CRIT REV ENV SCI ：土壤和沉积物生物地球化学异质性的可视化方法综述：先进的微尺度采样和成像方法

对于复杂且非均质的土壤和沉积物，根系生长过程、底栖群落的生物扰动以及反应性有机物质的局部分解可以大大增加其生物地球化学异质性。在实践中，常见的监测方法只能用于从垂直或水平一维剖面中确定厘米到毫米尺度的异质性。然而，在毫米到亚毫米尺度上，土壤和沉积物依然存在显著的空间异质性。因此，原位和高分辨率采样和成像方法对于捕获土壤和沉积物的空间和时间异质性至关重要。本文综述了土壤和沉积物中微尺度采样方法，包括薄膜扩散平衡技术（DET），薄膜扩散梯度技术（DGT），平面光极技术（PO），基于纳米颗粒和微颗粒的发光成像以及土壤酶谱学。此外，本研究详细介绍了他们的成像原理和方法，并讨论了成像过程中存在的一些问题和解决方案。虽然微尺度采样和成像方法使我们对土壤和沉积物的生物地球化学过程有了诸多了解，但这些方法的潜力尚未完全发挥出来。最后，本研究对微尺度采样方法在非均质复杂生物地球化学过程研究中的潜在发展方向进行了展望。

图1. DET采样和成像方法的原理图。(a)结合DET采样和CID成像的沉积物中可溶性Fe(II)成像示意图。(b)结合DET采样和高光谱成像的沉积物中可溶性P和可溶性Fe(II)成像示意图。虚线表示沉积物-水界面。

图2. DGT采样和成像方法示意图。(a) DGT采样和2D切片相结合的沉积物中有效态P成像示意图。(b) DGT采样和CID成像相结合的生物扰动沉积物中有效态P成像示意图。(c)结合DGT采样和LA-ICP-MS成像的水生植物根际有效态铁成像示意图。虚线表示沉积物-水界面。

图3. 平面光极成像原理图。(a)基于luminescence成像(彩色比成像)的平面光极装置对沉积物中生物扰动后O2的成像示意图。(b)基于吸光度成像的平面光极装置对生物扰动沉积物中的H2S成像示意图。虚线表示沉积物-水界面。

图4. 基于NP/ mp的发光成像原理图。NPs/MPs可以添加到沉积物表面或嵌入到人工沉积物中，或喷涂在样品表面以绘制溶质分布和动态。

图5. 土壤酶谱示意图。

先进的微尺度采样和成像技术可以对土壤和沉积物时空异质性进行识别和可视化呈现，极大地促进了研究者对某些复杂环境中元素迁移和转化的理解。尽管如此，这些技术的潜力还没有得到充分的开发，它们可以为揭示土壤和沉积物中关键元素的生物地球化学循环提供更有价值的信息。在这篇综述中，全面描述了过去10年各种相关微尺度方法应用在土壤和沉积物中的应用，包括他们的成像原理和方法，在采样和成像过程中的问题和解决方案，以及进一步的发展。希望这篇综述能为利用先进的微尺度采样和成像方法来测量土壤和沉积物中生物地球化学异质性的研究人员提供一些有益的建议和指导，并促进这些方法的进一步发展。

Cai Li, Shiming Ding, Musong Chen, Zhilin Zhong, Qin Sun & Yan Wang (2022) Visualizing biogeochemical heterogeneity in soils and sediments: A review of advanced micro-scale sampling and imaging methods, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, DOI: 10.1080/10643389.2022.2128239

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https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/10643389.2022.2128239‍

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