2.土壤氧扩散模型法


小范围土壤氧浓度分析，可利用传感器直接测定，而由于空间变异性，大范围测定土壤氧浓度费时费力，多采用间接推求的方法获取。土壤氧扩散模型是一种用于描述土壤氧分布和传输的数学模型，可用来研究不同土壤类型和结构对土壤氧气扩散的影响，以及不同农业实践和环境条件对土壤氧气含量的影响，以此预测植物根系的氧气供应，帮助优化土壤管理和农业生产。


Fick扩散模型


Fick扩散模型是土壤氧扩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扩散过程。Fick扩散模型使用了离散形式的质量守恒方程来描述氧分子在土壤孔隙中的扩散过程，这种模型基于Fick定律。Fick定律是应用最为广泛的扩散方程之一，被应用于化学、生物学、物理学、地球科学等领域。其中Fick第一定律描述了物质扩散的速率与物质浓度梯度之间的关系，即物质扩散速率正比于物质浓度梯度：

式中J为扩散通量，kg/(m2·s)；D为扩散系数，m2/s；φ为浓度，kg/m3；x为位置长度，m。菲克第二定律描述了物质在扩散过程中浓度随时间和位置的变化关系：


式中t为扩散时间，s。NEIRA等详细介绍了氧气在土壤中的扩散和运输过程，包括氧气的来源和分布、氧气扩散的物理和化学机制、氧气扩散的控制因素、土壤中氧气的耗损过程等。气体分子在土壤中的扩散受浓度梯度和扩散系数的控制。从数学上讲，土壤中任何气体在稳态条件下的运动都是根据以下微分方程进行的，即Fick第一定律：


式中Q为气体质量，kg；A为扩散面积，m2；c为气体的浓度，kg/m3。菲克定律应用到土壤学领域，可用于描述氧气在土壤中的扩散过程。在土壤中，氧气的扩散速度受到土壤孔隙度、土壤颗粒大小、土壤含水量等多种因素的影响。根据菲克定律，氧气扩散速率正比于氧气浓度梯度，因此在土壤中，氧气浓度梯度越大，氧气扩散速度越快。DYE等的研究中采用了Fick第二定律来建立气体在土壤中的数学模型，将其应用于研究氧气和二氧化碳的扩散过程，并通过试验和数学模拟来验证该模型的准确性。但研究发现气体在土壤中的扩散还受到土壤孔隙度和土壤含水量等多种因素的影响，模型需要进一步优化。


氧通量模型


通常情况下，土壤氧扩散模型需要考虑土壤的物理和化学特性，例如土壤孔隙度、土壤水分、温度等因素。这种模型可归纳为氧通量模型，更适用于研究土壤中氧分子的扩散过程。早期的模型假定土壤均匀，土壤中的扩散被认为是主要的氧气传输过程。RADFORD等提出了一个模型，用于模拟土壤中气体扩散。模型基于Fick第二定律，考虑了土壤孔隙度、气体浓度和温度等因素的影响：

式中**是哈密顿算子，K是气体吸附系数。此外，研究讨论了土壤气体扩散对植物生长和土壤呼吸的影响，并指出该模型可用于进一步研究土壤气体扩散在生态学和农业学上的应用。WILLIGEN等探讨了植物根系中氧气扩散的数学模型，着重研究了土壤与根系接触对氧气扩散的影响，并考虑植物根系的形态结构和根系周围土壤的复杂性。相较于简单模型，该模型加入了更多的影响因素，如土壤颗粒的大小和形状、土壤孔隙度以及植物根系周围土壤的水分和温度等。且该模型考虑了植物根系表面的氧气摩擦阻力和氧气扩散层的厚度，更准确地描述了土壤和植物根系之间的复杂交互作用，为研究土壤中氧气扩散提供了有力的工具，特别是对于研究植物根系和土壤之间的交互作用，更具有现实意义。


3.荧光成像法


荧光成像是一种用于可视化生物分子和生物过程的非侵入性成像技术。荧光成像的装置如图3a所示，将荧光染料或标记物与要研究的生物分子或细胞结合，然后用激发光激发染料或标记物，使其发出荧光信号。荧光信号可以被记录并转换为图像，如图3b所示，从而可视化生物过程。利用这种方法需要将荧光染料注入到根系周围的土壤中，待荧光染料扩散到根系表面后，使用荧光显微镜或荧光成像仪来检测荧光强度分布情况，从而推断根系周围氧气分布的情况。利用荧光原位成像的方法获取土壤根际中氧气浓度的实时分布，可以了解根系呼吸，以及土壤对根系呼吸的响应。LARSEN等提出了一种简单、廉价、高分辨率的彩色比色平面光电极成像方法，可以实时监测植物根系周围的氧浓度和pH值。该方法在光电极上使用2种敏感荧光探针，用于测量土壤pH值和氧浓度。这2种探针的荧光强度随pH值和氧浓度的变化而变化，而探针荧光颜色保持不变。比较2种探针的荧光强度，可以计算出pH值和氧浓度的值，并且可以通过使用彩色相机将其成像，以获得高分辨率的空间分布图像。该方法不仅简单易用，而且具有高灵敏度和高分辨率，可以在水体中进行原位测量，相对于传统分析方法更加经济、便捷和准确。


HENNING等设计出一种基于荧光比率的成像设备，该设备包括指示剂染料、参比染料、氧敏感箔和显微镜。随着样品氧含量的增加，染料的发光信号降低，而参考染料不受氧气的影响。利用该设备，将植物根茎氧气产生和消耗的空间梯度可视化。通过土壤中的氧气分布二维图像及其随时间的变化，可以在微观分辨率下研究局部氧气扩散和消耗。HAN等提出了一种使用荧光平面光电极来定量成像根系径向氧散失的方法。该方法将荧光电极放入植物根际并使用成像仪拍摄荧光图像，以获得根系区域氧分布和径向氧散失速率的定量信息，为研究水生植物根系与根际微环境相互作用提供了一种可靠的方法。


随着计算机技术的发展，中子射线照相技术已经应用于许多领域，该技术可提供材料内部结构的详细信息。与常见的X射线照相技术不同，中子射线是一种中性粒子，它可以穿过更厚的样品，并且可以被样品中的原子核散射。中子射线照相技术利用中子的这些特性来探测材料的内部结构和组成。在植物根系的研究中也得到了广泛的应用。RUDOLPH等通过荧光染料成像结合中子射线照相技术在根区进行动态氧映射，利用光学荧光成像获取土壤氧浓度和土壤pH值变化，结合中子成像技术捕获植物根系结构信息和土壤水分分布图像，对植物根区氧环境进行分析。


通过这种结合技术，研究人员成功地观察到根系内氧气的动态变化，其中根系表面的氧气浓度要高于根系内部，而且根系内氧气的分布随着水分的变化而变化。这种结合荧光染料成像和中子射线照相技术的方法为研究植物根系内氧气分布和运动情况提供了一种手段，可以更好地理解植物对氧气的需求和响应。随着成像技术不断更新和进步，越来越多的技术被应用于植物根区氧环境的研究。RUDOLPH等采用了多种成像技术相结合的方法，用于研究根-土壤界面的结构和功能。包括荧光成像、中子计算机层析成像、基质辅助激光解吸离子化技术等，可以在不破坏样本的情况下实现对根系及其周围环境的非侵入性成像。该方法可以提供多种信息，包括根系形态、土壤质地、根际水分、氧气和pH值等参数的空间分布和动态变化情况，从而更好地理解根系生长和发育的机制，以及根系与土壤环境之间的相互作用。

图3荧光成像试验装置和根际氧浓度的二维分布


4.结论


本文通过梳理根区土壤氧气检测技术研究进展，总结了传感器点位检测法、模型法和荧光成像法的核心技术的发展过程主要结论如下：


1）利用土壤氧传感器进行监测的方法均使用埋藏式传感器，在氧浓度检测和时间分辨率方面是高度精确的，但该方法需要在固定的点位进行检测，仅提供来自测量点网格的数据，难以捕捉整个根系区域的氧含量。而且埋设土壤氧传感器可能会干扰土壤结构，损伤植物根系。


2）建立土壤氧扩散模型是根据土壤理化性质快速获得土壤氧浓度梯度的简便方法，也是估测植物根区土壤氧环境的重要方法。但土壤采样点位的输入数据具有不确定性，且模型的结构和参数均与土壤的理化性质有关，不具有普遍适用性。


3）荧光成像方法在近几年对于探索生物过程已变得极其重要，特别是非侵入性测量技术是在接近自然的设置中揭示生物与环境相互作用的关键。成像的方法能直观地看出植物根区土壤的氧气分布，但局限性较大，只能在实验室条件下开展，无法进行野外原位监测。