持續(xù)而穩(wěn)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(zhǎng)發(fā)育過程中需要消耗充足的氧氣來進(jìn)行呼吸作用，從而促進(jìn)植株對(duì)土壤中養(yǎng)分和水分的吸收。降水、排水不利、土壤板結(jié)、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(zhǎng)發(fā)育。當(dāng)土壤中氧氣的含量小于9%～10%，根系發(fā)育就會(huì)受到抑制，氧氣含量低至5%以下時(shí)，絕大多數(shù)植物根系停止生長(zhǎng)發(fā)育。因此，植物根際氧環(huán)境中的氧氣含量是影響植物根系進(jìn)行正常生長(zhǎng)代謝的主導(dǎo)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(yīng)。根系吸收水分和養(yǎng)分所消耗的能量主要靠根系有氧呼吸供給。氧氣充足時(shí)，根系進(jìn)行充分的有氧呼吸，反之則進(jìn)行無氧呼吸，物質(zhì)代謝的能量釋放減少，同時(shí)生成的多種有害物質(zhì)會(huì)威脅植物生存。缺氧時(shí)土壤微生物也會(huì)進(jìn)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(duì)植物有毒的還原性氣體。

根區(qū)土壤氧氣檢測(cè)對(duì)農(nóng)林生產(chǎn)和生態(tài)保護(hù)具有指導(dǎo)意義。自然土壤栽培條件下，農(nóng)林作物根系常因供氧不夠，導(dǎo)致低氧脅迫。檢測(cè)作物根區(qū)氧氣分布，對(duì)缺氧作物進(jìn)行增氧灌溉，改善根際氧環(huán)境，可促進(jìn)作物生長(zhǎng)和根系對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收能力，提高作物產(chǎn)量及改善作物品質(zhì)。城市道路硬化和人為活動(dòng)引起的土壤板結(jié)影響土壤的氣體交換、根系活動(dòng)和正常生長(zhǎng)。通過根區(qū)土壤氧氣檢測(cè)，可有針對(duì)性地對(duì)受低氧脅迫的古樹名木采取松土或鋪設(shè)樹穴磚等保護(hù)措施，促進(jìn)古樹名木復(fù)壯。人工濕地是由人工優(yōu)化模擬自然濕地系統(tǒng)而建造的具有生態(tài)系統(tǒng)綜合降解功能，且可人為監(jiān)督控制的處理系統(tǒng)。其氧氣條件特別是植物根區(qū)氧氣狀況是影響人工濕地凈化效率和設(shè)計(jì)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(shù)改進(jìn)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(huán)境角度進(jìn)行綜述植物根區(qū)氧環(huán)境測(cè)定的方法現(xiàn)狀以及適用范圍。本文以根區(qū)氧氣分布為研究對(duì)象，總結(jié)根區(qū)土壤氧氣檢測(cè)與分析的3種基本方法：傳感器點(diǎn)位檢測(cè)法、土壤氧擴(kuò)散模型法和熒光成像法的研究進(jìn)展及不足，并分析其發(fā)展趨勢(shì)，以期為開展植物根區(qū)土壤氧氣檢測(cè)技術(shù)與方法研究提供參考。

1.傳感器點(diǎn)位檢測(cè)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(xué)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(tài)氧傳感器，工作時(shí)利用高溫加熱氧化鋯使其產(chǎn)生離子導(dǎo)電現(xiàn)象來測(cè)量氧氣濃度。ISHII等開發(fā)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(hù)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(cè)中。試驗(yàn)觀察了該傳感器在柑橘模擬澇災(zāi)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(wěn)定性，準(zhǔn)確地測(cè)量柑橘土壤中的氧氣濃度，并且連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)48 h。

1.2電化學(xué)氧傳感器

電化學(xué)氧傳感器是通過電極的氧化還原反應(yīng)來解調(diào)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(gòu)成，而工作電極通常由鉑構(gòu)成。當(dāng)氧氣接觸到工作電極表面時(shí)，氧分子會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)并釋放出電子，這些電子會(huì)流向參考電極。通過測(cè)量參考電極和工作電極之間的電勢(shì)差，可以確定氧氣濃度。LEMON等設(shè)計(jì)出一種鉑微電極，利用鉑電極表面電解氧時(shí)獲得的電流計(jì)算氧的擴(kuò)散速率，并將該電極用于測(cè)量土壤中氧氣的擴(kuò)散速率，對(duì)不同類型土壤中氧氣的擴(kuò)散速率進(jìn)行比較，結(jié)果表明，土壤中氧氣擴(kuò)散速率跟土壤類型有關(guān)，土壤孔隙度越大，氧氣擴(kuò)散速率越高。LETEY等發(fā)現(xiàn)土壤中氧氣擴(kuò)散速率不僅和土壤孔隙度有關(guān)，還和溫度、土壤含水量有關(guān)。他們利用鉑微電極測(cè)量土壤中氧氣擴(kuò)散速率，并對(duì)影響氧氣擴(kuò)散速率的因素進(jìn)行了分析，其中土壤含水量和土壤孔隙度是影響氧氣擴(kuò)散速率的重要因素，水分占據(jù)了土壤孔隙的一部分，水分的增加會(huì)減少土壤孔隙的數(shù)量和大小，從而降低氧氣擴(kuò)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(gòu)成，電極和薄膜之間充以氯化鉀溶液作為電解質(zhì)。該電極在氧氣檢測(cè)研究上得到了廣泛應(yīng)用。目前常見的CLARK微型氧電極結(jié)構(gòu)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(fā)生氧化反應(yīng)，在銀極發(fā)生還原反應(yīng)。陽極和陰極的化學(xué)反應(yīng)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(shí)，透過薄膜進(jìn)入氯化鉀溶液的溶解氧在陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，陽極上發(fā)生銀的氧化反應(yīng)，此時(shí)電極間產(chǎn)生電解電流，又被叫做擴(kuò)散電流，電流大小受氧的擴(kuò)散速度的限制。當(dāng)外加的極化電壓達(dá)到一定值時(shí)，陰極表面氧氣濃度趨近于0，于是擴(kuò)散電流的大小完全取決于被測(cè)溶液中的氧的濃度，即緊靠薄膜外側(cè)的氧氣濃度。

GREENWOOD等將CLARK電極應(yīng)用于測(cè)量土壤氧氣濃度，該傳感器包括1個(gè)銀質(zhì)陽極、在底部呈環(huán)形的金質(zhì)陰極和1個(gè)薄的半透過性膜，僅允許氣體進(jìn)入。傳感器的底部會(huì)充滿電解液以提高濕潤(rùn)效果。在電極上施加極化電壓，氧氣會(huì)穿透膜在陰極上發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生電流，在溫度不變的情況下電流和氧濃度之間呈線性關(guān)系。該方法實(shí)現(xiàn)了土壤中氧氣濃度的檢測(cè)，并能夠找出直徑為10 mm的土壤團(tuán)聚體中的厭氧中心。但所用電極太大，會(huì)對(duì)土壤環(huán)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(shí)對(duì)一些離子也是可滲透的，在自然環(huán)境測(cè)量時(shí)，其他離子的滲透對(duì)這類氧電極的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生干擾。

REVSBECH等改進(jìn)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(huán)境隔離，保證測(cè)量過程中氧微電極信號(hào)的穩(wěn)定。這種氧微電極使用一個(gè)固定的參比電極，而不是在電解質(zhì)溶液中加入?yún)⒈入姌O，使得氧微電極對(duì)介質(zhì)化學(xué)成分不敏感，可以在酸性、高鹽度等極端環(huán)境下使用。SEXSTONE等利用改進(jìn)的氧微電極測(cè)量土壤剖面中的氧氣濃度，發(fā)現(xiàn)厭氧菌在缺氧土壤碎屑中才會(huì)發(fā)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(tài)的氮?dú)?，從而從土壤中釋放氮?dú)狻?

研究結(jié)果顯示，土壤聚合體中的氧氣剖面呈現(xiàn)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(kuò)散受限，深層土壤聚合體中的氧氣供應(yīng)較為有限。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，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(jì)。隨著研究的深入，更多學(xué)者將氧傳感器與其他傳感器相結(jié)合，用于分析根區(qū)土壤氧環(huán)境。

TOPP等使用陰極型氧微電極測(cè)量玉米地中不同深度的土壤氧濃度，同時(shí)利用TDR設(shè)備測(cè)量土壤含水率。結(jié)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(guān)，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(jié)合，為早期植物根系生長(zhǎng)分析提供了一些見解。隨著微電極陣列的發(fā)展，氧傳感器的體積減小，響應(yīng)速度更快，靈敏度更高，對(duì)根區(qū)土壤氧環(huán)境的影響也減少，并可適用于多點(diǎn)檢測(cè)。

KIM等開發(fā)出一種微傳感器系統(tǒng)，與多孔管植物養(yǎng)分輸送系統(tǒng)相結(jié)合，將柔性微電極陣列包裹在多孔管周圍，可以實(shí)時(shí)、高精度地監(jiān)測(cè)土壤氧氣濃度、水分和溫度等參數(shù)，為植物根區(qū)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jié)構(gòu)

光纖氧傳感器檢測(cè)氧氣濃度基于光致發(fā)光和熒光猝滅機(jī)理，如圖2a所示。將特定的熒光物質(zhì)制成氧敏感膜，通過特定波段的激發(fā)光激發(fā)氧敏感膜上的熒光物質(zhì)分子。激發(fā)后的熒光物質(zhì)分子因不穩(wěn)定而產(chǎn)生熒光，而氧氣分子能夠與熒光物質(zhì)分子發(fā)生熒光猝滅反應(yīng)抑制熒光的產(chǎn)生，即產(chǎn)生的熒光與環(huán)境中的氧氣濃度相關(guān)。熒光沿光纖傳回，并透過圓球透鏡，經(jīng)分光片反射和濾光片濾光后，進(jìn)入硅光電池，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光纖氧傳感器結(jié)構(gòu)如圖2b所示。氧氣濃度對(duì)產(chǎn)生熒光的影響主要表現(xiàn)在熒光光強(qiáng)和熒光壽命兩個(gè)方面，二者與氧氣濃度的關(guān)系符合Stern-Volmer方程：

式中[Q]為氧氣濃度，%；KST為Stern-Volmer常數(shù)，I0為氧氣濃度為初始時(shí)的熒光強(qiáng)度，AU；I為氧氣濃度為[Q]時(shí)的熒光強(qiáng)度，A.U.；

為氧氣濃度為初始時(shí)的熒光壽命，s；

為氧氣濃度為[Q]時(shí)的熒光壽命，s。因此，光纖氧傳感器可以通過檢測(cè)熒光光強(qiáng)或熒光壽命檢測(cè)環(huán)境中的氧氣濃度。依據(jù)熒光淬滅產(chǎn)生了2種對(duì)應(yīng)的傳感檢測(cè)機(jī)理：當(dāng)環(huán)境中氧氣濃度升高，產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度或壽命會(huì)隨熒光猝滅的加強(qiáng)而減弱。通過測(cè)量產(chǎn)生熒光強(qiáng)度在相互作用中的衰減量和測(cè)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(shè)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(yàn)過程中，根表面的氧氣濃度波動(dòng)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(shì)。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(fā)現(xiàn)在植物生長(zhǎng)季節(jié)后期，土壤含水量過高，土壤氧濃度降低對(duì)植物生長(zhǎng)的影響會(huì)大大降低，因?yàn)楦荡蟛糠謪^(qū)域已經(jīng)形成徑向氧損失屏障。該屏障位于皮層細(xì)胞最外側(cè)，能有效限制氧由通氣組織向根際的徑向擴(kuò)散，有利于氧氣向根尖的運(yùn)輸，從而促進(jìn)根在厭氧環(huán)境中的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)。

BORISOV等設(shè)計(jì)了一個(gè)四重復(fù)合傳感器，可同時(shí)檢測(cè)O2、CO2、pH和溫度。該傳感器利用光學(xué)傳感器的多路復(fù)用特點(diǎn)，通過光攜帶的各種信息，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)根區(qū)土壤的多個(gè)參數(shù)，為研究根區(qū)氧濃度分布的影響因素提供了可靠的思路。FISCHER等設(shè)計(jì)了一種多光纖氧傳感器，通過將多個(gè)光纖氧傳感器集成到同一平臺(tái)上，同時(shí)對(duì)多個(gè)位置氧濃度進(jìn)行測(cè)量，可用于土壤、水體和生物組織等多個(gè)領(lǐng)域的氧氣濃度檢測(cè)。具有高精度、高靈敏度、無需校準(zhǔn)以及易于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)

。KOHFAHL等在多尼亞納國(guó)家公園的濕地土壤中安裝光纖氧傳感器，并通過壓力計(jì)和溫度探頭對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行校正，獲取土壤中氧氣含量的每日變化，以及環(huán)境參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)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(fù)相關(guān)。SMYTH等在俄亥俄州的濕地中土壤中安裝了23個(gè)光纖氧傳感器組成土壤監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并利用土壤傳感器數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)土壤溫室氣體排放。

表1歸納對(duì)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(cè)量精度，響應(yīng)速度較快，能夠迅速反映氧氣濃度的變化，但使用時(shí)必須加熱，而高溫會(huì)影響土壤氧環(huán)境，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，因此在土壤氧氣檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較少。電化學(xué)氧傳感器原理簡(jiǎn)單、精度高，但檢測(cè)過程中存在消耗氧氣和電極材料等問題，無法長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定、重復(fù)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(guān)。光纖氧傳感器不需要消耗氧分子，也無需對(duì)樣品進(jìn)行任何處理，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)，在氧氣檢測(cè)領(lǐng)域具有很好的發(fā)展趨勢(shì)。但需要精密的光學(xué)儀器，且氧傳感膜的制作工藝?yán)щy，成本較高。

表1典型土壤氧傳感器