持续而稳定的氧气供给是植物组织维持其正常代谢的必要条件。植物根系在生长发育过程中需要消耗充足的氧气来进行呼吸作用，从而促进植株对土壤中养分和水分的吸收。降水、排水不利、土壤板结、城市道路硬化等易造成土壤氧气不足，抑制植物根系的有氧呼吸，影响植物正常生长发育。当土壤中氧气的含量小于9%～10%，根系发育就会受到抑制，氧气含量低至5%以下时，绝大多数植物根系停止生长发育。因此，植物根际氧环境中的氧气含量是影响植物根系进行正常生长代谢的主导因子。植物要维系正常生理生化功能，必须有足量的氧气供应。根系吸收水分和养分所消耗的能量主要靠根系有氧呼吸供给。氧气充足时，根系进行充分的有氧呼吸，反之则进行无氧呼吸，物质代谢的能量释放减少，同时生成的多种有害物质会威胁植物生存。缺氧时土壤微生物也会进行无氧呼吸，将土壤氮素还原成N2、NO和N2O造成氮素流失，释放对植物有毒的还原性气体。


根区土壤氧气检测对农林生产和生态保护具有指导意义。自然土壤栽培条件下，农林作物根系常因供氧不够，导致低氧胁迫。检测作物根区氧气分布，对缺氧作物进行增氧灌溉，改善根际氧环境，可促进作物生长和根系对土壤养分的吸收能力，提高作物产量及改善作物品质。城市道路硬化和人为活动引起的土壤板结影响土壤的气体交换、根系活动和正常生长。通过根区土壤氧气检测，可有针对性地对受低氧胁迫的古树名木采取松土或铺设树穴砖等保护措施，促进古树名木复壮。人工湿地是由人工优化模拟自然湿地系统而建造的具有生态系统综合降解功能，且可人为监督控制的处理系统。其氧气条件特别是植物根区氧气状况是影响人工湿地净化效率和设计的重要因素。获取人工湿地氧气分布信息，可为人工湿地技术改进提供理论参考。


前人就植物根系的生理特性开展了综述研究，但尚未有从土壤氧环境角度进行综述植物根区氧环境测定的方法现状以及适用范围。本文以根区氧气分布为研究对象，总结根区土壤氧气检测与分析的3种基本方法：传感器点位检测法、土壤氧扩散模型法和荧光成像法的研究进展及不足，并分析其发展趋势，以期为开展植物根区土壤氧气检测技术与方法研究提供参考。


1.传感器点位检测法


氧传感器按照工作原理主要分为氧化锆式氧传感器、电化学氧传感器和光纤式氧传感器。


1.1氧化锆氧传感器


氧化锆氧传感器是一种固态氧传感器，工作时利用高温加热氧化锆使其产生离子导电现象来测量氧气浓度。ISHII等开发出一种防水氧化锆氧传感器，在传感器表面覆盖一层防水材料以保护传感器不受土壤水分的影响，并将该传感器用在土壤氧浓度检测中。试验观察了该传感器在柑橘模拟涝灾处理后土壤中的氧气变化，该传感器能够在浸水土壤中，保持高度的耐水性和稳定性，准确地测量柑橘土壤中的氧气浓度，并且连续工作时间长达48 h。


1.2电化学氧传感器


电化学氧传感器是通过电极的氧化还原反应来解调出氧气的浓度值，一般由参考电极和工作电极组成。参考电极通常由银或银氯化物构成，而工作电极通常由铂构成。当氧气接触到工作电极表面时，氧分子会发生还原反应并释放出电子，这些电子会流向参考电极。通过测量参考电极和工作电极之间的电势差，可以确定氧气浓度。LEMON等设计出一种铂微电极，利用铂电极表面电解氧时获得的电流计算氧的扩散速率，并将该电极用于测量土壤中氧气的扩散速率，对不同类型土壤中氧气的扩散速率进行比较，结果表明，土壤中氧气扩散速率跟土壤类型有关，土壤孔隙度越大，氧气扩散速率越高。LETEY等发现土壤中氧气扩散速率不仅和土壤孔隙度有关，还和温度、土壤含水量有关。他们利用铂微电极测量土壤中氧气扩散速率，并对影响氧气扩散速率的因素进行了分析，其中土壤含水量和土壤孔隙度是影响氧气扩散速率的重要因素，水分占据了土壤孔隙的一部分，水分的增加会减少土壤孔隙的数量和大小，从而降低氧气扩散速率。1953年CLARK等研制出薄膜氧电极（又称CLARK电极），电极由镶嵌在绝缘材料上的银极和铂极构成，电极和薄膜之间充以氯化钾溶液作为电解质。该电极在氧气检测研究上得到了广泛应用。目前常见的CLARK微型氧电极结构如图1所示，将铂丝尖端镀金作为工作电极（阴极），将银电极作为辅助电极（阳极），在阳极发生氧化反应，在银极发生还原反应。阳极和阴极的化学反应方程式分别如下：

图1 CLARK微型氧电极

在氧电极间施加电压且该电压超过氧气的分解电压时，透过薄膜进入氯化钾溶液的溶解氧在阴极上发生还原反应，阳极上发生银的氧化反应，此时电极间产生电解电流，又被叫做扩散电流，电流大小受氧的扩散速度的限制。当外加的极化电压达到一定值时，阴极表面氧气浓度趋近于0，于是扩散电流的大小完全取决于被测溶液中的氧的浓度，即紧靠薄膜外侧的氧气浓度。


GREENWOOD等将CLARK电极应用于测量土壤氧气浓度，该传感器包括1个银质阳极、在底部呈环形的金质阴极和1个薄的半透过性膜，仅允许气体进入。传感器的底部会充满电解液以提高湿润效果。在电极上施加极化电压，氧气会穿透膜在阴极上发生反应并产生电流，在温度不变的情况下电流和氧浓度之间呈线性关系。该方法实现了土壤中氧气浓度的检测，并能够找出直径为10 mm的土壤团聚体中的厌氧中心。但所用电极太大，会对土壤环境造成干扰。CLARK氧电极中的氧敏感膜在允许氧气通过的同时对一些离子也是可渗透的，在自然环境测量时，其他离子的渗透对这类氧电极的信号会产生干扰。


REVSBECH等改进CLARK氧电极，解决了上述电极氧敏感膜的问题。他们将CLARK电极修改为微电极尺寸，通过硅胶膜与环境隔离，保证测量过程中氧微电极信号的稳定。这种氧微电极使用一个固定的参比电极，而不是在电解质溶液中加入参比电极，使得氧微电极对介质化学成分不敏感，可以在酸性、高盐度等极端环境下使用。SEXSTONE等利用改进的氧微电极测量土壤剖面中的氧气浓度，发现厌氧菌在缺氧土壤碎屑中才会发生反硝化作用。反硝化是一种重要的土壤微生物过程，将硝酸盐还原为气体态的氮气，从而从土壤中释放氮气。


研究结果显示，土壤聚合体中的氧气剖面呈现明显梯度，从表面到深处逐渐减少。这表明土壤聚合体中的氧气扩散受限，深层土壤聚合体中的氧气供应较为有限。此外，研究还发现，在含氧量较低的深层土壤聚合体中，反硝化速率较高。该研究所用氧电极尖端直径约为3μm，消耗极少氧气，可以忽略不计。随着研究的深入，更多学者将氧传感器与其他传感器相结合，用于分析根区土壤氧环境。


TOPP等使用阴极型氧微电极测量玉米地中不同深度的土壤氧浓度，同时利用TDR设备测量土壤含水率。结果表明，氧气含量随土壤深度的增加而急剧下降。土壤氧气含量和土壤含水率密切相关，土壤含水率越低，氧气含量越高。降雨期后，随着土壤含水率的升高，土壤的氧气含量显著降低。通过将氧气含量和土壤含水率相结合，为早期植物根系生长分析提供了一些见解。随着微电极阵列的发展，氧传感器的体积减小，响应速度更快，灵敏度更高，对根区土壤氧环境的影响也减少，并可适用于多点检测。


KIM等开发出一种微传感器系统，与多孔管植物养分输送系统相结合，将柔性微电极阵列包裹在多孔管周围，可以实时、高精度地监测土壤氧气浓度、水分和温度等参数，为植物根区环境参数的实时监测提供了一种可靠的方法。


1.3光纤氧传感器

图2荧光猝灭原理和光纤氧传感器结构

光纤氧传感器检测氧气浓度基于光致发光和荧光猝灭机理，如图2a所示。将特定的荧光物质制成氧敏感膜，通过特定波段的激发光激发氧敏感膜上的荧光物质分子。激发后的荧光物质分子因不稳定而产生荧光，而氧气分子能够与荧光物质分子发生荧光猝灭反应抑制荧光的产生，即产生的荧光与环境中的氧气浓度相关。荧光沿光纤传回，并透过圆球透镜，经分光片反射和滤光片滤光后，进入硅光电池，进行光电转换。光纤氧传感器结构如图2b所示。氧气浓度对产生荧光的影响主要表现在荧光光强和荧光寿命两个方面，二者与氧气浓度的关系符合Stern-Volmer方程：

式中[Q]为氧气浓度，%；KST为Stern-Volmer常数，I0为氧气浓度为初始时的荧光强度，AU；I为氧气浓度为[Q]时的荧光强度，A.U.；


为氧气浓度为初始时的荧光寿命，s；


为氧气浓度为[Q]时的荧光寿命，s。因此，光纤氧传感器可以通过检测荧光光强或荧光寿命检测环境中的氧气浓度。依据荧光淬灭产生了2种对应的传感检测机理：当环境中氧气浓度升高，产生的荧光强度或寿命会随荧光猝灭的加强而减弱。通过测量产生荧光强度在相互作用中的衰减量和测量荧光寿命在相互作用中的缩短变化量即可得到氧气浓度。


STEPHAN等将光纤氧探头与pH传感器埋设在7种不同的植物根部表面，用以研究淹没土壤（尤其是根部表面）的缺氧条件。在试验过程中，根表面的氧气浓度波动很大，并且不同种植物根表面的氧气浓度具有相同的变化趋势。其中根尖氧浓度较高，而根的基部保持在低氧至缺氧条件下。研究发现在植物生长季节后期，土壤含水量过高，土壤氧浓度降低对植物生长的影响会大大降低，因为根系大部分区域已经形成径向氧损失屏障。该屏障位于皮层细胞最外侧，能有效限制氧由通气组织向根际的径向扩散，有利于氧气向根尖的运输，从而促进根在厌氧环境中的伸长生长。


BORISOV等设计了一个四重复合传感器，可同时检测O2、CO2、pH和温度。该传感器利用光学传感器的多路复用特点，通过光携带的各种信息，能够同时监测根区土壤的多个参数，为研究根区氧浓度分布的影响因素提供了可靠的思路。FISCHER等设计了一种多光纤氧传感器，通过将多个光纤氧传感器集成到同一平台上，同时对多个位置氧浓度进行测量，可用于土壤、水体和生物组织等多个领域的氧气浓度检测。具有高精度、高灵敏度、无需校准以及易于实现多点测量等优点


。KOHFAHL等在多尼亚纳国家公园的湿地土壤中安装光纤氧传感器，并通过压力计和温度探头对检测结果进行校正，获取土壤中氧气含量的每日变化，以及环境参数对检测结果的影响表明土壤中的氧气浓度主要受土壤沉积物和地下水影响，且氧气浓度和土壤温度呈负相关。SMYTH等在俄亥俄州的湿地中土壤中安装了23个光纤氧传感器组成土壤监测网络，并利用土壤传感器数据预测土壤温室气体排放。


表1归纳对比了典型土壤氧传感器的类型和适用范围。氧化锆氧传感器具有较高的测量精度，响应速度较快，能够迅速反映氧气浓度的变化，但使用时必须加热，而高温会影响土壤氧环境，对测量结果产生较大影响，因此在土壤氧气检测领域应用较少。电化学氧传感器原理简单、精度高，但检测过程中存在消耗氧气和电极材料等问题，无法长期原位监测，检测结果不稳定、重复性较差的问题，这与传感器的腔室、电极和透氧膜的制作有关。光纤氧传感器不需要消耗氧分子，也无需对样品进行任何处理，可实现长期原位监测，在氧气检测领域具有很好的发展趋势。但需要精密的光学仪器，且氧传感膜的制作工艺困难，成本较高。

表1典型土壤氧传感器