《Applied Soil Ecology》：Interactive effects of microplastics, heavy metals, and soil microecology under different irrigation water sources
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土壤理化特性、微塑料及重金屬累積與微生物群落響應關系研究。通過對比井水、河水、再生水及混合灌溉對山西流域玉米田土壤的影響，發現混合水（1:1比例）在養分平衡（總氮0.98 mg/kg、速效鉀216.67 mg/kg）、抑制重金屬（Pb 6.0 mg/kg、Cr 35.1 mg/kg）和提升微生物多樣性（Shannon指數7.11）方面表現最優，微塑料豐度達490顆粒/kg dw，與Pb、Cr呈顯著正相關（r>0.75）。
楊瑞|霍麗娟|楊浩|龔燕|楊蓋強|田書婷|曹淑慧|李霞|丁青偉|范亞瓊|劉琦
中國山西省太原市，自然資源部中黃河流域生態保護與修復工程技術創新中心，郵編030024
摘要
隨著農業用水短缺問題的加劇，探索再生水的安全再利用變得尤為重要。本研究選取了山西省一個河灌區的玉米田作為研究地點，設置了四種灌溉方式：井水、河水、混合水（河水：再生水=1:1）以及再生水。分析了0–80厘米土層中的微塑料、重金屬、理化性質和微生物群落組成。結果表明，灌溉水源顯著影響了土壤的理化特性（p<0.05）。在井水灌溉下，總氮（0.98 mg/kg）、有機質（22.22 mg/kg）和有效鉀（216.67 mg/kg）含量最高；河水灌溉導致有效磷（47.95 mg/kg）顯著積累；而再生水灌溉則使無機氮（NO??–N=0.30 mg/kg）明顯富集。混合水灌溉方式保持了氮、磷和鉀的平衡。混合水灌溉下的微塑料含量最高（490顆粒/kg干重），比井水和河水分別高出約57%和44%，并且與鉛（Pb）和鉻（Cr）呈顯著正相關（r>0.75，p<0.01）。重金屬主要富集在表層土壤中，混合水灌溉條件下鉛和鉻的濃度分別為6.0 mg/kg和35.1 mg/kg。混合水灌溉下的微生物多樣性最高（Shannon指數=7.11），同時蔗糖酶（9.94 mg/g）和脫氫酶活性（0.016 mg/g）也顯著增強。功能基因預測顯示，混合水和再生水灌溉條件下與氮循環相關的基因（如amoA、nirK）表達量增加。總體而言，混合水灌溉在養分循環、代謝活動和污染控制方面表現最為均衡，為再生水的安全高效農業再利用提供了科學依據。
引言
農業灌溉在陸地生態系統中起著關鍵的資源再分配和物質循環作用，對土壤養分有效性、污染物遷移及微生物生態結構具有重要影響。在全球氣候變化和淡水短缺的雙重壓力下，農業用水占總用水量的60–70%（Zhang等人，2024a；Zhang等人，2024b；Li等人，2024；Yang等人，2019）。依賴地下水或地表水的傳統灌溉系統已無法同時維持生態平衡和經濟效益（Deng等人，2025；Xie等人，2024）。再生水作為一種供應穩定且營養含量較高的水源，已成為農業灌溉的重要替代選擇（Qiu等人，2017）。合理利用再生水可以緩解水資源短缺、提高作物產量并促進水肥管理一體化。然而，其潛在的污染和生態擾動風險仍存在爭議（Lopes等人，2016；Liu等人，2024；Zhang等人，2024a；Zhang等人，2024b；Ibekwe等人，2018）。因此，在實現可持續農業的過程中，平衡資源再利用與生態安全成為關鍵科學問題。
灌溉水源的化學成分差異較大，長期使用可能導致土壤生態結構的形成。井水通常鹽度低、離子組成穩定，是傳統的灌溉方式；河水含有大量懸浮顆粒、有機質和可溶性磷，雖能提高表土肥力但也可能引發富營養化。再生水富含氮、磷和可溶性鹽類，同時攜帶微量重金屬和微塑料等新興污染物，其輸入可能改變土壤的理化條件和金屬形態及微生物結構（Othman等人，2021；Yang等人，2025）。先前的研究表明，長期使用再生水會導致土壤堿化、有機質增加以及表層重金屬積累（Sdiri等人，2023；Liang等人，2022）。然而，在適當稀釋或混合條件下，再生水中的養分離子可能有利于作物生長。因此，結合使用河水和再生水被提出作為一種平衡資源利用和環境安全的實用策略。但目前對混合灌溉對土壤養分動態、污染物耦合及微生態功能的綜合影響仍了解不足。
土壤微生物群落是農業生態系統中能量流動和養分循環的主要驅動因素（Six等人，2006；Zhang等人，2025）。不同的灌溉水源會改變水化學環境和有機底物的可用性，從而影響微生物群落組成和代謝潛力（Liang等人，2022）。研究表明，富含氮的再生水能促進氨氧化菌（如Nitrosomonas、Nitrospira）的活性，增強硝化作用（Wafula等人，2015）；而富含碳的河水則有利于異養細菌多樣性和代謝多功能性的提升。此外，微塑料和重金屬的聯合污染成為土壤生態學的新研究焦點。灌溉過程中，這些顆粒會吸附或與金屬結合，影響金屬遷移并對土壤微生物造成壓力（Dong等人，2022；Huo等人，2017；Zhang等人，2023）。然而，大多數研究僅關注單一污染物或單一水源灌溉系統，混合灌溉條件下污染、土壤理化性質及微生態響應之間的耦合機制仍不明確（Wang等人，2020；Zhang等人，2019），限制了再生水在農業中的科學應用。
本研究采用井水、河水、再生水及其1:1混合物作為灌溉水源，探討了它們對土壤理化特性、微塑料分布、重金屬含量、微生物群落組成和功能基因譜的影響。通過多元統計和相關性分析，研究了養分輸入、污染物積累和微生態響應之間的耦合關系。研究目的包括：（i）不同灌溉水源如何影響農田土壤的理化結構和養分分布；（ii）不同灌溉制度下污染物（尤其是重金屬和微塑料）的協同遷移機制；（iii）微生物群落、酶活性和功能基因在不同灌溉系統中的響應。此外，該研究還評估了混合水灌溉的綜合性生態優勢，為區域水資源的優化配置和再生水的安全農業利用提供了科學依據。
本研究在中國北部的一個玉米試驗田進行。該地區屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫約為9.8°C，年降水量約為460毫米。研究使用的土壤為壤土，該地多年來一直種植玉米，屬于汾河流域典型的農田。
設置了四種灌溉方式：井水、河水、混合水（河水：再生水=1:1）
長期使用不同水源的灌溉顯著改變了玉米農田土壤的理化特性（圖2）。所有處理組的土壤pH值均略呈堿性（7.74–8.17），但不同水源之間存在顯著差異（p<0.05）。井水灌溉（8.03–8.07）和混合水灌溉（8.06–8.17）的pH值最高，而再生水和河水的pH值較低（7.74–7.95）。
灌溉水源對土壤養分組成和垂直分布有顯著影響。井水灌溉保持了最高的有機質和總氮含量（分別為22.22 mg/kg和0.98 mg/kg），表明低鹽度的地下水有利于有機碳的積累。河水灌溉導致表層磷含量顯著增加（20厘米深度處有效磷為47.95 mg/kg），而深層土壤中的磷含量迅速下降。
本研究比較了地下水、河水、再生水和混合水灌溉對玉米農田土壤性質、污染物行為及微生態結構的影響。灌溉水源顯著影響了土壤肥力、污染物積累和生態系統穩定性。地下水灌溉保持了較高的有機碳含量，但養分輸入有限；河水灌溉通過磷的富集提高了表層肥力，但存在潛在的富營養化風險。
楊瑞：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、方法論設計、數據管理、概念構建。
霍麗娟：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、項目管理、數據管理、概念構建。
楊浩：撰寫 – 審稿與編輯、調查研究、數據管理、概念構建。
龔燕：撰寫 – 審稿與編輯、數據管理。
楊蓋強：撰寫 – 審稿與編輯、概念構建。
田書婷：撰寫 – 審稿與編輯、概念構建。
作者聲明不存在可能影響本文研究的已知財務利益或個人關系。
本研究部分得到了國家自然科學基金（項目編號：42377128）、山西省科技創新團隊專項基金（項目編號：202304051001016）、中央地方科技發展引導基金（項目編號：YDZJSX2024D051）、自然資源部中黃河流域生態保護與修復工程技術創新中心開放研究項目（項目編號：2025060）以及基礎研究項目的支持。
