热带耕地与非耕地土壤中多功能作物根系强化潜力研究：以玉米、高粱和象草为例

推荐：针对热带地区土壤退化问题，研究人员通过评估玉米、高粱、象草和香根草的根系抗拉强度(Tr)、根面积比(RAR)及土壤抗剪强度，发现象草根系可使土壤抗剪强度提升45-80%，RLD是主要驱动因子，为农业生态工程提供了低成本解决方案。

　　

热带地区土壤退化严重威胁农业可持续发展，传统工程加固技术成本高昂，而植物根系作为天然加固材料的研究多集中于木本植物，对常见农作物根系潜力认识不足。加纳海岸角大学（University of Cape Coast）农业与自然科学学院的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表论文，首次系统评估了玉米(Zea mays)、高粱(Sorghum bicolor)、象草(Cenchrus purpureus)与香根草(Vetiveria zizanioides)四种多功能作物的土壤强化机制。

研究采用温室柱状培养实验，通过剪切强度测试、根系图像分析和拉伸试验等技术，量化了不同土壤类型和深度下根系性状与土壤力学特性的关系。关键发现包括：象草表现出最高的根系抗拉强度(Tr=32.7 MPa)和土壤抗剪强度(63.99±36.86 kPa)；根长密度(RLD)对土壤强度的贡献率达65%，显著高于其他性状；耕地土壤中根系强化效果比海沙高2倍。

3.1 植物生长特征

所有作物在PVC柱系统中生长良好，象草分蘖旺盛而香根草生长缓慢。玉米和高粱形成浅层须根系，象草和香根草则发育深根系统，其中象草根系密度最高。

3.2 根系抗拉强度

香根草在Jukwa土壤中Tr值最高(33.1 MPa)，象草次之(32.7 MPa)。功率定律分析显示，直径<1 mm的细根Tr值最高，α系数排序为象草(24.1-31.2)>香根草>玉米>高粱。

3.3 土壤抗剪强度

种植象草的土壤抗剪强度比对照高80%，海沙因自身结构特性表现出最高基础强度(34.3 kPa)。抗剪强度随深度增加3倍，与根系分布呈显著正相关。

3.4 根面积比

象草RAR达0.18±0.12，是香根草的4倍。UCC耕地土壤中RAR比海沙高150%，表层0-25 cm根系分布最密集。

3.5 根凝聚力

象草Cr值(7.12±4.66 kPa)显著高于其他作物，耕地土壤中Cr值比海沙高2倍，但各土层间无显著差异。

3.6 性状关联分析

多元回归表明RLD是土壤强度的首要预测因子(R²=0.65)，其次为RAR和TRL。在耕地土壤中，根系性状可解释50%的抗剪强度变异，而海沙仅21%。

该研究证实象草和玉米根系可替代传统工程材料用于土壤加固，其RLD主导的强化机制为热带地区提供了"耕种即保护"的可持续发展模式。研究创新性地建立了农作物根系性状与土壤力学参数的定量关系，为生态工程设计提供了理论依据。未来需开展田间验证，并探索根系分泌物对土壤凝聚力的影响机制。