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生物炭、堆肥、蚯蚓粪对热带边坡侵蚀控制的影响研究显示，蚯蚓粪显著提升土壤抗剪强度34%，促进植物生长和根系发育，有效减少侵蚀。
Wan Nurul Atiqah Wan Mohamed | Normaniza Osman | Rosazlin Abdullah
马来西亚马来亚大学理学院生物科学研究所，50603，吉隆坡，马来西亚
摘要
利用植被进行坡地生物工程是一种有前景的解决方案，可以通过拦截降雨和增强土壤稳定性来应对侵蚀问题。然而，有机改良剂对植物生长和土壤机械强度的联合影响仍知之甚少，尤其是在热带地区。
目的
本研究探讨了三种有机改良剂（生物炭、堆肥和蚯蚓堆肥）对Melastoma malabathricum生长的影响，以及这些改良剂对坡地侵蚀的后续影响。
方法
采用为期九个月的随机完全区组设计（RCBD），包括五种处理方式（对照组、无机肥料以及每公顷20吨的生物炭、堆肥或蚯蚓堆肥）。通过评估植物生长、生理表现、土壤物理化学性质、根系特征、土壤抗剪强度和侵蚀情况，来分析每种改良剂对坡地稳定性的影响。
结果
本研究观察到两个主要结果：首先，土壤抗剪强度与侵蚀程度呈负相关，证实了机械强度的提高可以直接减少土壤流失；其次，根长密度增加、地上部分干重增大、植株高度增加以及土壤含水量降低均与抗剪强度增强和侵蚀减少呈正相关。蚯蚓堆肥的表现优于其他改良剂，显著提高了植株高度、茎干直径、根长密度、叶绿素含量和光合速率，并使土壤抗剪强度相对于对照组提高了34%。养分吸收在支持地上部分生长和根系发育中起着关键作用，尤其是在有机改良剂的作用下。
结论
蚯蚓堆肥在植被早期建立过程中表现出最强的增强土壤-根系结合机制的能力，为热带环境中的基于自然的坡地生物工程策略提供了巨大潜力。
引言
土壤侵蚀仍然是热带地区最持久的环境挑战之一，强烈的降雨、陡峭的地形和高度风化的土壤加速了地表径流和坡地不稳定。虽然硬质工程结构（如挡土墙或混凝土渠道）可以提供稳定性，但它们成本高昂、缺乏灵活性，且常常会破坏当地生态系统。因此，基于植被的坡地生物工程成为了一种越来越受欢迎的方法，这种方法能够增强土壤稳定性、调节水文状况并恢复生态功能（Gong等人，2024；Lann等人，2024）。这类系统的有效性取决于植物的良好建立，然而暴露在外的坡地上通常存在的严重退化和养分贫瘠的土壤常常限制了植物的早期生长并阻碍根系发育。
Melastoma malabathricum是一种广泛分布于东南亚的本土灌木，适应酸性、养分贫瘠的土壤，因此是坡地修复的理想候选植物。与许多传统坡地植物（如香根草或Acacia属植物）相比，Melastoma malabathricum能够形成密集、纤维状且横向扩展的根系，从而增强最易受侵蚀的上层土壤（Halim和Normaniza，2015；Wan等人，2023）。最新研究表明，尤其是纤维状、多分支的根系通过机械结合和增强土壤-根系凝聚力显著提高了土壤抗剪强度和抗浅层破坏的能力（Lv等人，2024；Wang等人，2023）。在降雨条件下，植被根系还能通过稳定表层土壤和调节土壤水分动态来减少坡地位移和破坏风险（Zhang等人，2023）。这些特性突显了Melastoma malabathricum在生物工程应用中的适用性；然而，关于土壤有机改良剂对其建立和土壤机械性能影响的实地评估仍然有限。
有机改良剂（包括生物炭、堆肥和蚯蚓堆肥）因其对土壤结构、养分可用性和水分保持的有益作用而被广泛用于修复退化土壤。生物炭因其能够增加孔隙度、改善团聚作用和增强土壤水力性能而受到广泛关注，但其效果很大程度上取决于原料、生产温度和土壤类型（Dai等人，2020；Paul等人，2024；Xu等人，2024）。堆肥提供了稳定的有机物质，有助于将土壤颗粒结合在一起，改善团聚作用并形成更有利于水分运动和保持的孔隙结构。这些变化有助于改善水力性能和养分可用性，这对于退化坡地上植物的早期建立至关重要（Mehdaoui等人，2024；Rivier等人，2022）。此外，堆肥的应用已被证明可以增加土壤孔隙度、降低容重并提高渗透性，从而整体改善土壤物理质量（Mongil-manso等人，2025）。长期研究还表明，堆肥可以恢复高度退化土壤的肥力和结构完整性，促进根系发育并改善土壤-植物相互作用（Lucchetta等人，2023）。这些改进在坡地环境中尤为宝贵，因为更稳定的土壤结构和更好的水分调节有助于减少地表径流，最终减轻侵蚀。
植被在稳定坡地方面具有双重机械和水文作用。根系通过提供拉伸强度和增强土壤-根系凝聚力来提高土壤抗剪强度（Lv等人，2024；Yin等人，2024）。同时，植被通过改变渗透能力和调节土壤水分来影响土壤水文状况，从而减少驱动侵蚀的孔隙水压力和地表径流（Lann等人，2024）。最近的研究表明，即使是浅根草本植物也能在降雨条件下显著提高抗剪强度并减少坡地位移（Lv等人，2024；Wang等人，2023）。这些发现强调了理解有机改良剂如何通过改变根系结构、土壤水分动态和土壤机械性能间接影响坡地稳定性的重要性。
尽管在农业系统中对土壤改良剂进行了大量研究，但仍然缺乏综合性的实地研究来评估不同改良剂类型如何在单一的坡地生物工程框架内影响植物生长、土壤物理化学性质、根系发育、抗剪强度和侵蚀。这些知识对于选择能够在植物早期建立期间优化生物和机械稳定过程的改良剂至关重要。虽然许多研究考察了有机改良剂对土壤质量和植物生长的改善作用，但很少有研究评估它们在真实坡地条件下对土壤物理化学性质、植物生理表现、根系强化和侵蚀控制的综合影响。本研究通过评估Melastoma malabathricum-改良剂系统在热带堤坝上的生物和机械响应，为坡地修复策略提供了新的见解。
为了解决这一空白，本研究评估了生物炭、堆肥和蚯蚓堆肥对陡峭热带坡地上Melastoma malabathricum建立的影响，并探讨了这些改良剂如何影响土壤条件、植物生理、根系特征、抗剪强度和侵蚀。实验采用为期九个月的随机完全区组设计（RCBD），包括五种处理方式：对照组、无机肥料以及每公顷20吨的生物炭、堆肥或蚯蚓堆肥。本研究的目标是：（1）评估有机改良剂对Melastoma malabathricum生长和生理表现的影响；（2）确定植物建立期间土壤物理和化学性质的变化；（3）探索根系特征、土壤水分、抗剪强度和侵蚀之间的机制联系。通过整合植物、土壤和机械观测数据，本研究为了解不同有机材料如何在热带环境中增强坡地稳定性提供了实际见解。
本研究的核心问题是：不同的有机改良剂如何影响土壤条件、植物生理反应、根系发育和机械强化，这些因素共同决定了植被早期建立期间的坡地稳定性？这个问题至关重要，因为热带坡地经常经历快速的地表侵蚀，而早期植物建立往往是生物工程干预措施成败的决定因素。然而，很少有研究在真实田间条件下同时评估土壤改良剂对坡地稳定性的生物和机械驱动因素的影响。
材料与方法
本研究在热带堤坝上进行了为期九个月的实地实验，能够在真实的降雨和土壤条件下直接观察改良剂带来的变化。这种实证策略非常适合坡地生物工程研究，因为它能够捕捉到土壤改善、植物表现和土壤机械行为的综合效应——这些效应在实验室或盆栽实验中难以可靠复制。
有机改良剂对土壤物理化学性质的影响
土壤分析的结果如表4所示。实验结束时，所有处理组的平均土壤含水量（SMC）均低于确定的临界值（22-23%；图2）。超过这一临界阈值后，坡地的抗剪强度下降，而侵蚀率上升，这从趋势线和数据点的分布来看表明坡地表面可能发生了不稳定。除此之外，本研究还发现SMC和土壤其他物理性质也发生了变化
土壤物理化学响应
有机改良剂显著改变了土壤物理化学性质，从而影响了坡地稳定性。在所有处理组中，土壤含水量（SMC）均低于之前确定的坡地不稳定临界阈值（Normaniza和Barakbah，2006）。此处观察到的SMC与抗剪强度之间的负相关性与早期研究结果一致，即较高的土壤含水量会降低土壤凝聚力并增加侵蚀敏感性（Normaniza等
结论
本研究表明，有机改良剂——尤其是蚯蚓堆肥——可以显著改善Melastoma malabathricum在热带坡地上的早期建立。蚯蚓堆肥增强了土壤结构、养分可用性和植物生理表现，进而促进了根系更发达、土壤抗剪强度更高以及侵蚀显著减少。这些结果强调了生物活性有机材料在增强土壤水文和机械性能方面的作用
作者贡献声明
Wan Nurul Atiqah Wan Mohamed：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件使用、项目管理、方法论设计、数据整理、概念构思。Normaniza Osman：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。Rosazlin Abdullah：概念构思、资源协调、撰写——审稿与编辑、监督。
声明
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）进行头脑风暴，将想法总结为简洁的陈述，根据审稿人的建议改进文章，并识别相关文章或作者作为参考。该工具未用于数据分析、结果解释或科学内容的撰写。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对内容负全责
利益冲突声明
作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能构成利益冲突：Normaniza Osman教授表示获得了马来西亚高等教育的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了马来西亚高等教育部在基础研究资助计划（FRGS）（资助编号：FP060-2018A，序列号：FRGS/1/2018/WAB05/UM/01/1）以及马来亚大学在学院研究资助计划（资助编号：GPF005B-2018）下的支持。
