圖1、根區(qū)中磷和鐵的日變化。a )通過活性礦物相（RMPs）驅(qū)動(dòng)的根區(qū)日循環(huán)對(duì)磷生物可用性的增強(qiáng)的示意圖。b )實(shí)驗(yàn)裝置中根部的照片圖像。c、d )使用擴(kuò)散凝膠薄膜成像系統(tǒng)對(duì)根區(qū)不穩(wěn)定磷和可溶性 Fe(II) 濃度的日變化進(jìn)行可視化。e、f )根區(qū)氧氣含量和氧化還原電位的日變化。g )根際區(qū) pH 的時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。誤差條表示三個(gè)重復(fù)樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖2、根部附近形成反應(yīng)性礦物相（RMPs）。a )電流-電位曲線（以標(biāo)準(zhǔn)氫電極為參照，已報(bào)告數(shù)據(jù)）顯示了氧化還原活性。b )介導(dǎo)電化學(xué)還原（MER）和氧化（MEO）曲線，以及 c )鐵斑、根際土壤和整塊土壤的電子交換容量（EEC）測(cè)量值。d )通過順序化學(xué)萃取表征的鐵組分。e )通過 X 射線吸收光譜鑒定的鐵物種。誤差條表示三個(gè)重復(fù)樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)誤差條不可見時(shí)，它們包含在標(biāo)記符號(hào)內(nèi)。

圖3、反應(yīng)性礦物質(zhì)相（RMPs）能夠調(diào)節(jié)根部周圍的磷遷移。a) 一幅鐵斑、根際土壤以及圍繞根部的整體土壤的示意圖。b、c 0水生根表現(xiàn)出徑向氧流失（ROL），在感興趣的區(qū)域內(nèi)，鐵斑吸附在根表面。d、e） 用鹽酸從鐵斑、根際土壤以及整體土壤中提取的總磷酸鹽和總反應(yīng)性鐵。f、g 在鐵斑、根際土壤以及整體土壤中有效磷和反應(yīng)性 Fe(II) 的晝夜變化。誤差條表示三個(gè)重復(fù)實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。若誤差條不可見，則包含在標(biāo)記符號(hào)內(nèi)。

圖4、徑向氧流失（ROL）引起的氧化還原變化促進(jìn)了活性礦物相（RMPs）的生成。 a、b) 在氧化還原波動(dòng)前后對(duì)綠泥石進(jìn)行的電化學(xué)還原（MER）、電化學(xué)氧化（MEO）和電子交換能力（EEC）分析。c )紅色氧化還原波動(dòng)后綠泥石的鐵物種分析，使用 X 射線吸收光譜進(jìn)行。d) 紅色氧化還原波動(dòng)前后綠泥石上的磷酸鹽吸附動(dòng)力學(xué)比較。e )用吸附磷酸鹽的氧化還原激活和未經(jīng)處理的綠泥石（綠泥石-P）進(jìn)行電化學(xué)還原。f) 在使用綠泥石-P 對(duì)綠泥石進(jìn)行電化學(xué)還原過程中電解液中檢測(cè)到的溶解 Fe(II)。

圖5、水稻田因徑向氧氣流失（ROL）而產(chǎn)生的全球磷效益。a 水稻田中由徑向氧氣流失激活的磷的地理分布。數(shù)據(jù)基于水稻田的全球收獲面積，源自一份已發(fā)表的全球數(shù)據(jù)集43，空間分辨率為 5 度分（約 10 千米）。這張地圖上有 463，429 個(gè)點(diǎn)，分辨率為 10 千米×10 千米。 b 全球前 10 個(gè)國(guó)家中由徑向氧氣流失激活的磷所占比例。 c 全球前 10 個(gè)國(guó)家中由徑向氧氣流失激活的磷的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 d 不同大洲水稻田對(duì)徑向氧氣流失激活磷的依賴程度，定義為由徑向氧氣流失激活磷提供的總磷輸入所占的比例。

結(jié)論與展望

磷（P）的可用性對(duì)于全球的初級(jí)生產(chǎn)力至關(guān)重要，然而它常常因氧化還原惰性的結(jié)晶性鐵（氧）氫氧化物而被固定在土壤中。研究表明，植物根部的晝夜周期性氧氣流失（ROL）會(huì)導(dǎo)致根際區(qū)域的氧化還原波動(dòng)，從而激活這些鐵礦物質(zhì)并增強(qiáng)磷的遷移。夜間還原和白天氧化的過程會(huì)在根表面形成活性不穩(wěn)定鐵相（RMPs），形成一個(gè)具有氧化還原活性的鐵斑塊。這些 RMPs 會(huì)經(jīng)歷快速的溶解-再形成循環(huán)，促進(jìn)磷從土壤轉(zhuǎn)移到孔隙水中，供植物吸收。通過使用來自農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)的多種水生植物，本研究證明了 ROL 大大提高了土壤磷的可用性。在稻田中，ROL 激活的磷釋放占全球磷肥料輸入的 8.7%，每年估計(jì)帶來 52 億美元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。我們的研究揭示了一個(gè)此前被忽視的氧化還原機(jī)制，即植物通過這種方式增強(qiáng)磷的獲取，這對(duì)養(yǎng)分循環(huán)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)性具有廣泛的影響。本研究量化了ROL激活磷的全球效益。在稻田中，年激活磷量約0.2百萬噸，相當(dāng)于全球P肥輸入的8.7%，年經(jīng)濟(jì)價(jià)值達(dá)5.2億美元。這些發(fā)現(xiàn)為可持續(xù)農(nóng)業(yè)管理提供新思路。Unisense微電極作為一種高精度的原位測(cè)量工具，在本研究中用于監(jiān)測(cè)水生植物根區(qū)的溶解氧濃度和氧化還原電位動(dòng)態(tài)，測(cè)量的數(shù)據(jù)直接支撐了核心假設(shè)——晝夜徑向氧損失（ROL）驅(qū)動(dòng)根際氧化還原波動(dòng)，從而增強(qiáng)磷的生物有效性。微電極的應(yīng)用為研究提供了實(shí)時(shí)、高分辨率的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，是驗(yàn)證晝夜波動(dòng)機(jī)制的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。通過提供原位、實(shí)時(shí)氧化還原數(shù)據(jù)，將植物生理過程（如ROL）與土壤化學(xué)（如磷動(dòng)員）無縫鏈接，凸顯了高分辨率監(jiān)測(cè)在環(huán)境研究中的價(jià)值。