MICP 技術(shù)與超旱生植物聯(lián)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(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 地質(zhì)技術(shù)與巖土工程內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.沙旱區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與巖土工程防御內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；4.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

沙丘是由風(fēng)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(fēng)力作用下每年有大量沙土進(jìn)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(shè)置沙障是治理流沙的主要傳統(tǒng)方式，其對于改善局部土壤、植被小環(huán)境有良好作用，但存在塑料沙障會對環(huán)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(fēng)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(dǎo)碳酸鈣沉淀）技術(shù)開始應(yīng)用于混凝土裂縫修補、防滲堵漏、文物修復(fù)、土體改良等領(lǐng)域，并成為流沙固化領(lǐng)域研究的新方向［8－13］。 李馳等［14］進(jìn)行的現(xiàn)場試驗表明，采用MICP 技術(shù)使沙漠風(fēng)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(shù)只能對沙土表面進(jìn)行固定，對于深層沙土的加固效果欠佳，若將MICP 技術(shù)與超旱生植物聯(lián)合起來治理流沙，則二者可優(yōu)勢互補，MICP 技術(shù)形成的礦化覆膜可固定沙丘表面并為植物的早期生長發(fā)育提供保護(hù)，植物成活后根系可固化深層沙土、地上部分可防風(fēng)固沙，實現(xiàn)對流沙的有效治理。 基于此認(rèn)識，筆者通過室內(nèi)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(jìn)行分析，并對礦化覆膜層進(jìn)行了抗風(fēng)蝕性能試驗，以期為此項技術(shù)應(yīng)用于防風(fēng)固沙提供依據(jù)。

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(qū)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(zhì)量占比為96.5%，屬于級配不良的細(xì)沙土。

1.1.2 菌種與膠結(jié)液

試驗用菌為巴氏芽孢桿菌，培養(yǎng)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(xì)菌接種于培養(yǎng)基中，置于30 ℃、200 r／min 振蕩箱中恒溫培養(yǎng)，培養(yǎng)后用分光光度計將菌液濃度調(diào)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(jié)液中包括二水氯化鈣、尿素、氯化銨、營養(yǎng)肉湯和碳酸氫鈉，其中二水氯化鈣和尿素的質(zhì)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(zhì)的風(fēng)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(nèi)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(jié)液。 設(shè)置0.6、0.8、1.0 共3個菌液OD600值，設(shè)置0、0.05、0.07、0.10、0.12、0.14 mol／L 共6 種膠結(jié)液濃度，進(jìn)行正交試驗，每種組合設(shè)2 個重復(fù)。 膠結(jié)液和菌液的混合溶液噴灑量分別設(shè)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(yīng)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(jié)液10 d 后記錄各花盆中植物的出苗數(shù)量，出苗率計算公式為

式中：n為出苗率，%；m為出苗數(shù)量；M為每盆撒播的種子總數(shù)。

1.2.2 風(fēng)蝕試驗

在盆栽試驗得到最佳菌液濃度（OD600值）和膠結(jié)液濃度的基礎(chǔ)上，對其試件進(jìn)行風(fēng)蝕試驗。 試驗所用設(shè)備為室內(nèi)風(fēng)沙侵蝕系統(tǒng)，如圖1 所示，通過設(shè)置不同的風(fēng)速和下沙量，模擬不同風(fēng)沙環(huán)境下試件的抗風(fēng)蝕效果，然后依據(jù)風(fēng)沙環(huán)境變量相似理論［15］，得出實際吹蝕時間與室內(nèi)模擬吹蝕時間的關(guān)系，進(jìn)而對試件礦化覆膜的耐久性進(jìn)行評估。

（1）風(fēng)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(zhì)的風(fēng)沙土裝滿盒子并晃動，使得風(fēng)沙土表面平整，將配制好的膠結(jié)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(shè)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(zhì)量不發(fā)生變化后進(jìn)行風(fēng)蝕試驗。

（2）試驗風(fēng)速、吹蝕坡度設(shè)置。 烏蘭布和沙漠東北緣地區(qū)年均起沙風(fēng)速為6.77 m／s，防護(hù)林外風(fēng)速≥9 m／s 的起風(fēng)頻率為41.15%［16－17］，據(jù)此設(shè)置9、12 m／s兩種試驗風(fēng)速，對應(yīng)風(fēng)速等級為5 級和6 級。 因沙丘坡度一般較小，故設(shè)置1 ∶1.75、1 ∶1.50 兩種試驗吹蝕坡度，風(fēng)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(zhì)量損失率（風(fēng)蝕試驗前后試樣質(zhì)量之差與初始質(zhì)量的比值）來評估礦化覆膜的抗風(fēng)蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 菌液和膠結(jié)液濃度對植物出苗率的影響

植物出苗率試驗結(jié)果見表1。

表1 植物出苗率試驗結(jié)果

整體來看，霸王、無芒隱子草和白沙蒿的出苗率隨膠結(jié)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(jié)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(jié)液濃度從0 提高到0.14 mol／L 時出苗率從58%降到26%。 當(dāng)菌液OD600值為0.6 時，霸王在膠結(jié)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(dāng)膠結(jié)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(dá)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(yǎng)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(zhì)化的莖葉可將多余的鹽離子積累在液泡和肉質(zhì)化組織中，從而稀釋細(xì)胞中的鹽分，避免鹽脅迫產(chǎn)生的各種傷害［19］。 試驗過程中發(fā)現(xiàn)，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(yōu)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(yǎng)物質(zhì)及能量就越多，種子萌發(fā)后的破土能力就越強［20－21］。 Wang 等［22］研究發(fā)現(xiàn)，干旱環(huán)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(diào)節(jié)劑貯藏在液泡中，因而其能夠適應(yīng)干旱環(huán)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(fēng)蝕性的影響

根據(jù)菌液OD600值為0.8、膠結(jié)液濃度為0.10 mol／L處理的試件抗風(fēng)蝕試驗測量數(shù)據(jù)，點繪試件質(zhì)量損失率與吹蝕時間的關(guān)系，見圖2。 隨著混合溶液噴灑量的增大，試件的質(zhì)量損失率逐漸下降，表明按照菌液OD600值為0.8、膠結(jié)液濃度為0.10 mol／L 的配比形成的礦化覆膜有一定的抗風(fēng)蝕性能。 只加水處理（菌液和膠結(jié)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(jīng)9 m／s 風(fēng)速吹蝕10 min 后質(zhì)量損失率分別為65.13%、40.93%，經(jīng)12 m／s 風(fēng)速吹蝕10 min 后質(zhì)量損失率都達(dá)到100%。 菌液和膠結(jié)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(fēng)蝕性能急劇下降、試件質(zhì)量損失率急劇上升。 菌液和膠結(jié)液混合液噴灑量為0.5 ～0.7 mL／cm2的試件，在吹蝕風(fēng)速為12 m／s 情況下質(zhì)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(fēng)蝕性能最好。

基于沙塵濃度的沙塵天氣分類和風(fēng)沙環(huán)境變量相似理論進(jìn)行換算［15，24］，在下沙量為5 g／min 時，試件在室內(nèi)吹蝕10 min 相當(dāng)于在實際沙塵天氣中連續(xù)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(xù)30 min 估算，相當(dāng)于在沙漠自然環(huán)境中連續(xù)經(jīng)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(fēng)沙吹蝕。 對照試件在室內(nèi)吹蝕10 min后質(zhì)量損失率為40.93%～100%，混合液噴灑量為0.4 mL／cm2的試件質(zhì)量損失率為37.07%～100%，混合液噴灑量為0.5 mL／cm2的試件質(zhì)量損失率為25.9%～52.52%，混合液噴灑量為0.6 mL／cm2的試件質(zhì)量損失率為23.94%～41.89%，混合液噴灑量為0.7 mL／cm2的試件質(zhì)量損失率為23.36%～35.83%。

混合液噴灑量越大，試件中產(chǎn)生的碳酸鈣越多，被碳酸鈣晶體所膠結(jié)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(fēng)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(dǎo)致材料的硬度和強度越高沖蝕率越高的現(xiàn)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(nèi)吹蝕坡度一定的情況下，風(fēng)速為12 m／s 吹蝕10 min 后質(zhì)量損失率均大于風(fēng)速為9 m／s 的，原因是試件的質(zhì)量損失率主要由入射沙顆粒的動能決定，風(fēng)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(fēng)速加快，沙顆粒的沖擊動能增大，試件質(zhì)量損失率也隨之增大。

當(dāng)吹蝕速度一定時，試件質(zhì)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(yīng)力作用。在風(fēng)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(zhì)量損失率影響比較明顯；而在風(fēng)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(zhì)量損失率的影響不明顯。

3 結(jié) 論

（1） MICP 技術(shù)聯(lián)合超旱生植物進(jìn)行防風(fēng)固沙在技術(shù)上是可行的，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的最佳菌液OD600值為0.8、膠結(jié)液濃度為0.10 mol／L，以此配比對流沙進(jìn)行處理后礦化覆膜生成情況最優(yōu)、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(shù)生成的礦化覆膜具有良好的抗風(fēng)蝕性能，以最佳配比的菌液和膠結(jié)液混合液按噴灑量為0.5～0.7 mL／cm2處理的試件經(jīng)12 m／s 風(fēng)速吹蝕10 min 后，質(zhì)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(fēng)蝕性能最好。

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