《Agricultural Water Management》：Subsurface drainage alleviates salt-affected soil constraints and improves soil fertility through altering physical and hydraulic properties in the Hetao Irrigation District, China
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地下排水（SD）作为一种具有代表性的排水水分管理措施，可缓解农业土壤盐渍化。近几十年来，其在盐分淋洗和土壤健康维持方面的显著成效推动了对其潜在机制的深入研究。然而，大多数研究，尤其是中国河套灌区开展的研究，仍较为孤立，且往往忽视了土壤结构、养分和微生物群落之间
地下排水（SD）作为一种具有代表性的排水水分管理措施，可缓解农业土壤盐渍化。近几十年来，其在盐分淋洗和土壤健康维持方面的显著成效推动了对其潜在机制的深入研究。然而，大多数研究，尤其是中国河套灌区开展的研究，仍较为孤立，且往往忽视了土壤结构、养分和微生物群落之间耦合与反馈过程。为探究SD的综合机制并填补河套灌区的认知空白，本研究在向日葵种植系统中开展田间试验，考察了SD对土壤理化性质、养分利用及生物过程的影响。通过比较SD与非排水（ND）处理在耕层不同深度下土壤结构、盐分分布和微生物群落的差异，发现SD使粉粒含量从30%提高至37%，大团聚体增加49%。这些结构性变化进而促进了水盐过程的改善，表现为Ca2?/Mg2?显著升高，CO?2?/HCO??显著降低。由此，pH下降，而总碳（C）、氮（N）和磷（P）含量升高。此外，高通量测序显示，SD使细菌群落向寡营养类群（如酸杆菌门Acidobacteriota）重构，而真菌群落保持稳定。SD还显著提高了N/P循环功能基因（如amoA、phoD）的绝对丰度及相应酶活性（如碱性磷酸酶、脲酶和硝酸还原酶）。总体而言，上述发现表明SD通过物理化学与生物学的综合机制维持农业生产力的可持续性，为盐渍化土壤的综合修复提供了科学依据。
**地下排水对盐渍化土壤物理-化学-生物协同改良机制的研究解读**
**一、研究背景与科学问题**
土壤盐渍化已成为全球范围内威胁农业生产力与粮食安全的重大土地退化问题。在干旱与半干旱农业区，盐渍化显著破坏土壤团聚体稳定性，使土壤易受侵蚀，加剧种子萌发和根系发育过程中的渗透胁迫，并破坏灌溉区域的土壤-植物-水分连续体。为缓解这些不利影响，研究者开发了多种综合管理策略。其中，排水水分管理（DWM）被认为是缓解排水不良农业土壤盐渍化的关键途径。
地下排水（SD）作为DWM的代表性措施，通过淋洗土壤剖面中过量的水分和可溶性盐分、控制地下水位以防止毛管作用引起的盐分表聚，已在盐渍化土壤修复中得到广泛应用。相关研究表明，SD能够改变土壤质地、影响有机质矿化和阳离子迁移，并重塑根际微生物群落。然而，已有研究多孤立地考察物理性质、养分含量和微生物群落，忽视了盐渍化土壤中"结构-养分-微生物"之间相互依存的反馈机制及其耦合过程。特别是在中国河套灌区，关于SD作用机制的研究仍较为有限，不同深度土壤物理性质空间变异的研究亦相对匮乏。
鉴于此，研究人员在河套灌区向日葵种植系统中开展了为期两年的田间试验（2023年5月至2024年9月），系统评估SD对土壤理化性质、养分利用和生物过程的影响。该研究旨在：(1) 确定SD对盐渍化土壤结构和团聚体的影响；(2) 探究SD对离子组成和养分分异的作用；(3) 考察SD对土壤微生物多样性和群落组成的影响；(4) 评估SD体系下微生物群落与环境因子之间的关系。
**二、研究技术方法**
本研究在河套灌区五原县（41°06′N, 108°16′E）开展田间对比试验，设置地下排水（SD）和非排水（ND）两种处理，供试作物为向日葵（Helianthus annuus L. cv. Sanrui No. 10）。土壤样品的采集包括耕层（0–20 cm）根际土和非根际原状土，以及0–100 cm深度五个层次的分层样品。
主要技术方法包括：采用激光衍射法测定土壤颗粒组成；湿筛法测定水稳定性团聚体；砂箱和压力膜提取器测定土壤水分特征曲线，并利用van Genuchten模型拟合及RETC软件（Rosetta模块）预测饱和导水率；测定土壤pH、电导率（Ec）、钠吸附比（SAR）和阳离子结构稳定性比（CROSS）等盐碱指标；采用高通量测序技术（Illumina HiSeq 2500平台）分析细菌16S rRNA和真菌ITS区域的群落组成；通过定量PCR（qPCR）技术检测氮循环功能基因（nifH、amoA、glnA、ureC）和磷循环功能基因（gcd、phnX、phoD、AMF）的绝对丰度；利用微孔板法测定土壤酶活性（β-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶、脲酶、硝酸还原酶）。统计分析采用独立样本t检验、主坐标分析（PCoA）、Mantel检验和冗余分析（RDA）等方法。
**三、主要研究结果**
**3.1 SD改变土壤物理和水力性质**
与ND处理相比，SD处理显著提高了60–80 cm和80–100 cm深度的粉粒含量（分别增加30.78%和37.03%），并显著降低了80–100 cm深度的砂粒含量（降幅77.10%）。SD处理下土壤水分特征曲线显示，在低吸力阶段（10?2–101 kPa）水分释放更快，反映排水效率提高；而在高吸力阶段（>103 kPa）保留了更多残余水分。SD处理的残余含水量（θr）在各土层均显著高于ND处理，进气参数（α）和孔隙均匀性参数（n）也显著升高。耕层（0–20 cm）中，SD处理显著减少了黏粉粒含量（降低32.36%），中等大团聚体含量增加49.07%，平均重量直径（MWD）提高22.69%。表层（0–40 cm）饱和导水率显著高于ND处理。
**3.2 SD改变土壤盐碱特征和养分含量**
SD处理显著降低了根际土壤、膜内和膜外非根际土壤的pH值（分别降低0.4、0.46和0.49个单位），显著降低了膜内和膜外土壤的钠吸附比（SAR）（分别降低29.26%和53.85%）。CROSS亦呈一致趋势。离子分析显示，SD处理显著提高了Mg2?和Ca2?浓度，完全消除了CO?2?并显著降低了HCO??含量。养分测定表明，SD处理下根际土壤有机质、全氮和全磷含量分别显著增加16.74%、10.20%和16.47%，有效磷和有效氮也显著升高。相关分析显示，多数养分指标与pH和碳酸根离子呈负相关，与Ca2?和Mg2?呈正相关。
**3.3 土壤微生物群落组成变化**
高通量测序共检测到12,862个细菌和1,277个真菌ASVs。SD处理显著提高了细菌α多样性（Shannon指数提高18%，Chao1丰富度提高22%），而真菌多样性无显著变化。PCoA分析显示，SD与ND处理间细菌群落的分离程度强于真菌群落。在门水平上，SD处理降低了变形菌门（Proteobacteria）相对丰度（降低15.34%），增加了放线菌门（Actinobacteria）相对丰度（增加46.65%）；真菌群落中以子囊菌门（Ascomycota）为优势类群，SD处理提高了担子菌门（Basidiomycota）和被孢霉门（Mortierellomycota）的相对丰度。
**3.4 功能基因丰度与酶活性**
qPCR分析显示，SD处理显著提高了氮循环基因nifH、amoA、glnA和ureC的丰度（分别增加5.98%、14.42%、2.97%和9.83%），以及磷循环基因gcd、phnX、phoD和AMF的丰度（分别增加8.95%、10.16%、7.55%和23.53%）。酶活性测定表明，SD处理显著增强了β-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶（p < 0.001）以及脲酶和硝酸还原酶（p < 0.01）的活性。
**3.5 微生物群落与环境因子的关联**
Mantel检验表明，土壤特性主要影响细菌群落，pH是影响细菌群落组成的最强因子，其次是Mg2?和Ca2?。中等大团聚体、黏粉粒组分、Cl?、K?、CO?2?和HCO??亦显著影响细菌群落。RDA分析进一步显示，ND处理沿RDA1正方向分布（高pH、富碳酸盐环境），而SD处理沿RDA1负方向分布（与Ca2?、Mg2?、K?升高相关），表明土壤结构通过调节微生境间接影响微生物群落。
**四、讨论与结论**
讨论部分指出，SD通过促进细颗粒在深层积累改变了土壤质地分布。SD加速土壤"干湿循环"，促进土壤裂隙发育和优先流路径形成，从而提高饱和导水率。SD通过Ca2?和Mg2?置换Na?的阳离子交换过程，降低SAR和CROSS，抑制黏粒分散，促进团聚体稳定。pH降低增强了磷的有效性并促进硝化过程，同时Ca2?诱导的团聚作用稳定了有机质。细菌群落对SD的响应较真菌更为敏感，这与pH降低、养分改善和通气条件优化密切相关。放线菌门和Mortierellomycota丰度的增加，部分解释了碳、磷代谢酶活性的增强。
研究结论表明，地下排水（SD）通过缓解盐渍化-碱化过程、改变盐基阳离子分布，显著改善了盐渍化土壤的结构，增强了水分保持能力，并优化了理化性质。这些物理化学的优化深刻影响了土壤碳、氮、磷的有效性，同时塑造了细菌-真菌群落的差异化响应模式——其中细菌类群表现出高响应性，而真菌群落保持相对稳定。总体而言，SD对土壤性质、养分循环和微生物群落的综合效应显著促进了盐渍化土壤的修复，为可持续农业管理实践的发展提供了坚实的实证依据。未来研究可整合多年宏基因组测序、X射线和时域反射（TDR）技术，深入揭示养分循环的功能通路及水盐运动的时空动态。
