灌溉调控如何塑造农田生态韧性：来自中国东营市的证据

《Ecological Engineering》：How irrigation regulation shapes farmland ecological resilience: Evidence from Dongying City, China

　　

摘要

淡水短缺和土壤盐渍化日益制约着灌溉农业的可持续性，然而灌溉调控作为塑造农田生态韧性的治理机制，其作用机制仍缺乏充分认知。为弥补这一空白，本研究基于生态本底、微生物功能调控、生产稳定性以及资源利用适应性四个维度，构建了多维度的农田生态韧性指数（FERI），并评估了中国黄河三角洲东营市不同灌溉调控模式下该指数的空间格局与驱动机制。结果表明，生态韧性存在显著的空间异质性，灵活调度模式的表现优于稳定供水和间歇调控模式。管理变量中，灌溉调控强度和水分生产力是最主要的正向驱动因子，而土壤盐分含量和重金属胁迫则构成主要制约因素。此外，与环境响应和防御机制相关的微生物功能类群对强化调控呈正向响应，并表现出明显的阈值效应。资源利用适应性和生态本底是最敏感的组成部分，而微生物功能调控则在水文管理与系统整体韧性之间起到中介作用。这些发现表明，灌溉调控作为一种系统性治理机制，通过耦合的环境过程与微生物过程来调控农业生态系统的韧性，为盐渍化农业区域的适应性水资源管理提供了实践启示。

引言

耕地生态系统作为全球粮食生产和多种生态系统服务的关键提供者，其可持续性不仅体现在短期生产力，还包括在多种外部扰动下维持结构完整性和功能连续性的能力——这一特征被定义为生态韧性（Pan等，2025）。当前面临的挑战，包括加速的气候变化、日益频繁的极端天气事件以及持续加剧的农业集约化，已共同将全球农业系统推入一种由多重复合胁迫所引发的不稳定状态。实证研究表明，粮食系统现已成为逼近或超越行星边界的主要驱动力量，特别是在淡水资源消耗、氮磷循环以及土地利用转换方面（Rodríguez等，2024；Duffy等，2025）。与此同时，土壤退化、盐渍化加剧以及生物多样性丧失正在逐步削弱农业生态系统的内在自调节能力，并严重损害其对扰动的抵抗力（Dai等，2024；Omuto等，2022）。研究进一步揭示，农业系统对外部压力呈非线性响应，关键阈值的超越可能导致系统从生产状态突然转变为退化状态（Zimmerer等，2022；Jiang等，2025）。在上述背景下，仅通过增加资源投入来追求产量增长的传统范式已不足以保障农业的长期可持续性。因此，基于韧性框架重新审视农业管理已成为同时推进粮食安全与生态保护的必要举措。

在灌溉农业系统中，灌溉调控是决定耕地生态过程的一项基础性管理变量（Liu等，2025）。超越对水分补充的传统理解，灌溉调控通过改变水量、频次和方式直接影响土壤水分动态、盐分迁移模式和地下水补给。灌溉通过改变土壤水热条件，进一步调控微生物群落演替及相关的生物地球化学过程（Wang等，2023；Cao等，2023）。大量累积证据表明，灌溉不仅改变土壤物理环境，更通过调节碳氮循环和酶活性从根本上重构土壤功能，从而深刻影响农业生态系统稳定性（Huo等，2024；Betancur等，2025）。然而，日益严峻的水资源短缺压力和气候波动加剧意味着，设计不当的灌溉方案往往加剧水土失衡，引发土壤盐渍化、水分胁迫和养分耗竭（Karimzadeh等，2024；Li等，2025a；Li等，2025b）。这些生态扰动不仅降低水资源利用效率，还可能通过破坏生态反馈机制、加剧农业系统功能退化甚至状态转换风险来削弱系统韧性。因此，灌溉调控必须超越其作为传统工程工具的概念化定位，应被重新认知为嵌入复杂土地利用与资源配置系统中的关键治理变量，其影响贯穿于水文过程、生态反馈和系统稳定性的完整连续谱。

尽管生态韧性已成为农业与生态科学领域的重要研究前沿，现有研究仍局限于各学科视角且较为零散。一方面，生态学研究主要关注气候变化和极端天气事件等自然扰动对系统稳定性的影响，而相对忽视了人类管理实践通过调节生态反馈过程来增强韧性的机制（Tao等，2022；Tomazelli等，2024；Bora等，2025）。另一方面，农业灌溉研究传统上更侧重工程优化和资源利用效率，聚焦于灌溉技术、水分生产力和作物产量响应，却大多未能将灌溉调控置于社会-生态系统框架中（Tran等，2022；Zhang和Yang，2023）。这种学科碎片化造成了两个关键障碍。第一，灌溉调控的治理维度被严重低估，其作为资源配置和系统稳定化制度机制的意义仍未得到充分探索。第二，灌溉通过水盐动态和微生物反馈过程影响耕地生态韧性的路径尚未得到系统刻画。除上述直接缺口外，现有知识仍存在三大局限性。理论层面，将灌溉调控作为制度性驱动因子整合到韧性分析框架中的系统性努力仍然不足。机制层面，水盐动态与微生物过程耦合作用对韧性的影响理解尚不充分。实证层面，来自代表性灌溉区域关于不同灌溉模式如何产生耕地生态韧性空间异质性及其背后驱动因素的综合证据仍然匮乏。这些局限性共同阻碍了对农业社会-生态系统复杂反馈机制的整体性认知。

中国黄河三角洲地区为应对上述研究缺口提供了理想的研究场域。该区域位于典型的半湿润至半干旱过渡地带，长期面临水资源短缺和土壤盐渍化的挑战，农业生产与黄河灌溉系统密不可分。数十年来持续的人工干预在该区域形成了多样化的灌溉调控模式，具有显著的水盐耦联效应和空间异质性特征（Song等，2023；Li等，2025a；Li等，2025b）。作为三角洲的主要农业中心，东营市典型地展现了耕地生态系统对灌溉实践变化的显著非线性响应。在不同灌溉模式下，土壤盐分动态、微生物群落组成和生态系统功能之间出现了巨大差异。这些特征使该区域成为通过过程导向视角阐明灌溉调控如何结构化生态韧性机制的理想研究地点。

基于上述逻辑，本研究采用土地利用与生态系统调控的整合视角，构建了"灌溉调控-生态过程-系统韧性"分析框架，将灌溉调控概念化为嵌入社会-生态系统的关键治理变量，并系统考察其对耕地生态系统韧性的影响。具体而言，本研究追求三个互补性目标：（1）评估不同灌溉调控模式下耕地生态韧性的空间分异；（2）阐明水盐动态和土壤微生物过程如何中介灌溉调控对生态韧性的影响；（3）明确灌溉调控通过生态过程路径重塑系统韧性的机制。通过将工程调控、生态过程和制度因素整合到统一的分析框架中，本研究拓展了农业韧性研究的理论维度，并为实践中灌溉水资源管理与土地利用政策的协调优化提供了科学依据。这些贡献对于在资源约束日益加剧和气候不确定性不断升级的背景下增强农业系统韧性至关重要。

章节片段

研究区描述

东营市位于中国北方以黄河水为水源的典型灌区核心区域。在作物生长旺盛期，于东营灌区主要农业区域系统开展了野外采样（图1）。在每个代表性采样点，于10 m × 10 m样方内采集5份0至20 cm深度的表层土壤子样本，并充分混合形成混合样本。所采集的

东营市灌区耕地生态韧性的空间分布特征

基于耕地生态韧性的多维评价指标体系，本研究从生态本底韧性（EFR）、微生物功能调控韧性（MFR）、生产稳定性韧性（PSR）和资源利用适应性韧性（RAR）四个维度，对东营市不同灌区的耕地生态韧性水平进行了全面测定与空间比较。各维度的标准化指数为

农田生态韧性的驱动机制与关键决定因子

灌溉调控下的农田生态韧性不仅表现为水量输送的直接后果，而是水文学改造、微生物功能重组与土壤过程响应耦合作用下的系统性结果。实证证据建立了一个连贯的机制框架，将调控梯度与过程调整、结构-功能响应以及最终的空间分异联系起来（图7）。在景观尺度上，显著的

结论

本研究通过整合多维度韧性评估、土壤微生物功能谱分析和多模型驱动因子识别，系统阐明了灌溉调控塑造农田生态韧性的机制。研究发现表明，灌溉调控不仅是水分输送机制，更是一种系统性操作驱动因子，通过连接水文过程的层次化级联效应来重构农业生态系统的韧性。

CRediT作者贡献声明

Lin Yaoben：写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，项目管理，方法论，形式化分析，概念构思。Wu Jiahao：验证，软件，方法论，调查研究。Wang Yan：资源支持，调查研究，数据管理。Wang Dong：监督指导，资源支持，调查研究。Wang Xinliang：写作—初稿撰写，项目管理，调查研究。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益关系可能对本论文所报告的工作产生影响。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（42301230）、中国博士后科学基金（2022M723234）、2025年度中国教育学会高等教育科研规划项目：工程教育背景下大学哲学社会科学跨学科协同机制建设研究（25SK0305）、产学研协同教育

Lin Yaoben | Wu Jiahao | Wang Yan | Wang Dong | Wang Xinliang