持續而穩定的氧氣供給是植物組織維持其正常代謝的必要條件。植物根系在生長發育過程中需要消耗充足的氧氣來進行呼吸作用，從而促進植株對土壤中養分和水分的吸收。降水、排水不利、土壤板結、城市道路硬化等易造成土壤氧氣不足，抑制植物根系的有氧呼吸，影響植物正常生長發育。當土壤中氧氣的含量小于9%～10%，根系發育就會受到抑制，氧氣含量低至5%以下時，絕大多數植物根系停止生長發育。因此，植物根際氧環境中的氧氣含量是影響植物根系進行正常生長代謝的主導因子。植物要維系正常生理生化功能，必須有足量的氧氣供應。根系吸收水分和養分所消耗的能量主要靠根系有氧呼吸供給。氧氣充足時，根系進行充分的有氧呼吸，反之則進行無氧呼吸，物質代謝的能量釋放減少，同時生成的多種有害物質會威脅植物生存。缺氧時土壤微生物也會進行無氧呼吸，將土壤氮素還原成N2、NO和N2O造成氮素流失，釋放對植物有毒的還原性氣體。


根區土壤氧氣檢測對農林生產和生態保護具有指導意義。自然土壤栽培條件下，農林作物根系常因供氧不夠，導致低氧脅迫。檢測作物根區氧氣分布，對缺氧作物進行增氧灌溉，改善根際氧環境，可促進作物生長和根系對土壤養分的吸收能力，提高作物產量及改善作物品質。城市道路硬化和人為活動引起的土壤板結影響土壤的氣體交換、根系活動和正常生長。通過根區土壤氧氣檢測，可有針對性地對受低氧脅迫的古樹名木采取松土或鋪設樹穴磚等保護措施，促進古樹名木復壯。人工濕地是由人工優化模擬自然濕地系統而建造的具有生態系統綜合降解功能，且可人為監督控制的處理系統。其氧氣條件特別是植物根區氧氣狀況是影響人工濕地凈化效率和設計的重要因素。獲取人工濕地氧氣分布信息，可為人工濕地技術改進提供理論參考。


前人就植物根系的生理特性開展了綜述研究，但尚未有從土壤氧環境角度進行綜述植物根區氧環境測定的方法現狀以及適用范圍。本文以根區氧氣分布為研究對象，總結根區土壤氧氣檢測與分析的3種基本方法：傳感器點位檢測法、土壤氧擴散模型法和熒光成像法的研究進展及不足，并分析其發展趨勢，以期為開展植物根區土壤氧氣檢測技術與方法研究提供參考。


1.傳感器點位檢測法


氧傳感器按照工作原理主要分為氧化鋯式氧傳感器、電化學氧傳感器和光纖式氧傳感器。


1.1氧化鋯氧傳感器


氧化鋯氧傳感器是一種固態氧傳感器，工作時利用高溫加熱氧化鋯使其產生離子導電現象來測量氧氣濃度。ISHII等開發出一種防水氧化鋯氧傳感器，在傳感器表面覆蓋一層防水材料以保護傳感器不受土壤水分的影響，并將該傳感器用在土壤氧濃度檢測中。試驗觀察了該傳感器在柑橘模擬澇災處理后土壤中的氧氣變化，該傳感器能夠在浸水土壤中，保持高度的耐水性和穩定性，準確地測量柑橘土壤中的氧氣濃度，并且連續工作時間長達48 h。


1.2電化學氧傳感器


電化學氧傳感器是通過電極的氧化還原反應來解調出氧氣的濃度值，一般由參考電極和工作電極組成。參考電極通常由銀或銀氯化物構成，而工作電極通常由鉑構成。當氧氣接觸到工作電極表面時，氧分子會發生還原反應并釋放出電子，這些電子會流向參考電極。通過測量參考電極和工作電極之間的電勢差，可以確定氧氣濃度。LEMON等設計出一種鉑微電極，利用鉑電極表面電解氧時獲得的電流計算氧的擴散速率，并將該電極用于測量土壤中氧氣的擴散速率，對不同類型土壤中氧氣的擴散速率進行比較，結果表明，土壤中氧氣擴散速率跟土壤類型有關，土壤孔隙度越大，氧氣擴散速率越高。LETEY等發現土壤中氧氣擴散速率不僅和土壤孔隙度有關，還和溫度、土壤含水量有關。他們利用鉑微電極測量土壤中氧氣擴散速率，并對影響氧氣擴散速率的因素進行了分析，其中土壤含水量和土壤孔隙度是影響氧氣擴散速率的重要因素，水分占據了土壤孔隙的一部分，水分的增加會減少土壤孔隙的數量和大小，從而降低氧氣擴散速率。1953年CLARK等研制出薄膜氧電極（又稱CLARK電極），電極由鑲嵌在絕緣材料上的銀極和鉑極構成，電極和薄膜之間充以氯化鉀溶液作為電解質。該電極在氧氣檢測研究上得到了廣泛應用。目前常見的CLARK微型氧電極結構如圖1所示，將鉑絲尖端鍍金作為工作電極（陰極），將銀電極作為輔助電極（陽極），在陽極發生氧化反應，在銀極發生還原反應。陽極和陰極的化學反應方程式分別如下：

圖1 CLARK微型氧電極

在氧電極間施加電壓且該電壓超過氧氣的分解電壓時，透過薄膜進入氯化鉀溶液的溶解氧在陰極上發生還原反應，陽極上發生銀的氧化反應，此時電極間產生電解電流，又被叫做擴散電流，電流大小受氧的擴散速度的限制。當外加的極化電壓達到一定值時，陰極表面氧氣濃度趨近于0，于是擴散電流的大小完全取決于被測溶液中的氧的濃度，即緊靠薄膜外側的氧氣濃度。


GREENWOOD等將CLARK電極應用于測量土壤氧氣濃度，該傳感器包括1個銀質陽極、在底部呈環形的金質陰極和1個薄的半透過性膜，僅允許氣體進入。傳感器的底部會充滿電解液以提高濕潤效果。在電極上施加極化電壓，氧氣會穿透膜在陰極上發生反應并產生電流，在溫度不變的情況下電流和氧濃度之間呈線性關系。該方法實現了土壤中氧氣濃度的檢測，并能夠找出直徑為10 mm的土壤團聚體中的厭氧中心。但所用電極太大，會對土壤環境造成干擾。CLARK氧電極中的氧敏感膜在允許氧氣通過的同時對一些離子也是可滲透的，在自然環境測量時，其他離子的滲透對這類氧電極的信號會產生干擾。


REVSBECH等改進CLARK氧電極，解決了上述電極氧敏感膜的問題。他們將CLARK電極修改為微電極尺寸，通過硅膠膜與環境隔離，保證測量過程中氧微電極信號的穩定。這種氧微電極使用一個固定的參比電極，而不是在電解質溶液中加入參比電極，使得氧微電極對介質化學成分不敏感，可以在酸性、高鹽度等極端環境下使用。SEXSTONE等利用改進的氧微電極測量土壤剖面中的氧氣濃度，發現厭氧菌在缺氧土壤碎屑中才會發生反硝化作用。反硝化是一種重要的土壤微生物過程，將硝酸鹽還原為氣體態的氮氣，從而從土壤中釋放氮氣。


研究結果顯示，土壤聚合體中的氧氣剖面呈現明顯梯度，從表面到深處逐漸減少。這表明土壤聚合體中的氧氣擴散受限，深層土壤聚合體中的氧氣供應較為有限。此外，研究還發現，在含氧量較低的深層土壤聚合體中，反硝化速率較高。該研究所用氧電極尖端直徑約為3μm，消耗極少氧氣，可以忽略不計。隨著研究的深入，更多學者將氧傳感器與其他傳感器相結合，用于分析根區土壤氧環境。


TOPP等使用陰極型氧微電極測量玉米地中不同深度的土壤氧濃度，同時利用TDR設備測量土壤含水率。結果表明，氧氣含量隨土壤深度的增加而急劇下降。土壤氧氣含量和土壤含水率密切相關，土壤含水率越低，氧氣含量越高。降雨期后，隨著土壤含水率的升高，土壤的氧氣含量顯著降低。通過將氧氣含量和土壤含水率相結合，為早期植物根系生長分析提供了一些見解。隨著微電極陣列的發展，氧傳感器的體積減小，響應速度更快，靈敏度更高，對根區土壤氧環境的影響也減少，并可適用于多點檢測。


KIM等開發出一種微傳感器系統，與多孔管植物養分輸送系統相結合，將柔性微電極陣列包裹在多孔管周圍，可以實時、高精度地監測土壤氧氣濃度、水分和溫度等參數，為植物根區環境參數的實時監測提供了一種可靠的方法。


1.3光纖氧傳感器

圖2熒光猝滅原理和光纖氧傳感器結構

光纖氧傳感器檢測氧氣濃度基于光致發光和熒光猝滅機理，如圖2a所示。將特定的熒光物質制成氧敏感膜，通過特定波段的激發光激發氧敏感膜上的熒光物質分子。激發后的熒光物質分子因不穩定而產生熒光，而氧氣分子能夠與熒光物質分子發生熒光猝滅反應抑制熒光的產生，即產生的熒光與環境中的氧氣濃度相關。熒光沿光纖傳回，并透過圓球透鏡，經分光片反射和濾光片濾光后，進入硅光電池，進行光電轉換。光纖氧傳感器結構如圖2b所示。氧氣濃度對產生熒光的影響主要表現在熒光光強和熒光壽命兩個方面，二者與氧氣濃度的關系符合Stern-Volmer方程：

式中[Q]為氧氣濃度，%；KST為Stern-Volmer常數，I0為氧氣濃度為初始時的熒光強度，AU；I為氧氣濃度為[Q]時的熒光強度，A.U.；


為氧氣濃度為初始時的熒光壽命，s；


為氧氣濃度為[Q]時的熒光壽命，s。因此，光纖氧傳感器可以通過檢測熒光光強或熒光壽命檢測環境中的氧氣濃度。依據熒光淬滅產生了2種對應的傳感檢測機理：當環境中氧氣濃度升高，產生的熒光強度或壽命會隨熒光猝滅的加強而減弱。通過測量產生熒光強度在相互作用中的衰減量和測量熒光壽命在相互作用中的縮短變化量即可得到氧氣濃度。


STEPHAN等將光纖氧探頭與pH傳感器埋設在7種不同的植物根部表面，用以研究淹沒土壤（尤其是根部表面）的缺氧條件。在試驗過程中，根表面的氧氣濃度波動很大，并且不同種植物根表面的氧氣濃度具有相同的變化趨勢。其中根尖氧濃度較高，而根的基部保持在低氧至缺氧條件下。研究發現在植物生長季節后期，土壤含水量過高，土壤氧濃度降低對植物生長的影響會大大降低，因為根系大部分區域已經形成徑向氧損失屏障。該屏障位于皮層細胞最外側，能有效限制氧由通氣組織向根際的徑向擴散，有利于氧氣向根尖的運輸，從而促進根在厭氧環境中的伸長生長。


BORISOV等設計了一個四重復合傳感器，可同時檢測O2、CO2、pH和溫度。該傳感器利用光學傳感器的多路復用特點，通過光攜帶的各種信息，能夠同時監測根區土壤的多個參數，為研究根區氧濃度分布的影響因素提供了可靠的思路。FISCHER等設計了一種多光纖氧傳感器，通過將多個光纖氧傳感器集成到同一平臺上，同時對多個位置氧濃度進行測量，可用于土壤、水體和生物組織等多個領域的氧氣濃度檢測。具有高精度、高靈敏度、無需校準以及易于實現多點測量等優點


。KOHFAHL等在多尼亞納國家公園的濕地土壤中安裝光纖氧傳感器，并通過壓力計和溫度探頭對檢測結果進行校正，獲取土壤中氧氣含量的每日變化，以及環境參數對檢測結果的影響表明土壤中的氧氣濃度主要受土壤沉積物和地下水影響，且氧氣濃度和土壤溫度呈負相關。SMYTH等在俄亥俄州的濕地中土壤中安裝了23個光纖氧傳感器組成土壤監測網絡，并利用土壤傳感器數據預測土壤溫室氣體排放。


表1歸納對比了典型土壤氧傳感器的類型和適用范圍。氧化鋯氧傳感器具有較高的測量精度，響應速度較快，能夠迅速反映氧氣濃度的變化，但使用時必須加熱，而高溫會影響土壤氧環境，對測量結果產生較大影響，因此在土壤氧氣檢測領域應用較少。電化學氧傳感器原理簡單、精度高，但檢測過程中存在消耗氧氣和電極材料等問題，無法長期原位監測，檢測結果不穩定、重復性較差的問題，這與傳感器的腔室、電極和透氧膜的制作有關。光纖氧傳感器不需要消耗氧分子，也無需對樣品進行任何處理，可實現長期原位監測，在氧氣檢測領域具有很好的發展趨勢。但需要精密的光學儀器，且氧傳感膜的制作工藝困難，成本較高。

表1典型土壤氧傳感器