磁處理改善豌豆根際土壤生物學(xué)性狀

張傳進(jìn) 任奎喻 郭霜 龐師嬋 王帥帥 楊尚東

摘 ?要：采用盆栽的方法，分析磁處理對豌豆根際土壤生物學(xué)性狀的影響，旨在探究磁處理對豌豆根際土壤肥力及健康狀況的影響。試驗(yàn)設(shè)置無處理（對照CK），添加鐵粉（A）、磁化鐵粉（B）、場強(qiáng)為0.2特斯拉（T）磁鐵+鐵粉（C）以及0.2 T磁鐵（D）的處理，基于高通量測序技術(shù)分析磁處理對豌豆根際土壤生物學(xué)性狀的影響。結(jié)果表明：C處理顯著增加豌豆根際土壤中可培養(yǎng)細(xì)菌和真菌數(shù)量，同時(shí)微生物生物量C、N、P與CK相比分別增加了34.0%、46.0%、44.2%;β-葡萄糖苷酶、氨肽酶、磷酸酶酶活性分別增加了24.6%、23.7%、31.8%;另一方面，C處理中土壤細(xì)菌豐富度和多樣性指數(shù)Ace、Chao1、Shannon指數(shù)顯著高于CK;屬（Genus）分類水平韋恩圖分析中上，CK處理特有的屬細(xì)菌主要有3個(gè)：Sneathiella、Desulfurispora、nannocystaceae;A處理特有的屬細(xì)菌有7個(gè);B處理特有的屬細(xì)菌亦有7個(gè);C處理特有的屬細(xì)菌有11個(gè);D處理特有的屬細(xì)菌有8個(gè)。綜上所述，C處理能夠顯著提高豌豆根際土壤中可培養(yǎng)微生物數(shù)量、微生物生物量（C、N、P）、酶活性和細(xì)菌多樣性等多項(xiàng)指示土壤肥力和健康狀況的生物學(xué)指標(biāo)，表明磁場強(qiáng)度為0.2 T的磁鐵+5 g磁化鐵粉處理具有提高土壤肥力抵御土傳病害的能力。

關(guān)鍵詞：豌豆;磁處理;細(xì)菌多樣性;高通量測序

中圖分類號：S154.3 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷變更，我國設(shè)施園藝發(fā)展迅猛，設(shè)施栽培面積位居世界第一，占世界設(shè)施栽培總面積的85%以上，且人均設(shè)施面積居世界第2，其中設(shè)施栽培又以設(shè)施蔬菜栽培為主，占95%以上[1]。近年來，全國設(shè)施蔬菜栽培面積及比例不斷攀升，其種植面積達(dá)370萬公頃，產(chǎn)量達(dá)2.5億噸[2]。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（SD）”表示。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?磁處理對豌豆根際土壤可培養(yǎng)微生物影響

由表1可知，土壤中可培養(yǎng)微生物數(shù)量（細(xì)菌、真菌、放線菌）均受磁處理的影響而發(fā)生不同程度地變化。其中，可培養(yǎng)細(xì)菌、真菌數(shù)量以C處理為最高、依次分別為D、CK、B和A處理。C和D處理中可培養(yǎng)細(xì)菌和真菌數(shù)量均顯著高于CK，分別比CK增加了21.0%、13.67%和8.6%、8.1%;可培養(yǎng)放線菌數(shù)量對磁處理的響應(yīng)異于細(xì)菌和真菌，磁處理導(dǎo)致可培養(yǎng)放線菌數(shù)量下降，單一的D處理中可培養(yǎng)放線菌數(shù)量顯著低于CK;同時(shí)，無論是普通鐵粉，抑或是磁化鐵粉處理，均導(dǎo)致可培養(yǎng)細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量顯著下降。同時(shí)，土壤細(xì)菌和真菌的生長對磁處理的響應(yīng)相仿，但放線菌的生長對磁處理的響應(yīng)則與細(xì)菌和真菌相異，即磁處理促進(jìn)土壤中可培養(yǎng)細(xì)菌和真菌的生長，但抑制了可培養(yǎng)放線菌的生長。

2.2 ?磁處理對豌豆根際土壤微生物生物量C、N、P的影響

由表2可發(fā)現(xiàn)，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）在持續(xù)的磁處理（C和D）中均顯著高于CK，表明持續(xù)的磁處理可顯著提高豌豆根際土壤的微生物生物量，而且以C的處理為最高，分別比CK增加了34.0%、46.0%、44.2%;同時(shí)，與CK相比，B處理亦顯著提高了豌豆根際土壤中MBC、MBN和MBP，但提升效果遜于C處理，表明C處理方式對MBC、MBN、MBP的影響效果最為顯著，不僅顯著優(yōu)于CK，而且優(yōu)于單一的磁鐵和磁化鐵粉處理。另一方面，添加普通鐵粉處理雖然顯著提高了豌豆根際土壤的MBN，但卻導(dǎo)致MBP顯著降低，而且對MBC的影響不顯著。上述結(jié)果表明土壤中微生物生物量碳、氮、磷極易受磁處理的影響，C處理有助于提高豌豆根際土壤的肥力效果。

2.3 ?磁處理對豌豆根際土壤中涉及C、N、P循環(huán)相關(guān)酶活性的影響

由表3可知，β-葡萄糖苷酶、氨肽酶、磷酸酶活性對磁處理的響應(yīng)與微生物生物量相仿，持續(xù)的磁處理（C和D）均顯著提高了豌豆根際土壤中涉及碳、氮、磷循環(huán)的β-葡萄糖苷酶、氨肽酶、磷酸酶活性。其中，C的處理中β-葡萄糖苷酶、氨肽酶和磷酸酶活性分別比CK提高了24.6%、23.7%、31.8%;同時(shí)，與CK相比，D處理亦顯著提高了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處理對豌豆根際土壤中β-葡萄糖苷酶、氨肽酶、磷酸酶活性的影響效果不穩(wěn)定，氨肽酶和磷酸酶的活性雖然顯著高于CK，但β-葡萄糖苷酶活性顯著降低;同時(shí)，A處理對β-葡萄糖苷酶、氨肽酶、磷酸酶活性的影響呈現(xiàn)無規(guī)律的變化，其中，β-葡萄糖苷酶活性與CK之間無顯著差異，雖然氨肽酶活性顯著高于CK，但磷酸酶活性卻顯著降低。上述結(jié)果表明，土壤中涉及碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶活性均顯著地受磁處理的影響，持續(xù)、穩(wěn)定的磁處理有助于提高豌豆根際土壤酶活性，加快豌豆根際土壤微環(huán)境中碳、氮、磷循環(huán)進(jìn)程。

2.4 ?磁處理對豌豆根際土壤細(xì)菌多樣性的影響

分析發(fā)現(xiàn)，不同磁處理豌豆根際土壤中細(xì)菌包括37個(gè)門、89個(gè)綱、187個(gè)目、355個(gè)科、681個(gè)屬、1283個(gè)種和3140個(gè)OTU。Ace和Chao1指數(shù)表征菌群的豐富度，Simpson和Shannon指數(shù)表征菌群多樣性;其中，Ace、Chao1和Shannon指數(shù)越大，而Simpson指數(shù)越小，則說明樣品的物種豐富度和多樣性越大[24]。由表4可知，Ace指數(shù)以C處理為最大，其不僅顯著高于CK，而且顯著高于其他處理，B處理最低，顯著低于其他處理;Chao 1指數(shù)同樣以C處理為最大，顯著高于CK和其他處理，另一方面，除A與CK之間無顯著差異外，B和D則顯著低于CK，表明C處理最有利于提升土壤細(xì)菌的豐富度;多樣性Shannon指數(shù)雖然以D為最高，但其影響效果與C和A之間并無顯著差異，而且這3個(gè)處理的Shannon指數(shù)均顯著高于CK;另一方面，Simpson指數(shù)以CK為最大，D為最小，但其表現(xiàn)出與Shannon指數(shù)相似的變化趨勢，即D、C和A處理均顯著低于CK，同時(shí)A、C、D處理之間無顯著差異。結(jié)果表明持續(xù)的磁處理有助于提高土壤細(xì)菌的多樣性，而短暫的磁處理則無益于細(xì)菌豐富度和多樣性的提升。

2.5 ?不同磁處理?xiàng)l件下根際土壤中優(yōu)勢細(xì)菌種群分析

2.5.1 ?門分類水平細(xì)菌群落結(jié)構(gòu) ?門分類水平下，不同磁處理?xiàng)l件中豌豆根際土壤樣品中優(yōu)勢細(xì)菌門（>1%）共有9個(gè)（圖1），分別為Proteobacteria（變形菌門）、Actinobacteria（放線菌門）、Chloroflexi（綠彎菌門）、Acidobacteria（酸桿菌門）、Firmicutes（厚壁菌門）、Bacteroidetes（擬桿菌門）、Gemmatimonadetes（芽單胞菌門）、Saccharibacteria和Parcubacteria。

其中，CK中細(xì)菌優(yōu)勢菌門的組成中前5位分別為：變形菌門、放線菌門、厚壁菌門、綠彎菌門和酸桿菌門;而A、C處理中細(xì)菌的優(yōu)勢菌門組成前5位排序與CK完全一致;B和D處理中細(xì)菌的優(yōu)勢菌門僅綠彎菌門和酸桿菌門細(xì)菌的排序互為顛倒外，其余細(xì)菌的優(yōu)勢菌門排序亦與CK間亦完全一致。上述結(jié)果表明，不同的磁處理方式并未改變盆栽豌豆根際土壤優(yōu)勢細(xì)菌門的組成，但不同處理之間的細(xì)菌均占比具有一定差異。

2.5.2 ?屬分類水平細(xì)菌群落結(jié)構(gòu) ?屬分類水平下，不同處理根際土壤中排列前10的細(xì)菌優(yōu)勢菌屬分別為：Anaerolineaceae（厭氧繩菌屬）、Microbispora（小雙孢菌屬）、Acidobacteria（嗜酸細(xì)菌屬）、Saccharibacteria、Streptomyces（鏈霉菌屬）、Bacillus（芽孢桿菌屬）、Actinomadura（放線菌屬）、Roseiflexus（薔薇菌屬）、Steroidobacter和JG30-KF-CM45。

由表6可知，CK處理中，占比排列前5位的細(xì)菌優(yōu)勢菌屬分別為小雙孢菌屬、嗜酸細(xì)菌屬、芽孢桿菌屬、放線菌屬和鏈霉菌屬;A處理中排列前5位的細(xì)菌優(yōu)勢菌屬則是厭氧蠅菌屬、Saccharibacteria、小雙孢菌屬、嗜酸細(xì)菌屬和鏈霉菌屬;B處理中列前5位的細(xì)菌優(yōu)勢菌屬分別為小雙孢菌屬、厭氧蠅菌屬、嗜酸細(xì)菌屬、Saccharibacteria和鏈霉菌屬;C處理中列前5位的細(xì)菌優(yōu)勢菌屬分別為厭氧蠅菌屬、小雙孢菌屬、放線菌屬、鏈霉菌屬和芽孢桿菌屬;D處理中列前5位的細(xì)菌優(yōu)勢菌屬分別為厭氧蠅菌屬、嗜酸細(xì)菌屬、放線菌屬、小雙孢菌屬和Saccharibacteria。

上述結(jié)果表明，無論是持續(xù)或短暫的磁處理均導(dǎo)致豌豆根際土壤中細(xì)菌優(yōu)勢菌屬的占比發(fā)生變化。其中，厭氧繩菌屬細(xì)菌對磁處理的響應(yīng)最為敏感，在持續(xù)的磁處理處理（C和D）中由原來排名前5以外（CK）的占比升至最高，表明土壤中不同的細(xì)菌菌屬對磁處理的響應(yīng)不一致。

2.5.3 ?不同磁處理中豌豆根際土壤中細(xì)菌優(yōu)勢菌屬Venn圖 ?由圖3可知，不同磁處理使豌豆根際土壤中細(xì)菌的優(yōu)勢菌屬發(fā)生顯著變化。其中，C處理根際土壤中的細(xì)菌菌屬最多，達(dá)587個(gè)，其次分別為A、D、CK和B處理，分別有566、560、538和529個(gè)屬。此外，C處理土壤中特有的菌屬最多，達(dá)11個(gè)，分別為Flindersiella（弗林德斯菌屬）、Ruminococcus（瘤胃球菌屬）;Coxiella（柯希拉菌屬）、Enterococcus（腸球菌屬）、Candi?d?a?tus （念珠菌屬）、Armatimonadia、Rhodo?cyc?lac?eae（紅環(huán)菌屬）、Brockia、Sandaracinaceae、Thermith?iob?acillus（熱硫桿菌屬）和Leucobacte;其次是D處理，含有8個(gè)特有菌屬，分別為：Stani?eria、Pelot?om??aculum、Lactococcus（乳球菌屬）、Faecali?ba?ct?erium （糞桿菌屬）、Candidatus（念珠菌屬）、Ktedo?n?o?ba?cteraceae（克氏桿菌屬）、Limno?ch??orda和Actinomyces（放線菌屬）;A和B處理的特有菌屬均為7個(gè)，其中，A處理的特有菌屬分別為：Shima?zuella（島津氏菌屬）、Cellvibrio?nac?eae、g-noran?k-f-FamilyI、Phytom?ono-spora（植物單胞菌屬）、Euze?bya、Thermoana?ero?bacter（熱厭氧桿菌屬）和Salinimicrobium;B處理的特有菌屬分別為Hydroge?nibacillus、Gsoil-1167、Panaca?gri?monas （華桿菌屬）、Planomicrobium（動性桿菌屬）、Rhei?nheimera、Acinetobacter（不動細(xì)菌屬）和De?su?-lfitibacter（脫硫桿菌屬）;CK處理中特有的菌屬最少，僅為3個(gè)，分別為Sneathiella、Desulfuri?spora（脫硫孢菌屬）和Nannocystaceae（侏囊菌屬）。

上述結(jié)果表明，磁處理，尤其是持續(xù)的磁處理可有效提高豌豆根際土壤中細(xì)菌優(yōu)勢菌屬的數(shù)量，增加了豌豆根際土壤中含有病原微生物拮抗菌或促生細(xì)菌的可能性，從而促進(jìn)了豌豆植株的生長。

3 ?討論

土壤的肥力與健康水平與植株生長狀況有著密不可分的聯(lián)系，而土壤微生物群落結(jié)構(gòu)是土壤肥力的重要指標(biāo)。研究表明，適宜的外加磁場可有效促進(jìn)植物的生長和微生物的繁殖。其中，植株根際土壤微生物的豐度和多樣性是影響土壤的肥力水平和健康狀況的關(guān)鍵因素[25]。

細(xì)菌占整個(gè)土壤微生物群落的70%～90%，土壤中有益細(xì)菌群不僅對恢復(fù)土壤健康、拮抗土傳病害等方面有著極為重要的作用，而且在養(yǎng)分循環(huán)及促進(jìn)植物根系吸收發(fā)揮著舉足輕重的作用[26]。真菌在土壤中的所占比例僅次于細(xì)菌，可分解糖類、淀粉、纖維素、木質(zhì)紊、單寧等多種有機(jī)物、參與腐殖質(zhì)的形成和分解、進(jìn)行氨化作用和硝化作用，尤在酸性森林土壤中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化中起重要作用[27]。放線菌能夠廣泛利用纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素等含碳和含氮化合物。

本研究表明，針對盆栽豌豆施加持續(xù)的磁處理，具有顯著提高豌豆根際土壤中可培養(yǎng)細(xì)菌、真菌數(shù)量的作用，但對可培養(yǎng)放線菌數(shù)量的影響不顯著。這一結(jié)果與代群威等[28]所發(fā)現(xiàn)的40到120 mT的靜磁場能夠顯著促進(jìn)細(xì)菌的生長、增殖的研究結(jié)果相類似。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變化的敏感生物學(xué)指標(biāo)[29]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然短暫的磁處理對土壤酶活性和微生物生物量碳、氮、磷的提升效果不顯著，但持續(xù)、穩(wěn)定的磁處理具有顯著提高豌豆根際土壤中涉及碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)酶的活性和微生物生物量碳、氮、磷。耿淑英等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在0.12 T的外加磁感應(yīng)強(qiáng)度的作用下，污泥中脫氫酶的活性達(dá)到了最高，且污泥中的微生物對于COD、氨氮、總氮的去除效率均有一定的促進(jìn)作用，另一方面，豐富、多樣的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)是土壤健康狀態(tài)持續(xù)保持的關(guān)鍵因素。其結(jié)果與本研究的結(jié)果有一定的相似性。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外加持續(xù)的磁處理處理（C）中，指示土壤細(xì)菌豐富度的Ace和Chao1指數(shù)，以及指示土壤細(xì)菌多樣性的Shannon指數(shù)均顯著高于相應(yīng)的對照處理。其結(jié)果亦與耿淑英等[30]在30～ 70 mT的外加磁場中，土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的豐度和多樣性指數(shù)增加的結(jié)論相同。同時(shí)，門分類水平，外加短暫或持續(xù)的磁處理并沒有顯著改變豌豆根際土壤中細(xì)菌優(yōu)勢菌門組成;但屬分類水平，外加持續(xù)的磁處理不僅顯著改變了豌豆根際土壤中細(xì)菌優(yōu)勢菌屬的組成，而且增加了特有細(xì)菌優(yōu)勢菌屬的數(shù)量，說明外加持續(xù)的磁處理處理可提高豌豆根際土壤細(xì)菌優(yōu)勢菌屬的數(shù)量，從而改善了豌豆根際微環(huán)境土壤的健康狀況。同時(shí)亦增加了豌豆根際微環(huán)境富含病原微生物拮抗細(xì)菌或促生細(xì)菌的可能性。另外，雖然外加持續(xù)的磁處理處理有效提高了根際土壤中細(xì)菌的優(yōu)勢菌屬數(shù)量，但短暫的磁處理則沒有表現(xiàn)出與持續(xù)的磁處理相仿的影響效果。由此推測，土壤中存在持續(xù)、穩(wěn)定的磁場對于土壤細(xì)菌的生長、繁殖以及多樣性的提高具有顯著的促進(jìn)作用。其中，0.2 T磁鐵+鐵粉處理提高豌豆根際土壤生物學(xué)性狀效果最為顯著，表明磁場強(qiáng)度為0.2 T的磁鐵+5 g磁化鐵粉處理具有提高土壤肥力抵御土傳病害的能力。

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