MICP 技術與超旱生植物聯合治理流沙試驗研究

趙志杰，李 馳，2，3，高 瑜，2，3，張振國，2，3，張永鋒

（1.內蒙古工業大學 土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學 地質技術與巖土工程內蒙古自治區工程研究中心，內蒙古 呼和浩特 010051；3.沙旱區地質災害與巖土工程防御內蒙古自治區高等學校重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；4.內蒙古工業大學 化工學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

沙丘是由風力搬運、堆積形成的地貌，按其流動程度可分為流動沙丘、半固定沙丘和固定沙丘，其中流動沙丘危害最大［1］。 我國八大沙漠之一的烏蘭布和沙漠北部多為固定、半固定沙丘，南部主要為流動沙丘，在風力作用下每年有大量沙土進入黃河使得黃河烏蘭布和段含沙量明顯增大，并掩埋沙漠公路路基、影響行車安全等［2－5］。 設置沙障是治理流沙的主要傳統方式，其對于改善局部土壤、植被小環境有良好作用，但存在塑料沙障會對環境造成二次污染、草方格沙障被腐蝕后效益大減等問題［6－7］。 植物固沙是最根本的防風固沙方式，但是植物在生長前期會因流沙覆蓋或根部被吹蝕暴露而死亡，因此依靠單一的植物措施來治理流沙難度較大。 近年來，MICP（微生物誘導碳酸鈣沉淀）技術開始應用于混凝土裂縫修補、防滲堵漏、文物修復、土體改良等領域，并成為流沙固化領域研究的新方向［8－13］。 李馳等［14］進行的現場試驗表明，采用MICP 技術使沙漠風沙土形成了厚度為2.0 ～2.5 cm的礦化覆膜，可以有效固定松散的沙土。 采用MICP技術只能對沙土表面進行固定，對于深層沙土的加固效果欠佳，若將MICP 技術與超旱生植物聯合起來治理流沙，則二者可優勢互補，MICP 技術形成的礦化覆膜可固定沙丘表面并為植物的早期生長發育提供保護，植物成活后根系可固化深層沙土、地上部分可防風固沙，實現對流沙的有效治理。 基于此認識，筆者通過室內盆栽試驗，對影響MICP 使用效果和植物生長的菌液、鈣源濃度進行分析，并對礦化覆膜層進行了抗風蝕性能試驗，以期為此項技術應用于防風固沙提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 植物與沙土

盆栽試驗所用的植物為北方干旱區常見的霸王、無芒隱子草和白沙蒿；所用沙土取自烏蘭布和沙漠北部邊緣，其天然密度為1.62 g／cm3，干密度為2.64 g／cm3，中值粒徑為0.14 mm，限制粒徑為0.21 mm，粒徑大于0.075 mm 的顆粒質量占比為96.5%，屬于級配不良的細沙土。

1.1.2 菌種與膠結液

試驗用菌為巴氏芽孢桿菌，培養基成分為酵母提取粉20.000 g／L、硫酸銨10.000 g／L、三羥甲基氨基甲烷15.748 g／L。 將活化后的細菌接種于培養基中，置于30 ℃、200 r／min 振蕩箱中恒溫培養，培養后用分光光度計將菌液濃度調至試驗所需濃度（用溶液在600 nm波長處的吸光值OD600表示）。 膠結液中包括二水氯化鈣、尿素、氯化銨、營養肉湯和碳酸氫鈉，其中二水氯化鈣和尿素的質量比為1 ∶1。

1.2 試驗方法

1.2.1 盆栽試驗

試驗所用透明花盆斜高13.2 cm，盆口直徑17.2 cm、盆底直徑12.8 cm。 將過粗篩并除去雜質的風沙土裝入花盆中，沙土表面接近盆口時停止加沙并整平，把顆粒飽滿的植物種子均勻撒在花盆中，上覆1 cm 厚的沙土并再次整平沙土表面，此時花盆內沙土表面積約為150 cm2。 然后充分澆灌，澆水1 d 后待其表面較干時開始噴灑菌液和膠結液。 設置0.6、0.8、1.0 共3個菌液OD600值，設置0、0.05、0.07、0.10、0.12、0.14 mol／L 共6 種膠結液濃度，進行正交試驗，每種組合設2 個重復。 膠結液和菌液的混合溶液噴灑量分別設置為0（對照）、0.4、0.5、0.6、0.7 mL／cm2，不足0.7 mL／cm2的用清水補充（即混合溶液噴灑量0、0.4、0.5、0.6、0.7 mL／cm2對應的清水補充量分別為0.7、0.3、0.2、0.1、0 mL／cm2），噴灑菌液和膠結液10 d 后記錄各花盆中植物的出苗數量，出苗率計算公式為

式中：n為出苗率，%；m為出苗數量；M為每盆撒播的種子總數。

1.2.2 風蝕試驗

在盆栽試驗得到最佳菌液濃度（OD600值）和膠結液濃度的基礎上，對其試件進行風蝕試驗。 試驗所用設備為室內風沙侵蝕系統，如圖1 所示，通過設置不同的風速和下沙量，模擬不同風沙環境下試件的抗風蝕效果，然后依據風沙環境變量相似理論［15］，得出實際吹蝕時間與室內模擬吹蝕時間的關系，進而對試件礦化覆膜的耐久性進行評估。

（1）風蝕試件制備。 試件模具為定制的50 mm×50 mm×50 mm 正方體木盒，將除去雜質的風沙土裝滿盒子并晃動，使得風沙土表面平整，將配制好的膠結液、菌液注入小型噴壺，噴壺噴嘴在試件上方約5 cm處向試件表面均勻噴灑，然后把試件放到恒溫箱里，設置溫度為30 ℃，用精密電子天平（精度0.1 mg，量程500 g）對試件稱重，待試件質量不發生變化后進行風蝕試驗。

（2）試驗風速、吹蝕坡度設置。 烏蘭布和沙漠東北緣地區年均起沙風速為6.77 m／s，防護林外風速≥9 m／s 的起風頻率為41.15%［16－17］，據此設置9、12 m／s兩種試驗風速，對應風速等級為5 級和6 級。 因沙丘坡度一般較小，故設置1 ∶1.75、1 ∶1.50 兩種試驗吹蝕坡度，風蝕試驗時每隔2 min 對試件稱重一次，單個試件吹蝕10 min，用質量損失率（風蝕試驗前后試樣質量之差與初始質量的比值）來評估礦化覆膜的抗風蝕性能。

2 結果與討論

2.1 菌液和膠結液濃度對植物出苗率的影響

植物出苗率試驗結果見表1。

表1 植物出苗率試驗結果

整體來看，霸王、無芒隱子草和白沙蒿的出苗率隨膠結液濃度的提高都呈下降趨勢，其中：降幅最大的是無芒隱子草，在菌液OD600值為0.8、膠結液濃度從0 提高到0.14 mol／L 時出苗率從60%降到9%；降幅最小的是白沙蒿，在菌液OD600值為0.8、膠結液濃度從0 提高到0.14 mol／L 時出苗率從58%降到26%。 當菌液OD600值為0.6 時，霸王在膠結液濃度為0.07 mol／L 和0.10 mol／L 時的出苗率均為35%，此條件下白沙蒿的出苗率也比較接近。 當膠結液濃度為0.10 mol／L、菌液OD600值為0.8 時，霸王和白沙蒿的出苗率分別達35%、43%，且沙土表面形成一定厚度的礦化覆膜。

土壤鹽脅迫是植物生長的不利因素之一，其影響植物的光合作用、呼吸、養分同化、激素平衡等，對植物生長有抑制作用，且鹽含量越高抑制作用越顯著［18］。真鹽生植物肉質化的莖葉可將多余的鹽離子積累在液泡和肉質化組織中，從而稀釋細胞中的鹽分，避免鹽脅迫產生的各種傷害［19］。 試驗過程中發現，雖然在同一濃度菌液配比情況下白沙蒿的出苗率大于霸王的，但隨著時間推移，霸王的成活率高于白沙蒿的，說明霸王的耐鹽堿性優于白沙蒿。 其原因之一是霸王的種子相對較大，千粒重約15 g，而白沙蒿種子千粒重僅0.81 g，植物種子越大其蘊含的營養物質及能量就越多，種子萌發后的破土能力就越強［20－21］。 Wang 等［22］研究發現，干旱環境下霸王的根系可從含鹽量很低的土壤中吸收大量Na＋，并將其作為滲透調節劑貯藏在液泡中，因而其能夠適應干旱環境，這或許是本試驗中霸王成活率高于白沙蒿的另一重要原因。 此外，霸王根系可吸收土壤中的Na＋，對于鹽漬土的改良也有一定作用［23］。

2.2 噴灑量對于礦化覆膜抗風蝕性的影響

根據菌液OD600值為0.8、膠結液濃度為0.10 mol／L處理的試件抗風蝕試驗測量數據，點繪試件質量損失率與吹蝕時間的關系，見圖2。 隨著混合溶液噴灑量的增大，試件的質量損失率逐漸下降，表明按照菌液OD600值為0.8、膠結液濃度為0.10 mol／L 的配比形成的礦化覆膜有一定的抗風蝕性能。 只加水處理（菌液和膠結液混合液噴灑量為0）的對照試件，在吹蝕坡度為1 ∶1.50、1 ∶1.75 經9 m／s 風速吹蝕10 min 后質量損失率分別為65.13%、40.93%，經12 m／s 風速吹蝕10 min 后質量損失率都達到100%。 菌液和膠結液混合液噴灑量為0.4 mL／cm2的試件，由于噴灑量較小、形成的礦化覆膜較薄，因此在試件表面礦化覆膜被較早破壞之后抗風蝕性能急劇下降、試件質量損失率急劇上升。 菌液和膠結液混合液噴灑量為0.5 ～0.7 mL／cm2的試件，在吹蝕風速為12 m／s 情況下質量損失率與對照試件相比下降50 個百分點以上，尤其混合液噴灑量為0.7 mL／cm2的試件降幅最大（降低64 個百分點）、抗風蝕性能最好。

基于沙塵濃度的沙塵天氣分類和風沙環境變量相似理論進行換算［15，24］，在下沙量為5 g／min 時，試件在室內吹蝕10 min 相當于在實際沙塵天氣中連續吹蝕104.2 h 的揚沙或27.8 h 的沙塵暴或9.6 h 的強沙塵暴或5.7 h 的特強沙塵暴，按每次揚沙或沙塵暴持續30 min 估算，相當于在沙漠自然環境中連續經受208.4 次揚沙或55.6 次沙塵暴或19.2 次強沙塵暴或11.4 次特強沙塵暴的風沙吹蝕。 對照試件在室內吹蝕10 min后質量損失率為40.93%～100%，混合液噴灑量為0.4 mL／cm2的試件質量損失率為37.07%～100%，混合液噴灑量為0.5 mL／cm2的試件質量損失率為25.9%～52.52%，混合液噴灑量為0.6 mL／cm2的試件質量損失率為23.94%～41.89%，混合液噴灑量為0.7 mL／cm2的試件質量損失率為23.36%～35.83%。

混合液噴灑量越大，試件中產生的碳酸鈣越多，被碳酸鈣晶體所膠結的沙土顆粒就越多、被填充孔隙也越多，使得試件表面更為致密、強度更高，因而其抗風蝕性能越好。 由于沙土表層的礦化覆膜屬于脆性材料，因此不存在Foley 等［25］所說的材料表面因形成的塑性變形消耗沖蝕顆粒的沖擊能量而導致材料的硬度和強度越高沖蝕率越高的現象。

2.3 吹蝕速度、坡度對礦化覆膜的影響

不同混合液噴灑量的試件，在下沙量為5 g／min、室內吹蝕坡度一定的情況下，風速為12 m／s 吹蝕10 min 后質量損失率均大于風速為9 m／s 的，原因是試件的質量損失率主要由入射沙顆粒的動能決定，風速為9 m／s 的沙顆粒因沖擊動能較小而對試件礦化覆膜的破壞相對較小，隨著吹蝕風速加快，沙顆粒的沖擊動能增大，試件質量損失率也隨之增大。

當吹蝕速度一定時，試件質量損失率隨著吹蝕坡度的增大而增大。 郝贠洪等［26］研究表明，吹蝕坡度較小時脆性材料表面主要受破壞力較小的切削作用，隨著吹蝕坡度增大主要受破壞力較大的正壓應力作用。在風速為9 m／s 情況下，沙顆粒動能較小，其對試件礦化覆膜的破壞力相對較小，此時吹蝕坡度對于試件質量損失率影響比較明顯；而在風速為12 m／s 時，入射沙粒對于覆膜的破壞較大，此時吹蝕坡度對試件質量損失率的影響不明顯。

3 結 論

（1） MICP 技術聯合超旱生植物進行防風固沙在技術上是可行的，微生物誘導碳酸鈣沉淀的最佳菌液OD600值為0.8、膠結液濃度為0.10 mol／L，以此配比對流沙進行處理后礦化覆膜生成情況最優、旱生植物的出苗率最大，3 種超旱生植物出苗率大小順序為白沙蒿＞霸王＞無芒隱子草。

（2）采用MICP 技術生成的礦化覆膜具有良好的抗風蝕性能，以最佳配比的菌液和膠結液混合液按噴灑量為0.5～0.7 mL／cm2處理的試件經12 m／s 風速吹蝕10 min 后，質量損失率比對照試件降低50～64 個百分點，噴灑量為0.7 mL／cm2的試件抗風蝕性能最好。

（3）吹蝕風速與吹蝕坡度對礦化覆膜試件的質量損失率均有影響，吹蝕風速越大對礦化覆膜的破壞越明顯、試件的質量損失率越大，吹蝕風速為9 m／s 時試件質量損失率隨著吹蝕坡度的增大而增大，吹蝕風速為12 m／s 時吹蝕坡度對試件質量損失率的影響不明顯。