海藻多糖促进南方红壤区植物生长与土壤稳定的增效机制研究

《Frontiers in Ecology and Evolution》：Enhancement of plant growth and soil stabilization by seaweed polysaccharides in the red soil region of Southern China

　　

红壤是中国第二大水土流失土壤类型，主要分布于南方地区。植被措施被广泛认为是控制红壤地区土壤侵蚀的有效途径，因为它能增强边坡稳定性并大幅减少土壤流失。然而，在植物生长早期，植物短而细的根系无法延伸至剪切破坏面之外，限制了其固持表层土壤的能力。为克服这一局限，研究人员引入海藻多糖（Seaweed Polysaccharides，SP）作为土壤改良剂。然而，海藻多糖影响植物生长、根-土复合体（root-soil composite）力学特性以及红壤抗侵蚀性能的具体机制仍不清楚。为此，开展了一项试验研究，探讨海藻多糖对红壤中植物生长与土壤稳定的增强作用。结果表明：（1）海藻多糖对改良红壤存在最佳浓度范围。浓度低于2%时，促进种子萌发、株高和茎生长；浓度超过2%时则产生抑制作用。（2）在力学特性方面，海藻多糖显著提高了土壤剪切强度。与对照组相比，施用海藻多糖使黏聚力（cohesion）和内摩擦角（internal friction angle）分别提高了103.68%~180.52%和13.92%~31.76%。当海藻多糖与植物根系共同作用时，改良效果进一步放大，黏聚力和内摩擦角分别提高了143.33%~220.65%和14.83%~39.45%。（3）在模拟降雨条件下，坡面产沙量随海藻多糖添加量的增加而显著降低。海藻多糖与植物根系的协同效应源于形成“海藻多糖-红壤-根系”三相单元结构，其中多糖包裹并连接根系与土壤颗粒，从而增强根-土复合体的完整性与柔韧性。这些发现不仅拓宽了土壤加固材料的选择范围，也为红壤地区的植被恢复和水土保持提供了理论指导。

红壤是中国南方低山丘陵区的主要土壤类型，总面积约218万km²，占国土面积约22.7%，但区内的水土流失面积已达16万km²。红壤本身可蚀性高，加之自然灾害与过度开发，导致植被恢复困难、土地退化与肥力下降。植被措施虽被广泛用于控制红壤侵蚀，但植物生长早期根系短而细，难以延伸至剪切破坏面以外，无法快速固持表层土壤。海藻多糖（Seaweed Polysaccharides，SP）具有可降解、水溶性好、能与高价阳离子螯合等特性，可固结土壤并促进植物生长，但以往研究尚未阐明其与草本植物根系协同固土的作用机制。为此，研究人员以中国南方典型红壤区福建漳州长泰县坡面表层（0~30 cm）红壤为对象，选用高羊茅（Festuca arundinacea）开展研究，系统探究不同SP浓度与根系含量对植物生长、根-土复合体力学特性及抗侵蚀性能的影响，并揭示其微观机理。

研究方法主要包括：①盆栽试验：将红壤与0%、1%、2%、3%、4%海藻多糖混配，播种高羊茅，于7、14、28、42、56天测定发芽率、株高、茎粗和pH；②直剪试验：按GB/T 50123-2019制备含不同根系含量（0%~0.8%）与SP浓度的根-土复合体试样，采用ZJ型四联直剪仪在25、50、75、100 kPa法向应力下进行快剪，获取剪切强度、黏聚力与内摩擦角；③人工模拟降雨试验：在20°坡度、60 mm/h和120 mm/h雨强下测定径流量与产沙量；④利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和能谱仪（Energy Dispersive Spectroscopy，EDS）观察微观结构与元素变化。试验土壤取自福建漳州长泰县典型红壤坡面表层（0~30 cm）。

3.1 海藻多糖浓度对高羊茅发芽率的影响
盆栽试验表明，SP对种子萌发和植株生长具有低促高抑的浓度效应。与对照（CK）相比，1%和2%SP浓度使发芽率分别提高4.01%和10.24%，而3%和4%分别降低3.42%和7.76%；1%浓度下株高和茎粗均达最大值，较CK分别增加15%和12%。

3.2 根-土复合体应力-应变曲线
直剪试验显示，不同处理下应力-应变曲线表现为应变硬化和应变软化两种模式。单独添加根系可使曲线整体上移，剪切强度较CK提高10.7%~23.36%；单独添加SP可使剪切强度提高27.82%~93.54%；SP与根系共同作用可进一步改善峰值强度和残余强度。

3.3 根-土复合体黏聚力
方差分析表明，SP浓度、根系含量及其交互作用对黏聚力均有极显著影响（p<0.01），其中SP浓度效应最显著。黏聚力随SP浓度和根系含量增加呈先增后减趋势；SP单独添加时黏聚力较CK提高103.68%~180.52%，最佳SP浓度为3%；根系单独添加时提高21.82%~43.76%；二者联合添加时提高143.33%~220.65%，最大黏聚力30.05 kPa出现在SP浓度3%、根系含量0.6%时。

3.4 根-土复合体内摩擦角
SP浓度和根系含量同样显著影响内摩擦角，且SP浓度效应最明显。内摩擦角随SP浓度和根系含量增加先增后减；SP单独添加时较CK提高13.92%~31.76%，最佳SP浓度为4%；根系单独添加时提高8.33%~9.78%；二者联合添加时提高14.83%~39.45%，峰值32.85°出现在SP浓度3%、根系含量0.8%时。

3.5 根-土复合体径流与产沙
模拟降雨试验表明，与CK相比，SP-根系处理使总径流量增加，但总产沙量显著降低。在60 mm/h雨强下，总产沙量降低87.23%和88.91%；在120 mm/h雨强下，总产沙量降低84.16%和87.71%。当根系含量固定为0.6%时，SP含量从1%增至2%，产沙量平均降低17.81%。

讨论部分指出，适量SP可提高土壤保水能力，促进种子萌发和植株生长；高浓度SP会与水分形成较厚凝胶并形成表层硬壳，减少土壤孔隙与通气性，且SP所含盐分及与高价阳离子的螯合作用会提高土壤Na⁺浓度，改变种子渗透压，从而抑制发芽和生长。SP通过其大量-COOH和-OH官能团与土壤中Ca²⁺、Fe³⁺等高价阳离子螯合形成凝胶，填充颗粒间孔隙并使松散颗粒团聚，从而提高土体强度。SP与根系共同作用时，根系填充孔隙形成骨架，SP凝胶包裹根系与土壤颗粒，形成“海藻多糖凝胶-根系-土壤”三相网络结构，增强根-土复合体的完整性和柔韧性，降低应力集中并延缓裂纹扩展，进而显著提高抗侵蚀能力。EDS分析显示，添加SP后Si、Al峰强度降低，C、Ca、Na、Fe峰强度升高，表明SP优先与Ca²⁺结合并改变土壤结构。研究也指出，长期或频繁降雨可能影响SP凝胶结构的持续性，未来需关注干湿循环、冻融及土壤微生物互作对SP固化效果的影响。

研究结论可翻译为：海藻多糖可有效提高高羊茅的发芽率、株高和茎粗，为植物后期抵御暴雨侵蚀奠定基础；在边坡修复中施用海藻多糖可显著缓解植被早期固土能力不足所导致的土壤侵蚀和滑坡风险。其作用机理是海藻多糖在土壤颗粒与根系之间形成“海藻多糖-红壤-根系”三相结构，降低应力集中并增强土壤柔韧性，同时在坡面形成凝胶状保护膜，削弱雨水对土壤的侵蚀作用。综合考虑植被改善、力学增强和抗侵蚀效果，推荐海藻多糖施用量为2%。基于该研究，海藻多糖土壤改良技术可视为现有土壤加固方法的新替代或集成方案，适用于红壤地区边坡生态修复。