基于高通量测序的氢化镁微生物有机肥对人参生长及土壤微生态的调控机制研究

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Analysis of the effects of magnesium hydride microbial organic fertilizer on Panax ginseng growth and soil microbiota based on high-throughput sequencing technology

本研究针对传统农田土壤板结、养分失衡及土传病害严重制约人参（Panax ginseng）可持续发展的问题，通过田间试验探究了不同用量氢化镁（MgH2）微生物有机肥对三年生人参生长及土壤微环境的影响。结果表明，适宜用量（HD-2处理，2.5 kg/m2）可显著提升人参成活率（12.87%）、株高（40.95%）、叶面积（74.14%）及生物量（44.28%），并有效重塑土壤微生物群落结构，显著降低病原菌Fusarium丰度（77.17%），同时激活特有细菌代谢通路PWY-5757。该研究为氢农业技术在药用植物栽培中的应用提供了理论依据和实践路径。

　　

人参（Panax ginseng）作为拥有两千余年药用历史的珍贵草本植物，其根部的药用价值备受推崇。然而，这颗“地下黄金”的生长却极为挑剔，尤其依赖于一个健康、平衡的土壤环境。传统的农田土壤在经过长期耕作后，常常出现板结、有机质匮乏、养分失衡等问题，其物理结构（如容重高达约1.3 g/cm3）往往不适宜人参根系伸展（最适容重0.8–1.0 g/cm3）。更严峻的是，此类土壤中有益微生物数量偏低，而像Fusarium（镰刀菌）这样的土传病原真菌却极易滋生，导致人参根腐病频发，严重制约了人参的产量与品质。因此，如何通过安全、有效的方式改良土壤，为人参创造一个“宜居”的根际环境，是实现其绿色、可持续栽培的关键。

近年来，分子氢（H₂）作为一种新型生物活性气体，在促进植物生长、增强抗逆性方面展现出巨大潜力。然而，氢气本身具有高度挥发性，难以在农业生产中直接应用。目前主要依赖氢富水（HRW）灌溉，这种方式费时费力且不易推广。氢化镁（MgH₂）作为一种新型固态储氢材料，因其高储氢密度（7.6%质量分数）、可控释放、易于运输和施用等优点，为农业氢技术的应用提供了新思路。当MgH₂与土壤水分接触时，可缓慢释放氢气，同时生成的氢氧化镁（Mg(OH)₂)还能包裹未反应的MgH₂，形成控释屏障，延长氢气的有效作用时间。此外，镁（Mg）本身就是植物必需的营养元素，参与光合作用、酶激活等重要生理过程。

尽管氢气和镁的营养作用已被部分研究证实，但将二者结合，特别是以MgH₂为核心成分，并协同有益微生物（如本研究中采用的解淀粉芽孢杆菌Bacillus subtilis）制成微生物有机肥，应用于人参这类高价值药用植物的研究尚属空白。发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》的这项研究，正是为了填补这一空白，系统评价了MgH₂基微生物有机肥对人参生长和土壤健康的综合效应。

为了回答上述问题，研究人员在吉林省敦化市的人参种植基地开展了田间试验。他们以三年生人参幼苗为材料，设置了四个处理：不施肥的对照组（HD-CK）以及三种不同用量的MgH₂微生物有机肥处理（HD-1: 1.25 kg/m2, HD-2: 2.5 kg/m2, HD-3: 5 kg/m2）。研究的关键技术方法包括：在人参五个关键生长时期（出苗、开花、绿果、红果、枯萎期）系统调查其农艺性状（如成活率、株高、叶面积、生物量等）；利用Illumina NovaSeq 6000平台对根际土壤样本进行细菌16S rRNA基因（V3-V4区）和真菌ITS1区的高通量测序，以解析微生物群落结构；并采用标准方法测定了土壤理化性质（如有机质、pH、全量及速效氮磷钾等）。

3.1. 氢化镁微生物有机肥对人参生长的影响

分析显示，适量施用MgH₂微生物有机肥能显著促进人参生长。其中，HD-2处理（2.5 kg/m2）效果最为突出。在枯萎期，HD-2处理的人参幼苗成活率比对照组（HD-CK）提高了12.87%，株高增加了40.95%，叶面积增大了74.14%，地上部鲜重和干重也分别显著增加了44.28%和42.64%。这表明适宜的MgH₂肥料用量能有效改善人参的生长发育状况。然而，最高用量处理（HD-3）在某些指标上（如生物量和叶绿素含量）反而低于HD-2，提示过量施肥可能产生抑制效应，其原因可能与土壤离子失衡、渗透胁迫或根际微环境改变有关。

3.2. 氢化镁微生物有机肥对土壤细菌和真菌群落的影响

通过高通量测序，研究人员深入揭示了施肥对土壤微生态的重塑作用。

3.2.1. 土壤细菌和真菌的Alpha多样性

在细菌群落方面，HD-2和HD-3处理的香农（Shannon）指数和辛普森（Simpson）指数均显著高于HD-CK，表明施肥提高了土壤细菌的多样性。然而，对于真菌群落，所有施肥处理（HD-1, HD-2, HD-3）的香农和辛普森指数均显著低于HD-CK，且这种抑制效应随施肥量增加而增强，其原因尚待进一步探究。

3.2.2. 氢化镁微生物有机肥对土壤细菌门水平和真菌属水平群落结构的影响

在细菌门水平上，优势菌门包括变形菌门（Proteobacteria）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）等。HD-3处理使变形菌门的相对丰度显著提高了47.76%，而放线菌门（Actinobacteriota）的丰度则降低了21.32%。在真菌属水平上，腐质霉属（Humicola）、被孢霉属（Mortierella）和假裸囊菌属（Pseudogymnoascus）是优势菌属。尤为重要的是，施肥显著降低了人参病原菌Fusarium（镰刀菌）的相对丰度。HD-3处理使Fusarium的丰度比HD-CK降低了77.17%，显示出该肥料在生物防治方面的巨大潜力。同时，有益菌属Humicola的丰度随施肥量增加而显著上升，HD-3处理比HD-CK提高了56.6%。

3.2.3. 土壤细菌和真菌物种组成热图分析

热图分析进一步证实，施肥改变了土壤中关键细菌和真菌属的组成。与HD-CK相比，各施肥处理中具有特定功能的菌属（如具有降解有机物或生防潜力的菌属）丰度发生变化，且Fusarium的丰度在施肥土壤中均显著降低。

3.2.4. 土壤细菌和真菌群落的LEfSe分析

LEfSe分析揭示了不同处理组间具有显著差异的微生物类群（标志物种）。例如，在HD-3处理中，拟杆菌门（Bacteroidota）下的一个属显著富集；而在HD-2处理中，变形菌门下的Methylomirabilota属最为丰富。真菌方面，HD-2处理中担子菌门（Basidiomycota）丰度较高。这些差异物种的发现为理解肥料调控微生物群落的具体靶点提供了线索。

3.2.5. 土壤细菌代谢通路的差异分析

主坐标分析（PCoA）显示，施肥组（HD-1, HD-2, HD-3）与对照组（HD-CK）的土壤细菌代谢功能存在显著差异。通过PICRUSt2功能预测分析发现，一个编号为PWY-5757的代谢通路（负责抗生素磷霉素（fosfomycin）的生物合成）仅在施肥处理的土壤中被检测到，且其丰度随施肥量增加而升高。该通路的主要相关菌属为硝化螺旋菌属（Nitrospira，参与氮循环）和拟诺卡氏菌属（Nocardiopsis，以产生多种抗生素等次级代谢产物著称）。这表明施肥不仅改变了群落组成，还可能激活了特定的有益代谢功能。

3.3. 氢化镁微生物有机肥对土壤微生物群落与土壤理化指标的影响

施肥显著改善了土壤肥力。与HD-CK相比，HD-3处理使土壤有机质、全氮、全磷、速效磷和速效钾含量分别显著提高了27.53%、38.27%、43.32%、146.41%和222.6%。冗余分析（RDA）表明，土壤有机质（OM）、速效磷（AP）和全钾（TK）是驱动细菌和真菌群落结构变化的关键环境因子。施肥组与对照组的微生物群落结构在排序图上明显分离，证实了施肥对土壤微生态的深刻影响。

4. 讨论

本研究证实，适量施用MgH₂微生物有机肥能通过多种途径促进人参健康生长：1）直接提供氢信号分子和镁营养，调控植物生理代谢；2）显著改善土壤理化性质，提升肥力；3）重塑土壤微生物群落结构，提高细菌多样性，富集有益菌（如Humicola, Mortierella），并显著抑制病原菌Fusarium；4）可能激活特定的细菌代谢通路（如PWY-5757），增强土壤的生防潜力。MgH₂的缓释特性克服了氢富水应用的局限性，与有益微生物（Bacillus subtilis）协同，实现了对根际微环境的持续、稳定调控。HD-3处理在某些生长指标上表现不及HD-2，提示存在最佳施肥量，过量可能导致根际离子浓度过高、pH变化等胁迫。这种生长抑制与土壤养分含量的极度升高（如速效磷和速效钾）可能导致的离子失衡和渗透胁迫有关。

5. 结论

本研究系统阐明了氢化镁（MgH₂）微生物有机肥在促进人参（Panax ginseng）生长和改善土壤健康方面的积极作用。核心结论包括：适宜用量（HD-2, 2.5 kg/m2）的肥料能显著提升人参的成活率、株高、叶面积和生物量；能有效优化土壤微生物群落结构，表现为有益菌群（如Proteobacteria, Humicola）的富集和病原菌Fusarum丰度的显著降低；并可能激活独特的细菌代谢功能（PWY-5757通路）；同时显著改善土壤有机质和氮磷钾等养分含量。这些效应共同构成了一个“土壤改良-促生-抗病”的良性循环。该研究为将固态储氢材料应用于农业生产，特别是为解决人参等药用植物栽培中的土壤障碍和病害问题提供了创新性的解决方案，对推动氢农业（Hydrogen agriculture）发展和实现中药材的生态化栽培具有重要意义。未来研究可聚焦于MgH₂在土壤中的释氢动力学、其与根际微生物互作的分子机制，以及在不同生态区域的推广应用效果评估。