地下滴灌技术用于沼气浆液农业利用的可行性：中国西北部干旱地区的实践

《Agricultural Water Management》：Feasibility of subsurface drip irrigation for agricultural utilization of biogas slurry: A practice for arid regions in Northwestern China

　　陈思宇|杨建|肖阳|周波|文腾|张嘉鼎|李云凯
中国农业大学水资源与土木工程学院农业水资源高效利用国家重点实验室，北京100083

**摘要**
水资源稀缺严重制约了中国西北干旱和半干旱地区的农业可持续发展，而畜牧业的快速扩张产生了大量需要安全高效再利用的沼气浆（BS）。通过地下滴灌（SDI）输送沼气浆为将灌溉与施肥结合起来以及促进农作物-畜牧业循环农业提供了一条有前景的途径。然而，沼气浆复杂的水质会加速滴头堵塞，这仍然是其在田间大规模应用的一个关键障碍。本研究利用长期的现场实验平台系统地研究了沼气浆SDI系统中滴头的堵塞特性、形成机制和堵塞路径。定量评估了该系统在西北干旱地区的可行性，并提出了有针对性的调控策略。结果表明，在150小时后，BSDI的堵塞程度低于25%，支持其在西北干旱地区的应用技术可行性。尽管如此，沼气浆中的高悬浮固体和大量有机物共同作用，加剧了颗粒沉积、无机物结垢和生物膜增殖，最终导致了复合堵塞。同时，水质变化重塑了与堵塞相关的微生物群落结构，并改变了预测的功能谱（KEGG）。某些关键物种（如Chloroflexaceae和Halocella）可能通过增强碳水化合物代谢、糖链生物合成以及氮和磷循环，促进滴头内部复合堵塞的加速。这些功能变化促进了胞外多糖物质的分泌和生物膜的成熟，增强了表面附着，增加了颗粒捕获，从而强化了生物膜积累、颗粒沉积和矿物结垢的耦合过程。

**1. 引言**
中国西北干旱和半干旱地区的水资源稀缺是对高效和可持续农业发展的严峻限制（Liu等，2024）。在新疆（中国最大的高效节水农业和高品质农业生产中心），农业灌溉占该地区总用水量的90%以上，远超全国平均水平（Geng等，2023）。此外，水资源可用性的显著时空异质性使得该地区部分地区面临严重的水资源短缺问题，这对高品质农业发展造成了关键制约（Pei等，2024）。与此同时，生活水平的提高加速了畜牧业的扩张，导致每年产生超过1.2亿吨的粪便（Dong等，2025）。因此，有限的粪便资源利用和日益严重的水资源短缺之间的双重压力变得越来越突出。沼气浆是动物粪便厌氧发酵后的液体消化产物，含有作物生长所需的多种营养物质（Wang等，2019）和支持土壤功能的微量元素（Jin等，2011），并且据报道它可以提高作物产量和质量（Abubaker等，2012）。因此，在平衡水资源保护、资源投入和环境绩效的更广泛水资源再利用框架内，开发精确高效的沼气浆农田再利用策略，可能为缓解新疆的水资源短缺问题并提供一种可行的途径，同时促进农作物-畜牧业循环的水资源和养分管理系统。

塑料覆盖的滴灌在西北干旱和半干旱地区得到了广泛应用，但它可能导致覆盖膜下局部积水和盐分积累，这可能会阻碍水分和养分向作物根区的输送，限制根系发育并降低生产效率（Liu等，2020）。相比之下，地下滴灌（SDI）将滴头安装在土壤表面下约15-40厘米处，减少了浆体成分与周围空气的接触，从而降低了病原体通过作物-人类接触途径传播的潜在健康风险（Zhou等，2024）。更重要的是，SDI直接将水分和养分输送到有效根区，最大限度地提高了沼气浆中养分（特别是氮和磷）的利用效率（Cahn和Hutmacher，2024），从而提高了作物产量和质量（Wang等，2022c）。迄今为止，关于沼气浆农田应用的研究主要集中在农艺效益和运营管理方面，包括产量提升（Rahaman等，2021）、水分和肥料节约以及与地下水的混合比例优化（Wang等，2022a）。然而，滴头堵塞仍然是沼气浆SDI实际应用的一个主要障碍。沼气浆通常含有大量的悬浮颗粒、无机盐、有机物和微生物（Jiang等，2023），这些成分增加了粘度并降低了流动性。在多组分耦合下，颗粒更容易发生沉淀和聚集（Zhou等，2024），而且污垢会附着在滴头内壁和迷宫结构上，缩小流动截面，增加水力阻力，最终导致堵塞（Moulia等，2024）。在中国西北地区，由于经常使用微咸水，这一风险更加严重；较高的钙和镁离子可以与浆体成分相互作用，促进沉淀物的形成（Shi等，2022）。此外，SDI还面临根部侵入和负压下土壤颗粒吸入等特定挑战（Baiamonte等，2025；Li等，2025），进一步增加了堵塞的发展复杂性。因此，识别主要的堵塞路径、阐明其控制机制，并将其转化为有针对性的控制策略，对于确保沼气浆在干旱地区通过SDI的安全、高效和可持续再利用至关重要。

为了减轻SDI中的堵塞问题，已经付出了大量努力。先前的研究表明，堵塞的特点是多组分耦合，污垢通常包括有机碳、无机矿物颗粒、碳酸盐和胞外多糖物质（EPS）（Wang等，2022b）。在地下条件下，沼气浆会显著增加细菌数量和EPS的积累，从而加剧了生物膜在堵塞形成中的作用（Xiao等，2025）。传统的缓解措施，包括多级过滤（Liu等，2021）、酸-氯处理（Qiu等，2022）和综合冲洗策略（Wang等，2023），效果有限，因为它们没有针对沼气浆SDI系统的独特机制。近年来，探索了更精针对性的调控方法。据报道，对水源进行纳米气泡曝气可以加速沼气浆中病原微生物的灭活，增强氮的保持能力，并减轻复合污垢，包括生物污垢、无机物结垢和颗粒沉积（Hou等，2026；Xiao等，2024）。磁处理可以通过调节晶体附着和微生物活性来减轻堵塞，提高系统的均匀性和稳定性（Zhangzhong等，2025）。尿素的应用在提供肥料的同时，还显示出通过诱导胞外蛋白质变性及下调与生物膜形成相关的信号蛋白来抑制生物污垢的潜力（Shen等，2025）。尽管在理解堵塞过程和控制措施方面取得了一些进展，但在以微咸地下水为主要水源的西北干旱地区，系统研究仍然不足。特别是，对沼气浆SDI系统中堵塞过程的长期监测以及其背后的机制和有针对性的控制策略仍然不足。

鉴于此，我们建立了一个田间规模的加速测试平台，以地下水作为对照（CK），并使用两种地下水-沼气浆混合物作为灌溉水源。研究目标是：（1）评估在微咸水条件下使用沼气浆进行SDI的运营可行性；（2）量化堵塞进展并阐明其形成机制；（3）开发有针对性的堵塞控制策略。本研究旨在系统地阐明在含有沼气浆的微咸水中SDI的堵塞形成模式和调控路径，从而为在水资源短缺和粪便处理压力并存的条件下实现可持续农业管理提供科学支持，并为干旱地区非传统水资源的安全农田再利用提供依据。

**2. 材料与方法**
**2.1. 实验设计**
本研究使用了一个原位的田间规模加速测试平台来表征SDI系统中的滴头堵塞情况（专利号：ZL202210147047.5）（图1）。共设置了九种处理方式（表1），包括三种类型的非压力补偿滴头和三种灌溉水源（CK、BS1和BS2）。本研究中使用的地下水总溶解固体（TDS）浓度为983 mg/L，CaCO3含量为531 mg/L。氟化物和锰的含量分别为1.54 mg/L和0.13 mg/L。这些数值与西北干旱地区常用的微咸地下水相当。因此，将地下水作为对照水源（CK）（Huang等，2022）。实验前，两种沼气浆在专用过滤池中依次进行沉积、筛分（40目和60目）和盘式过滤（120目）处理，以去除粗颗粒杂质。两种沼气浆的来源、处理过程和初始物理化学性质详见补充材料的第1部分。过滤后的浆体与微咸地下水以1:16（体积比）混合，充分均匀后，通过安装在系统入口处的120目筛网进行进一步过滤，然后进行田间操作。三种水源的物理化学特性总结在表2中。

**表1. 本研究使用的SDI滴头参数**
| 处理方式 | 滴头类型 | 流道几何形状（毫米） | 流量（L·h?1） |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| CKE1 | 30.8 × 1.0 × 1.0 | 1.0 |
| BS1 | 3 | BS2 | 4 | CKE2 | 31.6 × 0.9 × 0.7 | 1.95 |
| BS1 | 6 | BS2 | 7 | CKE3 | 19.3 × 0.6 × 0.5 | 1.38 |
| BS1 | 9 | BS2 | 8 |

**表2. 本研究使用的水源水质特性**
| 指标 | CK | BS1 | BS2 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 总悬浮固体（TSS）mg/L | 850 | 130 | 850 | 130 |
| 化学需氧量（COD）mg/L | 121.1 | 121.1 | 169 | 169 |
| 生化需氧量（BOD）mg/L | 4.8 | 432.9 | 432.9 | 60.8 |
| 总氮（mg/L） | 0.24 | 97.8 | 97.8 | 62.8 |
| 总磷（mg/L） | 0.04 | 93.6 | 93.6 | 2.85 |
| 总钾（mg/L） | 1.47 | 62.5 | 62.5 | 43.6 |
| 氨氮（mg/L） | 0.01 | 33.6 | 33.6 | 44.4 |
| 总细菌计数（CFU/mL） | 5.0 × 10? | 5.0 × 10? | 4.4 | 5.1 × 10? |
| pH | 7.5 | 7.5 | 7.5 | 7.5 |

系统运行时间为每天6小时，累计运行540小时。当所有处理的平均堵塞程度超过25%或至少有一种处理的堵塞程度超过75%时结束运行。运行压力保持在0.1 MPa，每天清洗过滤器（Wang等，2022a）。在运行过程中，每隔45小时测量一次滴头流量。每隔90小时收集堵塞物质进行干重测定和矿物分析，并在270小时和540小时定量EPS。实验结束后，进行了激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱分析和微生物群落分析。

**2.2. 滴头堵塞性能评估方法**
（1）流量测量
使用安装在现场测试平台上的电磁流量计（Hongqi Instrument，中国；型号LDE-6）每隔45小时测量一次滴头流量。通过相邻流量计之间的流量差计算给定滴头段的瞬时平均流量。
（2）滴灌系统的平均堵塞程度
平均堵塞程度（CD）用于评估SDI系统的整体性能，计算公式如下：
CD = (1 ? Qhead ? Qend) × 100
其中，CD是堵塞程度（%），Qhead和Qend分别是入口（head）和出口（end）的流量计读数（L·h?1），n是滴头数量，qiom是20℃下的标称滴头流量（L·h?1）。

**2.3. 堵塞物质的表征**
（1）干重和无机成分
从滴头入口（0–10米）、中间（10–20米）和出口（20–30米）部分收集滴头样本，每个部分采集9个滴头（共27个滴头），每种处理方式重复三次。滴头在60℃下烘烤至恒定质量（DW1）。然后使用去离子水清除滴头流道中的堵塞物质，并再次烘烤至恒定质量（DW2）。堵塞物质的干重（DW1 ? DW2）用于后续分析。回收的堵塞物质用FD-A12N真空冷冻干燥机冷冻干燥，研磨后通过X射线衍射（XRD；Bruker，德国；D8-Advance）分析其矿物组成。
（2）有机成分
使用从滴头入口、中间和出口部分采集的滴头样本（每个部分5个滴头，共15个滴头，每种处理方式重复三次）测定EPS含量。EPS分为胞外多糖（EPO）和胞外蛋白质（EPR）（Liu等，2004）。EPO的测定采用了酚-硫酸法（DuBois等人，1956年），而EPR的测量则使用了Lowry法（Lowry等人，1951年）。实验结束后，收集了发射器，并用无菌刷和15毫升去离子水冲洗了流道内的堵塞物。得到的悬浮液振荡24小时后，进行离心处理，并通过0.45微米的膜过滤以备后续分析。随后使用荧光光谱仪（Hitachi，日本；F7000）进行了三维激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱分析，以识别堵塞物中的有机成分（Xu等人，2023年）。

(3) 微生物群落分析
实验完成后，从总共60个发射器中收集了生物膜，每个处理有六个重复样本，每个重复样本包含10个发射器。用无菌刷轻轻刮取发射器流道内的生物膜。使用E.Z.N.A.? Soil DNA Kit（Omega Bio-tek，美国Norcross）提取DNA。通过1%琼脂糖凝胶电泳检查DNA的完整性，并使用NanoDrop 2000分光光度计（Thermo Scientific，美国）测定DNA的浓度和纯度。提取的DNA作为模板，使用条形码引物338 F（5’-ACT CCT ACG GGA GGC AGC AG-3’）和806 R（5’-GGA CTA CHV GGG TWT CTA AT-3’）进行细菌16S rRNA基因V3-V4高变区的PCR扩增。扩增产物从2%琼脂糖凝胶中切割出来，并使用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit（Axygen Biosciences，美国Union City）进行纯化。纯化产物使用Quantus?荧光仪（Promega，美国）进行定量，然后使用NEXTflex? Rapid DNA-Seq Kit（Bioo Scientific，美国）进行文库制备。原始的配对末端读段使用fastp（v0.20.0）（Chen等人，2018年）进行质量过滤，并使用FLASH（v1.2.7）（Mago?和Salzberg，2011年）进行合并。使用UPARSE（v7.1）以97%的序列相似度对操作分类单元（OTUs）进行聚类，并去除嵌合体（Edgar，2013年；Stackebrandt和Goebel，1994年）。使用RDP Classifier（v2.2）和SILVA 16S rRNA数据库进行分类鉴定，置信阈值为70%，并在不同分类水平上总结了群落组成（Wang等人，2007年）。

2.4 统计分析
数据可视化使用Excel（v2019）和Origin（v2021b）进行。使用SPSS（v27.0.1）中的一元分析方差（ANOVA）在95%的置信水平上（p < 0.05）评估不同处理之间堵塞指数、干重、无机和有机成分、EPS含量以及微生物丰富度的差异。Alpha多样性指数（Shannon和ACE）使用mothur（Schloss等人，2009年）计算，组间差异使用Wilcoxon秩和检验进行测试。基于Bray-Curtis差异的主坐标分析（PCoA）在R（v3.3.1）中进行，以研究与堵塞相关的变量和处理之间的关联。使用MENAP平台构建和评估微生物共现网络，并在Gephi（v0.9.2）中可视化网络。使用PICRUSt2预测功能谱，并根据京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库进行注释。此外，使用R中的“rfPermute”包通过随机森林（RF）分析评估水质对堵塞物质干重（DW）的影响。使用“A3”包进行1000次置换来评估模型的 significance 和交叉验证的R2值，方法遵循Jiao等人（2018年）的指南。结构方程模型（SEM）用于解析复合堵塞的关键驱动途径。分析使用SPSS AMOS（v22.0，IBM，美国Armonk）的最大似然估计方法进行。使用以下指标评估模型的拟合度：卡方值/自由度比（χ2/df）、拟合优度指数（GFI）和比较拟合指数（CFI）。

3. 结果与分析
3.1 堵塞动态和堵塞物的干质量变化
图2a显示了在不同水源处理下，平均发射器堵塞程度（CD）随时间的变化（CD的拟合曲线见图S2，处理间的显著性测试见表S2）。在早期阶段（0–90小时），CK和两种沼气浆混合液（BS1和BS2）的堵塞发展相似。在中期阶段（90–360小时）出现分歧，并在此后进一步扩大。到540小时时，CK、BS1和BS2的CD分别达到33.38%、71.02%和53.78%。

3.2 堵塞物中的无机和有机污染物的特征
X射线衍射（XRD）表明，发射器堵塞物包含七种矿物相。石英（32.78–50.76%）和长石（16.74–31.02%）是主要矿物，占总矿物分数的59%以上（图3a）。沼气浆的添加显著改变了污染物的矿物组成。相对于CK，BS1和BS2中石英和长石的相对丰度分别增加了9.98–21.34%和33.20–40.00%，而云母、方解石、绿泥石和白云石的相对丰度则减少。进一步分析显示，沼气浆处理增加了石英的比例，而硅酸盐（图3b）和碳酸盐（图3c）矿物分别减少了14.46–28.85%和3.72–8.67%。进一步的分割显示，颗粒污染占主导地位，占总污染的84.55–89.01%，而化学污染占0.99–15.45%（图3d-e）。与CK相比，沼气浆处理略微增加了颗粒污染（2.64–5.27%）并显著减少了化学污染（14.46–28.85%）。

3.3 不同水源下堵塞细菌群落的独特组装模式和共现网络
高通量测序在堵塞物中识别出38个细菌门。变形菌门（Proteobacteria）的相对丰度最高（35.62%±4.46%），其次是放线菌门（Actinobacteriota，28.67%±3.37%）、厚壁菌门（Firmicutes，9.79%±2.64%）、绿弯菌门（Chloroflexi，6.77%±1.59%）和酸杆菌门（Acidobacteria，5.95%±2.16%）（图4a）。Kruskal-Wallis检验表明，不同处理对变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门（Bacteroidota）、帕特斯西菌门（Patescibacteria）和粘细菌门（Myxococcota）的相对丰度有显著影响（p < 0.05）（表S3）。在沼气浆混合液处理下，Alpha多样性增加，ACE指数分别相对CK提高了11.81%和8.29%（图4b，表S4），其中BS1的ACE指数显著高于CK（p < 0.05）。细菌群落结构在不同水源下也有显著差异。基于Bray-Curtis的ANOOSIM将样本分为三个不同的簇（R=0.9893，p = 0.001），PCoA解释了66.05%的总方差（图4d）。

4. 讨论
4.1 使用不同水源进行SDI灌溉时堵塞的潜在微生物机制
在高有机负荷条件下，微生物和EPS的富集在生物膜形成中起核心作用，进而导致沼气浆SDI系统的堵塞。水质参数如COD和TSS（Xiao等人，2025年）对微生物群落结构和多样性有强烈影响。富营养的水源倾向于选择耐逆性和产生EPS的菌类，从而促进更粘附和稳定的生物膜的形成（Lipsman和Segev，2025年）。我们的EEM和EPS结果（图3）表明，在沼气浆处理下多糖和蛋白质的分泌增强。使用PICRUSt2的功能预测与这一模式一致，显示出与碳水化合物代谢和糖苷生物合成相关的功能潜力增加（ko00513，ko00511）（图5），这可能与EPS的产生和周转增强有关。这样的EPS矩阵可以将微生物与细颗粒结合，形成一个具有强内凝聚力的网络（Di Martino，2018年）。Wang等人（2022b）还报告称，堵塞物质通常由细颗粒（0.3–1.5微米）组成，这些颗粒通过EPS连接在一起。尽管EPS在沉积物干重中所占比例相对较小（大约为5.62%），但它可能作为一个关键的结构框架，调节颗粒的粘附和稳定。此外，在沼气浆液条件下，氮和磷的代谢潜力增强（ko00910, ko00440），这可能表明与硝化作用相关的过程具有更大的潜力，从而促进颗粒污垢的沉淀（图3c），进而促进无机物的沉积。此外，沼气浆液环境显著增强了与膜转运和信号转导相关的功能（例如，ko02010, ko04011, 和 ko02022；图5）。这可能反映了在复杂有机和离子条件下，与堵塞相关的微生物组的底物获取、解毒和应激反应能力的增强（Rees等人，2009年）。下载：下载高分辨率图像（310KB）下载：下载全尺寸图像图5. 在三种不同水源下，堵塞物质中预测的KEGG途径（第三级）的统计比较。功能轮廓是基于16S rRNA测序数据预测的。仅显示具有显著差异的途径（校正后的p < 0.001，Kruskal-Wallis检验）。观察到的微生物演替与上述堵塞进展密切相关。早期定殖者（例如，变形菌门）在后期逐渐被更适应低氧和盐环境的微生物群替换，这些微生物群具有更强的有机物降解能力（表S3）。值得注意的是，在高有机物负荷和低氧条件下，绿弯菌科（Anaerolineae）显著富集。先前的研究表明，绿弯菌经常表现出丝状形态，并参与污泥系统中复杂有机物的降解，将糖和纤维素发酵产生乙酸盐、乳酸和H2（Freches和Fradinho，2024年）。在厌氧铵氧化反应器中，丝状绿弯菌还可以与EPS共同发育，形成交联的网络结构。EPS作为一种“粘合剂”，将微生物聚集体组织成三维框架，从而增强生物膜的稳定性（Wong等人，2023年）。因此，在排放路径中，丝状绿弯菌的架构可能为生物膜的发展提供了结构支撑，并可能与EPS分泌增强有关，促进颗粒的桥接和捕获，从而可能增强堵塞的持久性。此外，它们的代谢活动可能通过利用简单底物和微生物分泌物来维持内部碳循环，进一步有助于稳定生物膜基质（Freches和Fradinho，2024年）。同样，由于嗜盐性，盐单胞菌可以在高盐度条件下维持生物膜生态位（Maus等人，2016年；Sorokin等人，2024年）。它能够水解纤维素并发酵产生乙酸盐、乙醇、乳酸、H2和CO2（Maus等人，2016年），从而可能为其他功能群（例如，产甲烷菌群）提供底物，并增加局部有机物负荷。尽管盐单胞菌不一定是EPS的主要生产者，但它转化有机物的能力可能为产生EPS的微生物群提供代谢前体，从而有助于粘稠基质的形成，最终促进有机污染和生物膜的生长。4.2. 使用不同水源的SDI灌溉中的堵塞途径和有针对性的控制策略随机森林模型确定COD和BOD是导致堵塞干重（DW）最强的水质指标（图S5，p < 0.05）。基于此，进一步分析了Spearman相关性（图S6）和结构方程建模（SEM，图6），以确定复合堵塞的关键驱动途径。SEM显示出良好的模型拟合（χ2/df = 1.121，CFI = 0.992），表明水质、矿物颗粒和生物膜相关组分之间存在显著的直接和间接关系。总体而言，COD和BOD的增加与进入系统的石英负荷增加以及EPR的直接增强有关。石英和碳酸盐通过EPS和蛋白质介导的过程进一步影响堵塞的发展。具体来说，石英促进了EPO的产生，同时抑制了EPR，而EPO则正向调节了EPR水平。这些关系共同促进了生物膜的粘附和聚集体的形成（Song等人，2021年；Zhang等人，2007年）。在所有途径中，石英和EPR对堵塞干重有最强的直接影响，碳酸盐矿物也有显著贡献。这些结果表明，堵塞是由颗粒沉积、EPS介导的聚集和无机物沉淀共同驱动的，并通过一个加强的反馈机制进一步维持，其中由EPS促进的微生物生长增强了EPS的分泌和颗粒捕获，从而促进了沉积物的持续积累（Li等人，2019年；Song等人，2017年；Wang等人，2022b）。下载：下载高分辨率图像（371KB）下载：下载全尺寸图像图6. BSDI中的堵塞诱导途径和缓解措施。SEM显示了水质、堵塞物质组分和堵塞物质干重之间的关系。红色和蓝色箭头分别表示正相关和负相关。χ2/df = 1.121，GFI = 0.886，CFI = 0.992。显著性水平如下：* p < 0.05，** p < 0.01和*** p < 0.001。水质、无机污染和有机污染框架内的不同颜色框代表不同的堵塞缓解和调节措施。根据上述确定的途径级驱动因素，应在沼气浆液SDI过程中实施分阶段和有针对性的控制措施。在水源预处理阶段，据报道纳米气泡（NBs）曝气可以氧化有机物，抑制微生物活性，并干扰无机物的结晶，从而减轻由微生物增殖、EPS分泌和颗粒粘附引起的复合堵塞（Xiao等人，2024年）。磁处理可以减少微生物生长和EPS的产生，同时抑制碳酸盐、磷酸盐和硅酸盐的沉淀，从而减弱生物膜和颗粒的协同作用，并减缓堵塞的发展（Xiao等人，2021年）。从水力管理的角度来看，针对频率、流速和流向进行优化的高频联合冲洗可以增强流道内的剪切应力和湍流。这促进了生物膜和颗粒的脱离和运输，减少了沉积物和停留时间。结果，SDI系统的运行稳定性得到提高（Wang等人，2023年）。从化学控制的角度来看，联合酸-氯处理可以抑制微生物活性，破坏生物膜结构，并改变污染沉积物的空间分布和流动性，最终减轻复合堵塞的严重程度（Qiu等人，2022年）。此外，生物调节策略，如应用抗菌剂（例如，解淀粉芽孢杆菌）可以抑制微生物增殖，减少EPS分泌，并削弱生物膜的稳定性和颗粒桥接能力，从而提高水力性能（Wen等人，2021年）。同样，尿素也可以作为肥料，诱导EPR的变性，并破坏参与生物膜形成的信号通路，从而抑制生物污染（Shen等人，2025年）。尽管本研究系统地调查了使用沼气浆液进行地下滴灌的堵塞特性、途径和潜在控制措施，但仍应承认几个限制。首先，实验是在加速测试平台上进行的，并未明确考虑作物生长效应，包括可能影响SDI水力的根系侵入。考虑到中国西北部干旱和半干旱地区的气候特征，即降水量低和蒸发需求高，以及该地区的主要作物系统，未来的工作应优先在具有代表性的高价值多年生作物系统中进行长期验证。这些系统具有较长的生长季节、深的根系分布以及对稳定供水的强烈依赖性，非常适合SDI（Huo等人，2018年）。根据ISO/TC23/SC18（I.S.O. Standards，2003）和ASAE标准EP 405.1（ASAE Standards，2003），并得到先前研究的支持（Feng等人，2019年；Zhao等人，2025年），平均排放堵塞程度（CD）低于25%被认为是正常运行。在本研究中，运行150小时后，沼气浆液处理下的CD保持在25%以下，表明运行性能可接受（图2）。这些结果表明，在适当的水质条件和运行管理下，SDI可以在多年生作物系统中保持稳定运行，为中国西北部干旱地区的沼气浆液的控制再利用提供实际指导。第二个限制与浆液与水的混合比例有关，该比例是基于之前推荐的阈值（Wang等人，2022b）选择的，而不是在浓度梯度上系统评估的。未来的研究应采用更细的混合设计，并结合长期运行。这将有助于确定平衡堵塞控制和养分回收效益的最佳应用参数，从而支持在中国西北部干旱地区使用沼气浆液进行SDI的精确调节。此外，本研究的结论基于在当前实验条件下获得的数据集。尽管结果提供了关于堵塞特性及其在特定运行阶段的潜在驱动因素的见解，但其在中国西北部干旱地区和长期运行条件下的适用性仍需进一步验证。未来的研究应扩展数据集，延长监测时间，并整合多源数据以进行更全面的分析，从而提高结果的稳健性和普遍性。5. 结论（1）使用沼气浆液的SDI保持了可控的堵塞，所有处理的150小时后的堵塞程度均低于25%，BS2处理为210小时。这支持了在中国西北部干旱地区在适当堵塞控制下的可行性。（2）堵塞是由水质驱动的，源于颗粒沉积、矿物结垢和生物膜生长。悬浮固体增加了物理沉积物，而有机负荷增强了EPS介导的生物污染。（3）水质的变化重构了堵塞微生物组和KEGG功能。绿弯菌科和盐单胞菌的富集，以及更高的膜转运/信号转导和N/P及能量代谢潜力，可能加强了生物膜的凝聚力，并加剧了沼气浆液灌溉下的复合堵塞。（4）我们建议结合预处理和过程调节的综合控制。增强多级过滤，加上纳米气泡或磁处理用于水源处理，以及定期冲洗和酸氯清洗，可以抑制生物膜和结垢的耦合。有针对性的生物控制和蛋白质变性剂可能提供额外的抑制效果。致谢作者贡献声明陈思宇：写作——原始草稿、调查、可视化、数据管理。杨健：写作——审阅与编辑、调查。肖洋：写作——审阅与编辑、调查。周波：写作——审阅与编辑、概念化、资金获取、方法论。文腾：写作——审阅与编辑、调查。张家丁：写作——审阅与编辑、调查、方法论。李云凯：写作——审阅与编辑、监督。