在(zai)土壤(rang)學(xue)研究(jiu)中，根際過程壹直(zhi)是重(zhong)要研究(jiu)方(fang)向。植(zhi)物根系(xi)與土壤(rang)之間的相互(hu)作(zuo)用(yong)，不僅影(ying)響(xiang)植(zhi)物生長，還對(dui)整個(ge)生態(tai)系(xi)統的穩定有重要(yao)意(yi)義。但(dan)由(you)於土壤(rang)環(huan)境復雜，不(bu)同位置的物理(li)化(hua)學(xue)性質(zhi)差(cha)異大，傳統監(jian)測(ce)方法(fa)很(hen)難準確觀測(ce)到植物(wu)根際過程的具體變化。平(ping)面光(guang)極(ji)技(ji)術的出現，為(wei)解決這(zhe)壹難題提(ti)供了有效手(shou)段(duan)。
壹(yi)、技(ji)術原理(li)
平(ping)面光(guang)極(ji)技(ji)術是壹(yi)種基(ji)於光(guang)電和熒(ying)光(guang)分析(xi)的微尺(chi)度監測(ce)技術。它(ta)通過將(jiang)能與(yu)目(mu)標物(wu)質(zhi)發生反應的發光(guang)指示(shi)劑(ji)，制成(cheng)超(chao)薄的傳感膜(mo)。當(dang)傳感膜(mo)接(jie)觸土壤(rang)中的物質(zhi)（如氧(yang)氣、二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)、離子(zi)等）時，指示(shi)劑(ji)會(hui)發生化學(xue)反應，導致發(fa)光(guang)信(xin)號改變。通過數(shu)字成(cheng)像(xiang)設備(bei)記(ji)錄這(zhe)些(xie)發光(guang)信(xin)號的變化，再經過算(suan)法(fa)計(ji)算，就能得出(chu)目標物(wu)質(zhi)在土壤(rang)中的濃(nong)度(du)和分布(bu)情況(kuang)。
這(zhe)項技術具有四大(da)優(you)勢：壹是分辨(bian)率高(gao)，可(ke)以精確到亞毫米(mi)級別(bie)，能捕捉(zhuo)到(dao)土壤(rang)中微小(xiao)區域(yu)的變化；二(er)是靈(ling)敏度(du)高(gao)，即(ji)使物(wu)質(zhi)濃(nong)度(du)很(hen)低也能檢(jian)測(ce)到；三(san)是能夠實時監測(ce)，動態(tai)記錄物(wu)質(zhi)濃(nong)度(du)隨(sui)時(shi)間的變化；四是可(ke)以原位檢測(ce)，直(zhi)接(jie)在土壤(rang)環(huan)境中進(jin)行(xing)測(ce)量，避(bi)免(mian)采樣(yang)過程對土壤(rang)環(huan)境的幹(gan)擾。
二(er)、在(zai)根(gen)際的應用
根(gen)際是植(zhi)物根(gen)系(xi)與土壤(rang)、微生物相互(hu)作(zuo)用(yong)的區域(yu)，這(zhe)壹區域(yu)會(hui)發生氧氣消耗、養分交換(huan)、酸(suan)堿變化等復雜過程。平(ping)面光(guang)極(ji)技(ji)術可(ke)以對這(zhe)些(xie)過程進(jin)行(xing)有效監(jian)測(ce)。
在(zai)氧(yang)氣監測(ce)方面，通過平(ping)面光(guang)極(ji)技(ji)術可(ke)以測(ce)量根際區域(yu)的溶(rong)解氧濃(nong)度(du)。研究(jiu)發(fa)現，玉(yu)米(mi)根表皮(pi)附近的氧濃(nong)度(du)比(bi)周(zhou)圍土壤(rang)低(di) 30%，距(ju)離(li)根(gen)系(xi) 1 毫米(mi)處氧濃(nong)度(du)又明(ming)顯(xian)回(hui)升。這(zhe)些(xie)數據(ju)能幫(bang)助我們(men)了解根系(xi)和微生物的呼吸強(qiang)度(du)。
對(dui)於(yu)土壤(rang)酸(suan)堿度(du)（pH 值）的監測(ce)，平(ping)面光(guang)極(ji)技(ji)術也有重要(yao)作(zuo)用(yong)。例(li)如(ru)在豆(dou)科(ke)植(zhi)物(wu)固(gu)氮(dan)研究(jiu)中發現(xian)，根(gen)際 pH 值會(hui)升高(gao) 0.5 - 1 個(ge)單(dan)位，這(zhe)種酸(suan)堿度(du)變化會(hui)影(ying)響(xiang)根(gen)瘤(liu)菌活性和重金(jin)屬(shu)的存在形態(tai)。
在(zai)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)監測(ce)方面，研究(jiu)人員利用平(ping)面光(guang)極(ji)技(ji)術發現，夜間植(zhi)物(wu)呼(hu)吸作(zuo)用(yong)強(qiang)，根(gen)際二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)濃(nong)度(du)比(bi)白(bai)天(tian)高(gao)出 50%，這(zhe)為(wei)研究(jiu)土壤(rang)碳(tan)循(xun)環(huan)提(ti)供了數(shu)據(ju)支(zhi)持。
三(san)、在(zai)土壤(rang)微觀(guan)異質(zhi)性研究(jiu)中的應用
土壤(rang)在(zai)微觀(guan)尺度上(shang)存(cun)在物(wu)理(li)、化(hua)學(xue)和生物性質(zhi)的差(cha)異，這(zhe)些(xie)差(cha)異會(hui)影(ying)響(xiang)植(zhi)物生長。傳(chuan)統研究(jiu)方(fang)法(fa)難以準確測(ce)量這(zhe)些(xie)細微差(cha)異，而平(ping)面光(guang)極(ji)技(ji)術可(ke)以實現這(zhe)壹目標。
在(zai)土壤(rang)研究(jiu)中，平(ping)面光(guang)極(ji)技(ji)術檢測(ce)到，距(ju)離(li)植(zhi)物根(gen)系(xi) 0.5 毫米(mi)處的磷濃(nong)度(du)是周(zhou)圍土壤(rang)的 2 倍(bei)，但(dan)水分含(han)量卻(que)低 15%。通(tong)過持(chi)續監測(ce)這(zhe)些(xie)數據(ju)，科(ke)學(xue)家可(ke)以更(geng)準確地分析(xi)植物(wu)根系(xi)對土壤(rang)資(zi)源的吸收規(gui)律(lv)，建(jian)立植物與土壤(rang)相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)的模型(xing)，預(yu)測(ce)不同環境下植物的生長情(qing)況(kuang)和生態(tai)系(xi)統的變化。
智(zhi)感(gan)環境團隊(dui)基(ji)於平(ping)面光(guang)極(ji)技(ji)術，成功研發(fa)封(feng)閉(bi)式(shi)平(ping)面光(guang)極(ji)設備(bei)和便攜式(shi)平(ping)面光(guang)極(ji)設備(bei)，並將(jiang)其(qi)應用於沈積物(wu)-水微界(jie)面、水生動植物及土壤(rang)植(zhi)物根際環境研究(jiu)。該設備(bei)具(ju)備(bei)以下特性：
1. 可(ke)快(kuai)速(su)實時獲取(qu)區域(yu)DO/pH/CO₂分布(bu)信(xin)息(xi)；
2. 封(feng)閉(bi)式(shi)箱(xiang)體設計(ji)滿(man)足暗(an)室(shi)測(ce)定需(xu)求；
3. 軟(ruan)硬件配套，實現校(xiao)準(zhun)、圖像(xiang)采(cai)集與處理(li)壹(yi)體化；
4. 非(fei)侵入(ru)式(shi)測(ce)量，不破(po)壞原生環境；
5. 高(gao)像(xiang)素(su)CMOS相機(ji)保(bao)障毫(hao)秒級時間分辨(bian)率與亞(ya)毫(hao)米(mi)級空(kong)間分辨(bian)率。
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