耦合X射线成像与衍射技术揭示模拟根系生长下的土壤力学机制

本研究针对土壤压实与干旱加剧导致的土壤强度增加问题，通过耦合同步辐射X射线计算机断层扫描（XCT）与X射线衍射（XRD）技术，首次实现了根系模拟生长过程中土壤应变场的原位可视化。研究人员利用锥形穿透仪模拟根系生长，结合有限元模拟验证了实验数据，揭示了塑性变形区与弹性应力松弛现象，为理解植物根系穿透机制及土壤生物扰动提供了新方法，对农业可持续发展和土壤修复具有重要指导意义。

　　

随着全球干旱频率增加和农业机械化加剧，土壤压实问题日益严重，导致土壤强度与刚度显著提升。这种硬化环境严重阻碍植物根系穿透，限制其对水分和养分的获取，进而威胁全球粮食安全。传统研究方法如三轴试验仅能提供宏观尺度数据，而高分辨率X射线计算机断层扫描（XCT）在致密土壤中的变形量化仍存在挑战。为此，英国Diamond Light Source等机构的研究团队创新性地将XCT与空间分辨X射线衍射（XRD）技术结合，以石膏（CaSO₄·2H₂O）为模拟土壤，通过锥形穿透仪模拟根系生长过程，同步获取土壤结构演变与晶体应变场分布，相关成果发表于《npj Biological Physics and Mechanics》。

关键技术方法包括：1）DIAD双光束线同步采集XCT（31 keV宽谱）与XRD（22 keV单色光）数据；2）定制化加载装置模拟根系穿透，力传感器实时监测；3）基于布拉格定律（Bragg's law）的q空间应变分析；4）奥苏阈值法（Otsu's method）分割孔隙结构；5）von Mises屈服准则的弹塑性有限元建模。

研究结果
孔隙结构与压缩区演化
XCT图像显示，随着锥体穿透深度增加（0→8 mm），根尖周围形成明显压缩带，大孔隙（>1 μm）数量减少30%，封闭孔隙比例上升。

XRD图谱揭示异常应变分布
衍射峰（040）位移分析发现：1 mm穿透时根尖远端出现弹性应变；5 mm时塑性变形区扩展至200 μm外缘；8 mm穿透后根尖邻近区域应变消失，与有限元预测的塑性区扩张一致。

弹塑性模型验证力学机制
模拟表明：1 mm穿透时屈服区局限于根尖，8 mm时扩展至样本边界。塑性变形导致石膏晶体重排，引发局部应力松弛，解释了XRD检测的弹性应变消失现象。

讨论与意义
该研究建立了首个根系-土壤力学耦合分析协议，证实XRD可定位塑性变形边界，为理解根系穿透的"最小阻力路径"策略提供直接证据。相较于传统轴向穿透，根系可能通过径向膨胀引发裂纹扩展（线性弹性断裂力学），这一发现为抗旱作物育种提供了新靶点。在应用层面，该方法不仅可优化覆盖作物根系性状设计，还能指导风电基桩等土木工程中的土-结构相互作用分析。未来研究需进一步整合数字体积相关技术（DVC），以量化活体根系生长中的非弹性应力场。

研究创新性体现在：1）首次实现土壤晶体尺度应变场与宏观变形的关联；2）揭示了塑性变形区与XRD信号衰减的定量关系；3）开发了DIAD光束线自动化采集-分析流程，为生物力学研究提供了标准化范式。随着干旱导致的土壤脆性行为增加，该方法将有助于解析根系适应策略的进化机制，推动再生农业与荒漠化防治的精准实践。