中科院南京地湖所Nat. Commun：水生植物根际泌氧增强磷的可利用性

环境人Environmentor · 公众号 · · 2025-05-24 12:11

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1. 水生植物根际区域磷和铁的昼夜波动变化

为验证水生植物根际是否存在 RMPs ，研究团队分离了铁膜、根际土壤和主体土壤，并开展电化学分析。循环伏安及中介电化学还原 / 氧化（ MER/MEO ）结果显示，铁膜的电子交换能力（ EEC ）分别为根际土壤和主体土壤的 1.6 倍和 1.8 倍，表明其具备最强的氧化还原活性。进一步分析发现，铁膜中低结晶态铁占比高达 74.9% ，显著高于根际土壤（ 32.3% ）和主体土壤（ 30.2% ）。同步辐射 X 射线吸收谱（ XAS ）显示，这些低结晶铁主要为弱晶态水铁矿，属于典型的 RMPs ，具有较高的反应活性。相比之下，远离根表的土壤中铁矿物以热力学稳定的针铁矿和磁铁矿为主。综上，根际氧化还原活性的增强主要归因于富集 RMPs 。

图 2. 确认根周围亚稳态活性铁（ RMPs ）的存在并对其进行表征

为评估氧化还原波动生成的 RMPs 是否增强了磷的吸附与释放能力，研究团队设计研发了成像电极考察氧化还原交替下 RMPs 驱动磷迁移效率。将经氧化还原处理前后的针铁矿分别暴露于磷酸二氢钾溶液中，结果表明，经氧化还原活化后的针铁矿对磷酸盐的吸附效率显著高于未处理样品，表明氧化还原波动可将稳定铁矿转化为具有高吸附能力的 RMPs 。成像电极结果表明，活化后针铁矿在还原条件下释放的磷显著高于未活化样品，且亚铁产量也明显增加，说明氧化还原激活显著提高了铁矿物的反应性。总体来看，植物根系 ROL 引发的昼夜氧化还原交替可将原本惰性的结晶铁矿物转化为具有高氧化还原活性的 RMPs ，进而高效介导磷的吸附与释放，提升其在根际的可利用性。

图 3. 研发成像电极证明 RMPs 在驱动磷迁移过程中发挥重要作用

为评估植物 ROL 是否具有普遍性作用，促进不同类型土壤中铁矿物活化并增强磷有效性，研究团队选取水稻（水生植物）、芦苇（水生植物）和小麦（旱地植物）分别在淹水或控水条件下培养。结果表明，在淹水环境中，稻和芦苇根系周围白天溶解氧浓度升高、夜间下降，表现出明显的昼夜 ROL 特征；而小麦在非淹水条件下根区始终为充气状态，未观察到 ROL 波动。随后发现，具有 ROL 活动的稻和芦苇根表均形成了明显的铁膜，而无 ROL 波动的小麦根表未见铁膜。进一步分析根表铁膜、根际土壤和外围土壤中磷与活性铁含量发现，稻和芦苇的铁膜中磷和活性铁浓度最高，依次为根际和外围土壤；而小麦各区无明显差异。研究表明，水生植物普遍通过昼夜 ROL 诱导根际铁矿物活化，显著提高磷的可利用性，而旱生植物因缺乏 ROL 活动则无此效应。

图 4. 不同类型水生植物 ROL 活化根际磷的普适性

研究团队初步估算了根际 ROL 激活作用在全球水稻田中提升磷有效性的农业效益。基于实验数据，我们构建了数学模型，在 5 arcmin （约 10 km ）分辨率下模拟全球范围内因 ROL 活化而释放的有效磷量。结果显示，全球水稻田中每年 ROL 激活释放的有效磷约为 20 万吨，约占 2021 年全球水稻施用磷肥总量（ 230 万吨）的 8.7% ，主要集中在南亚、东南亚和非洲等稻作核心区域。其中印度、中国、泰国、孟加拉和印尼贡献最大，分别占 29% 、 18% 、 7% 、 7% 和 6% 。按国际磷肥价格（ 521 美元 / 吨 P ₂ O ₅ ）估算，该过程每年可带来约 5.2 亿美元经济效益，其中印度和中国分别达 1.5 亿和 0.8 亿美元。在磷肥匮乏的非洲，水稻更依赖 ROL 激活机制，依赖度高达 0.87 。尽管该模型简化了土壤异质性、根系结构和气候影响，仍为评估 ROL 对农业资源利用效率的提升提供了科学依据。

图 5. ROL 提升磷有效性的农业效益初步核算

小结

我们发现，在水生植物根际区域普遍存在但此前被忽视的昼夜节律性 ROL 诱导的氧化还原波动，可激活热力学稳定的铁矿物，从而显著提升磷的生物可利用性。