生物固土用于防风固沙的研究进展

何 稼，吴 敏，孟 浩，亓永帅，高玉峰

河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098

1 引言

土地沙漠化是当今世界面临的最为严峻的生态环境问题之一，全球沙漠化面积占整个陆地面积的1/3，100多个国家和近10亿人口受到沙漠化的影响和危害（张奎壁和邹受益，1990；朱俊凤和朱震达，1999）。在中国问题尤为严重。2015年第五次全国荒漠化和沙化土地监测结果显示，全国荒漠化土地面积261万平方公里，占国土面积的27.2%；沙化土地面积172万平方公里，占国土面积的17.9%；有明显沙化趋势的土地面积30万平方公里，占国土面积的3.1%（http://www.forestry.gov.cn）。中国每年都有大量的农田和草场受风沙危害，大量水库和灌溉渠受风沙侵袭，数千公里公路和铁路经常性受到风沙掩埋，造成的直接和间接经济损失巨大。干旱和半干旱地区风积沙主要由砂颗粒组成，粘粒很少，土壤粘聚力很低。在干旱缺水的季节里，风很容易吹走沙性土壤表面松散的细小颗粒。缺少这些细小颗粒往往不利于保藏有机物和其他植物生长所必需的营养物质，由此造成土壤退化并逐渐导致沙漠化。另外，被强风带走的细小土颗粒容易悬浮于空气中并被风力搬运至他处，造成能见度下降及空气、水污染，威胁人类生命健康。

国内外普遍采用的防风固沙手段有工程固沙、植物固沙和化学固沙（朱俊凤和朱震达，1999）。工程固沙是利用工程机械技术，在沙地表面设置沙障，如草方格、栅栏式沙障等，以达到阻沙或固沙的目的。工程固沙由于沙障防护高度有限，容易被流沙掩埋，其防护时间较短，无法彻底实现固沙、治沙。植物固沙主要是通过人工种植培养固沙植物，如人工封育，种植草、树和灌木等，达到降低风速、防止风蚀、固定流沙、植被恢复及建立和改善沙地生态环境的目的。由于干旱地区缺水，且植物根系在流动沙地缺少固定易暴露，人工种植植物存活率较低且生长周期长。化学固沙是指向流动沙丘（地）表面喷洒具有固化、保水等作用的化学物质，将松散的沙土颗粒粘接在一起以达到固沙的目的。然而这种方法往往成本较高，且部分化学试剂具有毒性或不易降解的物质，可能造成环境污染。

常规防风固沙手段在技术性能、经济性和环保生态等方面存在诸多问题。近年来，一些学者提出了用微生物或酶诱导催化生成的固化物进行土壤固化和防风固沙的方法。本文首先介绍这些生物固土的原理和方法。在此基础上，进一步总结分析近年来基于这些生物固土方法的防风固沙室内和现场研究。生物固土技术发展至今有十几年时间，相关的综述文献包括了Ivanov 和 Chu（2008），Dejong 等（2013），Dhami 等（2013），钱春香等（2015），程晓辉等（2015），何稼等（2016），刘汉龙等（2019）等。本文的关注点是使用生物固土进行防风固沙及其相关的研究，包括生物过程、生物处理方法、抗风效果及评价方法等，以期对这一新领域的前景和问题给出合理分析建议。

2 生物固化过程与产物

2.1 微生物矿化

一些微生物过程可以产生结晶或非结晶无机化合物，这些过程被称为微生物矿化。当这些微生物作用发生在土壤中时，产生的无机化合物可以填充土壤孔隙并胶结颗粒，使土体获得较高的粘聚力和强度。微生物对土壤的这类影响类似于硅酸盐水泥的作用，因此也称为生物水泥。微生物矿化可通过几种微生物过程来实现，包括尿素水 解（van Paassen et al., 2010a; Dejong et al., 2010; Chu et al., 2012; Al Qabany and Soga, 2013; 刘汉龙等，2018; Gao et al., 2019a; 靳贵晓等，2020）、反硝化（van Paassen et al., 2010b; Wang et al., 2020）、硫还原（Warthmann et al., 2000）和铁还原过程（Weaver et al., 2011；Chu and Ivanov, 2014）等，这些过程的有效产物通常是不溶性的沉淀物质，如碳酸钙、氢氧化铁等。如果生成的无机物呈结晶状，可以形成很强的胶结作用，显著提高土壤的抗剪强度。在这些方法中，以碳酸盐（特别是碳酸钙）晶体为有效产物的微生物过程称为微生物诱导碳酸盐沉积（Microbially induced carbonate precipitation, MICP），其中以尿素水解过程效率最高，被大多数研究者选用接受。这一微生物反应过程中，脲酶细菌催化诱导尿素的水解，反应系统中的钙离子与尿素水解产生的碳酸根结合，生成碳酸钙沉淀，过程如下，

在土孔隙中生成的碳酸钙晶体，如方解石等，主要会给土体的物理力学性质带来两方面的变化。一是土体强度和刚度的增长，即生物胶结；二是土体渗透性的下降，即生物防渗，如图1所示。大量的研究结果表明，MICP过程生成的碳酸钙结晶体，对砂土等粗粒土有很好的处理效率和加固效果。在胶结物含量相同的情况下，MICP固结土体的强度与硅酸盐水泥相似或略高，整体强度最高可以高达几十兆帕（程晓辉等，2013），渗透系数可下降约两个数量级（Chu et al., 2013; Gao et al., 2019b）。因此，这一方法被大量用于液化地基处理、防渗、土体抵抗风力、水力侵蚀等应用研究（何稼等，2016）。

图1 生物胶结和生物防渗示意图（改编自何稼等，2016）Fig. 1 Schematic of bio-cementation and bio-clogging （Adapted from He et al., 2016）

2.2 酶诱导矿化

在基于尿素水解过程的MICP法中，起到诱导催化作用的是细菌中的脲酶。自然界中，除了脲酶细菌，脲酶还广泛存在于许多植物成分中，如大豆、刀豆和西瓜籽等。近年来，基于脲酶的碳酸钙沉积固土技术（Enzyme induced carbonate precipitation, EICP）得到了许多的研究关注。在一些研究中，脲酶试剂被用于诱导尿素水解和碳酸钙沉积固土（Neupane et al., 2013；Zhao et al., 2014; Neupane et al., 2015; Yamamoto et al., 2016; Hamdan and Kavazanjian, 2016）。这类高纯度的脲酶通常用于研究和医疗目的，在环境治理和工程建设等大规模应用中成本很高。另一种便捷廉价获取脲酶的方式是通过细菌或植物细胞的裂解来进行提取。在最近的研究中，用机械研磨法从大豆中成功地获得了粗脲酶（Gao et al., 2019c），用超声波法也从细菌中获得了粗脲酶（He et al., 2020），并均获得了较好的固土效果。

相比于MICP法，EICP法有其优点和局限（Gao et al., 2019c; He et al., 2020）。细菌尺寸一般是微米级的，而酶分子一般是纳米级的。这使得EICP法在处理细粒土和深部土体时可获得更好的均匀性。另外，由于植物脲酶的提取相对简单，在大规模应用中避免了较为复杂的细菌培养过程。但是，由于缺少细胞结构的保护，直接使用酶液进行土体处理，酶活性衰减较快，导致后期反应速率较慢。若要获得较快的反应速率则需要使用更多的酶液。

2.3 生物聚合物

某些生物高聚物如黄原胶、瓜尔胶等，有着很强的粘结性能，可用于土体的胶结和固化。相比于碳酸钙沉积法，黄原胶固化体有更好的延展性。黄原胶和生物矿化固土的结合使用，可以发挥各自力学性能的特长，并且黄原胶可以调节处理过程中碳酸钙沉积的微观分布，获得更好的固化效果（吴敏等，2020）。此外，许多微生物可以分泌细胞外聚合物（EPS）。这些粘液型聚合物可以附着在固体材料的表面并形成所谓的生物膜。许多结果表明，多孔介质的渗透性可以因生物膜的形成减少了2~4个数量级（Proto et al., 2016; Thullner, 2010）。生物膜可被用于土体渗漏修复和保水等。

3 生物固化土防风固沙研究

3.1 风力侵蚀过程介绍

关于风力作用下，表层土颗粒的受力、起动脱离和运动过程的规律的研究，积累了大量的成果和资料（江玉林和张洪江，2008；吴发启和张洪江，2012； Kok et al., 2012；姬亚芹等，2015）。对这些规律的理解，有助于针对性的研发防风固沙技术。在这一部分中，将对土颗粒受风力侵蚀过程进行粗浅的介绍，使读者对问题有所理解。位于土壤表面的土颗粒受力情况如图2所示。这些力包括土颗粒的重力Fg，相邻颗粒的相互作用力Fip，风荷载引起的拖拽力Fd和浮托力FL。以接触点P为支点，当拖拽力Fd和浮托力FL引起的力矩略大于重力Fg和颗粒间相互作用力Fip引起的力矩时，土颗粒处于刚好脱离原有位置的临界状态。根据受力分析，可得土颗粒将要发生移动的临界起动风速，

图2 土颗粒风力作用下起动示意图 （改编自Kok et al., 2012）Fig. 2 Schematic of soil particle detachment under wind force (Adapted from Kok et al., 2012)

其中，ρp和ρa为土颗粒和空气的密度，d为颗粒粒径，A是和颗粒间相互作用力、浮托力以及雷诺数相关的系数，依据经验约等于0.1。临界起动风速u*t中，下标t代表临界状态（Threshold），*表示临近土体表层的摩阻风速。近地表空气中，风速受到地面摩擦阻力的影响而降低，一般认为风速与地面高度的对数成正比，即，

式中，k是卡曼常数，约为0.4，u是对应高度z的风速，z0是空气动力学粗糙度，一般认为，

其中，ks约为土颗粒的平均粒径。由气流引起的剪应力与摩阻风速是相关的，即，

由上述方法计算的临界起动风速，实际情况中受到颗粒大小、土体湿度、地形、风向、植被等因素的影响。需要注意，考虑风沙颗粒撞击的临界冲击起动风速，要比上述不考虑风沙颗粒影响的临界起动风速小，即风沙流更容易引起颗粒起动。此外，特别细的颗粒，受到表面吸附水膜的粘着力作用，不易起动。粒径在0.015～0.5 mm范围时，0.1 mm左右颗粒最容易起动（吴发启和张洪江，2012；姬亚芹等，2015）。表1给出了粒径与临界起动风速的实测值。

表1 沙粒粒径与临界起动风速值（新疆莎车）（吴发启等，2012）Table 1 Threshold detachment velocity and particle size in Shache, Xinjiang China

当达到临界起动风速时，地表土颗粒开始运动。运动的方式可分为三种，即悬移、跃移和蠕移（吴发启和张洪江，2012；姬亚芹等，2015）。悬移颗粒长时间悬浮于空气中而不降落，做长距离搬运，一般为小于0.1 mm的土粒。跃移颗粒在脱离地表后从气流中获得动量加速前进，又在自身重力作用下以很小的锐角落向地面，并对地表颗粒产生冲击飞溅，造成颗粒的连续跳跃式运动。粒径在0.1～0.15 mm范围的颗粒最易以跃移方式运动，跃移高度一般不超过30 cm，大多数在5 cm范围内活动，下落角度一般在10～16度之间。土颗粒在地表滑动或滚动称为蠕移，蠕移运动的颗粒粒径一般在0.5～2 mm之间。风沙运动以跃移形式最为重要。一方面，风沙搬运的物质中，跃移形式占到70%~80%，且悬移和蠕移运动往往也和跃移颗粒作用有关。另一方面，跃移颗粒的冲击是破坏土体表面并造成风蚀的主要原因。因此，认识跃移运动的特性及其影响非常重要。

3.2 生物固化土抗风力侵蚀室内试验研究

目前，生物固化土抗风力侵蚀的研究多基于室内风力侵蚀试验，辅助以其他的物理力学检测手段。表2汇总分析了近几年相关的试验研究。从问题和研究对象来说，大部分的研究集中于沙漠和其他干旱、半干旱地区的土壤风力侵蚀。选用的试验土来自于中国西北、中亚和美国西部等风力侵蚀严重地区。其中，沙漠中的风沙土以级配不良、粒径范围集中的砂为主。除了干旱、半干旱地区的土壤侵蚀问题外，其他类型的土壤风力侵蚀和粉尘污染问题，如火灾焦土的侵蚀、矿区和建筑工地粉尘污染等，也在相关研究中有涉及（Hodges and Lingwall, 2020a）。

绍介类分验试蚀风内室土化固物生2 表Table 2 Classification and introduction of laboratory wind erosion tests on biocemented soil锥，圆量（含段验钙手试酸估入碳评面），贯他其表头XRD评量果质效蚀风果风抗效以的及验更试了风30 m/s，好到抗达起高渣最废速糖风蔗验，试估辅或剂段渣加手废添助产他生其糖蔗施法别方分加，施液和+4.2 L/m2 1mol/溶量液钙理用4.2 L/m2菌化处氯洒素喷L尿，加分化成液氯理、素处尿钙酶脲或菌细（S. Pasteurii）菌细层45%粉型表和类区粒地土干55%砂旱半含朗，粒伊土粘度深沿和量含钙酸布碳分评0.1 mol/L ，估率理速处蚀和风混以预，速风验15 m/s试0.25 mol/L、显明理果处效高洒土最泼固 用采溶采体钙砂土化粗型氯中类素，他1 mol/L尿加其施，合洒和混泼混高。面预最液表用化氯、素尿钙（S. Pasteurii）菌细和粒土砂合，混砂的细半，各砂粒粗粘中粉（0.6 度），深沿验针和试头量贯径钙，SEM入平含表mm直酸布面碳分最土），蚀撞数级风粒1个量击以颗升数跃果2~4个粒），移提撞颗击虑效生移撞考土以跃粒。固可有颗估风则6.8 m/s（移评防击跃率将撞无速可虑验25 m/s（蚀化考速风固不风和物，数生级试高粒击量胶原3 g/m2 黄合混80 g/m2，量加施理钙处酸洒醋喷钙酸醋细Megaterium）（B. 菌英石，土沙风勤主民为肃粒甘砂土（Pocket 贯壤珍仪袖入penetrometer），沉估物评矿量有蚀也风菌以细，加速添风未验，13.4 m/s试显明果效生高土发最固淀 0.25 mol/L和素0.33 mol/L尿钙化氯化氯、素尿钙（S. Pasteurii）菌细1～）含砂（粉土的焦粒烧颗燃山20%细火面表定测验Torvane试度强上未20 m/s以，风20 cm）抗上可以，面3.5 m/s估表约评土风速于抗风位能动量只起测体界速土临风理以（处 约，混化），钙氯算和估素（0.5 mol/L尿量理1.8 L/m2用处洒喷合化氯、素尿钙（S. Pasteurii）菌细英石区地蚀风砂重质严钙朗和伊砂，验度试密抗验SEM 压，无渗XRD，限试侧透整理完处体，土估持评保速速风界16 m/s风动起临抗和可量上质以蚀及风遍以三+2.5 L/m2 0.5 mol/ 1喷理别处分，理液处溶2.5 L/m2菌液钙1遍化为氯作素加L尿施洒～7遍化氯、素尿钙（S. Pasteurii）菌细沙径漠粒沙要里主格（腾土0.25 mm）中风0.1～卫沙夏头围宁坡范密，验试压侧，SEM 抗限无度加，估评强量增质数蚀遍风理以处量，随且风并验，3000 m3/h试显明果效固 +4.6 L/m2 1mol/施4别0～分理，处液，溶理液钙处理4.6 L/m2菌化处氯1遍洒素为喷L尿作，加遍化氯、素尿钙（S. Pasteurii）菌细土砂良不配级，SEM，入贯微XRD 型，估上评以量级蚀量风数果效以2个理，低处速体定风土确验理速15.3 m/s试处快未可较验量试高蚀入最风贯 氯素5.6 L/m2 0.1~1 mol/L尿理处洒喷合混，钙化化氯、素尿钙（S. Pasteurii）菌细土砂漠Yazd沙朗伊 ，有估维评纤量成蚀合风和以维，纤速麻风，果验著效17.8 m/s试显风果抗效升蚀提高风于最抗助棉及、以米维）玉纤维（麻纤维、成纤花合0.1 mol/L理和处素拌0.33 mol/L尿搅，钙化氯化氯、素尿钙（S. Pasteurii）菌细土砂 蚀风和量蚀风以显，明速果风效验土11.1 m/s试固，估评高率最速 0.1 mol/L喷量洒喷同和不素用0.33 mol/L尿使，钙理化处氯洒化氯、素尿钙（S. Pasteurii）菌细土砂献文考参Nikseresht et al., 2020 Chae et al., 2020 Fattahi et al., 2020 Hodges and Lingwall, 2020a O'Kelly, 2019 Tian et al., 2018 Wang et al., 2018 Maleki et al., 2016 Anderson et al., 2014 Meyer et al., 2011

2表续段手估评他其果效及验试风抗辅或剂段加手添助他其法方加施和量用分成液理处酶脲或菌细型类土献文考参含（5 mm直钙酸碳入），面平，SEM贯头表径量撞撞粒粒影效颗颗一蚀果移移这风效考考不EICP抗理跃跃虑虑虑考处估15 m/s（。于升评估高提速评远可快量力胶可高蚀坏原验最风破黄试速以蚀入入验），风加贯风的，试击击响果胶原1 g/L黄0～洒化喷氯合和混素，0.3 mol/L尿量高，4 L/m2用理最钙处化氯、素尿钙脲粗的取提豆大从酶沙径漠粒沙要里主格（0.25 mm）腾土卫沙中风0.075～夏头围宁坡范，2020等敏吴，0.64 cm平量碳厚试，层入含仪化贯钙入固酸贯，验径碳壤量试直透（），渗验头SEM 土含珍钙，SEM，XRD袖酸度（Threshold detachment 于24 m/s，黄性能所力侵蚀，估速评风量上风速高体抗水，16 m/s以蚀风以动风速，可抗固化土速御风抵以velocity）评估于提高验可均样临界起胶有助16 m/s试高EICP试4g/原最有和和胶原3 g/L黄粉藻酸钠粉L奶3 g/L海4 g/L奶合化混处3.66 L/m2 0.67 mol/L氯液样理土分和量0.67～1.25 洒有部2.2 L/m2)液总和，2.2 L/m2喷另（钠素酶，素钙理酸1 mol/L尿，理液处溶洒喷钙喷1 mol/L尿化处藻mol/L氯洒量3 g/L海化化氯氯、、素素尿钙尿钙酶脲的剂取）试提剂酶豆试脲刀（F60标漠国美（Al Nafud沙砂岛砂良半良不）伯不配砂拉配Woolley et al., 2020级准Almajed et al., 2020阿级，SEM钙酸碳（Threshold detachment ，高更性至久25 m/s甚耐体化固风高抗提可成速，生风估钙动评酸以velocity）碳起界助临有酶固为作粉奶脂剂脱定溶分钙或化合氯混4.8 L/m2素液量0.05～2 mol/L尿理总处，和理液处酶洒，喷液开化氯、素尿钙酶脲的取）提剂豆试刀（粉F60标细）主然国为天美粒那，砂桑砂以利矿均亚尾（国，砂美砂准Hamdan and Kavazanjian, 2016

处理方法方面，以MICP或EICP为主，部分的研究辅助以黄原胶、纤维等添加剂或添加物，用以改善处理过程并提升处理效果。在MICP法中，一般采用巴氏生孢八叠球菌（Sporosarcina pasteurii）、巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）等具有高尿素水解活性的细菌作为诱导催化媒介。在EICP法中，研究中可采用试剂级脲酶。在大规模应用中，可采用前文介绍的从植物或微生物中提取的粗脲酶诱导催化尿素水解。这一方法在技术难度和经济性上都具备较强的优势。黄原胶、奶粉等添加物，可调整处理过程中碳酸钙生成的分布特性，提升固化物的作用效率（Hamdan and Kavazanjian et al., 2016; Woolley et al., 2020; Almajed et al., 2020）。黄原胶、纤维等物质的加入也可以提高固化物的强度、延展性和其他力学性能（Anderson et al., 2014；吴敏等，2020）。在生物处理过程中，细菌液或酶液与胶结液（一般为尿素和氯化钙）可以预先混合再施加到土体中，即一步处理；也可以分别施加，即两步处理。一步处理法中，液体中将发生反应生成碳酸钙沉淀。这一方面会造成反应物的浪费，另一方面也能到导致处理设备管路堵塞。Cui 等（2021）提出一种新型的EICP一步处理技术，可有效解决混合液中的碳酸钙沉淀问题。这一方法中，先将pH略调低，碳酸钙此时不发生沉淀，反应过程中pH逐渐上升，在较高pH环境中碳酸钙沉淀大量生成。这一时间延迟也提升了处理的均匀性。在处理液的用量上，由表2中可见，大部分处理的单次用量约为4 L/m2，超过此用量往往会造成溢出浪费。在大多数的研究中，只要处理方法和参数选择合适，仅需要单次处理就可以获得理想的抗风蚀效果。

生物固化土的抗风蚀试验，需要从试验条件和评价指标两方面考虑。从表2可见，最高的测试风速为30 m/s，大多测试风速在15 m/s左右，15 m/s风速大约为7级风。试验风速的选择需要结合风蚀地区场地的气象资料。另一需要考虑的问题是风蚀试验过程中跃移颗粒的撞击。Anderson等（2014）研究表明，考虑跃移颗粒撞击，生物固化处理可将防风固土效果提升1个数量级，不考虑撞击则可以生2~4个数量级。吴敏等（2020）中，在15 m/s风速下，同样处理方法的固化土样，考虑跃移颗粒撞击的风蚀破坏力远高于不考虑这一影响的破坏力。因此，忽略跃移颗粒撞击，会导致风蚀破坏力被严重低估。此外，如上文所述，风洞试验中的风速并不均匀，测试到的风速并不完全等于固化土体表面的风速。测量土体表面风速和由此引发的剪应力时，需要考虑风洞的形式、测量位置等因素的影响。在一定风速和由此引发的剪应力作用下，土体表层的侵蚀评估方式大致有两类（表2）。一类是以某特定风速下的侵蚀速率或侵蚀量作为评价指标，例如单位面积单位时间土体的损失量。另一类是用临界起动风速（Threshold detachment velocity）来评估抗风效果，风速小于此值时，只有少量浮尘和未胶结颗粒产生的质量损失，大于此值则产生明显的风力侵蚀，且侵蚀速率和风速呈明显正相关。将两种评价指标结合，是较合理的评价方法。

除了风力侵蚀试验，一些其他的测试手段也被用来进行抗风效果评估，如碳酸钙含量和分布测量、扫描电镜SEM、矿物成分分析、渗透性、强度测量等（表2）。其中，大量的研究采用了表面贯入强度测试。贯入试验可有效评估表面固化土体的表面强度。考虑到实验室和现场条件中风蚀试验进行困难，贯入试验可用以简单有效的评估固化土体抗风能力。如图3所示，在一定的风速和持续时间条件下，土体的风蚀量和表面贯入强度值之间存在较高的相关性。表面强度达到一定值时，就可以有效的抵抗风力侵蚀。但是，在不同的试验研究中，研究者采用了不同形状、大小的贯入头。如表2所示， Hodges 和 Lingwall（2020）、吴敏等（2020）、Woolley 等（2020）和Almajed 等（2020）采用0.5~0.64 cm直径的平头的贯入仪进行贯入试验，Nikseresht 等（2020）采用了锥形头进行试验，Fattahi 等（2020）采用了针头进行试验。不同贯入试验结果之间的差异比较，以及试验方法的标准化，需要进一步研究探索。

图3 生物固化土风蚀试验中风蚀量与表面强度关系（数据来源于吴敏等，2020）Fig. 3 Relationship between erosion mass and surface penetration resistance in wind erosion tests on biocemented soil (data fromWu et al.，2020）

3.3 生物固化土抗风力侵蚀现场试验研究

生物固土技术应用于防风固沙的现场试验也有见于近期文献(Hodges and Lingwall, 2020b; Li et al., 2020; Meng et al., 2021)。Meng 等（2021）在乌兰布和沙漠采用了MICP法进行现场固沙试验。试验结果表明，采用0.2 mol/L的尿素、氯化钙和菌液处理液进行喷洒处理，获得了较持久的防风效果。Hodges 和 Lingwall（2020b）采用MICP法进行现场固化处理，使用0.33 mol/L的尿素、0.25 mol/L的氯化钙和细菌进行喷洒处理，也获得足够的固化效果用以抵御风力和地表径流的侵蚀。Li 等（2020）将MICP法和传统的草方格技术联合使用，发挥各自特长，成功的进行了现场固沙验证。

防风固沙和沙漠治理的长远目标，是将沙漠的植被和生态恢复。因此，生物固沙与植被生长之间的相互作用也在现场试验中被关注。生物固化层可为沙漠植物的萌发和生长提供固定，并且土表面渗透性的下降和微观结构的变化可改善保水性能，有利于植物生长。但是，处理液浓度较高的情况下，植物的生长会受到限制。Meng 等（2021）研究发现，在现场条件下，当胶结液浓度高于0.2 mol/L 时，MICP处理对当地沙生植物种子萌发和生长具有一定的抑制作用。Hodges 和 Lingwall（2020b）通过现场试验发现，MICP处理后的土地仍然可以生长植物，但是某些情况下植物生长受到影响。作者研究团队在内蒙古浑善达克沙地的另一现场中发现，生物固化处理的沙地上草的生长明显改善，处理时和处理一年后的对比见图4。场地采用MICP法进行一次喷洒固化处理，场地周边进行围挡防止放牧进入。生物固化土对根系固定作用、保水作用、化学成分改变、食草动物干扰等因素对植物生长的影响，还有待进一步的探索。

图4 浑善达克沙地沙坡生物固化处理前(a)和处理后一年(b)植被对比图Fig. 4 Photographs of vegetations before (a) and one year after (b) the bio-cementation treatment of a sandy slope in Shunshandake Desert

4 结论与展望

本文对基于生物固土技术的防风固沙研究进行了回顾和分析，包括生物过程、生物处理方法、抗风效果及评价方法等。主要采用的生物过程包括基于微生物或酶诱导碳酸钙沉积（MICP或EICP）的矿化固土技术。此外，黄原胶等生物高聚物与碳酸钙沉积固土联合使用，可获得更好的固土效果。通过土壤风蚀过程的回顾，了解到除了风力本身，风携带的跃移颗粒对土的撞击，也是侵蚀破坏的重要因素，这在固化土风蚀试验中体现明显。室内和现场试验中，以尿素和钙盐作为处理材料，用细菌或脲酶作为催化诱导媒介，对土体进行单遍喷洒处理即可获得很好的抗风效果。室内抗风试验中， 将风蚀速率与临界起动风速两个指标结合是较为合理的风蚀评估方法。在室内和现场条件下，表面贯入强度测试可用来快速测定处理效果和抗风性能。

就目前的研究结果看，生物固土应用于防风固沙技术效果良好，且简单易行。为了将该方法推向实用，仍有一些问题和难点需要解决，主要包括以下几点：（1）在真实环境中，除了风力侵蚀，土壤还承受降雨（雨滴溅蚀、地表水流、酸雨等）、干湿变化、温度变化、放牧等天然和人为因素破坏和侵蚀（黄明等，2018; 刘士雨等，2019；Liu et al., 2019, 2020; Liu and Gao, 2020; Cheng et al., 2020），这些因素与风力的共同作用下生物固化土的抗风能力及其耐久性还需进一步研究；（2）生物固化土中植被生长和生态恢复的能力，目前仅有少量验证结果（Hodges and Lingwall, 2020b; Li et al., 2020; Meng et al., 2021），还需深入分析，此外，生物固化处理过程的环境影响，如氨气释放、pH改变等，还需要进一步研究；（3）大面积的土体固化处理需要大量的处理材料，特别是水的用量很大，大体积处理液的制备、运输和喷洒处理的方法，需要进一步研究开发。