处理后的农村生活污水用于灌溉对半干旱生态系统土壤物理化学性质及微生物群落的影响

《Environmental Technology & Innovation》：Effects of treated rural domestic sewage irrigation on soil physicochemical properties and microbial communities in semi-arid ecosystems

土壤微生物群落与网络结构在半干旱区处理农村生活污水灌溉下的响应及其对土壤健康的影响。

　　在当前的水资源管理与农业可持续发展背景下，农村生活污水的再利用逐渐成为一种重要手段。特别是在半干旱地区，由于自然降水较少，传统的灌溉方式面临水资源短缺的挑战。因此，探索农村生活污水经过处理后用于农田和绿地灌溉的可行性，不仅有助于缓解水资源压力，还能实现污水中氮、磷等营养物质的再利用，从而改善土壤质量。本文通过两年的田间调查，评估了农村生活污水灌溉对土壤微生物群落和土壤健康的影响，为半干旱地区农业水资源利用提供了新的视角。

### 农村生活污水的再利用背景

中国农村地区人口众多，生活污水排放量庞大。根据相关研究，2019年全国农村生活污水排放量超过80亿吨，尽管近年来污水处理率有所提升，截至2024年7月，污水处理率已超过45%。然而，随着生活水平的提高和用水量的增加，仍有大量未经处理的生活污水被排放。这种污水具有空间分布不均、排放模式波动大以及水质变化显著等特点，给集中处理带来了难度。因此，政策导向逐渐从传统的“标准化排放”转向“资源化利用”，旨在利用农村生活污水中的营养物质，提升其在农业中的应用价值。

农村生活污水通常含有较高的有机质、氮和磷，同时污染物种类相对较少，重金属和有毒物质含量较低。这使得农村生活污水在经过适当处理后，具备作为灌溉水源的潜力。然而，尽管部分研究关注了污水灌溉对土壤理化性质的影响，关于其对土壤微生物群落结构和功能的长期影响，尤其是对土壤健康的具体作用机制，尚缺乏系统的研究。本文旨在填补这一知识空白，通过长期的田间实验，探讨农村生活污水灌溉对土壤微生物群落和土壤健康的影响，为污水资源化利用提供科学依据。

### 研究方法与设计

本研究在内蒙古鄂尔多斯市杭锦旗的四个村庄开展，这些村庄均设有生活污水处理设施。所采用的处理工艺包括A2/O、A/O、A2O与移动床生物膜反应器（MBBR）等不同模式。研究选取了四种作物（玫瑰、侧柏、番茄和玉米）作为研究对象，分别在四个村庄进行灌溉。研究共采集了24个土壤样本，每个村庄设有三个重复试验地块，以确保数据的可靠性。

土壤样本的采集采用五点取样法，确保样本具有代表性。采集后，样本被分为三部分：一部分用于测定土壤理化性质，一部分用于分析土壤中的无机氮含量，另一部分则用于微生物群落分析。微生物群落分析采用高通量测序技术，通过提取土壤DNA并进行16S rRNA和ITS基因测序，分析细菌和真菌的多样性及功能特征。测序数据通过QIIME2平台进行处理，并结合DADA2插件进行序列去噪，以提高分析的准确性。

为了评估土壤健康状况，研究团队构建了一个土壤健康指数（Soil Health Index, SHI），该指数综合考虑了土壤的多种理化指标，包括有机质含量、磷的可利用性、阳离子交换容量（CEC）等，并赋予相应的权重。通过统计分析方法，如双因素方差分析（Two-way ANOVA）、t检验、Mantel检验和偏最小二乘路径建模（PLS-PM），研究团队进一步探讨了土壤理化性质与微生物群落结构之间的关系，以及氮、磷等关键营养物质对土壤健康的影响机制。

### 研究结果与分析

#### 微生物多样性与组成变化

研究发现，农村生活污水灌溉对土壤微生物的多样性与组成产生了显著影响。与井水灌溉相比，污水灌溉显著降低了土壤真菌的香农指数，表明真菌群落的多样性受到一定影响。然而，细菌的香农指数未表现出显著差异，说明污水灌溉对细菌多样性的影响相对较小。进一步的主坐标分析（PCA）和置换多元方差分析（PERMANOVA）显示，土壤采样地点对微生物群落结构的影响最大，而灌溉方式（井水与污水）的影响次之。此外，两种灌溉方式之间存在显著的交互作用，表明不同地点的土壤类型、植物种类以及管理方式对微生物群落的响应存在差异。

在细菌群落中，七个主要门类（约占总细菌丰度的89%）包括变形菌门（Pseudomonadota，约28%）、酸杆菌门（Acidobacteriota，约17%）、放线菌门（Actinomycetota，约15%）、绿弯菌门（Chloroflexota，约10%）、芽孢杆菌门（Bacillota，约8%）、变形菌门（Bacteroidota，约6%）和革兰氏阳性菌门（Gemmatimonadota，约5%）。而在真菌群落中，优势门类包括子囊菌门（Ascomycota，占61%-83%）、接合菌门（Mortierellomycota，占6%-23%）和担子菌门（Basidiomycota，占1%-12%）。研究还发现，污水灌溉显著降低了某些有益微生物的相对丰度，如放线菌门和芽孢杆菌门，同时也减少了接合菌门（Mortierellomycota）的真菌丰度。然而，污水灌溉促进了某些有益微生物的增殖，如假单胞菌属（Pseudomonas）、极地单胞菌属（Polaromonas）、芳香烷烃菌属（Aromatoleum）以及某些真菌属（如Fusicolla、Beauveria和Emericellopsis）的增加。

#### 土壤微生物功能变化

在微生物功能方面，研究发现污水灌溉显著降低了细菌的代谢功能，包括异生物质的生物降解与代谢能力。这可能与污水中较高的化学需氧量（COD）有关，COD的升高可能抑制了微生物的代谢活动，从而减少了土壤中有机质的积累。同时，污水灌溉促进了与细菌感染和免疫相关的功能基因的表达，这可能意味着污水中某些残留物质（如药物和微塑料）对土壤微生物的生理功能产生了影响。

对于真菌，研究发现污水灌溉减少了病原真菌的相对丰度，同时增加了共生真菌的相对丰度。这种变化可能与污水中氮、磷等营养物质的增加有关，这些物质可能促进了某些有益真菌的生长，从而改善了土壤健康状况。此外，污水灌溉对真菌的功能类群（如分解者、共生者和病原体）产生了显著影响，这些变化可能对植物健康和土壤生态系统稳定性产生重要影响。

#### 微生物共现网络分析

微生物共现网络分析揭示了污水灌溉对土壤微生物网络结构的影响。研究发现，污水灌溉下的微生物网络复杂度和稳定性均低于井水灌溉，这可能与污水中某些污染物的残留有关。具体而言，细菌网络的平均节点度和平均路径长度均低于井水灌溉，而真菌网络的复杂度也呈现下降趋势。此外，污水灌溉下的微生物网络表现出较低的稳健性（robustness），意味着其在面对环境扰动时更容易发生结构变化。

进一步的网络分析显示，污水灌溉显著降低了土壤微生物网络的正凝聚度（positive cohesion），表明微生物之间的协作行为减弱。相反，真菌网络的负凝聚度（negative cohesion）则有所上升，意味着真菌之间的竞争行为增强。这些结果表明，污水灌溉可能改变了土壤微生物的相互作用模式，从而影响了其网络结构的稳定性。

#### 土壤理化性质与土壤健康指数（SHI）的变化

污水灌溉对土壤的理化性质产生了显著影响。研究发现，污水中的COD和总氮（TN）含量较高，而总磷（TP）含量相对较低。这种理化性质的变化可能对土壤健康指数（SHI）产生双重影响。一方面，污水灌溉显著提升了某些土壤指标，如可利用磷、硝态氮和CEC，从而改善了土壤肥力和健康状况。另一方面，污水中残留的某些有害物质（如药物、表面活性剂和病原微生物）可能对土壤健康产生一定负面影响，尤其是在原本健康的土壤中。

通过偏最小二乘路径建模（PLS-PM）分析，研究发现氮和磷对土壤健康指数（SHI）具有显著影响。氮含量的增加与土壤健康指数呈负相关，而磷含量的增加则与土壤健康指数呈正相关。这表明，尽管氮的增加可能对土壤微生物群落产生不利影响，但磷的增加在一定程度上能够促进土壤健康。此外，土壤的CEC和氮、磷含量对微生物群落结构和网络稳定性具有显著影响，这可能与微生物对土壤养分的响应机制有关。

### 讨论与机制分析

#### 对土壤微生物群落的影响机制

研究发现，污水灌溉对土壤微生物群落结构和功能产生了显著影响。首先，污水中的高氮和磷含量可能促进了某些微生物的增殖，尤其是那些与氮循环和磷利用相关的微生物。然而，污水中残留的有机物和异生物质可能抑制了其他微生物的生长，导致微生物群落结构的改变。此外，污水灌溉可能改变了土壤中的碳、氮、磷等营养物质的供应模式，从而影响了微生物的生态位竞争和功能分工。

微生物共现网络分析进一步揭示了污水灌溉对土壤微生物网络稳定性的影响。研究发现，污水灌溉下的微生物网络表现出较低的复杂度和稳定性，这可能与其对环境扰动的敏感性有关。相比之下，井水灌溉下的微生物网络结构更为稳定，表明其对环境变化的适应能力更强。此外，研究还发现，污水灌溉可能促进了某些病原微生物的增殖，但这些病原微生物的相对丰度较低，且在污水处理后的样本中并未检测到常见的致病菌（如大肠杆菌和沙门氏菌）。这可能与污水处理过程中对病原微生物的有效去除有关。

#### 对土壤理化性质和健康指数的影响机制

污水灌溉对土壤理化性质的影响主要体现在以下几个方面：首先，污水中的有机质和氮、磷等营养物质的增加可能促进了土壤有机质的积累，从而提高了土壤的肥力。其次，污水中的高有机物含量可能通过分解过程生成腐殖酸，增加土壤的负电荷，从而提升其阳离子交换容量（CEC），改善土壤对养分的保持能力。此外，污水中的氮和磷可能通过微生物的转化作用，提升土壤中的硝态氮和可利用磷含量，进而改善土壤健康状况。

然而，污水灌溉也可能带来一定的负面影响。例如，污水中的高COD可能抑制了微生物的代谢活动，从而减少了土壤中有机质的积累。此外，污水中残留的某些有害物质（如药物和表面活性剂）可能对土壤健康产生一定威胁。因此，尽管污水灌溉在改善土壤健康方面具有潜力，但其对土壤微生物群落的影响仍需进一步研究，以评估其长期生态效应。

### 结论与展望

本研究的结果表明，农村生活污水经过适当处理后，可用于半干旱地区的农田和绿地灌溉，从而提升土壤健康状况。污水灌溉不仅能够增加土壤中的氮、磷含量，改善土壤理化性质，还能促进某些有益微生物的增殖，如假单胞菌属和某些真菌属。然而，污水灌溉也可能对土壤微生物群落结构和功能产生一定影响，尤其是在某些特定的微生物类群（如放线菌门和芽孢杆菌门）的丰度下降方面。

此外，研究发现，磷在改善土壤健康方面具有重要作用，其对细菌网络的促进作用可能有助于提升土壤健康指数（SHI）。而氮则表现出一定的负面影响，可能抑制某些微生物的生长，从而影响土壤健康。因此，污水灌溉在提升土壤健康的同时，需注意氮、磷等营养物质的平衡，以避免对土壤微生物群落产生不利影响。

综上所述，农村生活污水的资源化利用在半干旱地区具有重要的生态和农业价值。通过合理的污水处理技术，可以有效去除有害物质，同时保留其营养成分，从而实现水资源的高效利用。未来的研究应进一步探讨不同处理工艺对土壤微生物群落和土壤健康的影响，以及污水灌溉在不同作物和土壤类型中的适用性。此外，还需要关注污水灌溉对土壤长期生态效应的评估，以确保其可持续性。