何 稼，吳 敏，孟 浩，亓永帥，高玉峰

河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098

1 引言

土地沙漠化是當今世界面臨的最為嚴峻的生態(tài)環(huán)境問題之一，全球沙漠化面積占整個陸地面積的1/3，100多個國家和近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，1999）。在中國問題尤為嚴重。2015年第五次全國荒漠化和沙化土地監(jiān)測結果顯示，全國荒漠化土地面積261萬平方公里，占國土面積的27.2%；沙化土地面積172萬平方公里，占國土面積的17.9%；有明顯沙化趨勢的土地面積30萬平方公里，占國土面積的3.1%（http://www.forestry.gov.cn）。中國每年都有大量的農(nóng)田和草場受風沙危害，大量水庫和灌溉渠受風沙侵襲，數(shù)千公里公路和鐵路經(jīng)常性受到風沙掩埋，造成的直接和間接經(jīng)濟損失巨大。干旱和半干旱地區(qū)風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，風很容易吹走沙性土壤表面松散的細小顆粒。缺少這些細小顆粒往往不利于保藏有機物和其他植物生長所必需的營養(yǎng)物質，由此造成土壤退化并逐漸導致沙漠化。另外，被強風帶走的細小土顆粒容易懸浮于空氣中并被風力搬運至他處，造成能見度下降及空氣、水污染，威脅人類生命健康。

國內外普遍采用的防風固沙手段有工程固沙、植物固沙和化學固沙（朱俊鳳和朱震達，1999）。工程固沙是利用工程機械技術，在沙地表面設置沙障，如草方格、柵欄式沙障等，以達到阻沙或固沙的目的。工程固沙由于沙障防護高度有限，容易被流沙掩埋，其防護時間較短，無法徹底實現(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，達到降低風速、防止風蝕、固定流沙、植被恢復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，且植物根系在流動沙地缺少固定易暴露，人工種植植物存活率較低且生長周期長。化學固沙是指向流動沙丘（地）表面噴灑具有固化、保水等作用的化學物質，將松散的沙土顆粒粘接在一起以達到固沙的目的。然而這種方法往往成本較高，且部分化學試劑具有毒性或不易降解的物質，可能造成環(huán)境污染。

常規(guī)防風固沙手段在技術性能、經(jīng)濟性和環(huán)保生態(tài)等方面存在諸多問題。近年來，一些學者提出了用微生物或酶誘導催化生成的固化物進行土壤固化和防風固沙的方法。本文首先介紹這些生物固土的原理和方法。在此基礎上，進一步總結分析近年來基于這些生物固土方法的防風固沙室內和現(xiàn)場研究。生物固土技術發(fā)展至今有十幾年時間，相關的綜述文獻包括了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。本文的關注點是使用生物固土進行防風固沙及其相關的研究，包括生物過程、生物處理方法、抗風效果及評價方法等，以期對這一新領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)生結晶或非結晶無機化合物，這些過程被稱為微生物礦化。當這些微生物作用發(fā)生在土壤中時，產(chǎn)生的無機化合物可以填充土壤孔隙并膠結顆粒，使土體獲得較高的粘聚力和強度。微生物對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，如碳酸鈣、氫氧化鐵等。如果生成的無機物呈結晶狀，可以形成很強的膠結作用，顯著提高土壤的抗剪強度。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。這一微生物反應過程中，脲酶細菌催化誘導尿素的水解，反應系統(tǒng)中的鈣離子與尿素水解產(chǎn)生的碳酸根結合，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，主要會給土體的物理力學性質帶來兩方面的變化。一是土體強度和剛度的增長，即生物膠結；二是土體滲透性的下降，即生物防滲，如圖1所示。大量的研究結果表明，MICP過程生成的碳酸鈣結晶體，對砂土等粗粒土有很好的處理效率和加固效果。在膠結物含量相同的情況下，MICP固結土體的強度與硅酸鹽水泥相似或略高，整體強度最高可以高達幾十兆帕（程曉輝等，2013），滲透系數(shù)可下降約兩個數(shù)量級（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、土體抵抗風力、水力侵蝕等應用研究（何稼等，2016）。

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

2.2 酶誘導礦化

在基于尿素水解過程的MICP法中，起到誘導催化作用的是細菌中的脲酶。自然界中，除了脲酶細菌，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（Enzyme induced carbonate precipitation, EICP）得到了許多的研究關注。在一些研究中，脲酶試劑被用于誘導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)境治理和工程建設等大規(guī)模應用中成本很高。另一種便捷廉價獲取脲酶的方式是通過細菌或植物細胞的裂解來進行提取。在最近的研究中，用機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)點和局限（Gao et al., 2019c; He et al., 2020）。細菌尺寸一般是微米級的，而酶分子一般是納米級的。這使得EICP法在處理細粒土和深部土體時可獲得更好的均勻性。另外，由于植物脲酶的提取相對簡單，在大規(guī)模應用中避免了較為復雜的細菌培養(yǎng)過程。但是，由于缺少細胞結構的保護，直接使用酶液進行土體處理，酶活性衰減較快，導致后期反應速率較慢。若要獲得較快的反應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，有著很強的粘結性能，可用于土體的膠結和固化。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合使用，可以發(fā)揮各自力學性能的特長，并且黃原膠可以調節(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。許多結果表明，多孔介質的滲透性可以因生物膜的形成減少了2~4個數(shù)量級（Proto et al., 2016; Thullner, 2010）。生物膜可被用于土體滲漏修復和保水等。

3 生物固化土防風固沙研究

3.1 風力侵蝕過程介紹

關于風力作用下，表層土顆粒的受力、起動脫離和運動過程的規(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）。對這些規(guī)律的理解，有助于針對性的研發(fā)防風固沙技術。在這一部分中，將對土顆粒受風力侵蝕過程進行粗淺的介紹，使讀者對問題有所理解。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，風荷載引起的拖拽力Fd和浮托力FL。以接觸點P為支點，當拖拽力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，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)生移動的臨界起動風速，

圖2 土顆粒風力作用下起動示意圖 （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)相關的系數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗約等于0.1。臨界起動風速u*t中，下標t代表臨界狀態(tài)（Threshold），*表示臨近土體表層的摩阻風速。近地表空氣中，風速受到地面摩擦阻力的影響而降低，一般認為風速與地面高度的對數(shù)成正比，即，

式中，k是卡曼常數(shù)，約為0.4，u是對應高度z的風速，z0是空氣動力學粗糙度，一般認為，

其中，ks約為土顆粒的平均粒徑。由氣流引起的剪應力與摩阻風速是相關的，即，

由上述方法計算的臨界起動風速，實際情況中受到顆粒大小、土體濕度、地形、風向、植被等因素的影響。需要注意，考慮風沙顆粒撞擊的臨界沖擊起動風速，要比上述不考慮風沙顆粒影響的臨界起動風速小，即風沙流更容易引起顆粒起動。此外，特別細的顆粒，受到表面吸附水膜的粘著力作用，不易起動。粒徑在0.015～0.5 mm范圍時，0.1 mm左右顆粒最容易起動（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風速的實測值。

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

當達到臨界起動風速時，地表土顆粒開始運動。運動的方式可分為三種，即懸移、躍移和蠕移（吳發(fā)啟和張洪江，2012；姬亞芹等，2015）。懸移顆粒長時間懸浮于空氣中而不降落，做長距離搬運，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量加速前進，又在自身重力作用下以很小的銳角落向地面，并對地表顆粒產(chǎn)生沖擊飛濺，造成顆粒的連續(xù)跳躍式運動。粒徑在0.1～0.15 mm范圍的顆粒最易以躍移方式運動，躍移高度一般不超過30 cm，大多數(shù)在5 cm范圍內活動，下落角度一般在10～16度之間。土顆粒在地表滑動或滾動稱為蠕移，蠕移運動的顆粒粒徑一般在0.5～2 mm之間。風沙運動以躍移形式最為重要。一方面，風沙搬運的物質中，躍移形式占到70%~80%，且懸移和蠕移運動往往也和躍移顆粒作用有關。另一方面，躍移顆粒的沖擊是破壞土體表面并造成風蝕的主要原因。因此，認識躍移運動的特性及其影響非常重要。

3.2 生物固化土抗風力侵蝕室內試驗研究

目前，生物固化土抗風力侵蝕的研究多基于室內風力侵蝕試驗，輔助以其他的物理力學檢測手段。表2匯總分析了近幾年相關的試驗研究。從問題和研究對象來說，大部分的研究集中于沙漠和其他干旱、半干旱地區(qū)的土壤風力侵蝕。選用的試驗土來自于中國西北、中亞和美國西部等風力侵蝕嚴重地區(qū)。其中，沙漠中的風沙土以級配不良、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，其他類型的土壤風力侵蝕和粉塵污染問題，如火災焦土的侵蝕、礦區(qū)和建筑工地粉塵污染等，也在相關研究中有涉及（Hodges and Lingwall, 2020a）。

紹介類分驗試蝕風內室土化固物生2 表Table 2 Classification and introduction of laboratory wind erosion tests on biocemented soil錐，圓量（含段驗鈣手試酸估入碳評面），貫他其表頭XRD評量果質效蝕風果風抗效以的及驗更試了風30 m/s，好到抗達起高渣最廢速糖風蔗驗，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（S. Pasteurii）菌細層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0.1 mol/L ，估率理速處蝕和風混以預，速風驗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。面預最液表用化氯、素尿鈣（S. Pasteurii）菌細和粒土砂合，混砂的細半，各砂粒粗粘中粉（0.6 度），深沿驗針和試頭量貫徑鈣，SEM入平含表mm直酸布面碳分最土），蝕撞數(shù)級風粒1個量擊以顆升數(shù)躍果2~4個粒），移提撞顆擊慮效生移撞考土以躍粒。固可有顆估風則6.8 m/s（移評防擊躍率將撞無速可慮驗25 m/s（蝕化考速風固不風和物，數(shù)生級試高粒擊量膠原3 g/m2 黃合混80 g/m2，量加施理鈣處酸灑醋噴鈣酸醋細Megaterium）（B. 菌英石，土沙風勤主民為肅粒甘砂土（Pocket 貫壤珍儀袖入penetrometer），沉估物評礦量有蝕也風菌以細，加速添風未驗，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1～）含砂（粉土的焦粒燒顆燃山20%細火面表定測驗Torvane試度強上未20 m/s以，風20 cm）抗上可以，面3.5 m/s估表約評土風速于抗風位能動量只起測體界速土臨風理以（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）菌細英石區(qū)地蝕風砂重質嚴鈣朗和伊砂，驗度試密抗驗SEM 壓，無滲XRD，限試側透整理完處體，土估持評保速速風界16 m/s風動起臨抗和可量上質以蝕及風遍以三+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）菌細沙徑漠粒沙要里主格（騰土0.25 mm）中風0.1～衛(wèi)沙夏頭圍寧坡范密，驗試壓側，SEM 抗限無度加，估評強量增質數(shù)蝕遍風理以處量，隨且風并驗，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）菌細土砂良不配級，SEM，入貫微XRD 型，估上評以量級蝕量風數(shù)果效以2個理，低處速體定風土確驗理速15.3 m/s試處快未可較驗量試高蝕入最風貫 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）菌細土砂漠Yazd沙朗伊 ，有估維評纖量成蝕合風和以維，纖速麻風，果驗著效17.8 m/s試顯風果抗效升蝕提高風于最抗助棉及、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）菌細土砂 蝕風和量蝕風以顯，明速果風效驗土11.1 m/s試固，估評高率最速 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）菌細土砂獻文考參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)段手估評他其果效及驗試風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型類土獻文考參含（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效考考不EICP抗理躍躍慮慮慮考處估15 m/s（。于升評估高提速評遠可快量力膠可高蝕壞原驗最風破黃試速以蝕入入驗），風加貫風的，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，驗徑碳壤量試直透（），滲驗頭SEM 土含珍鈣，SEM，XRD袖酸度（Threshold detachment 于24 m/s，黃性能所力侵蝕，估速評風量上風速高體抗水，16 m/s以蝕風以動風速，可抗固化土速御風抵以velocity）評估于提高驗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標漠國美（Al Nafud沙砂島砂良半良不）伯不配砂拉配Woolley et al., 2020級準Almajed et al., 2020阿級，SEM鈣酸碳（Threshold detachment ，高更性至久25 m/s甚耐體化固風高抗提可成速，生風估鈣動評酸以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標細）主然國為天美粒那，砂桑砂以利礦均亞尾（國，砂美砂準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菌作為誘導催化媒介。在EICP法中，研究中可采用試劑級脲酶。在大規(guī)模應用中，可采用前文介紹的從植物或微生物中提取的粗脲酶誘導催化尿素水解。這一方法在技術難度和經(jīng)濟性上都具備較強的優(yōu)勢。黃原膠、奶粉等添加物，可調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、纖維等物質的加入也可以提高固化物的強度、延展性和其他力學性能（Anderson et al., 2014；吳敏等，2020）。在生物處理過程中，細菌液或酶液與膠結液（一般為尿素和氯化鈣）可以預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)生反應生成碳酸鈣沉淀。這一方面會造成反應物的浪費，另一方面也能到導致處理設備管路堵塞。Cui 等（2021）提出一種新型的EICP一步處理技術，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略調低，碳酸鈣此時不發(fā)生沉淀，反應過程中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，超過此用量往往會造成溢出浪費。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蝕效果。

生物固化土的抗風蝕試驗，需要從試驗條件和評價指標兩方面考慮。從表2可見，最高的測試風速為30 m/s，大多測試風速在15 m/s左右，15 m/s風速大約為7級風。試驗風速的選擇需要結合風蝕地區(qū)場地的氣象資料。另一需要考慮的問題是風蝕試驗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固土效果提升1個數(shù)量級，不考慮撞擊則可以生2~4個數(shù)量級。吳敏等（2020）中，在15 m/s風速下，同樣處理方法的固化土樣，考慮躍移顆粒撞擊的風蝕破壞力遠高于不考慮這一影響的破壞力。因此，忽略躍移顆粒撞擊，會導致風蝕破壞力被嚴重低估。此外，如上文所述，風洞試驗中的風速并不均勻，測試到的風速并不完全等于固化土體表面的風速。測量土體表面風速和由此引發(fā)的剪應力時，需要考慮風洞的形式、測量位置等因素的影響。在一定風速和由此引發(fā)的剪應力作用下，土體表層的侵蝕評估方式大致有兩類（表2）。一類是以某特定風速下的侵蝕速率或侵蝕量作為評價指標，例如單位面積單位時間土體的損失量。另一類是用臨界起動風速（Threshold detachment velocity）來評估抗風效果，風速小于此值時，只有少量浮塵和未膠結顆粒產(chǎn)生的質量損失，大于此值則產(chǎn)生明顯的風力侵蝕，且侵蝕速率和風速呈明顯正相關。將兩種評價指標結合，是較合理的評價方法。

除了風力侵蝕試驗，一些其他的測試手段也被用來進行抗風效果評估，如碳酸鈣含量和分布測量、掃描電鏡SEM、礦物成分分析、滲透性、強度測量等（表2）。其中，大量的研究采用了表面貫入強度測試。貫入試驗可有效評估表面固化土體的表面強度?？紤]到實驗室和現(xiàn)場條件中風蝕試驗進行困難，貫入試驗可用以簡單有效的評估固化土體抗風能力。如圖3所示，在一定的風速和持續(xù)時間條件下，土體的風蝕量和表面貫入強度值之間存在較高的相關性。表面強度達到一定值時，就可以有效的抵抗風力侵蝕。但是，在不同的試驗研究中，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行貫入試驗，Nikseresht 等（2020）采用了錐形頭進行試驗，F(xiàn)attahi 等（2020）采用了針頭進行試驗。不同貫入試驗結果之間的差異比較，以及試驗方法的標準化，需要進一步研究探索。

圖3 生物固化土風蝕試驗中風蝕量與表面強度關系（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 生物固化土抗風力侵蝕現(xiàn)場試驗研究

生物固土技術應用于防風固沙的現(xiàn)場試驗也有見于近期文獻(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法進行現(xiàn)場固沙試驗。試驗結果表明，采用0.2 mol/L的尿素、氯化鈣和菌液處理液進行噴灑處理，獲得了較持久的防風效果。Hodges 和 Lingwall（2020b）采用MICP法進行現(xiàn)場固化處理，使用0.33 mol/L的尿素、0.25 mol/L的氯化鈣和細菌進行噴灑處理，也獲得足夠的固化效果用以抵御風力和地表徑流的侵蝕。Li 等（2020）將MICP法和傳統(tǒng)的草方格技術聯(lián)合使用，發(fā)揮各自特長，成功的進行了現(xiàn)場固沙驗證。

防風固沙和沙漠治理的長遠目標，是將沙漠的植被和生態(tài)恢復。因此，生物固沙與植被生長之間的相互作用也在現(xiàn)場試驗中被關注。生物固化層可為沙漠植物的萌發(fā)和生長提供固定，并且土表面滲透性的下降和微觀結構的變化可改善保水性能，有利于植物生長。但是，處理液濃度較高的情況下，植物的生長會受到限制。Meng 等（2021）研究發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)場條件下，當膠結液濃度高于0.2 mol/L 時，MICP處理對當?shù)厣成参锓N子萌發(fā)和生長具有一定的抑制作用。Hodges 和 Lingwall（2020b）通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，MICP處理后的土地仍然可以生長植物，但是某些情況下植物生長受到影響。作者研究團隊在內蒙古渾善達克沙地的另一現(xiàn)場中發(fā)現(xiàn)，生物固化處理的沙地上草的生長明顯改善，處理時和處理一年后的對比見圖4。場地采用MICP法進行一次噴灑固化處理，場地周邊進行圍擋防止放牧進入。生物固化土對根系固定作用、保水作用、化學成分改變、食草動物干擾等因素對植物生長的影響，還有待進一步的探索。

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

4 結論與展望

本文對基于生物固土技術的防風固沙研究進行了回顧和分析，包括生物過程、生物處理方法、抗風效果及評價方法等。主要采用的生物過程包括基于微生物或酶誘導碳酸鈣沉積（MICP或EICP）的礦化固土技術。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。通過土壤風蝕過程的回顧，了解到除了風力本身，風攜帶的躍移顆粒對土的撞擊，也是侵蝕破壞的重要因素，這在固化土風蝕試驗中體現(xiàn)明顯。室內和現(xiàn)場試驗中，以尿素和鈣鹽作為處理材料，用細菌或脲酶作為催化誘導媒介，對土體進行單遍噴灑處理即可獲得很好的抗風效果。室內抗風試驗中， 將風蝕速率與臨界起動風速兩個指標結合是較為合理的風蝕評估方法。在室內和現(xiàn)場條件下，表面貫入強度測試可用來快速測定處理效果和抗風性能。

就目前的研究結果看，生物固土應用于防風固沙技術效果良好，且簡單易行。為了將該方法推向實用，仍有一些問題和難點需要解決，主要包括以下幾點：（1）在真實環(huán)境中，除了風力侵蝕，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），這些因素與風力的共同作用下生物固化土的抗風能力及其耐久性還需進一步研究；（2）生物固化土中植被生長和生態(tài)恢復的能力，目前僅有少量驗證結果（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、運輸和噴灑處理的方法，需要進一步研究開發(fā)。