盐度与季节性水文变化共同影响着灌溉区地下微生物群落的演替及其生态功能

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Salinity and seasonal hydrological variability jointly shape the succession of groundwater microbial communities and ecological functions in irrigation districts

本研究通过整合水化学分析、同位素追踪及16S rRNA测序，系统调查了陕西Jinghuiqu灌溉区地下水微生物群落组成与功能分化。结果表明：盐度作为主导环境因子，未显著降低物种丰度，反而促进群落多样性及功能分化；季节变化作为次级驱动，导致不同季节群落网络结构差异（干季网络更紧密，湿季更松散），但氮循环功能保持稳定，以反硝化为主，有机碳输入协同调控碳氮循环。该研究为长期咸水灌溉区地下水生物地球化学机制提供了理论支撑。

　　

穆大伟|李佩月|伯纳德·德·巴茨

长安大学水与环境学院，中国陕西省西安市雁塔路126号，邮编710054

摘要

干旱地区的水资源短缺促进了微咸水灌溉的广泛应用，这在确保区域粮食安全和维持农业生产方面发挥着重要作用。然而，长期使用微咸水不可避免地会改变地下水的化学成分和微生物群落结构，而地下水中微生物的季节性动态和生态功能仍缺乏充分研究。本研究在泾惠渠灌溉区进行了季节性地下水调查，重点关注盐度和季节性变化的影响。通过结合水化学分析、同位素追踪和16S rRNA测序，我们系统地研究了微生物群落组成、氮代谢和生态功能。结果表明，作为主要的环境因素，盐度并未导致物种丰度显著下降，反而促进了微生物群落的多样化和功能分化。季节性变化是与盐度相互作用的第二因素：在干旱季节和高盐度条件下，微生物共现网络更为紧凑和模块化，表明生态位分化增强但稳定性降低；相比之下，湿润季节的网络较小且更分散，这与灌溉引起的环境扰动一致。值得注意的是，微生物的生态功能相对稳定，反硝化作用是氮循环的主要驱动机制，在不同条件下还伴有同化还原和氨化作用。氮还原过程主要受电子供体/受体、氮源类型和有机碳输入的调控，有机碳的供应不仅为氮循环提供能量，还直接关联并调节碳循环。本研究加深了对长期微咸水灌溉下地下水生物地球化学过程的理解，为类似灌溉区的研究和管理提供了新的见解。

引言

随着全球气候变化和人口增长，水资源短缺在干旱和半干旱地区已成为日益严重的挑战，给农业灌溉系统带来了巨大的生态和资源压力[1]、[2]、[3]。在地表水供应不稳定和水分可用性存在明显时空变化的情况下，微咸水已成为地表水和淡水的重要替代品[4]、[5]，并被广泛用作补充灌溉水源以保障粮食生产[6]、[7]。然而，长期使用微咸水灌溉会导致土壤盐分积累，加剧地下水盐碱化，从而改变地下水的化学成分和微生物群落，进而对区域生态系统中的养分循环过程和碳平衡机制产生连锁影响[8]、[9]、[10]。

微生物作为地下水生物地球化学循环的关键驱动因素，其群落结构、功能组成和代谢活动受到盐度、水动力条件和氧化还原状态等环境因素的强烈调控[11]、[12]、[13]。通过代谢活动，微生物不仅响应环境变化，还对关键元素的迁移和转化施加反馈控制，从而维持物质循环和生态系统稳定性[14]、[15]。特别是在长期微咸水灌溉条件下，盐度成为主导环境因素，重塑了地下水的地球化学过程，并驱动农业灌溉区微生物群落的适应性进化。一方面，盐度成为塑造灌溉区地下水微观地球化学过程的重要驱动力，深刻影响微生物群落的适应性进化[9]、[10]；另一方面，温度、湿度和养分可用性的季节性变化进一步调节微生物群落组成和功能表达，引入了额外的水文和生物地球化学复杂性[16]。

在农业灌溉区，地下水动态、水化学演变和微生物介导的反应共同调节生态系统功能。在这些耦合过程中，氮循环因其高反应性和对环境变化的敏感性而占据核心地位[13]、[17]。功能多样的微生物组合积极参与氮转化途径，使生态系统能够动态响应环境变化。这些过程反过来在生态系统内产生重要反馈，为氮循环和碳代谢之间提供了关键联系[12]。因此，阐明在不同地下水条件下的微生物群落响应和功能特性对于深入理解农业生态系统中的地下水生物地球化学过程至关重要。

中国西北部的泾惠渠灌溉区是一个典型的长期依赖微咸水灌溉的农业灌溉区[6]、[18]。在自然过程和人类活动共同影响下，该地区的地下水表现出明显的盐度梯度[9]、[19]。尽管人们对地下水盐碱化和微生物响应越来越关注，但长期微咸水灌溉对地下水微生物群落结构、功能表达和代谢潜力的影响仍不够清楚。特别是在干湿季节交替的情况下，尚不清楚季节性水文制度是否会导致微生物群落产生一致或不同的生态响应，以及微生物演替、氮代谢和碳循环之间是否存在耦合关系。解决这一问题对于深入理解灌溉区的地下水生物地球化学机制至关重要。

因此，本研究旨在通过明确考虑盐度和季节性水文变化作为耦合驱动因素，对灌溉区的地下水微生物演替和生态功能进行综合研究。具体而言，本研究旨在：（1）描述地下水微生物群落结构的季节性变化；（2）阐明微生物对关键环境因素的响应模式，特别关注共现网络相互作用和潜在的功能分化；（3）从氮代谢的角度建立无机氮、微生物群落和生态系统功能之间的耦合关系，从而明确它们对碳循环过程的调控作用。这些结果揭示了长期灌溉实践如何重塑泾惠渠灌溉区的地下水微生物演替、氮循环途径和碳-氮耦合机制。这些见解直接适用于依赖微咸水的灌溉区，为这些系统的可持续管理和微生物功能调控提供了理论基础和技术支持。

研究区域概述

泾惠渠灌溉区位于中国陕西省关中盆地的中北部，地理坐标范围为东经108°34'34″至109°22'00″，北纬34°25'00″至34°45'30″（图1a）。该灌溉区北临北山，西、南、东分别毗邻泾河、渭河和川河（图1b）[20]。其东西跨度约70公里，南北跨度约20公里。

不同时期地下水的时空异质性

湿润季节地下水的总溶解固体（TDS）浓度范围为636至4832毫克/升，干燥季节为688至5420毫克/升，平均值分别为2049毫克/升和2126毫克/升（图S1，表S1）。δ²H-H₂O和δ¹⁸O-H₂O同位素关系表明干燥季节的蒸发富集效应更为显著（图S2a），而Cl/Br质量比的变化反映了蒸发、盐分输入和人为活动的综合影响（图S2b）。这些结果凸显了...

结论

本研究采用多变量统计、水化学、同位素技术和微生物分析相结合的框架，研究了控制地下水盐碱化和季节性水文变化的生物地球化学机制，特别关注微生物的生态功能。主要结论如下：

(1)

泾惠渠灌溉区的地下水主要为微咸水，平均总溶解固体浓度较高

作者贡献声明

穆大伟：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、数据分析。李佩月：撰写——审稿与编辑、指导、资源获取、概念构思。伯纳德·德·巴茨：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金[42472316]、国家重点研发计划[2023YFC3706901]和中央高校基本科研业务费（CHD，项目编号300102295201）的支持。