植物根系节律性释氧驱动铁磷循环耦合机制提升土壤磷生物有效性

为解决土壤中磷(P)被结晶态铁(Fe)(氧)氢氧化物固定化导致的生物有效性低下问题，中国研究人员通过多学科技术揭示了水生植物根系昼夜节律性释氧(ROL)诱导根际氧化还原波动，将惰性铁矿物转化为活性亚稳态铁相(RMPs)，形成"铁膜-根际"磷转运通道。该研究证实ROL激活的磷释放量占全球稻田磷肥投入的8.7%，年经济价值达5.2亿美元，为农业可持续养分管理提供了新视角。

　　

磷是支撑全球初级生产力的关键生命元素，但土壤中约30-85%的磷被牢牢锁在高度结晶的Fe(III)-(氧)氢氧化物中。这些矿物热力学稳定性高、还原惰性强，传统认为难以通过生物途径活化。更棘手的是，植物现有磷活化策略（如分泌有机酸、菌根共生等）多属非周期性过程，效率有限。有趣的是，水稻等水生植物根系具有独特的昼夜节律性释氧现象——白天光合作用促进氧扩散，夜间缺氧触发还原过程，这种周期性氧化还原波动能否"驯服"惰性铁矿物？这成为破解土壤磷固定化难题的新思路。

来自中国科学院南京地理与湖泊研究所等机构的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果，首次阐明昼夜ROL通过驱动铁矿物相变形成亚稳态铁相(RMPs)，构建动态磷转运通道的机制。研究创新性结合扩散梯度薄膜成像(DGT)、介导电化学分析(MER/MEO)和同步辐射X射线吸收光谱(XAS)等技术，通过水稻、苦草等典型水生植物的根箱实验，揭示了ROL诱导的"昼夜铁泵"效应。

Diel ROL-driven fluctuations of P and Fe
通过自主研发的根际原位成像系统，发现根系周围存在明显的磷铁昼夜耦合波动：白天氧化相形成Fe(III)-P复合体（4-8μM），夜间还原相释放可溶性Fe²⁺和磷（3-6μM）。同步监测显示根际pH稳定在6.7左右，既促进磷溶解又抑制Fe(III)再沉淀，形成理想磷活化微环境。

The presence of RMPs around the roots
电化学分析揭示根表铁膜具有最高电子交换容量(3.2 mmol e^-/g)，是根际土的1.6倍。XAS证实其74.9%为无定形水铁矿，这种RMPs具有双氧化还原峰，显著区别于结晶态针铁矿的惰性特征。

RMPs as hotspots for rhizosphere P mobilization
激光剥蚀质谱成像(LA-ICPMS)显示90%的磷富集在铁膜区域。NaHCO₃提取实验证实铁膜有效磷波动幅度最大（昼夜差达1.5倍），且与活性Fe(II)变化同步，证实RMPs是磷"暂存-释放"的枢纽。

ROL-driven redox cycling facilitates RMPs production
通过30天模拟根际氧化还原循环，结晶态针铁矿经活化后电子交换能力提升57%，新生成13%水铁矿和10%吸附态Fe²⁺。电化学还原实验显示活化样品磷释放效率提高2.3倍。

Ubiquity of ROL in enhancing P availability
比较实验显示：具有ROL活性的水稻、芦苇根表形成显著铁膜，其根际有效磷比本体土高3倍；而旱作小麦因缺乏ROL波动，根际无此效应。

Agricultural benefits of ROL
建立ROL-P估算模型显示：全球稻田年活化磷0.2百万吨，相当于磷肥投入量的8.7%。其中印度(29%)、中国(18%)受益最显著，非洲稻田对ROL活化磷的依赖度高达0.87。

该研究颠覆了传统认知，证明昼夜ROL可通过"矿物相变-磷铁耦合-动态转运"三位一体机制，将惰性铁矿物转化为高效磷载体。这一发现不仅为理解根际元素循环提供新范式，更启示通过调控灌溉制度（如干湿交替）增强氧化还原波动，可望减少磷肥依赖。值得注意的是，RMPs作为界面反应热点，其形成机制可能同样适用于碳铁耦合等关键生物地球化学过程，为应对气候变化提供新思路。研究建立的跨尺度分析方法（分子-矿物-根际-区域）为复杂环境过程研究树立了典范。