邵光輝，楊 智，唐 彪，劉 鵬，黃容聘，趙志峰

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

1 引言

中國(guó)的黃土高原是地球上分布最集中、面積最大的黃土區(qū)，也是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一（李宗善等，2019；Ni et al., 2019）。流經(jīng)黃土高原的黃河攜帶大量泥沙在其下游形成了大面積的沖積平原。黃土經(jīng)黃河的剝蝕、搬運(yùn)和沉積，成為了黃河下游沖積平原的主要沉積物——粉土。這些粉土具有難壓實(shí)、易沖刷、強(qiáng)度低的特點(diǎn)。在該地區(qū)的道路、水利和農(nóng)業(yè)工程中，常常出現(xiàn)由于降雨沖刷引發(fā)的路堤、河壩、堤岸以及自然邊坡的侵蝕破壞與水土流失問(wèn)題（宋修廣等，2010）。采用水泥或高分子固化劑的化學(xué)加固是提高粉土抗侵蝕能力的常用方法（Wang et al., 2019；馬征等，2020）。但是生產(chǎn)水泥的過(guò)程高耗能、高排放，而高分子固化劑易在土中長(zhǎng)期殘留、難以降解。人們期待能夠有更加綠色、環(huán)保的固土材料提高粉土的抗侵蝕問(wèn)題。

微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation，MICP）是一種微生物礦化過(guò)程，利用其機(jī)理可以膠結(jié)加固松散土體，具有綠色環(huán)保的特點(diǎn)。該技術(shù)可以提高土壤的抗侵蝕性能、改善土壤的強(qiáng)度、剛度和滲透性（Mortensen et al., 2011; Jiang et al., 2017），近年來(lái)引起廣大學(xué)者的關(guān)注，并嘗試將其應(yīng)用于不同種類巖土體的表面抗侵蝕防護(hù)。

Gomez等（2015）開(kāi)展了微生物固化砂土表面的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在砂土表層形成了厚2.5 cm的表面固化層，水流侵蝕測(cè)試表明微生物固化層的抗侵蝕能力顯著高于未處理砂土。 Salifu等（2016）嘗試將MICP技術(shù)用于加固海岸前濱砂坡，用以抵抗潮汐侵蝕，微生物膠結(jié)砂顯著改善了邊坡穩(wěn)定性和抗侵蝕性，展現(xiàn)了護(hù)坡抗侵蝕的巨大潛力。劉璐等（2016）采用噴灑法的MICP技術(shù)處理細(xì)砂堤壩表層，開(kāi)展了水流侵蝕模型試驗(yàn)，結(jié)果表明，微生物加固堤壩表層能有效提高其抗侵蝕與抗?jié)B能力。邵光輝等（2017）采用以中砂為骨料的微生物砂漿對(duì)粉土坡面進(jìn)行防護(hù)處理，坡面防護(hù)層貫入阻力達(dá)310 kPa，浸水強(qiáng)度損失率和崩解率低，具有良好的水穩(wěn)定性和抗侵蝕能力。謝約翰等（2019）用噴灑法對(duì)黏性土表層進(jìn)行微生物加固后，發(fā)現(xiàn)土樣的崩解速率遠(yuǎn)低于未加固素土，土樣的細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，粗粒土質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，土樣表面結(jié)皮，提高了黏性土的抗侵蝕能力。Kou等（2020）研究了不同坡角下微生物固化砂坡的抗海浪沖刷侵蝕能力，發(fā)現(xiàn)砂坡的抗侵蝕能力與表面硬化層的貫入阻力呈非線性關(guān)系，經(jīng)微生物加固處理后，砂坡內(nèi)的砂粒之間存在連鎖膠結(jié)現(xiàn)象，提高了砂的抗侵蝕能力。

本研究通過(guò)室內(nèi)模擬降雨沖刷試驗(yàn)，分析微生物誘導(dǎo)礦化加固對(duì)粉土坡面徑流水動(dòng)力參數(shù)的影響，以及粉土坡面的降雨侵蝕性能變化規(guī)律，探討影響加固粉土坡面徑流與侵蝕特性的因素及其相互關(guān)系，為微生物固土技術(shù)在水土保持和工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供科學(xué)基礎(chǔ)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)土樣

粉土取自于江蘇省鹽城市，土粒比重ds=2.7，液限wL=21.2%，塑性指數(shù)Ip=8.0，粒徑分布在<0.01、0.01~0.05、>0.05~0.1和0.1~1.0 mm的土壤顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9.72%、54.3%、28.91%和7.07%。試驗(yàn)前將土樣置于105.5℃恒溫烘箱中烘干48 h。

2.2 菌種、營(yíng)養(yǎng)液及膠結(jié)液

巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteurii)來(lái)自德國(guó)菌種保藏中心（DSMZ33）。每L營(yíng)養(yǎng)液含15 g胰蛋白胨、5 g大豆蛋白胨、5 g NaCl、20 g尿素，加入去離子水并調(diào)節(jié)pH至7.3，經(jīng)121℃高溫蒸汽滅菌20 min。將菌種接種至營(yíng)養(yǎng)液中，在30℃和135 r/min的培養(yǎng)條件下恒溫振蕩培養(yǎng)20 h后制成菌液，濃度OD600為1.6，酶活性控制在8.0 mM urea hydrolysed/ min左右。在用于粉土表面噴灑前，將菌液用營(yíng)養(yǎng)液稀釋至濃度為1.2×106CFU/mL。

膠結(jié)液是尿素與氯化鈣的等摩爾濃度混合溶液，采用0.75 mol/L和1.00 mol/L兩種濃度的膠結(jié)液進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)裝置

降雨裝置如圖1，該裝置主要由雨滴發(fā)生器、降雨支架、沖刷槽、集水槽等組成。雨滴發(fā)生器的有效降雨面積為90 cm×30 cm，降雨均勻性系數(shù)K=0.89＞0.85，能夠理想地模擬自然降雨（Mohamed et al., 2019；Zhang et al., 2017）。模擬降雨強(qiáng)度Q=216 mm/h，達(dá)到暴雨級(jí)別（Jiang et al., 2014）。沖刷槽是不銹鋼材質(zhì)的無(wú)蓋淺槽（120 cm×30 cm× 5 cm），底部均勻分布直徑5 mm的孔洞供沖刷過(guò)程中下滲雨水流出。通過(guò)調(diào)整沖刷槽下墊塊可以改變?cè)嚇拥钠露取?/p>

圖1 降雨裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of rainfall device

2.4 試樣制備與試驗(yàn)方法

在沖刷槽底部鋪一層土工布，將粉土均勻鋪設(shè)在土工布上并壓實(shí)整平，粉土厚度5 cm，干密度為1.38 g/cm3，孔隙比0.96。向試樣表面均勻噴灑用營(yíng)養(yǎng)液稀釋后的菌液，噴灑完畢后靜置 8 h，讓細(xì)菌在表層土體孔隙中繁殖生長(zhǎng)；然后噴灑膠結(jié)液，靜置16 h，完成一輪加固。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)劃（表1）重復(fù)上述操作完成試樣加固，用于降雨沖刷試驗(yàn)。同期制備4組未加固裸土試樣作為對(duì)照組，按照坡度10°、15°、20°和25°分別進(jìn)行降雨沖刷試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of experiment

制備上述加固試樣的平行樣，向試樣表面噴灑純水使其完全飽和，繼續(xù)噴灑直至自由水面超過(guò)土樣表面3 cm時(shí)停止噴水，用秒表記錄水完全滲入土體的時(shí)間，計(jì)算表面入滲速率。采用PS-MPT-A 型微型貫入儀測(cè)定粉土表層的貫入強(qiáng)度（邵光輝等，2017）。

模擬降雨試驗(yàn)中，采用用高錳酸鉀示蹤法（Zhang et al., 2017） 測(cè)定徑流流速。 起流后，在前5 min，每隔1 min測(cè)量一次坡面徑流流速；5 min后至第15 min，每隔2 min測(cè)量一次坡面徑流流速，至第20 min停止降雨。每次流速測(cè)量結(jié)束后更換集水槽，量測(cè)徑流量，并將集水槽靜置后收集所有泥沙放入105.5℃烘箱烘干48 h，稱取沖刷出的泥沙干質(zhì)量。

2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

（1）弗勞德數(shù)（Fγ）：用于判斷雨水沖刷坡面時(shí)水流是急流或是緩流。計(jì)算式（Wu et al., 2019）為：

式中：v為坡面徑流流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；h為徑流深度，m；Q為T時(shí)間內(nèi)徑流量，m3；b為坡面徑流寬度，m；T為取樣間隔時(shí)間，s。

（2）阻力系數(shù)（f）：反映細(xì)溝下墊面對(duì)水流的阻礙能力。計(jì)算式（Tian et al., 2017; Guo et al., 2011）為：

式中：J為水力坡度，無(wú)量綱參數(shù)，取坡角的正弦值。

（3）徑流剪切力（τ）：表示引起坡面土壤顆粒分離并輸移的動(dòng)力。計(jì)算式（Tian et al., 2017）為：

式中：γ為水的重度，N·m-3。

（4）徑流系數(shù)（ψ）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)徑流量與降水量之比，反映降水除入滲之外形成坡面徑流的比例。計(jì)算式（Ali et al., 2020）為：

式中：It為徑流總量，m3；F為坡面沖刷面積，m2；Ht為總降雨量，mm。

（5）土壤剝蝕率（Dr）：反映坡面徑流在單位時(shí)間、單位面積上所沖刷出的泥沙質(zhì)量。計(jì)算式（Tian et al., 2017）為：

式中：M為測(cè)量時(shí)間T內(nèi)的產(chǎn)沙量，g；L為坡長(zhǎng)，m。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 徑流水動(dòng)力參數(shù)

弗勞德數(shù)、阻力系數(shù)與徑流剪切力能夠反映坡面徑流的狀態(tài)，以及與坡面土壤之間的相互作用。圖2是試驗(yàn)過(guò)程中的弗勞德數(shù)、阻力系數(shù)與徑流剪切力隨時(shí)間的變化曲線?？梢?jiàn)，降雨沖刷試驗(yàn)過(guò)程中，加固前后的粉土坡面徑流水動(dòng)力特征參數(shù)隨產(chǎn)流后降雨時(shí)間的變化而變化。

弗勞德數(shù)可判斷徑流的緩、急狀態(tài)，阻力系數(shù)用以表征坡面流所受阻力的大小。土體加固前后的弗勞德數(shù)均在1~8之間（圖2a），但是加固粉土坡面的弗勞德數(shù)較未加固粉土大幅降低，試樣表面徑流始終處于急流狀態(tài)（李永紅等，2015）。在產(chǎn)流后的前段0~3 min，以濺蝕為主，流速不斷增加，弗勞德數(shù)迅速上升，阻力系數(shù)大幅度下降，坡面較為完整；產(chǎn)流后3~5 min，以面蝕為主，坡面表層未膠結(jié)或弱膠結(jié)的土顆粒被剝蝕，坡面發(fā)生崩解并出現(xiàn)細(xì)溝，表面粗糙度增大，流速減緩，弗勞德數(shù)和阻力系數(shù)分別減小和增大并趨于穩(wěn)定。對(duì)于未加固裸土，徑流流速達(dá)到峰值后略有下降，坡面迅速形成沖溝，徑流匯集于沖溝；加固后的土樣則維持較長(zhǎng)時(shí)間的面流狀態(tài)后才出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕。

圖2 徑流水動(dòng)力參數(shù)隨產(chǎn)流后降雨時(shí)間的變化Fig. 2 Variation of runoff hydrodynamic parameters with rainfall time after runoff generation

坡面徑流阻力主要有顆粒阻力、形態(tài)阻力、波阻力和降雨阻力（田凱等，2010），本試驗(yàn)的坡面徑流的阻力主要來(lái)源于土表顆粒阻力和降雨阻力。試驗(yàn)過(guò)程中觀察發(fā)現(xiàn)，加固粉土的表面較未加固的裸土表面更加光滑，不易形成濺蝕坑。圖2b顯示，加固試樣在產(chǎn)流后的前段0~3 min阻力系數(shù)顯著低于未加固裸土試樣，裸土試樣出現(xiàn)更多、更深的濺蝕坑增加了徑流阻力，表明微生物加固后的坡面有效地抑制了降雨的濺蝕。產(chǎn)流3 min后，不同噴灑量、加固輪數(shù)下試樣的阻力系數(shù)接近，表明噴灑量、加固輪數(shù)對(duì)阻力系數(shù)影響不大。

由圖2c可見(jiàn)，不同加固參數(shù)的加固粉土徑流剪切力隨產(chǎn)流后降雨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致，經(jīng)歷初期下降、回升后，產(chǎn)流后5 min進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，徑流穩(wěn)定后的徑流剪切力介于0.55~0.7 Pa之間。未加固的裸土在產(chǎn)流后0~3 min的徑流剪切力高于加固粉土，但是隨沖刷時(shí)間延長(zhǎng)迅速下降并保持在0.4 Pa左右的較低水平。分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可以發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)流后0~5 min，雨水下滲速度較大，大量雨水直接滲入到土體內(nèi)部，徑流量較小，徑流剪切力也較弱。在產(chǎn)流5 min后，土體內(nèi)部孔隙水接近飽和，下滲速度降低，水流以表面徑流為主，徑流剪切力逐漸增大。對(duì)比圖2c中B3和B6試樣可見(jiàn)，二者加固參數(shù)組合不同，但是加固材料總消耗量相同，在產(chǎn)流后0~5 min，B6試樣的徑流剪切力遠(yuǎn)高于B3試樣，進(jìn)入穩(wěn)定階段后，差距縮小。其他對(duì)應(yīng)加固試樣之間也呈現(xiàn)類似情形。這一結(jié)果表明，在膠結(jié)材料等量消耗的情況下，對(duì)于采用低濃度膠結(jié)液、低加固輪數(shù)、高單次噴灑量的參數(shù)組合加固的粉土坡面，徑流剪切力更小。而膠結(jié)液濃度、加固輪數(shù)、單次噴灑量的單因素變化對(duì)徑流剪切力影響不明顯。

3.2 徑流量

在徑流穩(wěn)定階段，降雨沖刷引起的坡面侵蝕主要受徑流量和流速控制。雨水落至坡面后，一部分直接滲入到土體內(nèi)部，另一部分則形成表面徑流。在總降雨量一定的情況下，雨水入滲量越大則徑流量越低。徑流系數(shù)能夠反映單位時(shí)間內(nèi)徑流量與降雨量之比（Ali et al., 2020），因此，分析徑流系數(shù)隨坡面條件的變化能夠揭示微生物誘導(dǎo)礦化加固粉土坡面對(duì)徑流量的影響規(guī)律。

圖3是徑流系數(shù)與入滲速率的關(guān)系，徑流系數(shù)與入滲速率呈線性負(fù)相關(guān)（R2=0.857）。圖4是不同貫入強(qiáng)度坡面的徑流系數(shù)和入滲速率，徑流系數(shù)與坡面的貫入強(qiáng)度呈指數(shù)正相關(guān)（R2=0.824），入滲速率與貫入強(qiáng)度呈二次負(fù)相關(guān)（R2=0.930）。對(duì)比圖3與圖4可見(jiàn)，坡面加固強(qiáng)度越高，坡面入滲速率越低，入滲土體內(nèi)部的雨水占比越小，徑流系數(shù)越大。已有研究表明，微生物加固土的強(qiáng)度與碳酸鈣的生成量正相關(guān)（劉漢龍等，2019）。對(duì)于微生物誘導(dǎo)礦化加固的粉土坡面，強(qiáng)度越高則硬化層中碳酸鈣的生成量越大，碳酸鈣在增大土顆粒之間的黏結(jié)強(qiáng)度的同時(shí)，也填充了土體內(nèi)的部分孔隙空間，導(dǎo)致坡面的雨水入滲速率降低，表面徑流量增大。

圖3 徑流系數(shù)與入滲速率的關(guān)系Fig. 3 Relationship of runoff coefficient and infiltration velocity

圖4 不同貫入強(qiáng)度坡面的入滲速率與徑流系數(shù)Fig. 4 Infiltration velocity and runoff coefficient of slope surface with different penetration strength

圖5是不同坡度的微生物加固粉土坡面的徑流系數(shù)和徑流剪切力。坡度從10°增加到25°，徑流系數(shù)由0.919增大到0.947，近似線性增長(zhǎng)（R2=0.956），但增幅僅3%。表明微生物加固粉土坡面的坡度對(duì)徑流系數(shù)一定影響，但影響不大。坡度越大，坡面徑流流速越快，雨水入滲占比越小，導(dǎo)致徑流系數(shù)越大。隨著坡度增大，徑流剪切力明顯提高，坡度從10°增加到25°，徑流剪切力提高了96%。徑流系數(shù)與坡度之間呈指數(shù)正相關(guān)（R2=0.964）。

圖5 不同坡度下的徑流系數(shù)與徑流剪切力Fig. 5 Runoff coefficient and runoff shear stress of different slopes

3.3 土壤剝蝕率

（1）剝蝕率隨時(shí)間的變化

圖6是不同加固參數(shù)下的剝蝕率隨產(chǎn)流后降雨時(shí)間的變化曲線。由圖6a可見(jiàn)，坡度15°的未加固裸土坡面的剝蝕率隨產(chǎn)流后降雨時(shí)間快速增長(zhǎng)，產(chǎn)流后降雨9 min內(nèi)，試樣就已全部被剝蝕，最大瞬時(shí)剝蝕率達(dá)85.2 g/（m2s）。微生物加固后的坡面的剝蝕率隨沖刷時(shí)間緩慢增長(zhǎng)。其中，采用較低膠結(jié)液濃度、加固輪數(shù)和單次噴灑量的試樣剝蝕率增幅最大，但最大瞬時(shí)剝蝕率不超過(guò)21.1 g/（m2s）。采用較高的膠結(jié)液濃度、加固輪數(shù)和單次噴灑量的試樣對(duì)降雨侵蝕的控制效果較好，最大瞬時(shí)剝蝕率僅為5.2 g/（m2s）。單次噴灑量0.42 L/m2的試樣剝蝕率小于單次噴灑量0.21 L/m2的試樣。在加固過(guò)程中，提高單次噴灑量的實(shí)質(zhì)是增加了菌液與膠結(jié)液的入滲深度，進(jìn)而增大了粉土表層固化硬殼的厚度，有利于提高坡面抗侵蝕能力。

圖6b是加固前后不同坡度坡面剝蝕率隨產(chǎn)流后降雨時(shí)間的變化曲線。隨著坡度增大，試樣的剝蝕率增大，并且裸土試樣的坡度對(duì)剝蝕率的影響較加固試樣更顯著。坡度越大，表面徑流流速和雨水沿坡面的重力分力也越大，直接穿過(guò)坡面下滲到土體內(nèi)部的水量越少，導(dǎo)致坡面土顆粒剝蝕程度加劇。

圖6 剝蝕率隨產(chǎn)流后降雨時(shí)間的變化Fig. 6 Variation of detachment rate with rainfall time after runoff generation

坡度由10°增大到25°，裸土試樣在產(chǎn)流后降雨7~13 min內(nèi)就全部被剝蝕完畢，土壤最大瞬時(shí)剝蝕率達(dá)118.4 g/（m2s）；加固試樣至產(chǎn)流后降雨20 min試驗(yàn)結(jié)束，仍保持相對(duì)完整，不同坡度下的土壤最大瞬時(shí)剝蝕率僅為2.4~21.2 g/（m2s）。微生物加固處理極大地降低了粉土坡面的剝蝕率。

（2）加固強(qiáng)度對(duì)剝蝕率的影響

圖7是產(chǎn)流后降雨0~20 min內(nèi)的平均剝蝕率與坡面加固層貫入強(qiáng)度之間的關(guān)系?？梢?jiàn)，平均剝蝕率與坡面加固層貫入強(qiáng)度呈指數(shù)負(fù)相關(guān)（R2=0.822）。對(duì)于15°的坡面，未加固裸土的平均剝蝕率為45.6 g/（m2s），微生物加固后的平均剝蝕率降至4.6~15.245.6 g/（m2s）。坡面強(qiáng)度的提升是其抗侵蝕能力的根本來(lái)源，坡面的硬化不僅抵抗了雨滴的濺蝕破壞，而且有效控制了坡面徑流產(chǎn)生的面蝕與細(xì)溝侵蝕。（3）徑流剪切力對(duì)剝蝕率的影響

圖7 平均剝蝕率與加固層貫入強(qiáng)度的關(guān)系Fig. 7 Relationship of average detachment rate and reinforced crust penetration strength

徑流剪切力是引起土壤剝蝕的重要因素，若徑流剪切力大于臨界徑流剪切力，與表面徑流直接接觸的土顆粒將會(huì)被剝蝕，導(dǎo)致試樣表面破壞（Zhu et al., 2010）。對(duì)比分析圖6a和圖2c可見(jiàn)，采用同樣膠結(jié)液濃度，加固4輪和6輪試樣的徑流剪切力在穩(wěn)定后的數(shù)值接近，而加固4輪試樣的剝蝕率要大于加固6輪試樣，表明在同等徑流剪切力作用下，更多的加固輪數(shù)有利于降低剝蝕率。同樣加固輪次的條件下，膠結(jié)液濃度1.00 mol/L的試樣徑流剪切力比膠結(jié)液濃度0.75 mol/L的試樣大；剝蝕率變化規(guī)律與之相反，膠結(jié)液濃度1.00 mol/L的試樣與膠結(jié)液濃度0.75 mol/L的試樣相比，剝蝕率平均降低了17.7%，與未加固裸土相比最大降低了94.0%。

在等坡度條件下，雖然微生物加固后與加固前相比，坡面徑流量有所增加，會(huì)引起徑流剪切力增大，但是相比之下，微生物加固使土體強(qiáng)度的提高幅度更大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了徑流剪切力增加對(duì)坡面抗侵蝕能力帶來(lái)的負(fù)面影響，最終使加固后的粉土坡面抗侵蝕能力顯著提升。

圖8是同等加固條件下粉土坡面徑流剪切力對(duì)剝蝕率的影響?？梢?jiàn)，坡度增大引起的徑流剪切力增加對(duì)剝蝕率有很大影響，剝蝕率與徑流剪切力呈線性正相關(guān)（R2=0.912）。李永紅等（2015）對(duì)工程堆積體坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性分析，也發(fā)現(xiàn)有在類似的規(guī)律。已有研究表明，土坡細(xì)溝侵蝕時(shí)，剝蝕率與徑流剪切力及臨界徑流剪切力之差存在正比例關(guān)系，其比例系數(shù)為可蝕性參數(shù)（Zhu et al., 2010）。根據(jù)圖8中的擬合式可知，本研究中的微生物加固粉土坡面的可蝕性參數(shù)Kr=2.32×10-2s/m，臨界徑流剪切力τ0=0.5 Pa。對(duì)比圖2c中加固粉土坡面在徑流穩(wěn)定后的徑流剪切力0.55~0.7 Pa，可見(jiàn)，降雨沖刷的實(shí)際徑流剪切力略高于坡面的臨界徑流剪切力，導(dǎo)致坡面剝蝕率雖然不高，但是剝蝕依然能夠持續(xù)進(jìn)行。

圖8 徑流剪切力對(duì)剝蝕率的影響Fig. 8 Influence of runoff shear stress on detachment rate

4 討論

微生物誘導(dǎo)礦化加固砂土能夠達(dá)到10 MPa以上的強(qiáng)度（劉漢龍等，2019）。但是，粉土、黏土等細(xì)粒土的微生物固化卻常常難以達(dá)到固化砂土同等的效果。與砂土相比，粉土的孔隙尺寸更小，且與脲酶微生物的個(gè)體尺寸數(shù)量級(jí)接近（Feng et al., 2016）。因此，土體孔隙與微生物個(gè)體的幾何相容性成為制約微生物加固粉土、黏土等細(xì)粒土效果的重要因素（Lee et al., 2013; 謝約翰等，2019）。采用表面直接噴灑菌液方式對(duì)粉土邊坡表面固化防護(hù)難以獲得理想的效果（邵光輝等，2017）。如何運(yùn)用微生物誘導(dǎo)礦化作用簡(jiǎn)單又有效地對(duì)粉土坡面進(jìn)行防護(hù)，是該技術(shù)實(shí)用化必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。彭邦陽(yáng)等（2018）將菌液與海相粉土拌合后，對(duì)其進(jìn)行表面入滲法的微生物加固，最終形成6 cm厚的加固硬層。但是在實(shí)際的坡面防護(hù)中，對(duì)表層土先進(jìn)行菌液拌和再噴灑膠結(jié)液固化的方法還不夠簡(jiǎn)便。本研究嘗試采用將常用濃度的菌液（108~109CFU/mL）用營(yíng)養(yǎng)液稀釋到很低的濃度（1.2×106CFU/mL），再噴灑到粉土表面，以避免微生物個(gè)體在通過(guò)粉土孔隙時(shí)聚集成團(tuán)引起阻塞。因?yàn)樗捎玫陌褪涎挎邨U菌是需氧—厭氧兼性微生物，當(dāng)菌液滲入粉土后，利用菌液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與靜置時(shí)間，微生物能夠在粉土孔隙內(nèi)正常繁殖增生到足夠濃度（薛雙，2017），以滿足誘導(dǎo)礦化作用的需要。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法比微生物砂漿加固粉土坡面更為便利，且具有良好的抗降雨沖刷能力。

微生物誘導(dǎo)礦化加固粉土坡面改變了其徑流水動(dòng)力學(xué)特性，加固后與加固前相比，徑流的弗勞德數(shù)平均降低50%，在降雨前期的阻力系數(shù)平均降低66%，在徑流穩(wěn)定期二者阻力系數(shù)接近，徑流剪切力平均提高52%。這些結(jié)果均表明，粉土坡面經(jīng)微生物加固后，表面粗糙度降低，更利于徑流沿坡面快速流動(dòng)。剝蝕率與徑流剪切力之間有較好的相關(guān)性（R2=0.912）。李永紅等（2015）對(duì)黏土坡面的沖刷試驗(yàn)得到的細(xì)溝侵蝕土壤可蝕性參數(shù)為2.63×10-2s/m。本試驗(yàn)得到的微生物加固粉土坡面的可蝕性參數(shù)為 2.32×10-2s/m，臨界水流剪切力為0.5 Pa。加固粉土坡面的可蝕性參數(shù)與黏土坡面較為接近。因?yàn)楸驹囼?yàn)中加固的裸土坡面在短時(shí)間內(nèi)就全部剝蝕流失，沒(méi)有穩(wěn)定的薄層水流面蝕過(guò)程，所以未能獲得其可蝕性參數(shù)和臨界徑流剪切力的有效值。以張樂(lè)濤等（2013）試驗(yàn)獲得的粉土坡面薄層水流侵蝕的臨界徑流剪切力值為0.02 Pa作為對(duì)比參考，可見(jiàn)，微生物固化粉土坡面的臨界水流剪切力遠(yuǎn)的大于未防護(hù)粉土坡面的薄層水流臨界水流剪切力。

土壤抗侵蝕能力不僅取決于土壤的物理性質(zhì)，還取決于坡度、坡長(zhǎng)等因素。Shi等（2020）基于黏土坡面沖刷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，坡度對(duì)徑流量的影響呈線性正相關(guān)，影響相對(duì)較小，當(dāng)坡度從10°增加到25°時(shí)，由于重力的影響，徑流率線性增加18%。這與本研究中微生物加固粉土坡面的徑流系數(shù)隨坡度變化的趨勢(shì)具有相似性，區(qū)別在于微生物加固粉土坡面的坡度對(duì)徑流量的影響幅度很小。坡面的侵蝕性還與坡長(zhǎng)有關(guān)，Meyer等（1989）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度為20°以上時(shí)，隨著坡長(zhǎng)增加，邊坡土壤剝蝕率更大，但在大坡度時(shí)坡長(zhǎng)的影響并不明顯。土壤剝蝕率與坡長(zhǎng)呈負(fù)相關(guān)，降雨強(qiáng)度越大，負(fù)相關(guān)性越強(qiáng)（Zhang et al., 2017）。本文只研究了恒定坡長(zhǎng)的情況，但是根據(jù)已有成果可以推斷，對(duì)于微生物固化后的粉土邊坡，隨著坡長(zhǎng)增加，表面徑流流速會(huì)減慢，土壤剝蝕率隨之降低。

由于試驗(yàn)條件所限，本研究只進(jìn)行了產(chǎn)流后20 min的暴雨沖刷試驗(yàn)，在這一過(guò)程中，未處理裸露粉土坡面瞬時(shí)剝蝕率隨時(shí)間加速增長(zhǎng)直至全部剝蝕流失，而微生物誘導(dǎo)礦化加固粉土坡面只出現(xiàn)了部分剝蝕，瞬時(shí)剝蝕率增速隨時(shí)間呈現(xiàn)先增后減的情況，并未能觀測(cè)到加固粉土坡面的極限抗沖刷時(shí)間。因此，本研究獲得的微生物加固粉土坡面徑流水動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系與剝蝕率變化規(guī)律更適用于徑流穩(wěn)定階段。對(duì)于微生物加固粉土坡面的密集溝蝕與層下流侵蝕的規(guī)律，仍有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

本文通過(guò)模擬降雨沖刷試驗(yàn)，研究了微生物誘導(dǎo)礦化加固前后粉土坡面的水動(dòng)力參數(shù)和徑流特征變化規(guī)律，分析了水動(dòng)力參數(shù)之間的相關(guān)性以及對(duì)土壤剝蝕率的影響，主要得到以下結(jié)論：

（1）在微生物誘導(dǎo)礦化加固前后，粉土坡面的徑流水動(dòng)力參數(shù)值發(fā)生明顯變化。加固后與加固前相比，坡面徑流的弗勞德數(shù)平均下降50%；在降雨前期的阻力系數(shù)平均下降66%，徑流穩(wěn)定后二者阻力系數(shù)接近；徑流剪切力平均提高52%。

（2）加固粉土坡面的徑流特性與水動(dòng)力參數(shù)、坡面特性及坡度相關(guān)。徑流系數(shù)與坡面入滲速率呈線性負(fù)相關(guān)（R2=0.857），與加固層貫入強(qiáng)度呈指數(shù)負(fù)相關(guān)（R2=0.824），與坡度正相關(guān)（R2=0.956）但影響幅度較?。蝗霛B速率與加固層貫入強(qiáng)度呈二次負(fù)相關(guān)（R2=0.930）；徑流剪切力與坡度呈指數(shù)正相關(guān)（R2=0.964）。采用不同加固參數(shù)處理的粉土坡面水動(dòng)力參數(shù)之間存在差異。

（3）加固粉土坡面的剝蝕率與加固層貫入強(qiáng)度呈指數(shù)負(fù)相關(guān)（R2=0.822），與徑流剪切力線性正相關(guān)（R2=0.912），臨界徑流剪切力為0.5 Pa。對(duì)于坡度10~25°的粉土坡面，微生物加固能將其剝蝕率從58.2~118.4 g/ （m2s）降低至2.4~21.2 g/（m2s），剝蝕率最大降幅可達(dá)95.0%，表現(xiàn)出良好的抗降雨沖刷性能。