等离子体活化水比能输入将水化学与回填盐土柱入渗及盐—硝酸盐再分布联系起来

《Environmental Technology & Innovation》：Specific energy input links plasma-activated water chemistry to infiltration and salt–nitrate redistribution in repacked saline soil columns

　　

等离子体活化水（PAW）改变灌溉水化学，但工艺能量、反应器运行与土壤水力—溶质响应之间的联系仍不清晰。研究人员评估了面板指示直流母线功率（0.8–1.2 kW）与水体积（10–25 L）的12种组合，并将每处理体积的能量表示为比能输入（SEI，kJ L-1）；表征在40 °C结束以控制热干扰。独立的10 L批次处理30 min，立即表征，冷却至25±0.5 °C，不加储存施用于粉砂壤土回填柱。每处理含3次独立制备与3根独立装填柱。电导率与硝酸盐在各功率水平内线性增加，但功率特定斜率表明相等SEI并不产生相同化学。在以湿润锋到达30 cm定义的处理特定终点，PAW累计入渗较去离子水高7.2–18.3%。HYDRUS-1D反演得到表观饱和水力传导度为0.0032–0.0039 cm min-1，对照为0.0028 cm min-1。土壤电导率与水提取硝酸盐剖面与总可溶离子及硝酸盐向下再分布一致。基于处理后即时浓度的硝酸盐输入代理估计在1.0而非1.2 kW达到峰值。因此，SEI是反应器特定的归一化指标，新鲜PAW在单次入渗事件中关联更高终点入渗与溶质再分布。田间应用需在重复灌溉、排水、盐与氮质量平衡及作物吸收下评价。

研究背景方面，水资源短缺、土壤盐渍化与氮素损失制约灌溉农业，尤其在干旱区。灌溉水的盐分、碱度、pH与电解质组成调控团聚体稳定性、孔隙连续性、入渗与水力传导度；硝酸盐在多数矿质土壤中具移动性，任何增加进水的治疗都可能改变原生盐类与硝酸盐运移，因此水、盐、氮响应必须联合评价。等离子体活化水（PAW，plasma-activated water）通过等离子体液相相互作用引入活性氧氮物种，常表现为pH降低、电导率（EC）、氧化还原电位（ORP）、硝酸盐或亚硝酸盐浓度升高，以及溶解氧（DO）与界面性质变化。其组成依赖反应器构型、进气、处理历史、温度与储存。已有研究多分别报告功率、暴露时间、液体体积；比能输入（SEI，specific energy input，定义为单位处理液体积的直流母线电能，kJ L^-1）虽可用于比较活性氮生产，但相等SEI在功率、几何、电极材料、气体传递、温度历史或放电稳定性不同时可产生不同化学。因此，工艺能量、PAW化学、土壤入渗及盐—硝酸盐运移的耦合关系仍不充分明确。该论文发表于《Environmental Technology》。

关键技术方法方面，研究人员采用旋转常压低温等离子体射流系统，以面板显示直流母线功率0.8、1.0、1.2 kW处理10–25 L水至40 °C，并以SEI与净硝酸盐生产效率G归一化工艺能量；柱实验采用新疆共青团试验站0–20 cm粉砂壤土，按1.55 g cm^-3装填至30 cm，恒定2 cm水头入渗至湿润锋达30 cm；液体性质测定pH、EC、DO、ORP、表面张力与NO₃^-；土壤剖面测定体积含水量、1:2.5 pH、1:5提取液EC与ORP及水提取NO₃^-；并采用HYDRUS-1D对van Genuchten–Mualem保持与导水函数做入渗参数反演。

引言部分说明，PAW水化学性质变化并发，土壤响应很难指向单一因果组分；研究人员将功率—体积表征实验与装填柱实验结合，假设更高SEI会强化酸化与离子累积，但功率与处理历史会使SEI不能唯一决定组成，并假设PAW综合物理化学状态差异会与入渗及溶质再分布相关，但实验并非为分离单一水质属性的因果贡献而设计。

材料与方法部分说明，PAW由数字高压电源、ZWH90–20枪与矩形容器在常压 subsurface 气泡辅助气液接触下制备；直流母线功率由U_DC×I_DC给出，边界不含上游交流侧与空压机、旋转电机及仪器损耗；10 L柱实验批次处理30 min后即时表征、自然冷却至25±0.5 °C并不加储存施用；土壤为USDA粉砂壤土，砂27%、粉砂63%、黏10%，盐含量由S=2.496 EC_1:5估算为6.77 g kg^-1；入渗柱为40 cm长、5 cm内径丙烯酸柱，分5 cm增量装填并刮毛，记录累计入渗与湿润锋；剖面分0–5、5–10、10–15、15–20、20–25、25–27.5、27.5–30 cm取样测水土提取指标；HYDRUS-1D反演采用van Genuchten公式θ(h)=θ_r+(θ_s-θ_r)/[1+(α|h|)ⁿ]^m与Mualem导水公式K(h)=K_sS_e^1/2[1-(1-S_e^1/m)^m]²，其中m=1-1/n。

结果与讨论相关结果部分显示，功率—体积表征中EC与NO₃^-随SEI增加，但同SEI不同功率路径化学不同；10 L、30 min处理中，0.8、1.0、1.2 kW对应SEI为144、180、216 kJ L^-1，pH降至约2.76–3.12，EC升至415–790 μS cm^-1，NO₃^-为31.87–46.83 mg L^-1，表面张力降至41.19–47.08 mN m^-1。入渗结果表明，PAW处理柱在湿润锋到达30 cm时累计入渗较对照高7.2–18.3%；HYDRUS-1D反演表观饱和水力传导度为0.0032–0.0039 cm min^-1，对照0.0028 cm min^-1。土壤剖面中EC与water-extractable NO₃^-剖面显示总可溶离子与硝酸盐向下再分布；基于即时浓度的硝酸盐输入代理在1.0 kW最高，说明更高功率不一定带来更高硝酸输入。

讨论部分总结，SEI是定义反应器内的过程归一化指标，不是跨反应器普适化学预测量；PAW多条功率—体积路径可达到相似SEI但水体综合状态不同，因此土壤入渗与溶质 redistributon 应由集成理化状态解释，而非单靠SEI。新鲜PAW在单次入渗事件中关联更高终点入渗与盐—硝酸盐向下再分布，但无排水收集，未评价重复灌溉下的盐平衡、氮质量平衡与作物吸收。

结论部分译为：SEI是反应器特定的归一化指标，新鲜PAW与单次入渗事件中更高终点入渗及溶质再分布相关；相等SEI并不保证相同PAW化学；田间应用需要在带排水的重复灌溉、盐与氮质量平衡及作物吸收条件下评价。该研究意义在于把等离子体工艺能量、PAW化学、土壤水力行为与盐—氮运移放在同一实验框架中，说明PAW作为灌溉改良处理时不能仅以功率或SEI简化判断，为盐土入渗改良与氮素管理提供了反应器特定、事件尺度的证据基础。