在土壤學(xué)研究中，根際過程一直是重要研究方向。植物根系與土壤之間的相互作用，不僅影響植物生長，還對整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定有重要意義。但由于土壤環(huán)境復(fù)雜，不同位置的物理化學(xué)性質(zhì)差異大，傳統(tǒng)監(jiān)測方法很難準(zhǔn)確觀測到植物根際過程的具體變化。平面光極技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這一難題提供了有效手段。

一、技術(shù)原理

平面光極技術(shù)是一種基于光電和熒光分析的微尺度監(jiān)測技術(shù)。它通過將能與目標(biāo)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的發(fā)光指示劑，制成超薄的傳感膜。當(dāng)傳感膜接觸土壤中的物質(zhì)（如氧氣、二氧化碳、離子等）時，指示劑會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)光信號改變。通過數(shù)字成像設(shè)備記錄這些發(fā)光信號的變化，再經(jīng)過算法計算，就能得出目標(biāo)物質(zhì)在土壤中的濃度和分布情況。

這項技術(shù)具有四大優(yōu)勢：一是分辨率高，可以精確到亞毫米級別，能捕捉到土壤中微小區(qū)域的變化；二是靈敏度高，即使物質(zhì)濃度很低也能檢測到；三是能夠?qū)崟r監(jiān)測，動態(tài)記錄物質(zhì)濃度隨時間的變化；四是可以原位檢測，直接在土壤環(huán)境中進行測量，避免采樣過程對土壤環(huán)境的干擾。

二、在根際的應(yīng)用

根際是植物根系與土壤、微生物相互作用的區(qū)域，這一區(qū)域會發(fā)生氧氣消耗、養(yǎng)分交換、酸堿變化等復(fù)雜過程。平面光極技術(shù)可以對這些過程進行有效監(jiān)測。

在氧氣監(jiān)測方面，通過平面光極技術(shù)可以測量根際區(qū)域的溶解氧濃度。研究發(fā)現(xiàn)，玉米根表皮附近的氧濃度比周圍土壤低 30%，距離根系 1 毫米處氧濃度又明顯回升。這些數(shù)據(jù)能幫助我們了解根系和微生物的呼吸強度。

對于土壤酸堿度（pH 值）的監(jiān)測，平面光極技術(shù)也有重要作用。例如在豆科植物固氮研究中發(fā)現(xiàn)，根際 pH 值會升高 0.5 - 1 個單位，這種酸堿度變化會影響根瘤菌活性和重金屬的存在形態(tài)。

在二氧化碳監(jiān)測方面，研究人員利用平面光極技術(shù)發(fā)現(xiàn)，夜間植物呼吸作用強，根際二氧化碳濃度比白天高出 50%，這為研究土壤碳循環(huán)提供了數(shù)據(jù)支持。

三、在土壤微觀異質(zhì)性研究中的應(yīng)用

土壤在微觀尺度上存在物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的差異，這些差異會影響植物生長。傳統(tǒng)研究方法難以準(zhǔn)確測量這些細(xì)微差異，而平面光極技術(shù)可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。

在土壤研究中，平面光極技術(shù)檢測到，距離植物根系 0.5 毫米處的磷濃度是周圍土壤的 2 倍，但水分含量卻低 15%。通過持續(xù)監(jiān)測這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家可以更準(zhǔn)確地分析植物根系對土壤資源的吸收規(guī)律，建立植物與土壤相互作用的模型，預(yù)測不同環(huán)境下植物的生長情況和生態(tài)系統(tǒng)的變化。

智感環(huán)境團隊基于平面光極技術(shù)，成功研發(fā)封閉式平面光極設(shè)備和便攜式平面光極設(shè)備，并將其應(yīng)用于沉積物-水微界面、水生動植物及土壤植物根際環(huán)境研究。該設(shè)備具備以下特性：

1. 可快速實時獲取區(qū)域DO/pH/CO?分布信息；

2. 封閉式箱體設(shè)計滿足暗室測定需求；

3. 軟硬件配套，實現(xiàn)校準(zhǔn)、圖像采集與處理一體化；

4. 非侵入式測量，不破壞原生環(huán)境；

5. 高像素CMOS相機保障毫秒級時間分辨率與亞毫米級空間分辨率。