acidobacteria（酸杆菌门）、Firmicutes（厚壁菌门）、Bacteroidetes（拟杆菌门）、Gemmatimonadetes（芽单胞菌门）、Saccharibacteria和Parcubacteria。

其中，CK中细菌优势菌门的组成中前5位分别为：变形菌门、放线菌门、厚壁菌门、绿弯菌门和酸杆菌门;而A、C处理中细菌的优势菌门组成前5位排序与CK完全一致;B和D处理中细菌的优势菌门仅绿弯菌门和酸杆菌门细菌的排序互为颠倒外，其余细菌的优势菌门排序亦与CK间亦完全一致。上述结果表明，不同的磁处理方式并未改变盆栽豌豆根际土壤优势细菌门的组成，但不同处理之间的细菌均占比具有一定差异。

2.5.2  属分类水平细菌群落结构  属分类水平下，不同处理根际土壤中排列前10的细菌优势菌属分别为：Anaerolineaceae（厌氧绳菌属）、Microbispora（小双孢菌属）、Acidobacteria（嗜酸细菌属）、Saccharibacteria、Streptomyces（链霉菌属）、Bacillus（芽孢杆菌属）、Actinomadura（放线菌属）、Roseiflexus（蔷薇菌属）、Steroidobacter和JG30-KF-CM45。

由表6可知，CK处理中，占比排列前5位的细菌优势菌属分别为小双孢菌属、嗜酸细菌属、芽孢杆菌属、放线菌属和链霉菌属;A处理中排列前5位的细菌优势菌属则是厌氧蝇菌属、Saccharibacteria、小双孢菌属、嗜酸细菌属和链霉菌属;B处理中列前5位的细菌优势菌属分别为小双孢菌属、厌氧蝇菌属、嗜酸细菌属、Saccharibacteria和链霉菌属;C处理中列前5位的细菌优势菌属分别为厌氧蝇菌属、小双孢菌属、放线菌属、链霉菌属和芽孢杆菌属;D处理中列前5位的细菌优势菌属分别为厌氧蝇菌属、嗜酸细菌属、放线菌属、小双孢菌属和Saccharibacteria。

上述结果表明，无论是持续或短暂的磁处理均导致豌豆根际土壤中细菌优势菌属的占比发生变化。其中，厌氧绳菌属细菌对磁处理的响应最为敏感，在持续的磁处理处理（C和D）中由原来排名前5以外（CK）的占比升至最高，表明土壤中不同的细菌菌属对磁处理的响应不一致。

2.5.3  不同磁处理中豌豆根际土壤中细菌优势菌属Venn图  由图3可知，不同磁处理使豌豆根际土壤中细菌的优势菌属发生显著变化。其中，C处理根际土壤中的细菌菌属最多，达587个，其次分别为A、D、CK和B处理，分别有566、560、538和529个属。此外，C处理土壤中特有的菌属最多，达11个，分别为Flindersiella（弗林德斯菌属）、Ruminococcus（瘤胃球菌属）;Coxiella（柯希拉菌属）、Enterococcus（肠球菌属）、Candi?d?a?tus （念珠菌属）、Armatimonadia、Rhodo?cyc?lac?eae（红环菌属）、Brockia、Sandaracinaceae、Thermith?iob?acillus（热硫杆菌属）和Leucobacte;其次是D处理，含有8个特有菌属，分别为：Stani?eria、Pelot?om??aculum、Lactococcus（乳球菌属）、Faecali?ba?ct?erium （粪杆菌属）、Candidatus（念珠菌属）、Ktedo?n?o?ba?cteraceae（克氏杆菌属）、Limno?ch??orda和Actinomyces（放线菌属）;A和B处理的特有菌属均为7个，其中，A处理的特有菌属分别为：Shima?zuella（岛津氏菌属）、Cellvibrio?nac?eae、g-noran?k-f-FamilyI、Phytom?ono-spora（植物单胞菌属）、Euze?bya、Thermoana?ero?bacter（热厌氧杆菌属）和Salinimicrobium;B处理的特有菌属分别为Hydroge?nibacillus、Gsoil-1167、Panaca?gri?monas （华杆菌属）、Planomicrobium（动性杆菌属）、Rhei?nheimera、Acinetobacter（不动细菌属）和De?su?-lfitibacter（脱硫杆菌属）;CK处理中特有的菌属最少，仅为3个，分别为Sneathiella、Desulfuri?spora（脱硫孢菌属）和Nannocystaceae（侏囊菌属）。

上述结果表明，磁处理，尤其是持续的磁处理可有效提高豌豆根际土壤中细菌优势菌属的数量，增加了豌豆根际土壤中含有病原微生物拮抗菌或促生细菌的可能性，从而促进了豌豆植株的生长。

3  讨论

土壤的肥力与健康水平与植株生长状况有着密不可分的联系，而土壤微生物群落结构是土壤肥力的重要指标。研究表明，适宜的外加磁场可有效促进植物的生长和微生物的繁殖。其中，植株根际土壤微生物的丰度和多样性是影响土壤的肥力水平和健康状况的关键因素[25]。

细菌占整个土壤微生物群落的70%～90%，土壤中有益细菌群不仅对恢复土壤健康、拮抗土传病害等方面有着极为重要的作用，而且在养分循环及促进植物根系吸收发挥着举足轻重的作用[26]。真菌在土壤中的所占比例仅次于细菌，可分解糖类、淀粉、纤维素、木质紊、单宁等多种有机物、参与腐殖质的形成和分解、进行氨化作用和硝化作用，尤在酸性森林土壤中的有机质转化中起重要作用[27]。放线菌能够广泛利用纤维素、半纤维素、蛋白质、木质素等含碳和含氮化合物。

本研究表明，针对盆栽豌豆施加持续的磁处理，具有显著提高豌豆根际土壤中可培养细菌、真菌数量的作用，但对可培养放线菌数量的影响不显著。这一结果与代群威等[28]所发现的40到120 mT的静磁场能够显著促进细菌的生长、增殖的研究结果相类似。至今的研究表明，土壤酶活性和微生物生物量均是指示土壤肥力变化的敏感生物学指标[29]。本研究结果发现，虽然短暂的磁处理对土壤酶活性和微生物生物量碳、氮、磷的提升效果不显著，但持续、稳定的磁处理具有显著提高豌豆根际土壤中涉及碳、氮、磷循环相关酶的活性和微生物生物量碳、氮、磷。耿淑英等[30]研究发现，在0.12 T的外加磁感应强度的作用下，污泥中脱氢酶的活性达到了最高，且污泥中的微生物對于COD、氨氮、总氮的去除效率均有一定的促进作用，另一方面，丰富、多样的土壤微生物群落结构是土壤健康状态持续保持的关键因素。其结果与本研究的结果有一定的相似性。本研究结果发现，外加持续的磁处理处理（C）中，指示土壤细菌丰富度的Ace和Chao1指数，以及指示土壤细菌多样性的Shannon指数均显著高于相应的对照处理。其结果亦与耿淑英等[30]在30～ 70 mT的外加磁场中，土壤中细菌群落结构的丰度和多样性指数增加的结论相同。同时，门分类水平，外加短暂或持续的磁处理并没有显著改变豌豆根际土壤中细菌优势菌门组成;但属分类水平，外加持续的磁处理不仅显著改变了豌豆根际土壤中细菌优势菌属的组成，而且增加了特有细菌优势菌属的数量，说明外加持续的磁处理处理可提高豌豆根际土壤细菌优势菌属的数量，从而改善了豌豆根际微环境土壤的健康状况。同时亦增加了豌豆根际微环境富含病原微生物拮抗细菌或促生细菌的可能性。另外，虽然外加持续的磁处理处理有效提高了根际土壤中细菌的优势菌属数量，但短暂的磁处理则没有表现出与持续的磁处理相仿的影响效果。由此推测，土壤中存在持续、稳定的磁场对于土壤细菌的生长、繁殖以及多样性的提高具有显著的促进作用。其中，0.2 T磁铁+铁粉处理提高豌豆根际土壤生物学性状效果最为显著，表明磁场强度为0.2 T的磁铁+5 g磁化铁粉处理具有提高土壤肥力抵御土传病害的能力。

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