李中義，邵光輝,2*，馬志剛

(1. 南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210037)

我國(guó)黃河中下游平原以及東部沿海地區(qū)廣泛分布的粉土，因其顆粒細(xì)小、粒間黏結(jié)力弱、土質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，易沖刷、易揚(yáng)塵，水土流失等問題突出[1]。如何對(duì)粉土坡面進(jìn)行有效防護(hù)，是水土保持、土木和水利工程等領(lǐng)域經(jīng)常面臨的實(shí)際問題。常用的粉土邊坡表面防護(hù)方法包括表面噴灑高分子聚合物固土劑、種植草皮、土工合成材料防護(hù)、砌塊植草防護(hù)等。周云艷等[2]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的工程固土方法存在很多弊端，而植物防護(hù)與傳統(tǒng)固土措施相結(jié)合，可以避免這些弊端，并且達(dá)到美化環(huán)境的效果。付江濤等[3]分析了植物邊坡防護(hù)在水文和力學(xué)方面的效應(yīng)，表明植物邊坡防護(hù)具有花費(fèi)小、維護(hù)便捷以及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此植物護(hù)坡技術(shù)會(huì)成為邊坡防護(hù)技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)[2]。因?yàn)榉弁吝吰碌母吡魇匦?，噴播植草往往?huì)出現(xiàn)坡面植物尚未生長(zhǎng)穩(wěn)定，雨水沖溝卻先形成的現(xiàn)象，導(dǎo)致部分植被防護(hù)失效。除了植物護(hù)坡外，微生物固化松散土體是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)[4]。該技術(shù)通過向土體中引入特定的微生物和相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)鹽，利用微生物誘導(dǎo)的礦化作用(MICP)膠結(jié)松散土顆粒。因其膠結(jié)完全是生物礦化過程，所以與傳統(tǒng)的固化劑固土技術(shù)相比具有更加綠色環(huán)保的突出優(yōu)點(diǎn)。一些學(xué)者在微生物固化土體坡面的技術(shù)方面開展了有益的嘗試。Bang等[5]發(fā)現(xiàn)通過菌液和膠結(jié)液噴灑到砂表面，會(huì)在砂表面形成一定厚度的固化層，達(dá)到土體表層加固的目的。Jiang等[6]采用微生物固化技術(shù)使土壤內(nèi)部細(xì)小顆粒的抗水流侵蝕能力顯著增強(qiáng)。彭邦陽(yáng)等[7]采用表面入滲的微生物固土方法獲得了水穩(wěn)定性良好的粉土表面固化層。邵光輝等[8]采用微生物砂漿固化粉土邊坡表層，使粉土坡面的剝蝕率從29.6 g/(m2·s)降低到6.8 g/(m2·s)。榮輝[9]觀察了表面經(jīng)微生物膠結(jié)后的砂土中黑麥草的生長(zhǎng)情況，結(jié)果表明微生物固化砂土表層具有良好的植物生態(tài)相容性。

將微生物護(hù)坡技術(shù)與植物防護(hù)技術(shù)相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)邊坡抗侵蝕與環(huán)境綠化的雙重目標(biāo)。微生物固化粉土坡面的植物適生性直接影響到微生物固土與植物組合護(hù)坡技術(shù)的效果，就這一問題開展研究對(duì)推進(jìn)微生物生態(tài)護(hù)坡技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

本研究利用巴氏芽孢桿菌以及膠結(jié)液噴灑處理固化粉土坡面，通過改變膠結(jié)參數(shù)，分析粉土表層固化層的力學(xué)特性對(duì)兩種草本植物出苗生長(zhǎng)情況的影響。探討微生物固化后粉土坡面的植物適生性，為微生物固土技術(shù)與生態(tài)護(hù)坡技術(shù)相結(jié)合提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)粉土為人工吹填粉土，取自江蘇省東部填海造陸地區(qū)。粉土塑性指數(shù)Ip=5.8。土中各粒徑顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：粒徑<0.005 mm為4.7%，≥0.005～0.075 mm為74.76%，≥0.075～0.250 mm為12.12%，≥0.250～0.500 mm為1.92%，≥0.500～2.000 mm為0.20%。不均勻系數(shù)Cu=4.0，曲率系數(shù)Cc=1.4，屬于級(jí)配不良土。

1.1.2 微生物菌種與培養(yǎng)

選用巴氏芽孢桿菌(Sporosarcinapasteurii，DSM33)，采用DSMZ推薦的液體培養(yǎng)基培養(yǎng)(Medium 220 + urea(20 g/L))。細(xì)菌接種比例為1∶800，在30 ℃、135 r/min恒溫箱中振蕩培養(yǎng)，培養(yǎng)過后的菌液用營(yíng)養(yǎng)液稀釋100倍。本研究未稀釋前菌液的OD600為1.28±0.05，電導(dǎo)率法測(cè)得的脲酶活性為(5.5±0.1) mS/(cm·min)。

1.1.3 膠結(jié)液

膠結(jié)液由CaCl2和尿素按照等摩爾濃度混合而成，按0.75，1.00和1.25 mol/L進(jìn)行配制。

1.1.4 試驗(yàn)草籽

選擇高羊茅、披堿草兩種常見草本植物開展微生物固化粉土坡面植物適生性試驗(yàn)。高羊茅是國(guó)內(nèi)大量使用的冷季型草坪草，披堿草耐旱、耐堿、抗風(fēng)沙特性突出。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 微生物固化粉土表層試驗(yàn)

在直徑為20 cm的圓柱形容器中分層裝入10 cm厚粉土，干密度ρd=1.40 g/cm3。首先，向粉土試樣表面噴灑菌液，靜置12 h；然后分3輪噴灑膠結(jié)液，噴灑每輪膠結(jié)液間隔12 h。菌液與每輪膠結(jié)液的噴灑量均為0.06 mL/cm2。

1)固化層貫入阻力測(cè)定：采用微型貫入儀(型號(hào)PS-MPT-A)測(cè)試粉土表層固化層的貫入阻力[8]，通過測(cè)定貫入粉土一定深度時(shí)的阻力作為粉土表層固化層的強(qiáng)度指標(biāo)。

2)固化層水穩(wěn)定性測(cè)定：通過崩解率和貫入阻力損失率來(lái)評(píng)價(jià)粉土表層固化層的水穩(wěn)定性。崩解率反映土體由于浸水發(fā)生碎裂、散體的現(xiàn)象，作為評(píng)價(jià)土體可蝕性的指標(biāo)[10]。參照簡(jiǎn)文彬等[11]提出的測(cè)試崩解率的裝置與方法，取粉土表層固化層試樣，放入燒杯中烘干稱質(zhì)量后裝入孔徑為2 mm的網(wǎng)袋中浸水12 h，取出試樣放入105 ℃的烘箱中，烘干稱質(zhì)量，測(cè)定試樣的干質(zhì)量損失率作為崩解率。

測(cè)定微生物加固后粉土試樣的貫入阻力值后，再將試樣整體浸入水中，浸泡12 h，測(cè)定浸泡后試樣的貫入阻力值，計(jì)算出貫入阻力損失率[8]。

3)固化層碳酸鈣生成量測(cè)定：微生物噴灑固化粉土表層后，菌液與膠結(jié)液的生物誘導(dǎo)礦化反應(yīng)會(huì)生成具有膠結(jié)作用的碳酸鈣，從而使粉土表層固化層有一定的強(qiáng)度。因此，碳酸鈣生成量是影響粉土表層微生物固化層強(qiáng)度的重要參量。采用鹽酸浸泡法[12]測(cè)定固化層碳酸鈣生成量，取粉土試樣的表層固化層烘干，用刀刮去表層固化層下部的松散粉土，稱取剩余表層固化層的質(zhì)量，將稀釋的1 mol/L鹽酸倒入燒杯中，用玻璃棒持續(xù)攪拌至無(wú)氣泡產(chǎn)生；用真空抽濾裝置對(duì)反應(yīng)后的粉土試樣進(jìn)行真空抽濾，并用去離子水多次洗滌。過濾后的試樣置于烘箱內(nèi)105 ℃烘干后稱質(zhì)量，酸洗前后土樣干質(zhì)量損失量即為CaCO3質(zhì)量。采用CaCO3質(zhì)量占所測(cè)干土樣質(zhì)量(不含CaCO3質(zhì)量)的百分比來(lái)表示微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的CaCO3生成量。

1.2.2 植物生長(zhǎng)試驗(yàn)

將高羊茅、披堿草草籽分別按照各自的適播深度播種在粉土表面以下1和3 cm處，然后分別取菌液和膠結(jié)液交替噴灑固化粉土表層。以膠結(jié)液濃度為變量，按0.75，1.00和1.25 mol/L分組試驗(yàn)。每組試樣噴灑3輪，每輪菌液和膠結(jié)液噴灑量均為0.06 mL/cm2。每種草籽的試樣各留一組粉土表層不作微生物固化作為對(duì)照樣，僅噴灑與微生物固化方法等量的水。將試樣置于恒溫光照培養(yǎng)箱中，參數(shù)設(shè)定為光照12 h，溫度25 ℃，光照度9 000 lx；黑暗12 h，溫度20 ℃，光照度0 lx。測(cè)定20 d內(nèi)兩種草籽的出苗時(shí)間和出苗數(shù)量，按照式(1)和式(2)分別計(jì)算出苗率、出苗速率指數(shù)[13-15]。

(1)

Gi=∑Gt/Dt

(2)

式中：GP為出苗率；GN為種子出苗總數(shù)；SN為所測(cè)種子總數(shù)；Gi為出苗速率指數(shù)；Gt、Dt分別為第t天的出苗數(shù)和相對(duì)應(yīng)的出苗天數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉土表層固化層強(qiáng)度與水穩(wěn)定性

2.1.1 固化層強(qiáng)度

固化層強(qiáng)度是影響植物生長(zhǎng)萌出的重要條件。試驗(yàn)測(cè)得僅噴灑水的粉土表層貫入阻力為40 kPa，經(jīng)微生物固化處理后粉土表層貫入阻力最高達(dá)到360 kPa，固化層平均厚度為1.2 mm。采用不同濃度膠結(jié)液噴灑粉土表面形成的固化層貫入阻力和碳酸鈣生成量變化曲線見圖1?？梢?，隨著膠結(jié)液濃度增加，碳酸鈣生成量與固化層貫入阻力均隨之提高，碳酸鈣生成量與固化層貫入阻力具有很好的一致性。在噴灑遍數(shù)和單位面積噴灑量一定的情況下，可以通過提高膠結(jié)液濃度獲得更高的粉土表層固化層強(qiáng)度。

圖1 微生物固化層的碳酸鈣生成量與貫入阻力Fig. 1 Calcium content and penetration resistance of microbial solidification layer

2.1.2 固化層水穩(wěn)定性

未經(jīng)微生物固化處理的粉土在水中完全崩解。采用不同濃度膠結(jié)液噴灑粉土表面形成的固化層崩解率與貫入阻力損失率變化曲線見圖2。隨著膠結(jié)液濃度增加，固化層崩解率隨之降低。0.75 mol/L膠結(jié)液對(duì)應(yīng)的崩解率為84.7%，1.25 mol/L膠結(jié)液對(duì)應(yīng)的崩解率降至70.3%。隨著膠結(jié)液濃度增加貫入阻力損失率比崩解率衰減更快，貫入阻力損失率由未處理粉土的100%降至1.25 mol/L膠結(jié)液對(duì)應(yīng)的26.2%。結(jié)果表明，采用較高濃度的膠結(jié)液有利于降低固化層的崩解率和強(qiáng)度損失率，提高粉土表層固化層的水穩(wěn)定性。

圖2 微生物固化層的崩解率與貫入阻力損失率Fig. 2 Disintegration rate and penetration resistance loss ratio of microbial solidification layer

2.2 植物生長(zhǎng)情況

微生物固化粉土表層相當(dāng)于在土體表面形成了一層結(jié)皮。已有研究表明，土壤結(jié)皮會(huì)使土壤表面強(qiáng)度增大，土壤孔隙被堵塞，導(dǎo)致土壤的導(dǎo)水性變差，阻礙土壤的通氣和透水性，將會(huì)直接影響植物種子的萌發(fā)、出苗和生長(zhǎng)[16]。土壤結(jié)皮影響大氣與土壤中氧氣的交換，從而將影響種子的發(fā)芽[17]。

2.2.1 高羊茅生長(zhǎng)情況

高羊茅培養(yǎng)20 d的萌發(fā)進(jìn)程曲線見圖3。通過出苗率曲線(圖3a)可見，在表層未固化的粉土中(膠結(jié)液濃度為0 mol/L，下同)，高羊茅的初始出苗時(shí)間為2 d，出苗率在3～11 d快速增長(zhǎng)，12 d后出苗率基本穩(wěn)定。采用0.75和1.00 mol/L的膠結(jié)液固化粉土表層后，高羊茅的初始出苗時(shí)間為6 d，出苗率在7～14 d快速增長(zhǎng)，15 d后出苗率基本穩(wěn)定。出苗率與未處理粉土相比僅降低了8.9%。可見采用膠結(jié)液濃度0.75和1.00 mol/L的微生物方法固化粉土表層對(duì)高羊茅的出苗率影響較小。另一方面，采用1.25 mol/L的膠結(jié)液固化粉土表層后，對(duì)高羊茅的出苗率影響很大。高羊茅的初始出苗時(shí)間為7 d，延遲5 d，但是20 d出苗率卻大幅下降。出苗速率指數(shù)是表征種子活力的指標(biāo)，比出苗率更能靈敏地表現(xiàn)種子活力[15]。出苗速率指數(shù)高表明該種子出苗所用的時(shí)間短，出苗速度快。由出苗速率指數(shù)曲線(圖3b)可見，在未處理粉土中高羊茅在11 d內(nèi)出苗速率指數(shù)就達(dá)到峰值，20 d出苗速率指數(shù)為14.6。采用0.75和1.00 mol/L的膠結(jié)液固化粉土表層后，出苗速率指數(shù)大幅下降，分別為7.6和8.0，表明微生物固化粉土表層后雖然對(duì)高羊茅出苗率影響較小，但是對(duì)種子活力產(chǎn)生了很大影響，出苗速度減慢。采用1.25 mol/L的膠結(jié)液固化粉土表層后，出苗速率指數(shù)降至4.2，出苗速率大幅降低。

圖3 高羊茅萌發(fā)進(jìn)程曲線Fig. 3 Emergence rate curves of Festuca elata Keng ex E. Alexeev

圖4 披堿草萌發(fā)進(jìn)程曲線Fig. 4 Emergence rate curves of Elymus dahuricus Turcz.

2.2.2 披堿草生長(zhǎng)情況

披堿草培養(yǎng)20 d的萌發(fā)進(jìn)程曲線見圖4。在表層未固化的粉土中，披堿草的初始出苗時(shí)間為4 d，14 d后出苗率趨于穩(wěn)定，20 d出苗率為85%，出苗速率指數(shù)為8.79。微生物固化粉土表層后，披堿草的初始出苗時(shí)間延遲了5 d，20 d出苗率隨著膠結(jié)液濃度的提高而降低，僅為23%～34%，出苗速率指數(shù)最低僅1.80，表明微生物固化層對(duì)披堿草的出苗生長(zhǎng)產(chǎn)生了顯著的不利影響。

2.2.3 高羊茅和披堿草的適生性對(duì)比

高羊茅和披堿草在不同表層固化條件下粉土中的出苗情況見表1。在表層未固化的粉土中，高羊茅的20 d出苗率為90%，出苗速率指數(shù)為14.43。披堿草的20 d出苗率為85%，出苗速率指數(shù)為8.79。對(duì)比可見，未處理粉土適于高羊茅生長(zhǎng)，但披堿草的生長(zhǎng)情況相對(duì)較差。

粉土表層固化后，高羊茅的初始出苗時(shí)間滯后4～5 d，20 d出苗率降低了8.9%～41.1%。披堿草在表層固化的粉土中初始出苗時(shí)間滯后5 d，20 d出苗率降低了60.0%～72.9%?？梢?，采用濃度0.75～1.00 mol/L的膠結(jié)液固化粉土坡面后，高羊茅依舊適于生長(zhǎng)。但采用更高濃度膠結(jié)液固化粉土坡面后，高羊茅的適生性明顯降低。對(duì)披堿草而言，無(wú)論膠結(jié)液濃度如何，微生物固化層均對(duì)其出苗產(chǎn)生了很大影響。因此，經(jīng)微生物固化表層后的粉土坡面不適于披堿草的生長(zhǎng)。

表1 粉土表層固化前后植物的出苗情況Table 1 Emergence of the grass seed in treated and untreated silty soil

2.3 固化層強(qiáng)度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

高羊茅和披堿草的20 d出苗率與貫入阻力關(guān)系曲線見圖5。可見，隨著固化層貫入阻力的提高，兩種植物的出苗率都隨之降低。粉土固化層強(qiáng)度在280 kPa以下時(shí)，對(duì)高羊茅出苗率影響不大，能夠滿足其發(fā)芽生長(zhǎng)的需要;強(qiáng)度高于280 kPa的固化層則不適于高羊茅出苗生長(zhǎng)。同等條件下，披堿草的適生性較差。當(dāng)粉土固化層強(qiáng)度為230 kPa時(shí)，披堿草的20 d出苗率低于35%。

圖5 草籽20 d出苗率與貫入阻力關(guān)系曲線Fig. 5 Correlation curves of emergence rate and penetration resistance after growing for 20 d of grass seed

3 討 論

Chu等[18]在研究中發(fā)現(xiàn)微生物固土形成的微生物砂漿表層硬殼強(qiáng)度可達(dá)到35.9 MPa，雖然存在厚度不足的問題，但足以在土體加固中起到堤岸抗侵蝕和邊坡防護(hù)的作用。榮輝[9]研究了黑麥草在未固化砂中的出苗時(shí)間為4 d。在表面噴灑微生物水泥固砂劑的情況下，由于砂土表層形成了一層固化層約束了幼芽破土生長(zhǎng)，導(dǎo)致黑麥草的出苗時(shí)間為7 d，相較未噴灑微生物水泥的出苗時(shí)間推遲了3 d，但出苗后的生長(zhǎng)情況差異不大。這與本試驗(yàn)結(jié)果相類似。由于表層粉土的物理性能發(fā)生了改變，從而導(dǎo)致了植物的出苗時(shí)間、出苗率發(fā)生改變。武婷婷等[19]研究表明，土壤結(jié)皮阻礙雙子葉植物幼苗胚軸的向上運(yùn)動(dòng)，因而影響植物出苗。吳發(fā)啟等[20]研究發(fā)現(xiàn)，隨結(jié)皮厚度和強(qiáng)度的增加，小麥出苗率減少量增加，結(jié)皮形成了一個(gè)致密堅(jiān)實(shí)的蓋層，壓抑阻礙了小麥芽破土出苗，而且對(duì)已經(jīng)破土出露的幼苗，在堅(jiān)硬土層的擠壓下，生長(zhǎng)受到阻礙。本試驗(yàn)采用的高羊茅和披堿草與小麥同屬于單子葉禾本科植物，種子具有類似的萌發(fā)特性。由此推斷微生物固化粉土表層的固化層阻礙了植物幼苗破土生長(zhǎng)，導(dǎo)致出苗率和出苗速率均下降。固化層強(qiáng)度是約束植物出苗的重要因素。

本研究?jī)H從固化層對(duì)草本植物出苗、生長(zhǎng)的物理約束角度討論微生物固化粉土表層坡面的植物適生性問題。在微生物固化粉土表層的過程中，菌液中的培養(yǎng)基、膠結(jié)液中的鹽分和生物礦化代謝產(chǎn)物都會(huì)滲入粉土當(dāng)中，改變一定深度范圍內(nèi)粉土的離子化學(xué)環(huán)境。這些條件的變化也可能對(duì)植物種子萌芽與生長(zhǎng)造成影響，該方面問題的研究仍在進(jìn)行中。

4 結(jié) 論

針對(duì)微生物加固粉土坡面的植物適生性影響開展研究，分析了粉土表層固化層強(qiáng)度與水穩(wěn)定性指標(biāo)的變化特性，及其對(duì)草本植物生長(zhǎng)的影響，得出以下結(jié)論：

1)在噴灑遍數(shù)和單位面積噴灑量一定的情況下，提高膠結(jié)液濃度能夠獲得更高的粉土表層固化層強(qiáng)度。采用高濃度的膠結(jié)液形成的固化層水穩(wěn)定性更好。

2)采用菌液和濃度為0.75～1.00 mol/L、噴灑量為0.06 mL/cm2的膠結(jié)液噴灑3遍固化粉土坡面，既可保證粉土坡面具有一定防護(hù)強(qiáng)度，也可保證高羊茅良好的適生性。披堿草在微生物固化表層后的粉土中生長(zhǎng)情況較差。

3)粉土坡面經(jīng)微生物固化后，高羊茅和披堿草的出苗率和出苗速率指數(shù)隨著固化層貫入阻力的提高而降低。固化層阻礙了植物幼苗破土生長(zhǎng)，導(dǎo)致出苗率下降和出苗時(shí)間延遲。植物種類和固化層強(qiáng)度是影響植物適生性的重要因素。