研究簡介：磷是全球初級生產(chǎn)力的關(guān)鍵限制元素，但土壤中約30-85%的磷被固定于氧化還原惰性的結(jié)晶鐵氧化物中，導(dǎo)致植物可利用磷不足。磷在土壤中多以不可用形式存在，可溶性活性磷僅占總量不足6%。植物雖演化出分泌有機酸、菌根共生等策略，但這些過程多為非周期性。水生植物（如水稻）的ROL產(chǎn)生晝夜氧波動，白天光合作用增氧，促進氧化。夜間無氧條件驅(qū)動微生物還原。研究旨在探究這種周期性波動是否能將穩(wěn)定鐵礦物轉(zhuǎn)化為活性RMPs，進而提升磷生物有效性。利用透明根盒栽培植物，模擬自然生長條件。開發(fā)擴散梯度薄膜（DGT）和擴散平衡薄膜（DET）成像系統(tǒng)，實時監(jiān)測根區(qū)labile P和可溶性Fe(II)的空間分布。通過電化學(xué)分析（如循環(huán)伏安法）和X射線吸收光譜（XAS）表征鐵斑塊、根際土和本體土的氧化還原活性及鐵物種。白天氧化作用使鐵氧化物吸附P，積累于根區(qū)；夜間還原作用溶解Fe(III)-P，釋放P至孔隙水供植物吸收。成像系統(tǒng)顯示，labile P濃度白天達4-8 μM，夜間降至3-6 μM，F(xiàn)e(II)呈現(xiàn)類似趨勢。這種波動由根表面形成的RMPs介導(dǎo)，電化學(xué)分析表明鐵斑塊具有最高電子交換容量），其主要成分為低結(jié)晶性水鐵礦，占鐵總量74.9%。RMPs作為磷動員熱點，通過吸附-解吸循環(huán)增強磷流動性。DGT-LA-ICPMS成像顯示，根表面鐵斑塊富集90%的磷酸鹽，且可用磷濃度在鐵斑塊中波動最顯著，根際土次之，本體土幾乎無變化。本研究發(fā)現(xiàn)ROL驅(qū)動的氧化還原波動是一種先前被忽視的磷活化機制，不僅深化了對植物營養(yǎng)策略的理解，還為可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供新思路，如通過調(diào)控灌溉誘導(dǎo) redox 波動提升磷效率。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極用于監(jiān)測水生植物根區(qū)的溶解氧濃度和氧化還原電位動態(tài)。Unisense微電極（型號ROX-N）部署在透明根盒（rhizobox）實驗中，用于原位監(jiān)測根區(qū)的氧含量和氧化還原電位（Eh）。在水飽和土壤中栽培植物，根盒包裹鋁箔以防止光干擾，unisense微電極傳感器被植入根區(qū)附近，測量溶解氧（DO）的晝夜變化和氧化還原電位的波動，這些數(shù)據(jù)與ROL周期同步記錄,通過實時顯示氧和Eh的波動（如白天氧升、夜間氧降），微電極數(shù)據(jù)直接證實了ROL誘導(dǎo)的氧化還原周期，這與磷/鐵溶解同步變化，支撐了“白天氧化吸附P、夜間還原釋放P”的假說。微電極提供精確的數(shù)值數(shù)據(jù)（如氧濃度范圍），使研究者能關(guān)聯(lián)ROL強度與P活化效率,微電極的原位測量避免了樣本破壞，微電極的高靈敏度確保了晝夜動態(tài)的準(zhǔn)確性，為全局模型（如ROL激活P的經(jīng)濟效益估算）提供了可靠輸入?yún)?shù)。

實驗結(jié)果

水生植物（如水稻）根部的晝夜ROL驅(qū)動根際氧化還原波動，將熱力學(xué)穩(wěn)定的結(jié)晶鐵礦物（如針鐵礦）轉(zhuǎn)化為反應(yīng)性亞穩(wěn)態(tài)鐵相（RMPs）。這些RMPs作為動態(tài)“穿梭器”，通過白天氧化吸附磷和夜間還原釋放磷的循環(huán)，有效提升磷的流動性和植物可利用性。ROL誘導(dǎo)的氧化還原循環(huán)促進了低結(jié)晶性鐵礦物（如水鐵礦）在根表面的富集，形成鐵斑塊。這些RMPs具有高氧化還原活性（電子交換容量達3.2 mmol e/g），能高效介導(dǎo)磷的積累和釋放。晝夜波動使根區(qū)磷濃度呈現(xiàn)周期性變化（白天4-8 μM，夜間3-6 μM），鐵還原溶解同步發(fā)生，驗證了RMPs的“磷穿梭”效應(yīng)。揭示了晝夜徑向氧損失（ROL）誘導(dǎo)的氧化還原波動在激活土壤磷（P）生物有效性中的核心作用。