【DGT創新性研究】Nat. Commun.：水生植物根際泌氧增強磷的可利用性

文獻導讀

近日，中國科學院南京地理與湖泊研究所趙國強及合作者在國際期刊《Nature》子刊《Nature Communications》（影響因子14.7）上發表重要研究成果，研究團隊利用薄膜擴散梯度技術（DGT/DET）、電化學表征和同步輻射等先進技術，系統揭示了水生植物根系晝夜節律性泌氧如何激活土壤中熱力學穩定態鐵礦物，進而促進磷的釋放與植物吸收的關鍵過程與機制。

研究亮點

1. 機制創新：發現ROL通過晝夜氧化-還原循環(晝間氧化Fe²⁺→Fe³⁺，夜間還原Fe³⁺→Fe²⁺)誘導鐵礦物動態轉化，形成RMPS(如水鐵礦)，其電子交換容量(EEC)達3.2 mmol e^-/g，是根際土壤的1.6倍。

2. 技術突破：研究團隊基于 DGT 技術原理構建擴散凝膠膜成像系統，實現了對根際土壤和沉積物中活性磷和可溶性鐵分布的可視化監測。同時，將DGT與激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜（LA-ICPMS）聯用，精準捕捉鐵斑中鐵、磷元素的動態變化。數據顯示，植物根系在晝夜交替中，通過徑向氧損失（ROL）驅動鐵、磷元素呈現同步波動：白天光照下，根際土壤和沉積物可溶性 Fe (II) 濃度升高；夜間缺氧時，Fe (II) 快速釋放至孔隙水。這一發現不僅完善了學界對植物 - 土壤元素交互機制的認知空白，更凸顯了 DGT 技術在微觀環境過程研究中的優勢。

3. 應用潛力：提出通過調控稻田干濕交替灌溉增強氧化還原波動，激活土壤遺留磷庫，減少磷肥依賴。

4. 全球意義：量化ROL激活的磷釋放量(0.2 Mt/年)，相當于全球稻田磷肥投入量的8.7%(2.3 Mt/年)，年經濟價值達5.2億美元，其中印度(0.15億)和中國(0.08億)受益最大。

結論 

研究人員發現，在水生植物根際區域普遍存在但此前被忽視的晝夜節律性ROL誘導的氧化還原波動，可激活熱力學穩定的鐵礦物，從而顯著提升磷的生物可利用性。ROL引發的周期性氧化還原過程促使根際周圍形成高度氧化還原活性RMPs，可在晝夜交替的氧環境中高效地將土壤中的可用磷轉運至根際孔隙水中。在頻繁發生氧化還原波動的區域，如湖泊-流域消落帶、水稻田、海岸帶、地下水潛水層等，可能是RMPs的形成的活躍地帶，成為磷活化的重要熱區。

產學研合作

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