直徑為1μm的納米氣泡（NBs）具有獨(dú)特的性質(zhì)，包括在水中較長(zhǎng)的壽命。我們之前的研究表明，使用含氧納米氣泡（oxygen-NB-water）的水進(jìn)行灌溉可以使水淹水水稻的季節(jié)性甲烷（CH4）排放量減少21%。因此，我們假設(shè)CH4排放量減少歸因于土壤氧化。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，我們進(jìn)行了三次連續(xù)的土柱實(shí)驗(yàn)，分別在淹水和水稻未種植條件下進(jìn)行。除了實(shí)驗(yàn)前的土壤儲(chǔ)存時(shí)間（2-3年）和好氧土壤預(yù)培養(yǎng)時(shí)間（7-13天）外，他們實(shí)驗(yàn)設(shè)置是相同的。用充氣自來(lái)水（對(duì)照）或含氧納米氣泡水人工灌溉柱。使用管式泵不斷地將瀝濾水從柱底排出。在57天的實(shí)驗(yàn)期間，我們定期測(cè)量排水系統(tǒng)中溶解的溫室氣體和淋溶的重金屬。淋溶的錳含量大于淋溶鐵量，這說(shuō)明三個(gè)實(shí)驗(yàn)的還原土壤條件相對(duì)較弱。與對(duì)照水相比，含氧納米氣泡水減少20-28%的總CH4排放量。但由于土壤活性碳極高的有效性，只有在土壤儲(chǔ)存時(shí)間最短的、CH4排放量最大時(shí)，才有顯著性差異（p＜0.05）。利用微電極進(jìn)行的土壤氧化剖面分析表明，在實(shí)驗(yàn)的第35天，含氧納米氣泡水改善了淺層土壤（距土壤表面4-15mm）的氧氣消耗，而由于土壤活性碳的限制，CH4排放量較小。研究結(jié)果證實(shí)，含氧納米氣泡水灌溉通過(guò)對(duì)淺層土壤的氧化作用降低淹水稻田土壤CH4的產(chǎn)生。

1、研究背景

土壤氧化還原條件是水稻土生物地球化學(xué)的重要驅(qū)動(dòng)因素。水淹的水稻土中的主要氧化劑還原后會(huì)產(chǎn)生對(duì)水稻有害的物質(zhì)。一氧化二氮是另一種強(qiáng)效溫室氣體，也可以通過(guò)反硝化作用產(chǎn)生于水稻土中。砷在還原條件下從土壤釋放到土壤溶液中并在水稻植株中積累，而鎘(Cd)是另一種有害重金屬，在氧化條件下可溶，被水稻植株吸收。而水管理是實(shí)現(xiàn)灌溉稻田土壤氧化還原條件氧化轉(zhuǎn)移的最實(shí)際、最經(jīng)濟(jì)的選擇，但并不總是有效可行的。如果在不實(shí)施水資源管理的情況下實(shí)現(xiàn)了土壤氧化還原條件的氧化轉(zhuǎn)移，上述環(huán)境問(wèn)題和對(duì)水稻生產(chǎn)的負(fù)面影響可能同時(shí)得到解決。

納米氣泡(NBs)是直徑為1微米的微小氣泡，具有在水中長(zhǎng)期穩(wěn)定，在液體中具有高的氣體溶解度，以及生成活性氧等特性。在環(huán)境科學(xué)中，由氧組成的NBs，無(wú)論其類型(體積或表面)，作為實(shí)現(xiàn)還原環(huán)境(如淡水沉積物)氧化的一種有前景的方法，正吸引著研究者的關(guān)注。

2.材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2016-2017年，在日本茨城的筑波的國(guó)家農(nóng)業(yè)和食品研究組織的農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)研究所進(jìn)行了三個(gè)土柱實(shí)驗(yàn)。使用潛育沖積土。2014年收集并室溫保存，略微營(yíng)養(yǎng)不足。每個(gè)實(shí)驗(yàn)都使用儲(chǔ)存的土壤。三個(gè)實(shí)驗(yàn)都持續(xù)了57天。

2.2灌溉水和土壤培育

3個(gè)實(shí)驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。唯一的實(shí)驗(yàn)因素為水的類型，設(shè)定2個(gè)水平，對(duì)照水和含氧納米氣泡水。實(shí)驗(yàn)前先對(duì)土壤進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)。為了保持濕潤(rùn)的條件，將自來(lái)水灌到土壤中。不同實(shí)驗(yàn)的預(yù)培養(yǎng)時(shí)間不同，實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)三為7天，實(shí)驗(yàn)二為13天。每個(gè)土柱用自來(lái)水或含氧納米氣泡水每周灌溉2-3次，使用澆水罐，以保持淹水條件，而不影響表層土壤。

2.3觀測(cè)值

每周記錄排水量。每周使用頂空氣體采樣技術(shù)測(cè)量排水中溶解的CH4、二氧化碳(CO2)和N2O的濃度。采用雙周電感耦合等離子體發(fā)射光譜(Mn和Fe)和流動(dòng)注射-電感耦合等離子體質(zhì)譜(Cd和As)分析重金屬M(fèi)n、Fe、Cd和As的濃度。未暴露在空氣中的排出水在收集后立即通過(guò)0.2微米的膜過(guò)濾器，用硝酸進(jìn)行酸化。

實(shí)驗(yàn)三采用光學(xué)溶解氧傳感器和專用便攜式萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)地表水中的溶解氧(DO)濃度和溫度。在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，每個(gè)24小時(shí)，每隔半小時(shí)測(cè)量同一土柱中的溶氧量。傳感器尖端固定在距土壤表面1.5 cm的靜水中。

氧濃度的最小量程為0.3μmol L?1。六個(gè)土柱在第7、21、35和49實(shí)驗(yàn)天時(shí)，在土壤表面以上3mm到土壤表面以下30mm之間，每隔1 mm獲得3個(gè)氧剖面。每次測(cè)量時(shí)，土柱底部的排水口用一個(gè)塞子堵住。用三次測(cè)量的平均值作為每一列的代表值。

3.結(jié)果與分析

3.1灌溉排水條件

通過(guò)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，很少發(fā)生管子堵塞。與最初的目標(biāo)20 L相比，三個(gè)實(shí)驗(yàn)（表1）中的總排水量平均為19.8 L（即1.73 cm day?1）。實(shí)驗(yàn)時(shí)間對(duì)總排水量有顯著影響。這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)II中，開(kāi)始幾天的排水速度很慢，以避免在攪動(dòng)后立即停止排水。

3.2溫室氣體

總CH4排放量受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和水類型的影響很大，并且存在顯著的相互作用（表1）。在每種類型水中，實(shí)驗(yàn)時(shí)間的影響也很明顯。這種相互作用歸因于水類型不同對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的不同響應(yīng)。也就是說(shuō)，僅在最大排放量的實(shí)驗(yàn)I中觀察到由于使用含氧納米氣泡水而導(dǎo)致的CH4排放顯著下降（降低了24％），而在實(shí)驗(yàn)II中觀察到了這種趨勢(shì)（降低了20％）。III（減少28％），排放量較小（圖1）。

總的CO2和N2O排放僅受實(shí)驗(yàn)時(shí)間的顯著影響（表1）。實(shí)驗(yàn)I的CO2排放量是實(shí)驗(yàn)II和III的2.4倍。在最初的峰值之后，溶解的CO2濃度的變化達(dá)到了最小值。與CH4和CO2排放量相比，N2O排放量在實(shí)驗(yàn)I中最低。溶解的N2O濃度在初始下降后逐漸增加。

3.3淋溶金屬元素

除鐵外，淋溶金屬的總量受實(shí)驗(yàn)時(shí)間的影響很大（表1）。1 DOE的淋溶Cd濃度最高，之后降低。另一方面，As，F(xiàn)e和Mn的濃度先升高并達(dá)到平穩(wěn)期或逐漸降低。僅在實(shí)驗(yàn)I中，含氧納米氣泡水中第28 DOE淋溶的As，F(xiàn)e和Mn的濃度低于對(duì)照水。

3.4測(cè)量變量之間的關(guān)系

總CH4排放量，總CO2排放量和淋溶Mn總量之間存在顯著正相關(guān)（表2）。與我們的預(yù)期相反，淋溶鐵的總量與淋溶砷的總量?jī)H具有顯著的正相關(guān)。

3.5地表水中溶解氧

對(duì)照水中的DOsat（DO的飽和度百分比）隨時(shí)間逐漸降低，并在每次測(cè)量15小時(shí)后達(dá)到最小值（圖2）。在對(duì)照水中，有四次收斂的DOsat水平隨時(shí)間增加。在含氧納米氣泡水中，DOsat在8.5-14.5 h內(nèi)降至飽和水平（即100％），并在24 h內(nèi)收斂至約80％。含氧納米氣泡水的初始DOsat通常不高（DO=11.5–15.2 mg L-1），部分原因是納米氣泡生成后2小時(shí)內(nèi)暴露于空氣中。

3.6土壤氧剖面

在每種情況下，兩種水類型的土壤氧協(xié)調(diào)作用都從0到1 mm深度急劇下降（圖3）。在7和21 DOE處達(dá)到20毫米深度，在35和49 DOE處達(dá)到25毫米深度之前，氧濃度降低到檢測(cè)極限以下（即0.3μmolL-1）。氧氣耗竭的程度隨時(shí)間而降低。另外，地表水中的氧氣濃度（即，＜0mm深度）隨時(shí)間逐漸增加。在7和21 DOE上未觀察到水類型對(duì)氧氣濃度的影響；然而，最終在35 DOE上觀察到了這種影響，這種趨勢(shì)一直持續(xù)到49 DOE。在35 DOE上，在5–7和12–13 mm深度處觀察到水類型之間的氧濃度存在顯著差異，在4、8–11和14–15 mm深度處觀察到邊際差異（p＜0.1）。

4.結(jié)論

研究驗(yàn)證了土壤氧化還原條件的氧化遷移是含氧納米氣泡水降低CH4排放的原因這一假設(shè)。證實(shí)了含氧納米氣泡水灌溉通過(guò)氧化離土壤表面4-15mm的淺層土壤降低了淹水水稻土的CH4排放量。本研究中含氧納米氣泡水灌溉降低溶解CH4排放的效果有限(20-28%)，但通過(guò)改變灌溉頻率仍有很大的改善空間。土壤氧濃度的原位微譜分析表明，灌含氧納米氣泡水可以提高水淹淺層水稻土的氧含量。研究結(jié)果為利用含氧納米氣泡水控制水淹水稻土等水生環(huán)境中的氧化還原條件提供了科學(xué)依據(jù)。今后的研究應(yīng)集中在大量含氧納米氣泡水的的氧化能力和促進(jìn)生長(zhǎng)兩方面，以便在實(shí)際的水田中開(kāi)發(fā)可行的應(yīng)用方案。