《SOIL BIOLOGY & BIOCHEMISTRY》：From soil to gas – high resolution insights into plant-soil interactions by integrating planar oxygen optodes, porewater chemistry, soil microbial analysis and trace soil gas flux using a rhizobox approach
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研究开发了一种集成氧传感器、孔隙水化学分析及土壤微生物检测的定制化rhizobox系统，用于高时空分辨率监测植物根系氧释放及与土壤微生物和气体交换的关联，揭示根系氧损失与CO?吸收及N?O排放的耦合机制。
肖恩·费特罗（Sean Fettrow）| 保琳·鲁梅尔（Pauline Rummel）| 威廉·詹姆斯（William James）| 迈克尔·J·威尔金斯（Michael J. Wilkins）| 克劳斯·科伦（Klaus Koren）| 托马斯·博奇（Thomas Borch）
美国科罗拉多州立大学土壤与作物科学系，科罗拉多州柯林斯堡
摘要
生态系统中的微量气体通量（CO?、CH?、N?O）是全球温室气体循环的重要组成部分，但关于驱动土壤-植物-大气界面变化的重要机制仍存在不确定性。部分原因在于缺乏能够在可控实验条件下高空间和时间分辨率下整合这些界面测量的技术。为了改进这些实验技术，我们提出了一种新方法：使用定制的根箱，结合先进的平面氧（O?）光敏传感器，并配备水、土壤和气体采样器，从而能够整合孔隙水化学成分、土壤微生物、植物-土壤微量气体通量以及地下根系动态信息，同时获得空间上和定量上的O?分布数据（即平面光敏传感器）。我们通过一个案例研究来展示我们的实验设计，该研究使用了三个根箱，其中一个根箱仅含有土壤，另外两个根箱移植了Carex acutiformis（一种已知可通过根部向地下输送O?的湿地植物，即发生径向氧气损失）。我们的案例研究清楚地表明，利用平面化学传感器可以捕获高空间和时间分辨率的数据，并将其与土壤、水、植物和气体的同时测量结果相结合。我们发现了明显的径向O?损失证据，这种机制发生在毫米尺度上，即根部向地下释放O?。此外，我们发现植物-土壤气体通量与孔隙水化学成分（如氧化还原电位、pH值、O?浓度）、土壤微生物相对丰度以及平面O?光敏传感器数据之间存在相关性，这凸显了这种实验设计能够在最小干扰下同时监测多种测量类型的能力。我们发现，随着地下根系径向O?损失的增加（p=0.003，R2=0.78），植物的CO?吸收量也显著增加，表明地上和地下植物动态之间存在紧密耦合。此外，通常与反硝化作用相关的细菌属Hydrogenophaga的丰度增加，同时N?O通量也随之减少。最后，我们发现与传统孔隙水O?测量方法相比，平面光敏传感器能够更准确地表征土壤中的O?浓度。我们的根箱设计为解决生物地球化学中的基本知识空白提供了有希望的策略。我们希望这将成为生成用于改进生态系统模型数据的有用工具，因为该装置可以修改以模拟不同的环境条件，并表征各种植物-土壤系统。
引言
碳（C）和氮（N）的生物地球化学循环是气候和全球变化背景下的一个关键课题。特别是，目前尚不清楚全球变化动态将如何改变包括CO?、CH?和N?O在内的微量温室气体的陆地-大气交换（Fuchslueger等人，2024年）。例如，北极永久冻土的融化可能会由于先前冻结的土壤有机物的释放以及微生物降解过程中地下CO?和CH?产量的增加，使苔原系统从净汇转变为温室气体的来源（Schuur等人，2008年；Fettrow等人，2025年）。此外，沿海湿地的海平面上升可能导致土壤碳的不稳定，通过增加的洪水和盐碱化（Fettrow等人，2023年），而全球森林野火的加剧预计会改变森林的碳吸收（Potapov等人，2025年；Burton等人，2024年）。温室气体的陆地-大气交换受到地下（如土壤化学、微生物学、根系动态）和地上（如植物-大气交换）相互作用之间的复杂影响。在利用地球系统模型预测未来气候变化情景下的生态系统温室气体汇与源动态及反馈循环时，理解这些机制尤为重要（Kelly等人，2016年；McGuire等人，2016年；O’Meara等人，2021年）。影响微量气体通量陆地-大气交换的众多植物-土壤生物地球化学变量，以及植物-土壤系统的高度空间和时间复杂性，使得这一现象难以研究和建模。需要改进对控制植物-土壤交换微量气体通量的耦合生物地球化学机制的理解。这可以通过使用能够在任何植物-土壤环境中应用的实验技术来实现，这些技术能够在实验控制条件下整合植物、土壤、水、微生物和气体变量，以及空间（从宏观到微观）和时间（从几分钟到几个月）尺度上的测量。
最近，平面光敏传感器因其在空间和时间上捕捉复杂土壤化学成分方面的快速进展而受到广泛关注（Koren和Zieger，2021年）。平面光敏传感器是一种无需干扰植物-土壤环境即可原位部署的化学传感器。常见版本的平面光敏传感器通过基于O?浓度的指示剂发光变化来检测氧气（O?）。这意味着可以原位获取光敏传感器的图像，从而在高异质性土壤中空间、时间和定量上解析O?动态。平面光敏传感器的原位特性也有助于更准确地表示土壤化学环境（Rasmussen等人，2025年）。迄今为止，平面光敏O?传感器已被应用于多种土壤系统，以更好地理解O?动态（Satoh和Okabe，2013年；Li等人，2019年）。O?光敏传感器已被用于追踪植物根部径向O?损失的高度空间复杂性（Scholz等人，2021年）。这项技术首次能够定量捕捉湿地植物中径向O?损失的空间和时间复杂性（Jensen，2005年；Frederiksen和Glud，2006年），后来也在水稻植物中得到应用（Larsen等人，2015年）。此外，最近的一项研究将根系生长与土壤O?浓度的变化以及N?O热点的形成联系起来（Rummel等人，2025b）。平面光敏传感器能够揭示以前肉眼无法看到的地下化学动态（Elberling等人，2011年；Zhu等人，2014年，2015年）。这些类型的关联有助于通过建立地上微量气体通量与地下土壤生物地球化学之间的直接联系来解析重要的生物地球化学机制。
在这里，我们使用根箱方法将传统的土壤、气体和孔隙水测量与先进的O?光敏传感器相结合。根箱已被证明是阐明植物-土壤动态的有效工具（Luo等人，2018年；Miah等人，2024年；Veli?kovi?等人，2024年）。我们假设O?平面光敏传感器图像结合孔隙水化学测量和土壤微生物测量结果，将与我们的控制处理效应下的微量气体通量显著相关。我们进一步假设，与传统孔隙水提取方法相比，O?平面光敏传感器图像将提供更准确的孔隙水O?浓度表示。我们的结果展示了这种实验设置如何用于在相同时间和空间点上，以最小干扰（即原位）的方式，研究水、土壤、气体、微生物和植物之间的相互关系。虽然基于实验室/温室的实验无法捕捉生态系统尺度上的高空间变异性，但这种集成的根箱方法有助于在毫米到米尺度上解决特定的生物地球化学知识空白。这里测试的实验方法对于改进我们对生物地球化学的理解具有前景，特别是在植物-土壤-大气界面方面。
章节片段
土壤-植物选择与特性
土壤样本采集自丹麦奥胡斯的一个花园（纬度：56.072，经度：10.162），经过均质处理后与沙子混合以增加排水性。土壤-沙子混合物的成分如下：11%粘土、24%粉砂、65%沙子、1.8%碳、0.12%氮、16.39毫克NO??-N/千克、0.77毫克NH??-N/千克、pH值6.1（在0.01 M CaCl?溶液中）。选择Carex acutiformis（Ehrh.）是因为它是一种已知可通过根部向地下输送O?的湿地植物（即发生径向氧气损失）。
平面O?光敏传感器
光敏传感器显示每种处理条件下O?的空间变异性很高（图1）。虽然植物淹没处理显示根部周围的O?释放有明显的分布特征，但植物排水处理即使在水位以上也表现出缺氧现象。在植物排水处理的8厘米排水区域内，可以看到一个小范围的缺氧区域，这体现了平面光敏传感器解析土壤异质性的能力。先前的研究表明，大部分CH?是在
结论
需要改进的实验技术来揭示驱动生态系统微量土壤气体通量交换的基本土壤生物地球化学机制，特别是在气候变化的背景下。随着气候变化改变自然系统储存和排放温室气体（CO?、CH?、N?O）的方式，理解地下化学与地上气体交换之间的主导控制和联系将至关重要。我们的结果展示了带有集成平面化学传感器的根箱的作用
CRediT作者贡献声明
肖恩·费特罗（Sean Fettrow）：撰写——原始草稿、可视化、验证、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理。保琳·鲁梅尔（Pauline Rummel）：撰写——审阅与编辑、方法论、研究、正式分析、概念化。威廉·詹姆斯（William James）：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、正式分析。迈克尔·威尔金斯（Michael Wilkins）：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、研究、正式分析。克劳斯·科伦（Klaus Koren）：撰写——审阅与
未引用参考文献
Ben-Noah和Friedman，2018年；Bolyen等人，2019年；Ji等人，2015年；Kogel-Knabner等人，2010年；Maatta和Malhotra；Rummel等人，2025年；Veli?kovi?等人，2024年。
免责声明
NSF：本材料中表达的任何观点、发现、结论或建议均为作者个人观点，并不一定反映国家科学基金会的立场。
数据可用性声明
本研究使用的数据集将在Figshare上提供（DOI待定）。16s rRNA基因序列已存放在国家生物技术信息中心（NCBI）序列读取档案（SRA）中，生物项目编号为PRJNA1312081
资助
SF获得了EAR-Postdoc Fellowship国家科学基金会的资助（项目编号2305276）。PSR获得了Novo Nordisk Fonden（NNF）的博士后奖学金（项目编号NNF22OC0079335）的资助。KK获得了Grundfos基金会的资助。利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：肖恩·费特罗报告称获得了国家科学基金会的财务支持。保琳·S·鲁梅尔报告称获得了Novo Nordisk基金会的财务支持。克劳斯·科伦报告称获得了Poul Due Jensen基金会的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人
致谢
我们感谢Lars Borregaard Pedersen提供的技术支持，Lykke Beinta Bj?rge Bamdali、Susanne Nielsen和Marie Braad Lund在DNA提取和测序方面的帮助，Gunnar Rasmussen和Carsten W. Mueller在土壤分析方面的支持，Emil Arboe Jespersen和Mohammad Haidar El-Cherkawy在气候室管理方面的支持，以及Marta Sudo在实验前对植物的照料。
