编辑推荐：
土壤理化特性、微塑料及重金属累积与微生物群落响应关系研究。通过对比井水、河水、再生水及混合灌溉对山西流域玉米田土壤的影响，发现混合水（1:1比例）在养分平衡（总氮0.98 mg/kg、速效钾216.67 mg/kg）、抑制重金属（Pb 6.0 mg/kg、Cr 35.1 mg/kg）和提升微生物多样性（Shannon指数7.11）方面表现最优，微塑料丰度达490颗粒/kg dw，与Pb、Cr呈显著正相关（r>0.75）。
杨瑞|霍丽娟|杨浩|龚燕|杨盖强|田书婷|曹淑慧|李霞|丁青伟|范亚琼|刘琦
中国山西省太原市，自然资源部中黄河流域生态保护与修复工程技术创新中心，邮编030024
摘要
随着农业用水短缺问题的加剧，探索再生水的安全再利用变得尤为重要。本研究选取了山西省一个河灌区的玉米田作为研究地点，设置了四种灌溉方式：井水、河水、混合水（河水：再生水=1:1）以及再生水。分析了0–80厘米土层中的微塑料、重金属、理化性质和微生物群落组成。结果表明，灌溉水源显著影响了土壤的理化特性（p<0.05）。在井水灌溉下，总氮（0.98 mg/kg）、有机质（22.22 mg/kg）和有效钾（216.67 mg/kg）含量最高；河水灌溉导致有效磷（47.95 mg/kg）显著积累；而再生水灌溉则使无机氮（NO??–N=0.30 mg/kg）明显富集。混合水灌溉方式保持了氮、磷和钾的平衡。混合水灌溉下的微塑料含量最高（490颗粒/kg干重），比井水和河水分别高出约57%和44%，并且与铅（Pb）和铬（Cr）呈显著正相关（r>0.75，p<0.01）。重金属主要富集在表层土壤中，混合水灌溉条件下铅和铬的浓度分别为6.0 mg/kg和35.1 mg/kg。混合水灌溉下的微生物多样性最高（Shannon指数=7.11），同时蔗糖酶（9.94 mg/g）和脱氢酶活性（0.016 mg/g）也显著增强。功能基因预测显示，混合水和再生水灌溉条件下与氮循环相关的基因（如amoA、nirK）表达量增加。总体而言，混合水灌溉在养分循环、代谢活动和污染控制方面表现最为均衡，为再生水的安全高效农业再利用提供了科学依据。
引言
农业灌溉在陆地生态系统中起着关键的资源再分配和物质循环作用，对土壤养分有效性、污染物迁移及微生物生态结构具有重要影响。在全球气候变化和淡水短缺的双重压力下，农业用水占总用水量的60–70%（Zhang等人，2024a；Zhang等人，2024b；Li等人，2024；Yang等人，2019）。依赖地下水或地表水的传统灌溉系统已无法同时维持生态平衡和经济效益（Deng等人，2025；Xie等人，2024）。再生水作为一种供应稳定且营养含量较高的水源，已成为农业灌溉的重要替代选择（Qiu等人，2017）。合理利用再生水可以缓解水资源短缺、提高作物产量并促进水肥管理一体化。然而，其潜在的污染和生态扰动风险仍存在争议（Lopes等人，2016；Liu等人，2024；Zhang等人，2024a；Zhang等人，2024b；Ibekwe等人，2018）。因此，在实现可持续农业的过程中，平衡资源再利用与生态安全成为关键科学问题。
灌溉水源的化学成分差异较大，长期使用可能导致土壤生态结构的形成。井水通常盐度低、离子组成稳定，是传统的灌溉方式；河水含有大量悬浮颗粒、有机质和可溶性磷，虽能提高表土肥力但也可能引发富营养化。再生水富含氮、磷和可溶性盐类，同时携带微量重金属和微塑料等新兴污染物，其输入可能改变土壤的理化条件和金属形态及微生物结构（Othman等人，2021；Yang等人，2025）。先前的研究表明，长期使用再生水会导致土壤碱化、有机质增加以及表层重金属积累（Sdiri等人，2023；Liang等人，2022）。然而，在适当稀释或混合条件下，再生水中的养分离子可能有利于作物生长。因此，结合使用河水和再生水被提出作为一种平衡资源利用和环境安全的实用策略。但目前对混合灌溉对土壤养分动态、污染物耦合及微生态功能的综合影响仍了解不足。
土壤微生物群落是农业生态系统中能量流动和养分循环的主要驱动因素（Six等人，2006；Zhang等人，2025）。不同的灌溉水源会改变水化学环境和有机底物的可用性，从而影响微生物群落组成和代谢潜力（Liang等人，2022）。研究表明，富含氮的再生水能促进氨氧化菌（如Nitrosomonas、Nitrospira）的活性，增强硝化作用（Wafula等人，2015）；而富含碳的河水则有利于异养细菌多样性和代谢多功能性的提升。此外，微塑料和重金属的联合污染成为土壤生态学的新研究焦点。灌溉过程中，这些颗粒会吸附或与金属结合，影响金属迁移并对土壤微生物造成压力（Dong等人，2022；Huo等人，2017；Zhang等人，2023）。然而，大多数研究仅关注单一污染物或单一水源灌溉系统，混合灌溉条件下污染、土壤理化性质及微生态响应之间的耦合机制仍不明确（Wang等人，2020；Zhang等人，2019），限制了再生水在农业中的科学应用。
本研究采用井水、河水、再生水及其1:1混合物作为灌溉水源，探讨了它们对土壤理化特性、微塑料分布、重金属含量、微生物群落组成和功能基因谱的影响。通过多元统计和相关性分析，研究了养分输入、污染物积累和微生态响应之间的耦合关系。研究目的包括：（i）不同灌溉水源如何影响农田土壤的理化结构和养分分布；（ii）不同灌溉制度下污染物（尤其是重金属和微塑料）的协同迁移机制；（iii）微生物群落、酶活性和功能基因在不同灌溉系统中的响应。此外，该研究还评估了混合水灌溉的综合性生态优势，为区域水资源的优化配置和再生水的安全农业利用提供了科学依据。
本研究在中国北部的一个玉米试验田进行。该地区属于温带大陆性季风气候，年平均气温约为9.8°C，年降水量约为460毫米。研究使用的土壤为壤土，该地多年来一直种植玉米，属于汾河流域典型的农田。
设置了四种灌溉方式：井水、河水、混合水（河水：再生水=1:1）
长期使用不同水源的灌溉显著改变了玉米农田土壤的理化特性（图2）。所有处理组的土壤pH值均略呈碱性（7.74–8.17），但不同水源之间存在显著差异（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值较低（7.74–7.95）。
灌溉水源对土壤养分组成和垂直分布有显著影响。井水灌溉保持了最高的有机质和总氮含量（分别为22.22 mg/kg和0.98 mg/kg），表明低盐度的地下水有利于有机碳的积累。河水灌溉导致表层磷含量显著增加（20厘米深度处有效磷为47.95 mg/kg），而深层土壤中的磷含量迅速下降。
本研究比较了地下水、河水、再生水和混合水灌溉对玉米农田土壤性质、污染物行为及微生态结构的影响。灌溉水源显著影响了土壤肥力、污染物积累和生态系统稳定性。地下水灌溉保持了较高的有机碳含量，但养分输入有限；河水灌溉通过磷的富集提高了表层肥力，但存在潜在的富营养化风险。
杨瑞：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据管理、概念构建。
霍丽娟：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、数据管理、概念构建。
杨浩：撰写 – 审稿与编辑、调查研究、数据管理、概念构建。
龚燕：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。
杨盖强：撰写 – 审稿与编辑、概念构建。
田书婷：撰写 – 审稿与编辑、概念构建。
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：42377128）、山西省科技创新团队专项基金（项目编号：202304051001016）、中央地方科技发展引导基金（项目编号：YDZJSX2024D051）、自然资源部中黄河流域生态保护与修复工程技术创新中心开放研究项目（项目编号：2025060）以及基础研究项目的支持。
