《Journal of Environmental Management》：Organic amendments for slope bioengineering: Enhanced
Melastoma malabathricum establishment and growth
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生物炭、堆肥、蚯蚓糞對熱帶邊坡侵蝕控制的影響研究顯示，蚯蚓糞顯著提升土壤抗剪強度34%，促進植物生長和根系發育，有效減少侵蝕。
Wan Nurul Atiqah Wan Mohamed | Normaniza Osman | Rosazlin Abdullah
馬來西亞馬來亞大學理學院生物科學研究所，50603，吉隆坡，馬來西亞
摘要
利用植被進行坡地生物工程是一種有前景的解決方案，可以通過攔截降雨和增強土壤穩定性來應對侵蝕問題。然而，有機改良劑對植物生長和土壤機械強度的聯合影響仍知之甚少，尤其是在熱帶地區。
目的
本研究探討了三種有機改良劑（生物炭、堆肥和蚯蚓堆肥）對Melastoma malabathricum生長的影響，以及這些改良劑對坡地侵蝕的后續影響。
方法
采用為期九個月的隨機完全區組設計（RCBD），包括五種處理方式（對照組、無機肥料以及每公頃20噸的生物炭、堆肥或蚯蚓堆肥）。通過評估植物生長、生理表現、土壤物理化學性質、根系特征、土壤抗剪強度和侵蝕情況，來分析每種改良劑對坡地穩定性的影響。
結果
本研究觀察到兩個主要結果：首先，土壤抗剪強度與侵蝕程度呈負相關，證實了機械強度的提高可以直接減少土壤流失；其次，根長密度增加、地上部分干重增大、植株高度增加以及土壤含水量降低均與抗剪強度增強和侵蝕減少呈正相關。蚯蚓堆肥的表現優于其他改良劑，顯著提高了植株高度、莖干直徑、根長密度、葉綠素含量和光合速率，并使土壤抗剪強度相對于對照組提高了34%。養分吸收在支持地上部分生長和根系發育中起著關鍵作用，尤其是在有機改良劑的作用下。
結論
蚯蚓堆肥在植被早期建立過程中表現出最強的增強土壤-根系結合機制的能力，為熱帶環境中的基于自然的坡地生物工程策略提供了巨大潛力。
引言
土壤侵蝕仍然是熱帶地區最持久的環境挑戰之一，強烈的降雨、陡峭的地形和高度風化的土壤加速了地表徑流和坡地不穩定。雖然硬質工程結構（如擋土墻或混凝土渠道）可以提供穩定性，但它們成本高昂、缺乏靈活性，且常常會破壞當地生態系統。因此，基于植被的坡地生物工程成為了一種越來越受歡迎的方法，這種方法能夠增強土壤穩定性、調節水文狀況并恢復生態功能（Gong等人，2024；Lann等人，2024）。這類系統的有效性取決于植物的良好建立，然而暴露在外的坡地上通常存在的嚴重退化和養分貧瘠的土壤常常限制了植物的早期生長并阻礙根系發育。
Melastoma malabathricum是一種廣泛分布于東南亞的本土灌木，適應酸性、養分貧瘠的土壤，因此是坡地修復的理想候選植物。與許多傳統坡地植物（如香根草或Acacia屬植物）相比，Melastoma malabathricum能夠形成密集、纖維狀且橫向擴展的根系，從而增強最易受侵蝕的上層土壤（Halim和Normaniza，2015；Wan等人，2023）。最新研究表明，尤其是纖維狀、多分支的根系通過機械結合和增強土壤-根系凝聚力顯著提高了土壤抗剪強度和抗淺層破壞的能力（Lv等人，2024；Wang等人，2023）。在降雨條件下，植被根系還能通過穩定表層土壤和調節土壤水分動態來減少坡地位移和破壞風險（Zhang等人，2023）。這些特性突顯了Melastoma malabathricum在生物工程應用中的適用性；然而，關于土壤有機改良劑對其建立和土壤機械性能影響的實地評估仍然有限。
有機改良劑（包括生物炭、堆肥和蚯蚓堆肥）因其對土壤結構、養分可用性和水分保持的有益作用而被廣泛用于修復退化土壤。生物炭因其能夠增加孔隙度、改善團聚作用和增強土壤水力性能而受到廣泛關注，但其效果很大程度上取決于原料、生產溫度和土壤類型（Dai等人，2020；Paul等人，2024；Xu等人，2024）。堆肥提供了穩定的有機物質，有助于將土壤顆粒結合在一起，改善團聚作用并形成更有利于水分運動和保持的孔隙結構。這些變化有助于改善水力性能和養分可用性，這對于退化坡地上植物的早期建立至關重要（Mehdaoui等人，2024；Rivier等人，2022）。此外，堆肥的應用已被證明可以增加土壤孔隙度、降低容重并提高滲透性，從而整體改善土壤物理質量（Mongil-manso等人，2025）。長期研究還表明，堆肥可以恢復高度退化土壤的肥力和結構完整性，促進根系發育并改善土壤-植物相互作用（Lucchetta等人，2023）。這些改進在坡地環境中尤為寶貴，因為更穩定的土壤結構和更好的水分調節有助于減少地表徑流，最終減輕侵蝕。
植被在穩定坡地方面具有雙重機械和水文作用。根系通過提供拉伸強度和增強土壤-根系凝聚力來提高土壤抗剪強度（Lv等人，2024；Yin等人，2024）。同時，植被通過改變滲透能力和調節土壤水分來影響土壤水文狀況，從而減少驅動侵蝕的孔隙水壓力和地表徑流（Lann等人，2024）。最近的研究表明，即使是淺根草本植物也能在降雨條件下顯著提高抗剪強度并減少坡地位移（Lv等人，2024；Wang等人，2023）。這些發現強調了理解有機改良劑如何通過改變根系結構、土壤水分動態和土壤機械性能間接影響坡地穩定性的重要性。
盡管在農業系統中對土壤改良劑進行了大量研究，但仍然缺乏綜合性的實地研究來評估不同改良劑類型如何在單一的坡地生物工程框架內影響植物生長、土壤物理化學性質、根系發育、抗剪強度和侵蝕。這些知識對于選擇能夠在植物早期建立期間優化生物和機械穩定過程的改良劑至關重要。雖然許多研究考察了有機改良劑對土壤質量和植物生長的改善作用，但很少有研究評估它們在真實坡地條件下對土壤物理化學性質、植物生理表現、根系強化和侵蝕控制的綜合影響。本研究通過評估Melastoma malabathricum-改良劑系統在熱帶堤壩上的生物和機械響應，為坡地修復策略提供了新的見解。
為了解決這一空白，本研究評估了生物炭、堆肥和蚯蚓堆肥對陡峭熱帶坡地上Melastoma malabathricum建立的影響，并探討了這些改良劑如何影響土壤條件、植物生理、根系特征、抗剪強度和侵蝕。實驗采用為期九個月的隨機完全區組設計（RCBD），包括五種處理方式：對照組、無機肥料以及每公頃20噸的生物炭、堆肥或蚯蚓堆肥。本研究的目標是：（1）評估有機改良劑對Melastoma malabathricum生長和生理表現的影響；（2）確定植物建立期間土壤物理和化學性質的變化；（3）探索根系特征、土壤水分、抗剪強度和侵蝕之間的機制聯系。通過整合植物、土壤和機械觀測數據，本研究為了解不同有機材料如何在熱帶環境中增強坡地穩定性提供了實際見解。
本研究的核心問題是：不同的有機改良劑如何影響土壤條件、植物生理反應、根系發育和機械強化，這些因素共同決定了植被早期建立期間的坡地穩定性？這個問題至關重要，因為熱帶坡地經常經歷快速的地表侵蝕，而早期植物建立往往是生物工程干預措施成敗的決定因素。然而，很少有研究在真實田間條件下同時評估土壤改良劑對坡地穩定性的生物和機械驅動因素的影響。
材料與方法
本研究在熱帶堤壩上進行了為期九個月的實地實驗，能夠在真實的降雨和土壤條件下直接觀察改良劑帶來的變化。這種實證策略非常適合坡地生物工程研究，因為它能夠捕捉到土壤改善、植物表現和土壤機械行為的綜合效應——這些效應在實驗室或盆栽實驗中難以可靠復制。
有機改良劑對土壤物理化學性質的影響
土壤分析的結果如表4所示。實驗結束時，所有處理組的平均土壤含水量（SMC）均低于確定的臨界值（22-23%；圖2）。超過這一臨界閾值后，坡地的抗剪強度下降，而侵蝕率上升，這從趨勢線和數據點的分布來看表明坡地表面可能發生了不穩定。除此之外，本研究還發現SMC和土壤其他物理性質也發生了變化
土壤物理化學響應
有機改良劑顯著改變了土壤物理化學性質，從而影響了坡地穩定性。在所有處理組中，土壤含水量（SMC）均低于之前確定的坡地不穩定臨界閾值（Normaniza和Barakbah，2006）。此處觀察到的SMC與抗剪強度之間的負相關性與早期研究結果一致，即較高的土壤含水量會降低土壤凝聚力并增加侵蝕敏感性（Normaniza等
結論
本研究表明，有機改良劑——尤其是蚯蚓堆肥——可以顯著改善Melastoma malabathricum在熱帶坡地上的早期建立。蚯蚓堆肥增強了土壤結構、養分可用性和植物生理表現，進而促進了根系更發達、土壤抗剪強度更高以及侵蝕顯著減少。這些結果強調了生物活性有機材料在增強土壤水文和機械性能方面的作用
作者貢獻聲明
Wan Nurul Atiqah Wan Mohamed：撰寫——審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、軟件使用、項目管理、方法論設計、數據整理、概念構思。Normaniza Osman：撰寫——審稿與編輯、監督、資源獲取、概念構思。Rosazlin Abdullah：概念構思、資源協調、撰寫——審稿與編輯、監督。
聲明
在準備本工作時，作者使用了ChatGPT（OpenAI）進行頭腦風暴，將想法總結為簡潔的陳述，根據審稿人的建議改進文章，并識別相關文章或作者作為參考。該工具未用于數據分析、結果解釋或科學內容的撰寫。使用該工具后，作者根據需要對內容進行了審閱和編輯，并對內容負全責
利益沖突聲明
作者聲明以下可能的財務利益/個人關系可能構成利益沖突：Normaniza Osman教授表示獲得了馬來西亞高等教育的財政支持。如果還有其他作者，他們聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本工作得到了馬來西亞高等教育部在基礎研究資助計劃（FRGS）（資助編號：FP060-2018A，序列號：FRGS/1/2018/WAB05/UM/01/1）以及馬來亞大學在學院研究資助計劃（資助編號：GPF005B-2018）下的支持。
