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.

 

摘要核心內容

 

本研究通過結合X射線計算機斷層掃描（X-ray CT）和微電極傳感技術，揭示了根際（rhizosphere）與蚯蚓孔周圍（drilosphere）毫米尺度孔隙結構對土壤通氣的調控機制。核心發現包括：

 

通氣增強效應：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（Ds/D?）顯著高于非生物孔區域（圖2-3）。

 

 

 

孔隙結構差異：根系形成的生物孔具有更高連通性的側向孔隙網絡（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）。

 

 

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

 

生物學意義：根際優越的通氣條件支持更高的微生物活性和根系呼吸，影響養分礦化與碳循環。

 

研究目的

 

解析孔隙結構差異：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（擴散系數、氧分壓剖面）。

 

建立結構-功能關聯：驗證孔隙連通性對土壤通氣效率的調控作用。

 

研究思路與技術路線

 

采用 原位采樣→多尺度成像→微傳感測量→數據關聯 策略：

 

樣品采集：

 

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

 

結構表征：

 

X-ray CT掃描（64.65 μm分辨率）重建孔隙3D網絡，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）沿生物孔壁向基質內每100 μm測點（圖2）。

 

相對擴散系數（Ds/D?）：雙傳感器相位差法計算氧氣擴散效率（圖3）。

 

數據整合：

 

關聯CT孔隙參數（圖4）與微傳感數據（圖2-3），解析結構對通氣功能的調控機制。

 

關鍵數據及研究意義

1. 孔隙結構數據（圖4）

 

數據：

 

根際側向孔隙度：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“高連通孔隙網絡”的結構優勢，解釋其高效通氣的物理基礎。

 

2. 氧分壓剖面（圖2）

 

數據：

 

根際區域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：證實根際更優的氧氣供應能力，支持好氧微生物活動與根系呼吸。

 

3. 相對擴散系數（圖3）

 

數據：

 

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控，為土壤呼吸模型提供參數。

 

Unisense電極數據的專項解讀

技術原理與創新應用

 

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/氮氣誘導正弦氧濃度波動，依據相位滯后計算擴散系數。

 

關鍵發現與機制解析

 

根際通氣優勢量化（圖2）：

 

根際pO?比蚯蚓孔高40%，證實根系通過側向孔隙增強氧氣橫向擴散。

 

意義：推翻“生物孔周圍均質壓實”假設，揭示根系的“工程效應”。

 

擴散效率的空間異質性（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律，驗證CT顯示的孔隙連通性差異（圖4）。

 

方法學突破：

 

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

 

研究意義

 

機制深度解析：

 

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

 

模型參數化支持：

 

提供毫米尺度Ds/D?實測值，改進土壤呼吸和碳周轉模型的空間分辨率。

 

農業應用啟示：

 

深根作物（如苜蓿）種植2年即可形成高連通根際孔隙（圖4），為可持續農業中“生物鉆孔”技術提供理論依據。

 

核心結論

 

孔隙結構分異：根系生物孔通過側向孔隙網絡（RIMs）增強連通性，蚯蚓孔因分泌物堵塞孔隙導致連通性低。

 

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。

 

生物學效應：根際優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。

 

應用價值

 

農業實踐：優先選擇深根作物（如苜蓿）輪作，以改善深層土壤通氣，提升養分利用效率。

 

土壤修復：利用根系工程效應修復壓實土層，增強污染物好氧降解。

 

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

 

總結：本研究通過Unisense微電極等技術創新，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依據。