圖1、根區中磷和鐵的日變化。a )通過活性礦物相（RMPs）驅動的根區日循環對磷生物可用性的增強的示意圖。b )實驗裝置中根部的照片圖像。c、d )使用擴散凝膠薄膜成像系統對根區不穩定磷和可溶性 Fe(II) 濃度的日變化進行可視化。e、f )根區氧氣含量和氧化還原電位的日變化。g )根際區 pH 的時間動態變化。誤差條表示三個重復樣本的標準偏差。

圖2、根部附近形成反應性礦物相（RMPs）。a )電流-電位曲線（以標準氫電極為參照，已報告數據）顯示了氧化還原活性。b )介導電化學還原（MER）和氧化（MEO）曲線，以及 c )鐵斑、根際土壤和整塊土壤的電子交換容量（EEC）測量值。d )通過順序化學萃取表征的鐵組分。e )通過 X 射線吸收光譜鑒定的鐵物種。誤差條表示三個重復樣本的標準偏差。當誤差條不可見時，它們包含在標記符號內。

圖3、反應性礦物質相（RMPs）能夠調節根部周圍的磷遷移。a) 一幅鐵斑、根際土壤以及圍繞根部的整體土壤的示意圖。b、c 0水生根表現出徑向氧流失（ROL），在感興趣的區域內，鐵斑吸附在根表面。d、e） 用鹽酸從鐵斑、根際土壤以及整體土壤中提取的總磷酸鹽和總反應性鐵。f、g 在鐵斑、根際土壤以及整體土壤中有效磷和反應性 Fe(II) 的晝夜變化。誤差條表示三個重復實驗的標準偏差。若誤差條不可見，則包含在標記符號內。

圖4、徑向氧流失（ROL）引起的氧化還原變化促進了活性礦物相（RMPs）的生成。 a、b) 在氧化還原波動前后對綠泥石進行的電化學還原（MER）、電化學氧化（MEO）和電子交換能力（EEC）分析。c )紅色氧化還原波動后綠泥石的鐵物種分析，使用 X 射線吸收光譜進行。d) 紅色氧化還原波動前后綠泥石上的磷酸鹽吸附動力學比較。e )用吸附磷酸鹽的氧化還原激活和未經處理的綠泥石（綠泥石-P）進行電化學還原。f) 在使用綠泥石-P 對綠泥石進行電化學還原過程中電解液中檢測到的溶解 Fe(II)。

圖5、水稻田因徑向氧氣流失（ROL）而產生的全球磷效益。a 水稻田中由徑向氧氣流失激活的磷的地理分布。數據基于水稻田的全球收獲面積，源自一份已發表的全球數據集43，空間分辨率為 5 度分（約 10 千米）。這張地圖上有 463，429 個點，分辨率為 10 千米×10 千米。 b 全球前 10 個國家中由徑向氧氣流失激活的磷所占比例。 c 全球前 10 個國家中由徑向氧氣流失激活的磷的經濟價值。 d 不同大洲水稻田對徑向氧氣流失激活磷的依賴程度，定義為由徑向氧氣流失激活磷提供的總磷輸入所占的比例。

結論與展望

磷（P）的可用性對于全球的初級生產力至關重要，然而它常常因氧化還原惰性的結晶性鐵（氧）氫氧化物而被固定在土壤中。研究表明，植物根部的晝夜周期性氧氣流失（ROL）會導致根際區域的氧化還原波動，從而激活這些鐵礦物質并增強磷的遷移。夜間還原和白天氧化的過程會在根表面形成活性不穩定鐵相（RMPs），形成一個具有氧化還原活性的鐵斑塊。這些 RMPs 會經歷快速的溶解-再形成循環，促進磷從土壤轉移到孔隙水中，供植物吸收。通過使用來自農業發達地區的多種水生植物，本研究證明了 ROL 大大提高了土壤磷的可用性。在稻田中，ROL 激活的磷釋放占全球磷肥料輸入的 8.7%，每年估計帶來 52 億美元的經濟價值。我們的研究揭示了一個此前被忽視的氧化還原機制，即植物通過這種方式增強磷的獲取，這對養分循環和農業可持續性具有廣泛的影響。本研究量化了ROL激活磷的全球效益。在稻田中，年激活磷量約0.2百萬噸，相當于全球P肥輸入的8.7%，年經濟價值達5.2億美元。這些發現為可持續農業管理提供新思路。Unisense微電極作為一種高精度的原位測量工具，在本研究中用于監測水生植物根區的溶解氧濃度和氧化還原電位動態，測量的數據直接支撐了核心假設——晝夜徑向氧損失（ROL）驅動根際氧化還原波動，從而增強磷的生物有效性。微電極的應用為研究提供了實時、高分辨率的環境參數數據，是驗證晝夜波動機制的實驗基礎。通過提供原位、實時氧化還原數據，將植物生理過程（如ROL）與土壤化學（如磷動員）無縫鏈接，凸顯了高分辨率監測在環境研究中的價值。