Millimetre scale aeration of the rhizosphere and drillosphere

根際和土壤層的毫米級通氣

來源：European Journal of Soil Science .2022;73:e13269.

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過結(jié)合X射線計算機斷層掃描（X-ray CT）和微電極傳感技術(shù)，揭示了根際（rhizosphere）與蚯蚓孔周圍（drilosphere）毫米尺度孔隙結(jié)構(gòu)對土壤通氣的調(diào)控機制。核心發(fā)現(xiàn)包括：

 

通氣增強效應(yīng)：生物孔（根或蚯蚓形成）周圍土壤的氧氣濃度（pO?）和相對擴散系數(shù)（Ds/D?）顯著高于非生物孔區(qū)域（圖2-3）。

 

 

 

孔隙結(jié)構(gòu)差異：根系形成的生物孔具有更高連通性的側(cè)向孔隙網(wǎng)絡(luò)（CT孔隙度35%），而蚯蚓孔周圍因分泌物堵塞孔隙，連通性較低（CT孔隙度25%）（圖4）。

 

 

功能關(guān)聯(lián)：孔隙連通性直接決定氧氣擴散效率，根際區(qū)域的Ds/D?值（0.08）是蚯蚓孔周圍（0.02）的4倍（圖3）。

 

生物學(xué)意義：根際優(yōu)越的通氣條件支持更高的微生物活性和根系呼吸，影響?zhàn)B分礦化與碳循環(huán)。

 

研究目的

 

解析孔隙結(jié)構(gòu)差異：比較根際與蚯蚓孔周圍毫米尺度孔隙幾何特征（連通性、孔隙度）。

 

量化通氣功能：測定不同生物孔界面氧氣傳輸動力學(xué)（擴散系數(shù)、氧分壓剖面）。

 

建立結(jié)構(gòu)-功能關(guān)聯(lián)：驗證孔隙連通性對土壤通氣效率的調(diào)控作用。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

采用 原位采樣→多尺度成像→微傳感測量→數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián) 策略：

 

樣品采集：

 

德國Luvisol土壤45-60 cm深層取樣（黏土質(zhì)壤土），選取苜蓿（alfalfa）和菊苣（chicory）根系形成的生物孔及蚯蚓孔。

 

結(jié)構(gòu)表征：

 

X-ray CT掃描（64.65 μm分辨率）重建孔隙3D網(wǎng)絡(luò)，量化總孔隙度（CT-porosity）和連通孔隙度（connected CT-porosity）（圖1）。

 

 

功能測量：

 

氧分壓（pO?）剖面：Unisense微電極（100 μm尖端）沿生物孔壁向基質(zhì)內(nèi)每100 μm測點（圖2）。

 

相對擴散系數(shù)（Ds/D?）：雙傳感器相位差法計算氧氣擴散效率（圖3）。

 

數(shù)據(jù)整合：

 

關(guān)聯(lián)CT孔隙參數(shù)（圖4）與微傳感數(shù)據(jù)（圖2-3），解析結(jié)構(gòu)對通氣功能的調(diào)控機制。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

1. 孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（圖4）

 

數(shù)據(jù)：

 

根際側(cè)向孔隙度：35%（苜蓿）、32%（菊苣），顯著高于蚯蚓孔（25%）。

 

根際連通孔隙占比：＞90%，蚯蚓孔僅70%。

 

意義：首次量化根際“高連通孔隙網(wǎng)絡(luò)”的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，解釋其高效通氣的物理基礎(chǔ)。

 

2. 氧分壓剖面（圖2）

 

數(shù)據(jù)：

 

根際區(qū)域pO?：17 kPa（距孔壁2 mm處），比蚯蚓孔（10 kPa）高7 kPa。

 

氧氣滲透深度：根際達5 mm，蚯蚓孔僅3 mm。

 

意義：證實根際更優(yōu)的氧氣供應(yīng)能力，支持好氧微生物活動與根系呼吸。

 

3. 相對擴散系數(shù)（圖3）

 

數(shù)據(jù)：

 

根際Ds/D?：0.08（距孔壁1 mm），蚯蚓孔僅0.02。

 

擴散效率隨距離衰減：根際在5 mm處仍保持0.03，蚯蚓孔在3 mm趨近于0。

 

意義：明確孔隙連通性對氣體傳輸效率的直接調(diào)控，為土壤呼吸模型提供參數(shù)。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的專項解讀

技術(shù)原理與創(chuàng)新應(yīng)用

 

電極型號：丹麥Unisense Clark型氧微電極（100 μm尖端），搭配微操縱器（1 μm精度）。

 

測量場景：

 

pO?剖面：垂直生物孔壁每100 μm測點，實時記錄氧梯度（圖2）。

 

Ds/D?計算：雙傳感器相位差法（圖3），通過交替通入空氣/氮氣誘導(dǎo)正弦氧濃度波動，依據(jù)相位滯后計算擴散系數(shù)。

 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)與機制解析

 

根際通氣優(yōu)勢量化（圖2）：

 

根際pO?比蚯蚓孔高40%，證實根系通過側(cè)向孔隙增強氧氣橫向擴散。

 

意義：推翻“生物孔周圍均質(zhì)壓實”假設(shè)，揭示根系的“工程效應(yīng)”。

 

擴散效率的空間異質(zhì)性（圖3）：

 

Ds/D?在根際隨距離緩慢下降（1→5 mm：0.08→0.03），蚯蚓孔驟降（1→3 mm：0.02→0）。

 

意義：首次捕捉毫米尺度擴散衰減規(guī)律，驗證CT顯示的孔隙連通性差異（圖4）。

 

方法學(xué)突破：

 

克服傳統(tǒng)擴散池需樣品兩端暴露的限制，實現(xiàn)單端暴露生物孔的原位測量（圖S1C）。

 

研究意義

 

機制深度解析：

 

明確根系通過誘導(dǎo)收縮-膨脹循環(huán)產(chǎn)生裂縫孔隙（RIMs），而蚯蚓分泌物堵塞孔隙（圖4），直接調(diào)控氧氣傳輸路徑。

 

模型參數(shù)化支持：

 

提供毫米尺度Ds/D?實測值，改進土壤呼吸和碳周轉(zhuǎn)模型的空間分辨率。

 

農(nóng)業(yè)應(yīng)用啟示：

 

深根作物（如苜蓿）種植2年即可形成高連通根際孔隙（圖4），為可持續(xù)農(nóng)業(yè)中“生物鉆孔”技術(shù)提供理論依據(jù)。

 

核心結(jié)論

 

孔隙結(jié)構(gòu)分異：根系生物孔通過側(cè)向孔隙網(wǎng)絡(luò)（RIMs）增強連通性，蚯蚓孔因分泌物堵塞孔隙導(dǎo)致連通性低。

 

通氣功能差異：根際氧氣濃度（pO?↑40%）和擴散效率（Ds/D?↑300%）顯著高于蚯蚓孔周圍。

 

生物學(xué)效應(yīng)：根際優(yōu)越的通氣條件支持更高微生物活性與根系呼吸，影響深層土壤碳氮循環(huán)。

 

應(yīng)用價值

 

農(nóng)業(yè)實踐：優(yōu)先選擇深根作物（如苜蓿）輪作，以改善深層土壤通氣，提升養(yǎng)分利用效率。

 

土壤修復(fù)：利用根系工程效應(yīng)修復(fù)壓實土層，增強污染物好氧降解。

 

模型優(yōu)化：毫米尺度擴散參數(shù)（Ds/D?）提升土壤-植物系統(tǒng)氣體傳輸模型精度。

 

總結(jié)：本研究通過Unisense微電極等技術(shù)創(chuàng)新，揭示根際與蚯蚓孔周圍毫米尺度通氣差異的物理-生物耦合機制，為土壤健康管理提供科學(xué)依據(jù)。