【导读】你有没有发现，关于土壤元素，尤其是重金属对植物“有效性”的研究，好像突然间中断了？在智慧农业加速演进的今天，精准动态感知土壤中元素的“生物有效性”已成为制约技术落地的关键瓶颈。在未来，我们需要的，是能够原位估计土壤元素有效性的技术，并能融入智慧农业系统中——同时要绿色环保，减少化学试剂消耗。
如果你知道血液透析：透析袋让血液流动一圈，将有毒物质通过半透膜排出体外。把这个思路应用到土壤中，能否对土壤健康做实时诊断？如果将透析装置直接连接到检测系统，又能否实现在线监测，让土壤数据真正融入智能农业？
【Plant and Soil】图摘要
这项研究做了初步尝试，在中国首次将微透析用于土壤元素有效性评估。不同于国外常用的药代动力学微透析商业探针，它将透析拓展到任意合适孔隙的纳滤或超滤膜，为未来成为通用基础设备和智慧农业技术方案奠定了基础。
【研究亮点】
用萝卜作为模型植物，对16种不同改良土壤（pH、砂土黏土比例、含有机质量不同）进行了实验：
- 微透析测得的砷、镉、铅、锌浓度，与萝卜实际积累量高度相关（相关系数
r = 0.56–0.87）； - 对比传统批量提取、
DGT和Rhizon取样，微透析在大多数条件下表现更好或至少同样可靠； - 使用低浓度有机酸作为管内流体，可以更真实地模拟根系诱导的元素释放过程。
【研究背景】
传统方法，如强化学提取，可以估计潜在的可用池，但往往不能很好地反映植物的实际吸收，因为它们忽略了土壤–根系界面发生的动态过程。相比之下，原位被动采样器，如薄膜扩散平衡（DET）和薄膜扩散梯度（DGT），提供了更多机制见解，模拟根际的养分消耗过程（图1）。DET 测量凝胶内平衡的溶质分布，而 DGT 在通过定义的扩散层扩散后在结合凝胶上积累溶质。基于传统透析/抽滤的方法，包括 Peepers 和 Rhizon 采样器，通过被动扩散或抽吸提取孔隙水，但它们主要捕获物理扩散，而不模拟动态根际化学。
图1. 土壤养分和有毒微量元素有效性估算技术的概念概述。（a） 批量提取包括将化学试剂与筛分后的土壤混合，然后进行离心和过滤。基于透析的方法包括：（1）Peeper和Rhizon采样器，通过被动扩散或抽吸收集溶质;（2） DET，捕获平衡凝胶中的溶质分布;（3）DGT，在通过定义层扩散后将溶质积累在结合凝胶上。（b）微透析使灌注液扩散到土壤中并与土壤组分反应，然后溶质扩散回探针中，从而模拟根际反应。通过微透析取样的可用溶质池取决于所使用的灌注液。例如，当使用水时，微透析会捕获土壤溶液中元素的溶解部分。
土壤微透析（Soil Microdialysis）作为一种新兴的原位动态采样技术，正展现出成为智慧农业底层感知基础设施的潜力。微透析技术源于药代动力学，其核心是在土壤中植入一段具有纳米级孔径（通常<20 nm）的半透膜管，通过可控流速的灌流液（perfusate）在管内循环，实现溶质的双向扩散：
向外：灌流液中的活性组分（如小分子有机酸）可模拟根系分泌，诱导土壤固相中元素的释放；
向内：释放出的溶解态金属（类）离子依浓度梯度扩散回管内，被连续收集用于分析。该过程在不扰动土壤结构的前提下，原位复现了根际“分泌–反应–吸收”的关键化学循环，本质上是一种可编程的根际模拟器，从而与其他技术区分开来。
【研究方法】
设计和制造微透析装置（图1）。本研究并没有一步到位从产品设计到智能化应用。当前主要验证微透析估计的生物有效性是否可以与植物吸收建立起联系。初步采用静态平衡模式，与其他主流产品包括DGT和根际Rhizon采样器做对比。第二步通过置换不同透析液与传统浸提法做对比。
图2 微透析装置示意图。（a-b）该膜具有四个密度层，具有手指状的内部结构，不同于均质或双层膜（孔径< 20 nm;截留分子量，10-20 kDa）。在作过程中，灌注液流过管，建立浓度梯度，驱动土壤和灌注液之间的溶质（Cbulk）扩散，从而可以收集两种自由溶解的化合物（Ctarget）。（c-e）完整的采样器包括一个包裹在 3D 打印保护骨架中的线性膜管。（f） 在土壤部署过程中，灌注液被泵入用软硅胶覆盖的
【主要结果】
在16种理化性质差异显著的污染土壤中，以萝卜（Raphanus sativus L.）为模型作物的验证实验表明：
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微透析测得的As、Cd、Pb、Zn 浓度与植物可食部位积累量呈显著相关（r = 0.56–0.87, p < 0.01），预测性能优于或等同于 DGT、Rhizon 及 0.01 M CaCl₂批量提取；
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使用模拟根系分泌物的低分子量有机酸（LMWOAs）作为灌流液，可在石灰性土壤中有效捕获 As 的活化过程，揭示传统方法无法识别的pH–有机配体协同效应；
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微透析以及其他技术对 Cu 的预测仍不理想，进一步印证了植物对 Cu 吸收的强生理调控，提示未来模型需耦合植物生理参数。
图4 Rhizon、微透析、DGT测得的孔隙水浓度与萝卜块茎和叶片中金属（loid）积累的关系。每个子图显示块茎和叶片浓度相对于溶质As、Cd、Cu、Mn、Pb 和 Zn 的线性回归 （Pearson r），颜色表示植物器官和阴影 95% 置信区间。
尽管证明了基于小分子有机酸微透析的结果与土壤–溶液混合过滤提取有显著不同，然而，正如之前描述，依旧难以与植物建立起很好的相关性（图6）。
图6 萝卜金属（loid）浓度与批量提取和微透析中LMWOA可提取池的关系。
从智慧农业视角看，微透析的价值远超单一分析方法。其核心优势在于：
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原位性与连续性：可长期埋设于田间，支持高频次采样，捕捉施肥、降雨或作物生长阶段引起的元素有效性动态变化； -
绿色低碳：无需强酸强碱，单次采样仅需数百微升灌流液，大幅减少化学试剂消耗与二次污染； -
系统集成潜力：探针可直接耦合微型传感器（如ISE、光学探头）或在线分析模块，构建“感知–传输–决策”闭环，服务于精准施肥、污染预警与风险分区管理。
当前，智慧农业的感知层仍严重依赖气象站、土壤温湿度传感器及遥感影像，对土壤化学有效态的实时监测近乎空白。微透析技术的成熟，有望填补这一关键缺口，推动农业管理从“基于总量”向“基于有效性”、从“经验驱动”向“过程驱动”转型。
当然，挑战依然存在：探针长期稳定性、膜污染控制、多元素同步检测、与作物生理模型的耦合等，均需跨学科协同攻关。但可以预见，随着微流控、材料科学与人工智能的深度融合，微透析或将发展为智慧农田中的“化学神经末梢”——让沉默的土壤真正“开口说话”，为可持续农业提供不可替代的原位数据基石。
【后记·续】
那么，是否意味着传统土壤化学提取方法已走到尽头？并非如此——但其角色必须转变：从“预测工具”回归为“机理验证手段”，而真正的预测能力，将交由基于过程的动态耦合模型来承担。
未来的突破口不在于设计更“聪明”的单一提取剂，而在于构建一个能连续感知、动态响应、智能推演的土壤–植物系统。这要求我们完成两项基础性任务：
第一，实现土壤溶解态元素的连续、自动化原位采样。
静态采样无法捕捉根际化学的瞬时波动——例如一次降雨后As的突然释放，或作物拔节期Zn需求激增引发的根际酸化。微透析技术因其被动扩散机制、无扰动特性及可编程灌流液，天然适合作为这一任务的硬件载体。通过阵列化部署、微型泵控系统与低功耗流路设计，可实现多点、多深度、多时间尺度的长期监测，为模型提供高质量输入数据流。
第二，建立与采样系统无缝衔接的在线实时检测能力。
传统ICP-MS或AAS分析虽精准，但依赖离线处理，无法支撑智慧农业的决策时效。未来需发展微型化、低维护的在线传感模块：如基于离子选择性电极（ISE）的重金属传感器、微型光谱检测单元，或结合微流控芯片的现场前处理–检测一体化平台。这些模块可直接耦合微透析出口，实现“采样即分析”，并将数据实时上传至农业物联网平台。
在此基础上，融合作物生理模型（如根系构型动态、转运蛋白表达调控）、土壤生物地球化学过程模型（如表面络合、氧化还原转化）与机器学习算法，构建新一代“土壤元素生物有效性–植物吸收”耦合预测系统。该系统不再依赖经验性相关系数，而是通过过程驱动，在变化的气候、管理措施与土壤条件下，动态模拟元素从固相到根表、再到植物体内的全过程通量。
微透析在此框架中，不仅是采样工具，更是连接“物理世界”与“数字孪生”的关键接口。它所提供的，不是孤立的浓度值，而是根际化学过程的时间序列——这正是大模型训练与验证所亟需的高维动态数据。
因此，土壤有效性研究的“停滞”，实则是范式转换的前夜。从“提取–相关”走向“感知–模拟”，从“实验室快照”走向“田间连续观测”，从“化学主导”走向“土壤–植物–数据”三位一体——这不仅是方法的迭代，更是智慧农业时代对土壤科学提出的新命题。
引用：
S Zhang, J Song, L Wu, S Du, L Wang, D Zhu, Z Chen. 2025. Soil microdialysis as a tool to simulate rhizosphere dynamics and estimate metal(loid) uptake in radish (Raphanus sativus L.). Plant and Soil. https:///10.1007/s11104-025-07958-7 （in-proofing）