生物固土用于防風(fēng)固沙的研究進(jìn)展

何 稼，吳 敏，孟 浩，亓永帥，高玉峰

河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098

1 引言

土地沙漠化是當(dāng)今世界面臨的最為嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題之一，全球沙漠化面積占整個(gè)陸地面積的1/3，100多個(gè)國(guó)家和近10億人口受到沙漠化的影響和危害（張奎壁和鄒受益，1990；朱俊鳳和朱震達(dá)，1999）。在中國(guó)問題尤為嚴(yán)重。2015年第五次全國(guó)荒漠化和沙化土地監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，全國(guó)荒漠化土地面積261萬平方公里，占國(guó)土面積的27.2%；沙化土地面積172萬平方公里，占國(guó)土面積的17.9%；有明顯沙化趨勢(shì)的土地面積30萬平方公里，占國(guó)土面積的3.1%（http://www.forestry.gov.cn）。中國(guó)每年都有大量的農(nóng)田和草場(chǎng)受風(fēng)沙危害，大量水庫(kù)和灌溉渠受風(fēng)沙侵襲，數(shù)千公里公路和鐵路經(jīng)常性受到風(fēng)沙掩埋，造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。干旱和半干旱地區(qū)風(fēng)積沙主要由砂顆粒組成，粘粒很少，土壤粘聚力很低。在干旱缺水的季節(jié)里，風(fēng)很容易吹走沙性土壤表面松散的細(xì)小顆粒。缺少這些細(xì)小顆粒往往不利于保藏有機(jī)物和其他植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，由此造成土壤退化并逐漸導(dǎo)致沙漠化。另外，被強(qiáng)風(fēng)帶走的細(xì)小土顆粒容易懸浮于空氣中并被風(fēng)力搬運(yùn)至他處，造成能見度下降及空氣、水污染，威脅人類生命健康。

國(guó)內(nèi)外普遍采用的防風(fēng)固沙手段有工程固沙、植物固沙和化學(xué)固沙（朱俊鳳和朱震達(dá)，1999）。工程固沙是利用工程機(jī)械技術(shù)，在沙地表面設(shè)置沙障，如草方格、柵欄式沙障等，以達(dá)到阻沙或固沙的目的。工程固沙由于沙障防護(hù)高度有限，容易被流沙掩埋，其防護(hù)時(shí)間較短，無法徹底實(shí)現(xiàn)固沙、治沙。植物固沙主要是通過人工種植培養(yǎng)固沙植物，如人工封育，種植草、樹和灌木等，達(dá)到降低風(fēng)速、防止風(fēng)蝕、固定流沙、植被恢復(fù)及建立和改善沙地生態(tài)環(huán)境的目的。由于干旱地區(qū)缺水，且植物根系在流動(dòng)沙地缺少固定易暴露，人工種植植物存活率較低且生長(zhǎng)周期長(zhǎng)?；瘜W(xué)固沙是指向流動(dòng)沙丘（地）表面噴灑具有固化、保水等作用的化學(xué)物質(zhì)，將松散的沙土顆粒粘接在一起以達(dá)到固沙的目的。然而這種方法往往成本較高，且部分化學(xué)試劑具有毒性或不易降解的物質(zhì)，可能造成環(huán)境污染。

常規(guī)防風(fēng)固沙手段在技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保生態(tài)等方面存在諸多問題。近年來，一些學(xué)者提出了用微生物或酶誘導(dǎo)催化生成的固化物進(jìn)行土壤固化和防風(fēng)固沙的方法。本文首先介紹這些生物固土的原理和方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步總結(jié)分析近年來基于這些生物固土方法的防風(fēng)固沙室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)研究。生物固土技術(shù)發(fā)展至今有十幾年時(shí)間，相關(guān)的綜述文獻(xiàn)包括了Ivanov 和 Chu（2008），Dejong 等（2013），Dhami 等（2013），錢春香等（2015），程曉輝等（2015），何稼等（2016），劉漢龍等（2019）等。本文的關(guān)注點(diǎn)是使用生物固土進(jìn)行防風(fēng)固沙及其相關(guān)的研究，包括生物過程、生物處理方法、抗風(fēng)效果及評(píng)價(jià)方法等，以期對(duì)這一新領(lǐng)域的前景和問題給出合理分析建議。

2 生物固化過程與產(chǎn)物

2.1 微生物礦化

一些微生物過程可以產(chǎn)生結(jié)晶或非結(jié)晶無機(jī)化合物，這些過程被稱為微生物礦化。當(dāng)這些微生物作用發(fā)生在土壤中時(shí)，產(chǎn)生的無機(jī)化合物可以填充土壤孔隙并膠結(jié)顆粒，使土體獲得較高的粘聚力和強(qiáng)度。微生物對(duì)土壤的這類影響類似于硅酸鹽水泥的作用，因此也稱為生物水泥。微生物礦化可通過幾種微生物過程來實(shí)現(xiàn)，包括尿素水 解（van Paassen et al., 2010a; Dejong et al., 2010; Chu et al., 2012; Al Qabany and Soga, 2013; 劉漢龍等，2018; Gao et al., 2019a; 靳貴曉等，2020）、反硝化（van Paassen et al., 2010b; Wang et al., 2020）、硫還原（Warthmann et al., 2000）和鐵還原過程（Weaver et al., 2011；Chu and Ivanov, 2014）等，這些過程的有效產(chǎn)物通常是不溶性的沉淀物質(zhì)，如碳酸鈣、氫氧化鐵等。如果生成的無機(jī)物呈結(jié)晶狀，可以形成很強(qiáng)的膠結(jié)作用，顯著提高土壤的抗剪強(qiáng)度。在這些方法中，以碳酸鹽（特別是碳酸鈣）晶體為有效產(chǎn)物的微生物過程稱為微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉積（Microbially induced carbonate precipitation, MICP），其中以尿素水解過程效率最高，被大多數(shù)研究者選用接受。這一微生物反應(yīng)過程中，脲酶細(xì)菌催化誘導(dǎo)尿素的水解，反應(yīng)系統(tǒng)中的鈣離子與尿素水解產(chǎn)生的碳酸根結(jié)合，生成碳酸鈣沉淀，過程如下，

在土孔隙中生成的碳酸鈣晶體，如方解石等，主要會(huì)給土體的物理力學(xué)性質(zhì)帶來兩方面的變化。一是土體強(qiáng)度和剛度的增長(zhǎng)，即生物膠結(jié)；二是土體滲透性的下降，即生物防滲，如圖1所示。大量的研究結(jié)果表明，MICP過程生成的碳酸鈣結(jié)晶體，對(duì)砂土等粗粒土有很好的處理效率和加固效果。在膠結(jié)物含量相同的情況下，MICP固結(jié)土體的強(qiáng)度與硅酸鹽水泥相似或略高，整體強(qiáng)度最高可以高達(dá)幾十兆帕（程曉輝等，2013），滲透系數(shù)可下降約兩個(gè)數(shù)量級(jí)（Chu et al., 2013; Gao et al., 2019b）。因此，這一方法被大量用于液化地基處理、防滲、土體抵抗風(fēng)力、水力侵蝕等應(yīng)用研究（何稼等，2016）。

圖1 生物膠結(jié)和生物防滲示意圖（改編自何稼等，2016）Fig. 1 Schematic of bio-cementation and bio-clogging （Adapted from He et al., 2016）

2.2 酶誘導(dǎo)礦化

在基于尿素水解過程的MICP法中，起到誘導(dǎo)催化作用的是細(xì)菌中的脲酶。自然界中，除了脲酶細(xì)菌，脲酶還廣泛存在于許多植物成分中，如大豆、刀豆和西瓜籽等。近年來，基于脲酶的碳酸鈣沉積固土技術(shù)（Enzyme induced carbonate precipitation, EICP）得到了許多的研究關(guān)注。在一些研究中，脲酶試劑被用于誘導(dǎo)尿素水解和碳酸鈣沉積固土（Neupane et al., 2013；Zhao et al., 2014; Neupane et al., 2015; Yamamoto et al., 2016; Hamdan and Kavazanjian, 2016）。這類高純度的脲酶通常用于研究和醫(yī)療目的，在環(huán)境治理和工程建設(shè)等大規(guī)模應(yīng)用中成本很高。另一種便捷廉價(jià)獲取脲酶的方式是通過細(xì)菌或植物細(xì)胞的裂解來進(jìn)行提取。在最近的研究中，用機(jī)械研磨法從大豆中成功地獲得了粗脲酶（Gao et al., 2019c），用超聲波法也從細(xì)菌中獲得了粗脲酶（He et al., 2020），并均獲得了較好的固土效果。

相比于MICP法，EICP法有其優(yōu)點(diǎn)和局限（Gao et al., 2019c; He et al., 2020）。細(xì)菌尺寸一般是微米級(jí)的，而酶分子一般是納米級(jí)的。這使得EICP法在處理細(xì)粒土和深部土體時(shí)可獲得更好的均勻性。另外，由于植物脲酶的提取相對(duì)簡(jiǎn)單，在大規(guī)模應(yīng)用中避免了較為復(fù)雜的細(xì)菌培養(yǎng)過程。但是，由于缺少細(xì)胞結(jié)構(gòu)的保護(hù)，直接使用酶液進(jìn)行土體處理，酶活性衰減較快，導(dǎo)致后期反應(yīng)速率較慢。若要獲得較快的反應(yīng)速率則需要使用更多的酶液。

2.3 生物聚合物

某些生物高聚物如黃原膠、瓜爾膠等，有著很強(qiáng)的粘結(jié)性能，可用于土體的膠結(jié)和固化。相比于碳酸鈣沉積法，黃原膠固化體有更好的延展性。黃原膠和生物礦化固土的結(jié)合使用，可以發(fā)揮各自力學(xué)性能的特長(zhǎng)，并且黃原膠可以調(diào)節(jié)處理過程中碳酸鈣沉積的微觀分布，獲得更好的固化效果（吳敏等，2020）。此外，許多微生物可以分泌細(xì)胞外聚合物（EPS）。這些粘液型聚合物可以附著在固體材料的表面并形成所謂的生物膜。許多結(jié)果表明，多孔介質(zhì)的滲透性可以因生物膜的形成減少了2~4個(gè)數(shù)量級(jí)（Proto et al., 2016; Thullner, 2010）。生物膜可被用于土體滲漏修復(fù)和保水等。

3 生物固化土防風(fēng)固沙研究

3.1 風(fēng)力侵蝕過程介紹

關(guān)于風(fēng)力作用下，表層土顆粒的受力、起動(dòng)脫離和運(yùn)動(dòng)過程的規(guī)律的研究，積累了大量的成果和資料（江玉林和張洪江，2008；吳發(fā)啟和張洪江，2012； Kok et al., 2012；姬亞芹等，2015）。對(duì)這些規(guī)律的理解，有助于針對(duì)性的研發(fā)防風(fēng)固沙技術(shù)。在這一部分中，將對(duì)土顆粒受風(fēng)力侵蝕過程進(jìn)行粗淺的介紹，使讀者對(duì)問題有所理解。位于土壤表面的土顆粒受力情況如圖2所示。這些力包括土顆粒的重力Fg，相鄰顆粒的相互作用力Fip，風(fēng)荷載引起的拖拽力Fd和浮托力FL。以接觸點(diǎn)P為支點(diǎn)，當(dāng)拖拽力Fd和浮托力FL引起的力矩略大于重力Fg和顆粒間相互作用力Fip引起的力矩時(shí)，土顆粒處于剛好脫離原有位置的臨界狀態(tài)。根據(jù)受力分析，可得土顆粒將要發(fā)生移動(dòng)的臨界起動(dòng)風(fēng)速，

圖2 土顆粒風(fēng)力作用下起動(dòng)示意圖 （改編自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(bǔ)為土顆粒和空氣的密度，d為顆粒粒徑，A是和顆粒間相互作用力、浮托力以及雷諾數(shù)相關(guān)的系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)約等于0.1。臨界起動(dòng)風(fēng)速u*t中，下標(biāo)t代表臨界狀態(tài)（Threshold），*表示臨近土體表層的摩阻風(fēng)速。近地表空氣中，風(fēng)速受到地面摩擦阻力的影響而降低，一般認(rèn)為風(fēng)速與地面高度的對(duì)數(shù)成正比，即，

式中，k是卡曼常數(shù)，約為0.4，u是對(duì)應(yīng)高度z的風(fēng)速，z0是空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，一般認(rèn)為，

其中，ks約為土顆粒的平均粒徑。由氣流引起的剪應(yīng)力與摩阻風(fēng)速是相關(guān)的，即，

由上述方法計(jì)算的臨界起動(dòng)風(fēng)速，實(shí)際情況中受到顆粒大小、土體濕度、地形、風(fēng)向、植被等因素的影響。需要注意，考慮風(fēng)沙顆粒撞擊的臨界沖擊起動(dòng)風(fēng)速，要比上述不考慮風(fēng)沙顆粒影響的臨界起動(dòng)風(fēng)速小，即風(fēng)沙流更容易引起顆粒起動(dòng)。此外，特別細(xì)的顆粒，受到表面吸附水膜的粘著力作用，不易起動(dòng)。粒徑在0.015～0.5 mm范圍時(shí)，0.1 mm左右顆粒最容易起動(dòng)（吳發(fā)啟和張洪江，2012；姬亞芹等，2015）。表1給出了粒徑與臨界起動(dòng)風(fēng)速的實(shí)測(cè)值。

表1 沙粒粒徑與臨界起動(dòng)風(fēng)速值（新疆莎車）（吳發(fā)啟等，2012）Table 1 Threshold detachment velocity and particle size in Shache, Xinjiang China

當(dāng)達(dá)到臨界起動(dòng)風(fēng)速時(shí)，地表土顆粒開始運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的方式可分為三種，即懸移、躍移和蠕移（吳發(fā)啟和張洪江，2012；姬亞芹等，2015）。懸移顆粒長(zhǎng)時(shí)間懸浮于空氣中而不降落，做長(zhǎng)距離搬運(yùn)，一般為小于0.1 mm的土粒。躍移顆粒在脫離地表后從氣流中獲得動(dòng)量加速前進(jìn)，又在自身重力作用下以很小的銳角落向地面，并對(duì)地表顆粒產(chǎn)生沖擊飛濺，造成顆粒的連續(xù)跳躍式運(yùn)動(dòng)。粒徑在0.1～0.15 mm范圍的顆粒最易以躍移方式運(yùn)動(dòng)，躍移高度一般不超過30 cm，大多數(shù)在5 cm范圍內(nèi)活動(dòng)，下落角度一般在10～16度之間。土顆粒在地表滑動(dòng)或滾動(dòng)稱為蠕移，蠕移運(yùn)動(dòng)的顆粒粒徑一般在0.5～2 mm之間。風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)以躍移形式最為重要。一方面，風(fēng)沙搬運(yùn)的物質(zhì)中，躍移形式占到70%~80%，且懸移和蠕移運(yùn)動(dòng)往往也和躍移顆粒作用有關(guān)。另一方面，躍移顆粒的沖擊是破壞土體表面并造成風(fēng)蝕的主要原因。因此，認(rèn)識(shí)躍移運(yùn)動(dòng)的特性及其影響非常重要。

3.2 生物固化土抗風(fēng)力侵蝕室內(nèi)試驗(yàn)研究

目前，生物固化土抗風(fēng)力侵蝕的研究多基于室內(nèi)風(fēng)力侵蝕試驗(yàn)，輔助以其他的物理力學(xué)檢測(cè)手段。表2匯總分析了近幾年相關(guān)的試驗(yàn)研究。從問題和研究對(duì)象來說，大部分的研究集中于沙漠和其他干旱、半干旱地區(qū)的土壤風(fēng)力侵蝕。選用的試驗(yàn)土來自于中國(guó)西北、中亞和美國(guó)西部等風(fēng)力侵蝕嚴(yán)重地區(qū)。其中，沙漠中的風(fēng)沙土以級(jí)配不良、粒徑范圍集中的砂為主。除了干旱、半干旱地區(qū)的土壤侵蝕問題外，其他類型的土壤風(fēng)力侵蝕和粉塵污染問題，如火災(zāi)焦土的侵蝕、礦區(qū)和建筑工地粉塵污染等，也在相關(guān)研究中有涉及（Hodges and Lingwall, 2020a）。

紹介類分驗(yàn)試蝕風(fēng)內(nèi)室土化固物生2 表Table 2 Classification and introduction of laboratory wind erosion tests on biocemented soil錐，圓量（含段驗(yàn)鈣手試酸估入碳評(píng)面），貫他其表頭XRD評(píng)量果質(zhì)效蝕風(fēng)果風(fēng)抗效以的及驗(yàn)更試了風(fēng)30 m/s，好到抗達(dá)起高渣最廢速糖風(fēng)蔗驗(yàn)，試估輔或劑段渣加手廢添助產(chǎn)他生其糖蔗施法別方分加，施液和+4.2 L/m2 1mol/溶量液鈣理用4.2 L/m2菌化處氯灑素噴L尿，加分化成液氯理、素處尿鈣酶脲或菌細(xì)（S. Pasteurii）菌細(xì)層45%粉型表和類區(qū)粒地土干55%砂旱半含朗，粒伊土粘度深沿和量含鈣酸布碳分評(píng)0.1 mol/L ，估率理速處蝕和風(fēng)混以預(yù)，速風(fēng)驗(yàn)15 m/s試0.25 mol/L、顯明理果處效高灑土最潑固 用采溶采體鈣砂土化粗型氯中類素，他1 mol/L尿加其施，合灑和混潑混高。面預(yù)最液表用化氯、素尿鈣（S. Pasteurii）菌細(xì)和粒土砂合，混砂的細(xì)半，各砂粒粗粘中粉（0.6 度），深沿驗(yàn)針和試頭量貫徑鈣，SEM入平含表mm直酸布面碳分最土），蝕撞數(shù)級(jí)風(fēng)粒1個(gè)量擊以顆升數(shù)躍果2~4個(gè)粒），移提撞顆擊慮效生移撞考土以躍粒。固可有顆估風(fēng)則6.8 m/s（移評(píng)防擊躍率將撞無速可慮驗(yàn)25 m/s（蝕化考速風(fēng)固不風(fēng)和物，數(shù)生級(jí)試高粒擊量膠原3 g/m2 黃合混80 g/m2，量加施理鈣處酸灑醋噴鈣酸醋細(xì)Megaterium）（B. 菌英石，土沙風(fēng)勤主民為肅粒甘砂土（Pocket 貫壤珍儀袖入penetrometer），沉估物評(píng)礦量有蝕也風(fēng)菌以細(xì)，加速添風(fēng)未驗(yàn)，13.4 m/s試顯明果效生高土發(fā)最固淀 0.25 mol/L和素0.33 mol/L尿鈣化氯化氯、素尿鈣（S. Pasteurii）菌細(xì)1～）含砂（粉土的焦粒燒顆燃山20%細(xì)火面表定測(cè)驗(yàn)Torvane試度強(qiáng)上未20 m/s以，風(fēng)20 cm）抗上可以，面3.5 m/s估表約評(píng)土風(fēng)速于抗風(fēng)位能動(dòng)量只起測(cè)體界速土臨風(fēng)理以（處 約，混化），鈣氯算和估素（0.5 mol/L尿量理1.8 L/m2用處灑噴合化氯、素尿鈣（S. Pasteurii）菌細(xì)英石區(qū)地蝕風(fēng)砂重質(zhì)嚴(yán)鈣朗和伊砂，驗(yàn)度試密抗驗(yàn)SEM 壓，無滲XRD，限試側(cè)透整理完處體，土估持評(píng)保速速風(fēng)界16 m/s風(fēng)動(dòng)起臨抗和可量上質(zhì)以蝕及風(fēng)遍以三+2.5 L/m2 0.5 mol/ 1噴理別處分，理液處溶2.5 L/m2菌液鈣1遍化為氯作素加L尿施灑～7遍化氯、素尿鈣（S. Pasteurii）菌細(xì)沙徑漠粒沙要里主格（騰土0.25 mm）中風(fēng)0.1～衛(wèi)沙夏頭圍寧坡范密，驗(yàn)試壓側(cè)，SEM 抗限無度加，估評(píng)強(qiáng)量增質(zhì)數(shù)蝕遍風(fēng)理以處量，隨且風(fēng)并驗(yàn)，3000 m3/h試顯明果效固 +4.6 L/m2 1mol/施4別0～分理，處液，溶理液鈣處理4.6 L/m2菌化處氯1遍灑素為噴L尿作，加遍化氯、素尿鈣（S. Pasteurii）菌細(xì)土砂良不配級(jí)，SEM，入貫微XRD 型，估上評(píng)以量級(jí)蝕量風(fēng)數(shù)果效以2個(gè)理，低處速體定風(fēng)土確驗(yàn)理速15.3 m/s試處快未可較驗(yàn)量試高蝕入最風(fēng)貫 氯素5.6 L/m2 0.1~1 mol/L尿理處灑噴合混，鈣化化氯、素尿鈣（S. Pasteurii）菌細(xì)土砂漠Yazd沙朗伊 ，有估維評(píng)纖量成蝕合風(fēng)和以維，纖速麻風(fēng)，果驗(yàn)著效17.8 m/s試顯風(fēng)果抗效升蝕提高風(fēng)于最抗助棉及、以米維）玉纖維（麻纖維、成纖花合0.1 mol/L理和處素拌0.33 mol/L尿攪，鈣化氯化氯、素尿鈣（S. Pasteurii）菌細(xì)土砂 蝕風(fēng)和量蝕風(fēng)以顯，明速果風(fēng)效驗(yàn)土11.1 m/s試固，估評(píng)高率最速 0.1 mol/L噴量灑噴同和不素用0.33 mol/L尿使，鈣理化處氯灑化氯、素尿鈣（S. Pasteurii）菌細(xì)土砂獻(xiàn)文考參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表續(xù)段手估評(píng)他其果效及驗(yàn)試風(fēng)抗輔或劑段加手添助他其法方加施和量用分成液理處酶脲或菌細(xì)型類土獻(xiàn)文考參含（5 mm直鈣酸碳入），面平，SEM貫頭表徑量撞撞粒粒影效顆顆一蝕果移移這風(fēng)效考考不EICP抗理躍躍慮慮慮考處估15 m/s（。于升評(píng)估高提速評(píng)遠(yuǎn)可快量力膠可高蝕壞原驗(yàn)最風(fēng)破黃試速以蝕入入驗(yàn)），風(fēng)加貫風(fēng)的，試擊擊響果膠原1 g/L黃0～灑化噴氯合和混素，0.3 mol/L尿量高，4 L/m2用理最鈣處化氯、素尿鈣脲粗的取提豆大從酶沙徑漠粒沙要里主格（0.25 mm）騰土衛(wèi)沙中風(fēng)0.075～夏頭圍寧坡范，2020等敏吳，0.64 cm平量碳厚試，層入含儀化貫鈣入固酸貫，驗(yàn)徑碳壤量試直透（），滲驗(yàn)頭SEM 土含珍鈣，SEM，XRD袖酸度（Threshold detachment 于24 m/s，黃性能所力侵蝕，估速評(píng)風(fēng)量上風(fēng)速高體抗水，16 m/s以蝕風(fēng)以動(dòng)風(fēng)速，可抗固化土速御風(fēng)抵以velocity）評(píng)估于提高驗(yàn)可均樣臨界起膠有助16 m/s試高EICP試4g/原最有和和膠原3 g/L黃粉藻酸鈉粉L奶3 g/L海4 g/L奶合化混處3.66 L/m2 0.67 mol/L氯液樣理土分和量0.67～1.25 灑有部2.2 L/m2)液總和，2.2 L/m2噴另（鈉素酶，素鈣理酸1 mol/L尿，理液處溶灑噴鈣噴1 mol/L尿化處藻mol/L氯灑量3 g/L?；嚷?、、素素尿鈣尿鈣酶脲的劑?。┰囂釀┟付乖囯宓叮‵60標(biāo)漠國(guó)美（Al Nafud沙砂島砂良半良不）伯不配砂拉配Woolley et al., 2020級(jí)準(zhǔn)Almajed et al., 2020阿級(jí)，SEM鈣酸碳（Threshold detachment ，高更性至久25 m/s甚耐體化固風(fēng)高抗提可成速，生風(fēng)估鈣動(dòng)評(píng)酸以velocity）碳起界助臨有酶固為作粉奶脂劑脫定溶分鈣或化合氯混4.8 L/m2素液量0.05～2 mol/L尿理總處，和理液處酶灑，噴液開化氯、素尿鈣酶脲的?。┨釀┒乖嚨叮ǚ跢60標(biāo)細(xì)）主然國(guó)為天美粒那，砂桑砂以利礦均亞尾（國(guó)，砂美砂準(zhǔn)Hamdan and Kavazanjian, 2016

處理方法方面，以MICP或EICP為主，部分的研究輔助以黃原膠、纖維等添加劑或添加物，用以改善處理過程并提升處理效果。在MICP法中，一般采用巴氏生孢八疊球菌（Sporosarcina pasteurii）、巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium）等具有高尿素水解活性的細(xì)菌作為誘導(dǎo)催化媒介。在EICP法中，研究中可采用試劑級(jí)脲酶。在大規(guī)模應(yīng)用中，可采用前文介紹的從植物或微生物中提取的粗脲酶誘導(dǎo)催化尿素水解。這一方法在技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)性上都具備較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。黃原膠、奶粉等添加物，可調(diào)整處理過程中碳酸鈣生成的分布特性，提升固化物的作用效率（Hamdan and Kavazanjian et al., 2016; Woolley et al., 2020; Almajed et al., 2020）。黃原膠、纖維等物質(zhì)的加入也可以提高固化物的強(qiáng)度、延展性和其他力學(xué)性能（Anderson et al., 2014；吳敏等，2020）。在生物處理過程中，細(xì)菌液或酶液與膠結(jié)液（一般為尿素和氯化鈣）可以預(yù)先混合再施加到土體中，即一步處理；也可以分別施加，即兩步處理。一步處理法中，液體中將發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀。這一方面會(huì)造成反應(yīng)物的浪費(fèi)，另一方面也能到導(dǎo)致處理設(shè)備管路堵塞。Cui 等（2021）提出一種新型的EICP一步處理技術(shù)，可有效解決混合液中的碳酸鈣沉淀問題。這一方法中，先將pH略調(diào)低，碳酸鈣此時(shí)不發(fā)生沉淀，反應(yīng)過程中pH逐漸上升，在較高pH環(huán)境中碳酸鈣沉淀大量生成。這一時(shí)間延遲也提升了處理的均勻性。在處理液的用量上，由表2中可見，大部分處理的單次用量約為4 L/m2，超過此用量往往會(huì)造成溢出浪費(fèi)。在大多數(shù)的研究中，只要處理方法和參數(shù)選擇合適，僅需要單次處理就可以獲得理想的抗風(fēng)蝕效果。

生物固化土的抗風(fēng)蝕試驗(yàn)，需要從試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)指標(biāo)兩方面考慮。從表2可見，最高的測(cè)試風(fēng)速為30 m/s，大多測(cè)試風(fēng)速在15 m/s左右，15 m/s風(fēng)速大約為7級(jí)風(fēng)。試驗(yàn)風(fēng)速的選擇需要結(jié)合風(fēng)蝕地區(qū)場(chǎng)地的氣象資料。另一需要考慮的問題是風(fēng)蝕試驗(yàn)過程中躍移顆粒的撞擊。Anderson等（2014）研究表明，考慮躍移顆粒撞擊，生物固化處理可將防風(fēng)固土效果提升1個(gè)數(shù)量級(jí)，不考慮撞擊則可以生2~4個(gè)數(shù)量級(jí)。吳敏等（2020）中，在15 m/s風(fēng)速下，同樣處理方法的固化土樣，考慮躍移顆粒撞擊的風(fēng)蝕破壞力遠(yuǎn)高于不考慮這一影響的破壞力。因此，忽略躍移顆粒撞擊，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)蝕破壞力被嚴(yán)重低估。此外，如上文所述，風(fēng)洞試驗(yàn)中的風(fēng)速并不均勻，測(cè)試到的風(fēng)速并不完全等于固化土體表面的風(fēng)速。測(cè)量土體表面風(fēng)速和由此引發(fā)的剪應(yīng)力時(shí)，需要考慮風(fēng)洞的形式、測(cè)量位置等因素的影響。在一定風(fēng)速和由此引發(fā)的剪應(yīng)力作用下，土體表層的侵蝕評(píng)估方式大致有兩類（表2）。一類是以某特定風(fēng)速下的侵蝕速率或侵蝕量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，例如單位面積單位時(shí)間土體的損失量。另一類是用臨界起動(dòng)風(fēng)速（Threshold detachment velocity）來評(píng)估抗風(fēng)效果，風(fēng)速小于此值時(shí)，只有少量浮塵和未膠結(jié)顆粒產(chǎn)生的質(zhì)量損失，大于此值則產(chǎn)生明顯的風(fēng)力侵蝕，且侵蝕速率和風(fēng)速呈明顯正相關(guān)。將兩種評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合，是較合理的評(píng)價(jià)方法。

除了風(fēng)力侵蝕試驗(yàn)，一些其他的測(cè)試手段也被用來進(jìn)行抗風(fēng)效果評(píng)估，如碳酸鈣含量和分布測(cè)量、掃描電鏡SEM、礦物成分分析、滲透性、強(qiáng)度測(cè)量等（表2）。其中，大量的研究采用了表面貫入強(qiáng)度測(cè)試。貫入試驗(yàn)可有效評(píng)估表面固化土體的表面強(qiáng)度?？紤]到實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)條件中風(fēng)蝕試驗(yàn)進(jìn)行困難，貫入試驗(yàn)可用以簡(jiǎn)單有效的評(píng)估固化土體抗風(fēng)能力。如圖3所示，在一定的風(fēng)速和持續(xù)時(shí)間條件下，土體的風(fēng)蝕量和表面貫入強(qiáng)度值之間存在較高的相關(guān)性。表面強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，就可以有效的抵抗風(fēng)力侵蝕。但是，在不同的試驗(yàn)研究中，研究者采用了不同形狀、大小的貫入頭。如表2所示， Hodges 和 Lingwall（2020）、吳敏等（2020）、Woolley 等（2020）和Almajed 等（2020）采用0.5~0.64 cm直徑的平頭的貫入儀進(jìn)行貫入試驗(yàn)，Nikseresht 等（2020）采用了錐形頭進(jìn)行試驗(yàn)，F(xiàn)attahi 等（2020）采用了針頭進(jìn)行試驗(yàn)。不同貫入試驗(yàn)結(jié)果之間的差異比較，以及試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化，需要進(jìn)一步研究探索。

圖3 生物固化土風(fēng)蝕試驗(yàn)中風(fēng)蝕量與表面強(qiáng)度關(guān)系（數(shù)據(jù)來源于吳敏等，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 生物固化土抗風(fēng)力侵蝕現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

生物固土技術(shù)應(yīng)用于防風(fēng)固沙的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也有見于近期文獻(xiàn)(Hodges and Lingwall, 2020b; Li et al., 2020; Meng et al., 2021)。Meng 等（2021）在烏蘭布和沙漠采用了MICP法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)固沙試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用0.2 mol/L的尿素、氯化鈣和菌液處理液進(jìn)行噴灑處理，獲得了較持久的防風(fēng)效果。Hodges 和 Lingwall（2020b）采用MICP法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)固化處理，使用0.33 mol/L的尿素、0.25 mol/L的氯化鈣和細(xì)菌進(jìn)行噴灑處理，也獲得足夠的固化效果用以抵御風(fēng)力和地表徑流的侵蝕。Li 等（2020）將MICP法和傳統(tǒng)的草方格技術(shù)聯(lián)合使用，發(fā)揮各自特長(zhǎng)，成功的進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)固沙驗(yàn)證。

防風(fēng)固沙和沙漠治理的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，是將沙漠的植被和生態(tài)恢復(fù)。因此，生物固沙與植被生長(zhǎng)之間的相互作用也在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中被關(guān)注。生物固化層可為沙漠植物的萌發(fā)和生長(zhǎng)提供固定，并且土表面滲透性的下降和微觀結(jié)構(gòu)的變化可改善保水性能，有利于植物生長(zhǎng)。但是，處理液濃度較高的情況下，植物的生長(zhǎng)會(huì)受到限制。Meng 等（2021）研究發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場(chǎng)條件下，當(dāng)膠結(jié)液濃度高于0.2 mol/L 時(shí)，MICP處理對(duì)當(dāng)?shù)厣成参锓N子萌發(fā)和生長(zhǎng)具有一定的抑制作用。Hodges 和 Lingwall（2020b）通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，MICP處理后的土地仍然可以生長(zhǎng)植物，但是某些情況下植物生長(zhǎng)受到影響。作者研究團(tuán)隊(duì)在內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地的另一現(xiàn)場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)，生物固化處理的沙地上草的生長(zhǎng)明顯改善，處理時(shí)和處理一年后的對(duì)比見圖4。場(chǎng)地采用MICP法進(jìn)行一次噴灑固化處理，場(chǎng)地周邊進(jìn)行圍擋防止放牧進(jìn)入。生物固化土對(duì)根系固定作用、保水作用、化學(xué)成分改變、食草動(dòng)物干擾等因素對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，還有待進(jìn)一步的探索。

圖4 渾善達(dá)克沙地沙坡生物固化處理前(a)和處理后一年(b)植被對(duì)比圖Fig. 4 Photographs of vegetations before (a) and one year after (b) the bio-cementation treatment of a sandy slope in Shunshandake Desert

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)基于生物固土技術(shù)的防風(fēng)固沙研究進(jìn)行了回顧和分析，包括生物過程、生物處理方法、抗風(fēng)效果及評(píng)價(jià)方法等。主要采用的生物過程包括基于微生物或酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉積（MICP或EICP）的礦化固土技術(shù)。此外，黃原膠等生物高聚物與碳酸鈣沉積固土聯(lián)合使用，可獲得更好的固土效果。通過土壤風(fēng)蝕過程的回顧，了解到除了風(fēng)力本身，風(fēng)攜帶的躍移顆粒對(duì)土的撞擊，也是侵蝕破壞的重要因素，這在固化土風(fēng)蝕試驗(yàn)中體現(xiàn)明顯。室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，以尿素和鈣鹽作為處理材料，用細(xì)菌或脲酶作為催化誘導(dǎo)媒介，對(duì)土體進(jìn)行單遍噴灑處理即可獲得很好的抗風(fēng)效果。室內(nèi)抗風(fēng)試驗(yàn)中， 將風(fēng)蝕速率與臨界起動(dòng)風(fēng)速兩個(gè)指標(biāo)結(jié)合是較為合理的風(fēng)蝕評(píng)估方法。在室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)條件下，表面貫入強(qiáng)度測(cè)試可用來快速測(cè)定處理效果和抗風(fēng)性能。

就目前的研究結(jié)果看，生物固土應(yīng)用于防風(fēng)固沙技術(shù)效果良好，且簡(jiǎn)單易行。為了將該方法推向?qū)嵱?，仍有一些問題和難點(diǎn)需要解決，主要包括以下幾點(diǎn)：（1）在真實(shí)環(huán)境中，除了風(fēng)力侵蝕，土壤還承受降雨（雨滴濺蝕、地表水流、酸雨等）、干濕變化、溫度變化、放牧等天然和人為因素破壞和侵蝕（黃明等，2018; 劉士雨等，2019；Liu et al., 2019, 2020; Liu and Gao, 2020; Cheng et al., 2020），這些因素與風(fēng)力的共同作用下生物固化土的抗風(fēng)能力及其耐久性還需進(jìn)一步研究；（2）生物固化土中植被生長(zhǎng)和生態(tài)恢復(fù)的能力，目前僅有少量驗(yàn)證結(jié)果（Hodges and Lingwall, 2020b; Li et al., 2020; Meng et al., 2021），還需深入分析，此外，生物固化處理過程的環(huán)境影響，如氨氣釋放、pH改變等，還需要進(jìn)一步研究；（3）大面積的土體固化處理需要大量的處理材料，特別是水的用量很大，大體積處理液的制備、運(yùn)輸和噴灑處理的方法，需要進(jìn)一步研究開發(fā)。