MICP 技术与超旱生植物联合治理流沙试验研究

赵志杰，李 驰，2，3，高 瑜，2，3，张振国，2，3，张永锋

（1.内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学 地质技术与岩土工程内蒙古自治区工程研究中心，内蒙古 呼和浩特 010051；3.沙旱区地质灾害与岩土工程防御内蒙古自治区高等学校重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051；4.内蒙古工业大学 化工学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

沙丘是由风力搬运、堆积形成的地貌，按其流动程度可分为流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘，其中流动沙丘危害最大［1］。 我国八大沙漠之一的乌兰布和沙漠北部多为固定、半固定沙丘，南部主要为流动沙丘，在风力作用下每年有大量沙土进入黄河使得黄河乌兰布和段含沙量明显增大，并掩埋沙漠公路路基、影响行车安全等［2－5］。 设置沙障是治理流沙的主要传统方式，其对于改善局部土壤、植被小环境有良好作用，但存在塑料沙障会对环境造成二次污染、草方格沙障被腐蚀后效益大减等问题［6－7］。 植物固沙是最根本的防风固沙方式，但是植物在生长前期会因流沙覆盖或根部被吹蚀暴露而死亡，因此依靠单一的植物措施来治理流沙难度较大。 近年来，MICP（微生物诱导碳酸钙沉淀）技术开始应用于混凝土裂缝修补、防渗堵漏、文物修复、土体改良等领域，并成为流沙固化领域研究的新方向［8－13］。 李驰等［14］进行的现场试验表明，采用MICP 技术使沙漠风沙土形成了厚度为2.0 ～2.5 cm的矿化覆膜，可以有效固定松散的沙土。 采用MICP技术只能对沙土表面进行固定，对于深层沙土的加固效果欠佳，若将MICP 技术与超旱生植物联合起来治理流沙，则二者可优势互补，MICP 技术形成的矿化覆膜可固定沙丘表面并为植物的早期生长发育提供保护，植物成活后根系可固化深层沙土、地上部分可防风固沙，实现对流沙的有效治理。 基于此认识，笔者通过室内盆栽试验，对影响MICP 使用效果和植物生长的菌液、钙源浓度进行分析，并对矿化覆膜层进行了抗风蚀性能试验，以期为此项技术应用于防风固沙提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 植物与沙土

盆栽试验所用的植物为北方干旱区常见的霸王、无芒隐子草和白沙蒿；所用沙土取自乌兰布和沙漠北部边缘，其天然密度为1.62 g／cm3，干密度为2.64 g／cm3，中值粒径为0.14 mm，限制粒径为0.21 mm，粒径大于0.075 mm 的颗粒质量占比为96.5%，属于级配不良的细沙土。

1.1.2 菌种与胶结液

试验用菌为巴氏芽孢杆菌，培养基成分为酵母提取粉20.000 g／L、硫酸铵10.000 g／L、三羟甲基氨基甲烷15.748 g／L。 将活化后的细菌接种于培养基中，置于30 ℃、200 r／min 振荡箱中恒温培养，培养后用分光光度计将菌液浓度调至试验所需浓度（用溶液在600 nm波长处的吸光值OD600表示）。 胶结液中包括二水氯化钙、尿素、氯化铵、营养肉汤和碳酸氢钠，其中二水氯化钙和尿素的质量比为1 ∶1。

1.2 试验方法

1.2.1 盆栽试验

试验所用透明花盆斜高13.2 cm，盆口直径17.2 cm、盆底直径12.8 cm。 将过粗筛并除去杂质的风沙土装入花盆中，沙土表面接近盆口时停止加沙并整平，把颗粒饱满的植物种子均匀撒在花盆中，上覆1 cm 厚的沙土并再次整平沙土表面，此时花盆内沙土表面积约为150 cm2。 然后充分浇灌，浇水1 d 后待其表面较干时开始喷洒菌液和胶结液。 设置0.6、0.8、1.0 共3个菌液OD600值，设置0、0.05、0.07、0.10、0.12、0.14 mol／L 共6 种胶结液浓度，进行正交试验，每种组合设2 个重复。 胶结液和菌液的混合溶液喷洒量分别设置为0（对照）、0.4、0.5、0.6、0.7 mL／cm2，不足0.7 mL／cm2的用清水补充（即混合溶液喷洒量0、0.4、0.5、0.6、0.7 mL／cm2对应的清水补充量分别为0.7、0.3、0.2、0.1、0 mL／cm2），喷洒菌液和胶结液10 d 后记录各花盆中植物的出苗数量，出苗率计算公式为

式中：n为出苗率，%；m为出苗数量；M为每盆撒播的种子总数。

1.2.2 风蚀试验

在盆栽试验得到最佳菌液浓度（OD600值）和胶结液浓度的基础上，对其试件进行风蚀试验。 试验所用设备为室内风沙侵蚀系统，如图1 所示，通过设置不同的风速和下沙量，模拟不同风沙环境下试件的抗风蚀效果，然后依据风沙环境变量相似理论［15］，得出实际吹蚀时间与室内模拟吹蚀时间的关系，进而对试件矿化覆膜的耐久性进行评估。

（1）风蚀试件制备。 试件模具为定制的50 mm×50 mm×50 mm 正方体木盒，将除去杂质的风沙土装满盒子并晃动，使得风沙土表面平整，将配制好的胶结液、菌液注入小型喷壶，喷壶喷嘴在试件上方约5 cm处向试件表面均匀喷洒，然后把试件放到恒温箱里，设置温度为30 ℃，用精密电子天平（精度0.1 mg，量程500 g）对试件称重，待试件质量不发生变化后进行风蚀试验。

（2）试验风速、吹蚀坡度设置。 乌兰布和沙漠东北缘地区年均起沙风速为6.77 m／s，防护林外风速≥9 m／s 的起风频率为41.15%［16－17］，据此设置9、12 m／s两种试验风速，对应风速等级为5 级和6 级。 因沙丘坡度一般较小，故设置1 ∶1.75、1 ∶1.50 两种试验吹蚀坡度，风蚀试验时每隔2 min 对试件称重一次，单个试件吹蚀10 min，用质量损失率（风蚀试验前后试样质量之差与初始质量的比值）来评估矿化覆膜的抗风蚀性能。

2 结果与讨论

2.1 菌液和胶结液浓度对植物出苗率的影响

植物出苗率试验结果见表1。

表1 植物出苗率试验结果

整体来看，霸王、无芒隐子草和白沙蒿的出苗率随胶结液浓度的提高都呈下降趋势，其中：降幅最大的是无芒隐子草，在菌液OD600值为0.8、胶结液浓度从0 提高到0.14 mol／L 时出苗率从60%降到9%；降幅最小的是白沙蒿，在菌液OD600值为0.8、胶结液浓度从0 提高到0.14 mol／L 时出苗率从58%降到26%。 当菌液OD600值为0.6 时，霸王在胶结液浓度为0.07 mol／L 和0.10 mol／L 时的出苗率均为35%，此条件下白沙蒿的出苗率也比较接近。 当胶结液浓度为0.10 mol／L、菌液OD600值为0.8 时，霸王和白沙蒿的出苗率分别达35%、43%，且沙土表面形成一定厚度的矿化覆膜。

土壤盐胁迫是植物生长的不利因素之一，其影响植物的光合作用、呼吸、养分同化、激素平衡等，对植物生长有抑制作用，且盐含量越高抑制作用越显著［18］。真盐生植物肉质化的茎叶可将多余的盐离子积累在液泡和肉质化组织中，从而稀释细胞中的盐分，避免盐胁迫产生的各种伤害［19］。 试验过程中发现，虽然在同一浓度菌液配比情况下白沙蒿的出苗率大于霸王的，但随着时间推移，霸王的成活率高于白沙蒿的，说明霸王的耐盐碱性优于白沙蒿。 其原因之一是霸王的种子相对较大，千粒重约15 g，而白沙蒿种子千粒重仅0.81 g，植物种子越大其蕴含的营养物质及能量就越多，种子萌发后的破土能力就越强［20－21］。 Wang 等［22］研究发现，干旱环境下霸王的根系可从含盐量很低的土壤中吸收大量Na＋，并将其作为渗透调节剂贮藏在液泡中，因而其能够适应干旱环境，这或许是本试验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＋，对于盐渍土的改良也有一定作用［23］。

2.2 喷洒量对于矿化覆膜抗风蚀性的影响

根据菌液OD600值为0.8、胶结液浓度为0.10 mol／L处理的试件抗风蚀试验测量数据，点绘试件质量损失率与吹蚀时间的关系，见图2。 随着混合溶液喷洒量的增大，试件的质量损失率逐渐下降，表明按照菌液OD600值为0.8、胶结液浓度为0.10 mol／L 的配比形成的矿化覆膜有一定的抗风蚀性能。 只加水处理（菌液和胶结液混合液喷洒量为0）的对照试件，在吹蚀坡度为1 ∶1.50、1 ∶1.75 经9 m／s 风速吹蚀10 min 后质量损失率分别为65.13%、40.93%，经12 m／s 风速吹蚀10 min 后质量损失率都达到100%。 菌液和胶结液混合液喷洒量为0.4 mL／cm2的试件，由于喷洒量较小、形成的矿化覆膜较薄，因此在试件表面矿化覆膜被较早破坏之后抗风蚀性能急剧下降、试件质量损失率急剧上升。 菌液和胶结液混合液喷洒量为0.5 ～0.7 mL／cm2的试件，在吹蚀风速为12 m／s 情况下质量损失率与对照试件相比下降50 个百分点以上，尤其混合液喷洒量为0.7 mL／cm2的试件降幅最大（降低64 个百分点）、抗风蚀性能最好。

基于沙尘浓度的沙尘天气分类和风沙环境变量相似理论进行换算［15，24］，在下沙量为5 g／min 时，试件在室内吹蚀10 min 相当于在实际沙尘天气中连续吹蚀104.2 h 的扬沙或27.8 h 的沙尘暴或9.6 h 的强沙尘暴或5.7 h 的特强沙尘暴，按每次扬沙或沙尘暴持续30 min 估算，相当于在沙漠自然环境中连续经受208.4 次扬沙或55.6 次沙尘暴或19.2 次强沙尘暴或11.4 次特强沙尘暴的风沙吹蚀。 对照试件在室内吹蚀10 min后质量损失率为40.93%～100%，混合液喷洒量为0.4 mL／cm2的试件质量损失率为37.07%～100%，混合液喷洒量为0.5 mL／cm2的试件质量损失率为25.9%～52.52%，混合液喷洒量为0.6 mL／cm2的试件质量损失率为23.94%～41.89%，混合液喷洒量为0.7 mL／cm2的试件质量损失率为23.36%～35.83%。

混合液喷洒量越大，试件中产生的碳酸钙越多，被碳酸钙晶体所胶结的沙土颗粒就越多、被填充孔隙也越多，使得试件表面更为致密、强度更高，因而其抗风蚀性能越好。 由于沙土表层的矿化覆膜属于脆性材料，因此不存在Foley 等［25］所说的材料表面因形成的塑性变形消耗冲蚀颗粒的冲击能量而导致材料的硬度和强度越高冲蚀率越高的现象。

2.3 吹蚀速度、坡度对矿化覆膜的影响

不同混合液喷洒量的试件，在下沙量为5 g／min、室内吹蚀坡度一定的情况下，风速为12 m／s 吹蚀10 min 后质量损失率均大于风速为9 m／s 的，原因是试件的质量损失率主要由入射沙颗粒的动能决定，风速为9 m／s 的沙颗粒因冲击动能较小而对试件矿化覆膜的破坏相对较小，随着吹蚀风速加快，沙颗粒的冲击动能增大，试件质量损失率也随之增大。

当吹蚀速度一定时，试件质量损失率随着吹蚀坡度的增大而增大。 郝贠洪等［26］研究表明，吹蚀坡度较小时脆性材料表面主要受破坏力较小的切削作用，随着吹蚀坡度增大主要受破坏力较大的正压应力作用。在风速为9 m／s 情况下，沙颗粒动能较小，其对试件矿化覆膜的破坏力相对较小，此时吹蚀坡度对于试件质量损失率影响比较明显；而在风速为12 m／s 时，入射沙粒对于覆膜的破坏较大，此时吹蚀坡度对试件质量损失率的影响不明显。

3 结 论

（1） MICP 技术联合超旱生植物进行防风固沙在技术上是可行的，微生物诱导碳酸钙沉淀的最佳菌液OD600值为0.8、胶结液浓度为0.10 mol／L，以此配比对流沙进行处理后矿化覆膜生成情况最优、旱生植物的出苗率最大，3 种超旱生植物出苗率大小顺序为白沙蒿＞霸王＞无芒隐子草。

（2）采用MICP 技术生成的矿化覆膜具有良好的抗风蚀性能，以最佳配比的菌液和胶结液混合液按喷洒量为0.5～0.7 mL／cm2处理的试件经12 m／s 风速吹蚀10 min 后，质量损失率比对照试件降低50～64 个百分点，喷洒量为0.7 mL／cm2的试件抗风蚀性能最好。

（3）吹蚀风速与吹蚀坡度对矿化覆膜试件的质量损失率均有影响，吹蚀风速越大对矿化覆膜的破坏越明显、试件的质量损失率越大，吹蚀风速为9 m／s 时试件质量损失率随着吹蚀坡度的增大而增大，吹蚀风速为12 m／s 时吹蚀坡度对试件质量损失率的影响不明显。