2.土壤氧擴(kuò)散模型法

小范圍土壤氧濃度分析，可利用傳感器直接測(cè)定，而由于空間變異性，大范圍測(cè)定土壤氧濃度費(fèi)時(shí)費(fèi)力，多采用間接推求的方法獲取。土壤氧擴(kuò)散模型是一種用于描述土壤氧分布和傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型，可用來(lái)研究不同土壤類(lèi)型和結(jié)構(gòu)對(duì)土壤氧氣擴(kuò)散的影響，以及不同農(nóng)業(yè)實(shí)踐和環(huán)境條件對(duì)土壤氧氣含量的影響，以此預(yù)測(cè)植物根系的氧氣供應(yīng)，幫助優(yōu)化土壤管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

Fick擴(kuò)散模型

Fick擴(kuò)散模型是土壤氧擴(kuò)散模型中最基本的模型之一，它描述了氧分子在土壤孔隙中的擴(kuò)散過(guò)程。Fick擴(kuò)散模型使用了離散形式的質(zhì)量守恒方程來(lái)描述氧分子在土壤孔隙中的擴(kuò)散過(guò)程，這種模型基于Fick定律。Fick定律是應(yīng)用最為廣泛的擴(kuò)散方程之一，被應(yīng)用于化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、地球科學(xué)等領(lǐng)域。其中Fick第一定律描述了物質(zhì)擴(kuò)散的速率與物質(zhì)濃度梯度之間的關(guān)系，即物質(zhì)擴(kuò)散速率正比于物質(zhì)濃度梯度：

式中J為擴(kuò)散通量，kg/(m2·s)；D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；φ為濃度，kg/m3；x為位置長(zhǎng)度，m。菲克第二定律描述了物質(zhì)在擴(kuò)散過(guò)程中濃度隨時(shí)間和位置的變化關(guān)系：

式中t為擴(kuò)散時(shí)間，s。NEIRA等詳細(xì)介紹了氧氣在土壤中的擴(kuò)散和運(yùn)輸過(guò)程，包括氧氣的來(lái)源和分布、氧氣擴(kuò)散的物理和化學(xué)機(jī)制、氧氣擴(kuò)散的控制因素、土壤中氧氣的耗損過(guò)程等。氣體分子在土壤中的擴(kuò)散受濃度梯度和擴(kuò)散系數(shù)的控制。從數(shù)學(xué)上講，土壤中任何氣體在穩(wěn)態(tài)條件下的運(yùn)動(dòng)都是根據(jù)以下微分方程進(jìn)行的，即Fick第一定律：

式中Q為氣體質(zhì)量，kg；A為擴(kuò)散面積，m2；c為氣體的濃度，kg/m3。菲克定律應(yīng)用到土壤學(xué)領(lǐng)域，可用于描述氧氣在土壤中的擴(kuò)散過(guò)程。在土壤中，氧氣的擴(kuò)散速度受到土壤孔隙度、土壤顆粒大小、土壤含水量等多種因素的影響。根據(jù)菲克定律，氧氣擴(kuò)散速率正比于氧氣濃度梯度，因此在土壤中，氧氣濃度梯度越大，氧氣擴(kuò)散速度越快。DYE等的研究中采用了Fick第二定律來(lái)建立氣體在土壤中的數(shù)學(xué)模型，將其應(yīng)用于研究氧氣和二氧化碳的擴(kuò)散過(guò)程，并通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模擬來(lái)驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。但研究發(fā)現(xiàn)氣體在土壤中的擴(kuò)散還受到土壤孔隙度和土壤含水量等多種因素的影響，模型需要進(jìn)一步優(yōu)化。

氧通量模型

通常情況下，土壤氧擴(kuò)散模型需要考慮土壤的物理和化學(xué)特性，例如土壤孔隙度、土壤水分、溫度等因素。這種模型可歸納為氧通量模型，更適用于研究土壤中氧分子的擴(kuò)散過(guò)程。早期的模型假定土壤均勻，土壤中的擴(kuò)散被認(rèn)為是主要的氧氣傳輸過(guò)程。RADFORD等提出了一個(gè)模型，用于模擬土壤中氣體擴(kuò)散。模型基于Fick第二定律，考慮了土壤孔隙度、氣體濃度和溫度等因素的影響：

式中**是哈密頓算子，K是氣體吸附系數(shù)。此外，研究討論了土壤氣體擴(kuò)散對(duì)植物生長(zhǎng)和土壤呼吸的影響，并指出該模型可用于進(jìn)一步研究土壤氣體擴(kuò)散在生態(tài)學(xué)和農(nóng)業(yè)學(xué)上的應(yīng)用。WILLIGEN等探討了植物根系中氧氣擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，著重研究了土壤與根系接觸對(duì)氧氣擴(kuò)散的影響，并考慮植物根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)和根系周?chē)寥赖膹?fù)雜性。相較于簡(jiǎn)單模型，該模型加入了更多的影響因素，如土壤顆粒的大小和形狀、土壤孔隙度以及植物根系周?chē)寥赖乃趾蜏囟鹊取Ｇ以撃Ｐ涂紤]了植物根系表面的氧氣摩擦阻力和氧氣擴(kuò)散層的厚度，更準(zhǔn)確地描述了土壤和植物根系之間的復(fù)雜交互作用，為研究土壤中氧氣擴(kuò)散提供了有力的工具，特別是對(duì)于研究植物根系和土壤之間的交互作用，更具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.熒光成像法

熒光成像是一種用于可視化生物分子和生物過(guò)程的非侵入性成像技術(shù)。熒光成像的裝置如圖3a所示，將熒光染料或標(biāo)記物與要研究的生物分子或細(xì)胞結(jié)合，然后用激發(fā)光激發(fā)染料或標(biāo)記物，使其發(fā)出熒光信號(hào)。熒光信號(hào)可以被記錄并轉(zhuǎn)換為圖像，如圖3b所示，從而可視化生物過(guò)程。利用這種方法需要將熒光染料注入到根系周?chē)耐寥乐校裏晒馊玖蠑U(kuò)散到根系表面后，使用熒光顯微鏡或熒光成像儀來(lái)檢測(cè)熒光強(qiáng)度分布情況，從而推斷根系周?chē)鯕夥植嫉那闆r。利用熒光原位成像的方法獲取土壤根際中氧氣濃度的實(shí)時(shí)分布，可以了解根系呼吸，以及土壤對(duì)根系呼吸的響應(yīng)。LARSEN等提出了一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)、高分辨率的彩色比色平面光電極成像方法，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物根系周?chē)难鯘舛群蚿H值。該方法在光電極上使用2種敏感熒光探針，用于測(cè)量土壤pH值和氧濃度。這2種探針的熒光強(qiáng)度隨pH值和氧濃度的變化而變化，而探針熒光顏色保持不變。比較2種探針的熒光強(qiáng)度，可以計(jì)算出pH值和氧濃度的值，并且可以通過(guò)使用彩色相機(jī)將其成像，以獲得高分辨率的空間分布圖像。該方法不僅簡(jiǎn)單易用，而且具有高靈敏度和高分辨率，可以在水體中進(jìn)行原位測(cè)量，相對(duì)于傳統(tǒng)分析方法更加經(jīng)濟(jì)、便捷和準(zhǔn)確。

HENNING等設(shè)計(jì)出一種基于熒光比率的成像設(shè)備，該設(shè)備包括指示劑染料、參比染料、氧敏感箔和顯微鏡。隨著樣品氧含量的增加，染料的發(fā)光信號(hào)降低，而參考染料不受氧氣的影響。利用該設(shè)備，將植物根莖氧氣產(chǎn)生和消耗的空間梯度可視化。通過(guò)土壤中的氧氣分布二維圖像及其隨時(shí)間的變化，可以在微觀分辨率下研究局部氧氣擴(kuò)散和消耗。HAN等提出了一種使用熒光平面光電極來(lái)定量成像根系徑向氧散失的方法。該方法將熒光電極放入植物根際并使用成像儀拍攝熒光圖像，以獲得根系區(qū)域氧分布和徑向氧散失速率的定量信息，為研究水生植物根系與根際微環(huán)境相互作用提供了一種可靠的方法。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，中子射線照相技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，該技術(shù)可提供材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。與常見(jiàn)的X射線照相技術(shù)不同，中子射線是一種中性粒子，它可以穿過(guò)更厚的樣品，并且可以被樣品中的原子核散射。中子射線照相技術(shù)利用中子的這些特性來(lái)探測(cè)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成。在植物根系的研究中也得到了廣泛的應(yīng)用。RUDOLPH等通過(guò)熒光染料成像結(jié)合中子射線照相技術(shù)在根區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)氧映射，利用光學(xué)熒光成像獲取土壤氧濃度和土壤pH值變化，結(jié)合中子成像技術(shù)捕獲植物根系結(jié)構(gòu)信息和土壤水分分布圖像，對(duì)植物根區(qū)氧環(huán)境進(jìn)行分析。

通過(guò)這種結(jié)合技術(shù)，研究人員成功地觀察到根系內(nèi)氧氣的動(dòng)態(tài)變化，其中根系表面的氧氣濃度要高于根系內(nèi)部，而且根系內(nèi)氧氣的分布隨著水分的變化而變化。這種結(jié)合熒光染料成像和中子射線照相技術(shù)的方法為研究植物根系內(nèi)氧氣分布和運(yùn)動(dòng)情況提供了一種手段，可以更好地理解植物對(duì)氧氣的需求和響應(yīng)。隨著成像技術(shù)不斷更新和進(jìn)步，越來(lái)越多的技術(shù)被應(yīng)用于植物根區(qū)氧環(huán)境的研究。RUDOLPH等采用了多種成像技術(shù)相結(jié)合的方法，用于研究根-土壤界面的結(jié)構(gòu)和功能。包括熒光成像、中子計(jì)算機(jī)層析成像、基質(zhì)輔助激光解吸離子化技術(shù)等，可以在不破壞樣本的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)根系及其周?chē)h(huán)境的非侵入性成像。該方法可以提供多種信息，包括根系形態(tài)、土壤質(zhì)地、根際水分、氧氣和pH值等參數(shù)的空間分布和動(dòng)態(tài)變化情況，從而更好地理解根系生長(zhǎng)和發(fā)育的機(jī)制，以及根系與土壤環(huán)境之間的相互作用。

圖3熒光成像試驗(yàn)裝置和根際氧濃度的二維分布

4.結(jié)論

本文通過(guò)梳理根區(qū)土壤氧氣檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展，總結(jié)了傳感器點(diǎn)位檢測(cè)法、模型法和熒光成像法的核心技術(shù)的發(fā)展過(guò)程主要結(jié)論如下：

1）利用土壤氧傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法均使用埋藏式傳感器，在氧濃度檢測(cè)和時(shí)間分辨率方面是高度精確的，但該方法需要在固定的點(diǎn)位進(jìn)行檢測(cè)，僅提供來(lái)自測(cè)量點(diǎn)網(wǎng)格的數(shù)據(jù)，難以捕捉整個(gè)根系區(qū)域的氧含量。而且埋設(shè)土壤氧傳感器可能會(huì)干擾土壤結(jié)構(gòu)，損傷植物根系。

2）建立土壤氧擴(kuò)散模型是根據(jù)土壤理化性質(zhì)快速獲得土壤氧濃度梯度的簡(jiǎn)便方法，也是估測(cè)植物根區(qū)土壤氧環(huán)境的重要方法。但土壤采樣點(diǎn)位的輸入數(shù)據(jù)具有不確定性，且模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)均與土壤的理化性質(zhì)有關(guān)，不具有普遍適用性。

3）熒光成像方法在近幾年對(duì)于探索生物過(guò)程已變得極其重要，特別是非侵入性測(cè)量技術(shù)是在接近自然的設(shè)置中揭示生物與環(huán)境相互作用的關(guān)鍵。成像的方法能直觀地看出植物根區(qū)土壤的氧氣分布，但局限性較大，只能在實(shí)驗(yàn)室條件下開(kāi)展，無(wú)法進(jìn)行野外原位監(jiān)測(cè)。