直径为1μm的纳米气泡（NBs）具有独特的性质，包括在水中较长的寿命。我们之前的研究表明，使用含氧纳米气泡（oxygen-NB-water）的水进行灌溉可以使水淹水水稻的季节性甲烷（CH4）排放量减少21%。因此，我们假设CH4排放量减少归因于土壤氧化。为了验证这一假设，我们进行了三次连续的土柱实验，分别在淹水和水稻未种植条件下进行。除了实验前的土壤储存时间（2-3年）和好氧土壤预培养时间（7-13天）外，他们实验设置是相同的。用充气自来水（对照）或含氧纳米气泡水人工灌溉柱。使用管式泵不断地将沥滤水从柱底排出。在57天的实验期间，我们定期测量排水系统中溶解的温室气体和淋溶的重金属。淋溶的锰含量大于淋溶铁量，这说明三个实验的还原土壤条件相对较弱。与对照水相比，含氧纳米气泡水减少20-28%的总CH4排放量。但由于土壤活性碳极高的有效性，只有在土壤储存时间最短的、CH4排放量最大时，才有显著性差异（p＜0.05）。利用微电极进行的土壤氧化剖面分析表明，在实验的第35天，含氧纳米气泡水改善了浅层土壤（距土壤表面4-15mm）的氧气消耗，而由于土壤活性碳的限制，CH4排放量较小。研究结果证实，含氧纳米气泡水灌溉通过对浅层土壤的氧化作用降低淹水稻田土壤CH4的产生。


1、研究背景


土壤氧化还原条件是水稻土生物地球化学的重要驱动因素。水淹的水稻土中的主要氧化剂还原后会产生对水稻有害的物质。一氧化二氮是另一种强效温室气体，也可以通过反硝化作用产生于水稻土中。砷在还原条件下从土壤释放到土壤溶液中并在水稻植株中积累，而镉(Cd)是另一种有害重金属，在氧化条件下可溶，被水稻植株吸收。而水管理是实现灌溉稻田土壤氧化还原条件氧化转移的最实际、最经济的选择，但并不总是有效可行的。如果在不实施水资源管理的情况下实现了土壤氧化还原条件的氧化转移，上述环境问题和对水稻生产的负面影响可能同时得到解决。


纳米气泡(NBs)是直径为1微米的微小气泡，具有在水中长期稳定，在液体中具有高的气体溶解度，以及生成活性氧等特性。在环境科学中，由氧组成的NBs，无论其类型(体积或表面)，作为实现还原环境(如淡水沉积物)氧化的一种有前景的方法，正吸引着研究者的关注。


2.材料与方法


2.1实验设置


2016-2017年，在日本茨城的筑波的国家农业和食品研究组织的农业环境科学研究所进行了三个土柱实验。使用潜育冲积土。2014年收集并室温保存，略微营养不足。每个实验都使用储存的土壤。三个实验都持续了57天。


2.2灌溉水和土壤培育


3个实验采用完全随机设计。唯一的实验因素为水的类型，设定2个水平，对照水和含氧纳米气泡水。实验前先对土壤进行预培养。为了保持湿润的条件，将自来水灌到土壤中。不同实验的预培养时间不同，实验一和实验三为7天，实验二为13天。每个土柱用自来水或含氧纳米气泡水每周灌溉2-3次，使用浇水罐，以保持淹水条件，而不影响表层土壤。


2.3观测值


每周记录排水量。每周使用顶空气体采样技术测量排水中溶解的CH4、二氧化碳(CO2)和N2O的浓度。采用双周电感耦合等离子体发射光谱(Mn和Fe)和流动注射-电感耦合等离子体质谱(Cd和As)分析重金属Mn、Fe、Cd和As的浓度。未暴露在空气中的排出水在收集后立即通过0.2微米的膜过滤器，用硝酸进行酸化。


实验三采用光学溶解氧传感器和专用便携式万用表监测地表水中的溶解氧(DO)浓度和温度。在整个监测期间，每个24小时，每隔半小时测量同一土柱中的溶氧量。传感器尖端固定在距土壤表面1.5 cm的静水中。


氧浓度的最小量程为0.3μmol L−1。六个土柱在第7、21、35和49实验天时，在土壤表面以上3mm到土壤表面以下30mm之间，每隔1 mm获得3个氧剖面。每次测量时，土柱底部的排水口用一个塞子堵住。用三次测量的平均值作为每一列的代表值。


3.结果与分析


3.1灌溉排水条件


通过人工灌溉，地表水位保持在土壤表面以上2-11厘米。泵的排水效果很好，很少发生管子堵塞。与最初的目标20 L相比，三个实验（表1）中的总排水量平均为19.8 L（即1.73 cm day−1）。实验时间对总排水量有显着影响。这是因为在实验II中，开始几天的排水速度很慢，以避免在搅动后立即停止排水。


3.2温室气体


总CH4排放量受实验时间和水类型的影响很大，并且存在显着的相互作用（表1）。在每种类型水中，实验时间的影响也很明显。这种相互作用归因于水类型不同对实验时间的不同响应。也就是说，仅在最大排放量的实验I中观察到由于使用含氧纳米气泡水而导致的CH4排放显着下降（降低了24％），而在实验II中观察到了这种趋势（降低了20％）。III（减少28％），排放量较小（图1）。

总的CO2和N2O排放仅受实验时间的显着影响（表1）。实验I的CO2排放量是实验II和III的2.4倍。在最初的峰值之后，溶解的CO2浓度的变化达到了最小值。与CH4和CO2排放量相比，N2O排放量在实验I中最低。溶解的N2O浓度在初始下降后逐渐增加。


3.3淋溶金属元素


除铁外，淋溶金属的总量受实验时间的影响很大（表1）。1 DOE的淋溶Cd浓度最高，之后降低。另一方面，As，Fe和Mn的浓度先升高并达到平稳期或逐渐降低。仅在实验I中，含氧纳米气泡水中第28 DOE淋溶的As，Fe和Mn的浓度低于对照水。


3.4测量变量之间的关系

总CH4排放量，总CO2排放量和淋溶Mn总量之间存在显著正相关（表2）。与我们的预期相反，淋溶铁的总量与淋溶砷的总量仅具有显著的正相关。


3.5地表水中溶解氧

对照水中的DOsat（DO的饱和度百分比）随时间逐渐降低，并在每次测量15小时后达到最小值（图2）。在对照水中，有四次收敛的DOsat水平随时间增加。在含氧纳米气泡水中，DOsat在8.5-14.5 h内降至饱和水平（即100％），并在24 h内收敛至约80％。含氧纳米气泡水的初始DOsat通常不高（DO=11.5–15.2 mg L-1），部分原因是纳米气泡生成后2小时内暴露于空气中。


3.6土壤氧剖面

在每种情况下，两种水类型的土壤氧协调作用都从0到1 mm深度急剧下降（图3）。在7和21 DOE处达到20毫米深度，在35和49 DOE处达到25毫米深度之前，氧浓度降低到检测极限以下（即0.3μmolL-1）。氧气耗竭的程度随时间而降低。另外，地表水中的氧气浓度（即，＜0mm深度）随时间逐渐增加。在7和21 DOE上未观察到水类型对氧气浓度的影响；然而，最终在35 DOE上观察到了这种影响，这种趋势一直持续到49 DOE。在35 DOE上，在5–7和12–13 mm深度处观察到水类型之间的氧浓度存在显着差异，在4、8–11和14–15 mm深度处观察到边际差异（p＜0.1）。


4.结论


研究验证了土壤氧化还原条件的氧化迁移是含氧纳米气泡水降低CH4排放的原因这一假设。证实了含氧纳米气泡水灌溉通过氧化离土壤表面4-15mm的浅层土壤降低了淹水水稻土的CH4排放量。本研究中含氧纳米气泡水灌溉降低溶解CH4排放的效果有限(20-28%)，但通过改变灌溉频率仍有很大的改善空间。土壤氧浓度的原位微谱分析表明，灌含氧纳米气泡水可以提高水淹浅层水稻土的氧含量。研究结果为利用含氧纳米气泡水控制水淹水稻土等水生环境中的氧化还原条件提供了科学依据。今后的研究应集中在大量含氧纳米气泡水的的氧化能力和促进生长两方面，以便在实际的水田中开发可行的应用方案。