袁嘉茂，高 永，李婉嬌，任懷新，吳振亮

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010052)

1 概述

近年來(lái)生態(tài)修復(fù)與防沙治沙理念的不斷宣傳，荒漠化、沙化土地面積逐年減少，但總體情況仍較為嚴(yán)重[1]。治理荒漠的關(guān)鍵之一是防風(fēng)固沙是治理荒漠化的關(guān)鍵之一，目前最主要的防沙治沙措施主要分為3大類[2]，即工程治沙、生物治沙和化學(xué)治沙。最常見(jiàn)的工程治沙方法是采用機(jī)械沙障，其通過(guò)提高地表粗糙度和減緩地表風(fēng)速來(lái)避免沙粒侵蝕。但找出既經(jīng)濟(jì)、高效又廣泛適用于治沙的沙障材料卻顯得困難[3]；另一種是生物治沙方法，其通過(guò)恢復(fù)并增加植被覆蓋度來(lái)降低地表風(fēng)力，這種方法常需借助于工程治沙并且在干旱水源匱乏的地區(qū)實(shí)施起來(lái)比較困難；還有一種是化學(xué)治沙方法，這包括利用各種無(wú)機(jī)材料、有機(jī)材料、或有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料與沙粒發(fā)生化學(xué)或物理化學(xué)反應(yīng)，使沙粒結(jié)固為整體，從而實(shí)現(xiàn)固沙效果[4]，同時(shí)，化學(xué)固沙原材料的成本過(guò)高與它對(duì)植被的生長(zhǎng)與土壤的性質(zhì)都有一定的影響，這也將是未來(lái)的研究趨向。

2 生物誘導(dǎo)碳酸鈣土體固化技術(shù)研究現(xiàn)狀

2018年，劉陽(yáng)等[16]在寧夏銀川騰格里沙漠進(jìn)行的風(fēng)積沙表面固化試驗(yàn)，從大豆中提取脲酶并使其作用在風(fēng)積沙表面上，通過(guò)測(cè)定土樣的風(fēng)蝕強(qiáng)度、表面強(qiáng)度和滲透率等指標(biāo)，用以評(píng)價(jià)EICP技術(shù)的防風(fēng)固沙效果。研究表明：EICP技術(shù)在土樣表面形成的硬殼的強(qiáng)度達(dá)到了兆帕級(jí)并且保水性得到了顯著提高，土樣的滲透率和風(fēng)蝕率都得到了降低，生成的碳酸鈣含量約0.6%，表明EICP對(duì)于防風(fēng)固沙具有積極作用。2020年，吳敏等[17]將黃原膠與大豆脲酶混合作為膠結(jié)液對(duì)寧夏中衛(wèi)沙坡頭區(qū)域的砂土進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)處理后的土樣的表面強(qiáng)度、碳酸鈣含量、風(fēng)蝕率和土壤的微觀形態(tài)進(jìn)行了測(cè)定。研究表明：EICP技術(shù)與黃原膠的結(jié)合可以進(jìn)一步增加土樣的表面強(qiáng)度并且提高土樣的抗風(fēng)蝕強(qiáng)度且兩者之間存在較強(qiáng)的正相關(guān)性。2022年，范廣才等[18]提出EICP技術(shù)在處理土樣中的一些缺點(diǎn)，并使用脲酶抑制劑來(lái)延緩尿素水解，實(shí)現(xiàn)對(duì)于碳酸鈣生成速率的調(diào)控，進(jìn)一步提高防風(fēng)固沙能力。結(jié)果表明：脲酶抑制劑的添加可以在不影響碳酸鈣最終生成量的前提下降低初期碳酸鈣的生成量，并且抑制劑的濃度越高，混合時(shí)間越短，其抑制效果就越好，防風(fēng)固沙效果就越好。

EICP技術(shù)在往后對(duì)于防風(fēng)固沙領(lǐng)域的研究具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但目前對(duì)于EICP野外試驗(yàn)的研究十分匱乏。為了更好的進(jìn)行對(duì)EICP技術(shù)的研究，將從EICP技術(shù)的固化原理出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)脲酶提取及性質(zhì)、膠結(jié)液的性質(zhì)、固化方式等對(duì)于固化效果的影響，分析EICP的應(yīng)用前景并提出其在防風(fēng)固沙領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中進(jìn)一步的研究方向。

3 生物誘導(dǎo)碳酸鈣土體固化技術(shù)固化機(jī)理

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?cè)谏镎T導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)領(lǐng)域的研究多數(shù)分布在MICP固化技術(shù)上，但是由于尿素水解細(xì)菌價(jià)格昂貴、培養(yǎng)過(guò)程過(guò)于繁瑣，而且還存在一定的安全監(jiān)測(cè)等問(wèn)題，限制了MICP技術(shù)的大規(guī)模使用。近幾年，一批研究者開(kāi)始嘗試用脲酶替代以生成碳酸鈣沉淀進(jìn)行土體固化，這種技術(shù)被稱為脲酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)(EICP)。游離的脲酶尺寸非常小，大大的提升了可固化土顆粒的粒徑范圍；同時(shí)，脲酶的可降解性排除了與其他土壤微生物的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，提供了對(duì)深層土體進(jìn)行固化處理的可能性。

CO(N2H2)+H2O→N2HCOOH

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NH2COOH+H2O→NH3+H2CO3

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隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，碳酸鈣沉淀逐漸增多，其聚集起來(lái)將土壤顆粒膠結(jié)成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)土體固化的目的。在脲酶來(lái)源和碳酸鈣晶體生成過(guò)程的兩個(gè)角度上，EICP與MICP的主要區(qū)別在于：EICP由于特殊的脲酶來(lái)源[19-22]，因此土壤中Ca2+無(wú)吸附作用。然而，對(duì)比之下，MICP則由于其細(xì)胞外表通常帶有負(fù)電荷，所以能吸附土壤中的Ca2+。正因?yàn)檫@種吸附能力，使得MICP在碳酸鈣晶體生成過(guò)程中與EICP表現(xiàn)出差異。MICP形成的碳酸鈣晶體主要呈現(xiàn)為菱形和多邊形尺寸相對(duì)較大；而EICP則為小尺寸球狀晶體。有研究表明，可將碳酸鈣晶體的膠結(jié)形式分為：橋接作用、黏結(jié)作用和覆膜作用[23]。

4 脲酶性質(zhì)對(duì)碳酸鈣生成量與晶型的影響

脲酶性質(zhì)是指脲酶濃度及來(lái)源種類，對(duì)于EICP技術(shù)來(lái)說(shuō)，脲酶的活性是主導(dǎo)因素。脲酶性質(zhì)的不同主要體現(xiàn)于誘導(dǎo)碳酸鈣所產(chǎn)生沉淀的產(chǎn)量與速率上。

在MICP/EICP中，通常采用了含有特定濃度尿素與鈣鹽的混合液體作為膠結(jié)液。這種膠結(jié)液的濃度加上鈣鹽的種類，會(huì)在MICP/EICP使土質(zhì)硬化的過(guò)程中，對(duì)碳酸鈣的生成數(shù)量、晶體的尺寸、結(jié)晶形態(tài)和在空間上的分布起到影響。

Yasuhara等通過(guò)試管試驗(yàn)[26]揭示了脲酶和氯化鈣-尿素之間相對(duì)濃度的重要性，結(jié)果表明：膠結(jié)液與脲酶的相對(duì)濃度過(guò)高會(huì)影響碳酸鈣的沉淀率。AlQabany等[27]研究表明膠結(jié)液的濃度與碳酸鈣晶體的大小呈正相關(guān)關(guān)系。

吳林玉以及其團(tuán)隊(duì)對(duì)膠結(jié)液密度給碳酸鈣產(chǎn)量帶來(lái)的影響做了深入的研究[28]，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脲酶水平穩(wěn)定時(shí)，膠結(jié)液的濃度增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致碳酸鈣生成也隨之提高。但如果膠結(jié)液濃度的增幅過(guò)大，那么碳酸鈣的產(chǎn)出則會(huì)開(kāi)始朝下降的方向發(fā)展，即膠結(jié)液濃度存在一個(gè)峰值點(diǎn)，使碳酸鈣的沉積數(shù)目達(dá)到頂峰。崔明娟等人[29]也考察了高濃度(1.0 mol/L)、低濃度(0.5 mol/L)以及兩者相結(jié)合的混合濃度(1.0 mol/L+0.5 mol/L)3種不同的化學(xué)處理對(duì)砂土固化效果的潛在影響，并分別采取不同次數(shù)的注射，來(lái)測(cè)量碳酸鈣的生成量。研究結(jié)果顯示，3種方法對(duì)碳酸鈣生成量的改變并不顯著，然而采用高低混合濃度的做法卻能獲得較大的無(wú)側(cè)限壓力值，高濃度膠凝液所需要的注射時(shí)間是低濃度膠凝液的兩倍。綜上所述：當(dāng)細(xì)菌液的濃度和脲酶活性穩(wěn)定時(shí)，膠結(jié)液的濃度與碳酸鈣的生成量呈正比，但是膠結(jié)液濃度過(guò)高反而會(huì)抑制脲酶的活性或者微生物的生長(zhǎng)，進(jìn)而減少碳酸鈣的生成量[30]。

目前，大多研究中MICP/EICP的膠凝液大多采用CaCl2作為鈣鹽。根據(jù)Gorospe等研究者[31]的觀察，利用不同的鈣源對(duì)碳酸鈣晶型的生成影響作了探討。他們的研究成果表明，氯化鈣和乙酸鈣的使用可以使得碳酸鈣晶體呈現(xiàn)出菱形的方解石和層狀的球霰石。類似的結(jié)論也在Rodriguez-Navarro等研究人員[32]的研究中再次得到了驗(yàn)證，他們采用黃色粘球菌作為菌種以及乙酸鈣作為鈣鹽，成功地生成了球狀的球霰石。然而，Zhang等研究人員[33]的實(shí)驗(yàn)卻得出了不同的結(jié)論，他們發(fā)現(xiàn)乙酸鈣所生成的碳酸鈣晶體主要是文石，而氯化鈣和硝酸鈣所生成的主要是方解石。這一結(jié)論被Liu等研究人員[34]的研究所證實(shí)。對(duì)MICP和EICP鈣源對(duì)碳酸鈣晶型和晶貌生成差異的研究，表明鈣源與碳酸鈣的晶型和晶貌之間存在著一定的聯(lián)系。綜合來(lái)看，無(wú)機(jī)鈣鹽主要生成方解石，有機(jī)鈣鹽主要生成球霰石，并有可能產(chǎn)生文石。但鈣源對(duì)影響碳酸鈣晶型的機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

5 固化方式

固化方式是EICP提高固化效果的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如何使膠結(jié)作用發(fā)揮到極致，是EICP在使用過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前在關(guān)于EICP固化土體技術(shù)的研究中，試驗(yàn)所用到的固化方式主要有預(yù)混合法和灌漿法2種。預(yù)混合法是將EICP處理液與待固化土體攪拌混合均勻后，裝入模具中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，使用時(shí)將混合后的液體噴灑在土壤試樣上。灌漿法是將脲酶溶液與膠結(jié)液先后或同時(shí)以一定速率輸送至試樣中，當(dāng)反應(yīng)一段時(shí)間后，重復(fù)以上操作，直至固化完成。其中，先后注入試樣稱為兩相注入法，而兩者同時(shí)注入試樣則為單相注入法，被廣泛應(yīng)用于基于MICP技術(shù)的土體固化。

1)預(yù)混合法

文獻(xiàn)[35-37]介紹了采用預(yù)混合法對(duì)試樣固化處理，該方式可以提高脲酶和膠結(jié)液的利用率，且碳酸鈣的分布也相對(duì)均勻，但不適宜原位處理。然而，對(duì)于粒徑較小、孔隙率較低的巖土體，其固化后的試樣存在中心位置相對(duì)試樣表面滲透不充分的問(wèn)題。

2)灌漿法

有研究表明，采用該方法進(jìn)行MICP處理后的碳酸鈣沉淀生成量多，鈣離子轉(zhuǎn)化效率則相對(duì)較高。然而，對(duì)于EICP技術(shù)而言，采用單相注入法進(jìn)行處理的鈣離子轉(zhuǎn)化效率則相對(duì)較低。2019年，Hoang等采用單相注入法對(duì)MICP和EICP處理進(jìn)行了對(duì)比研究，研究表明，在相似的處理?xiàng)l件下，EICP固化的砂柱中的碳酸鈣含量只有MICP固化砂柱的一半左右。Cui等有著相似的結(jié)論，他們認(rèn)為在EICP技術(shù)應(yīng)用中，相比MICP技術(shù)，通過(guò)單相注入法獲取的鈣離子轉(zhuǎn)化效果會(huì)顯著降低。他們還堅(jiān)信，這種差距是由于脲酶的體積微小和吸收力較差所造成的，由于這一原因，在采用單相注入法的過(guò)程中，很難把脲酶留在樣品里。對(duì)于雙注入法，因?yàn)殡迕负湍z結(jié)液在混合的瞬間，會(huì)立即形成大量的絮凝，從而使得固化樣本中的碳酸鈣結(jié)晶分布不平衡。于是在2019年，Cheng等推出了一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，被稱為單相低pH注射技術(shù)。這個(gè)技術(shù)通過(guò)減小反應(yīng)液的pH值，實(shí)現(xiàn)了滯緩生物膠凝反應(yīng)的目的。在2020年，Cui等在參照了Cheng等人所研究的單相低pH注射技術(shù)后，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。他們首先借助2.0 mol/L的鹽酸來(lái)控制細(xì)菌脲酶液體的pH值落在6.5的水平，然后與膠結(jié)液和蒸餾水進(jìn)行配比，從而制做出了適合固化砂土用的EICP處理液。通過(guò)調(diào)查，他們揭示了一種改善的的單相低pH注射方式，這可以對(duì)1.0 mol/L的鈣離子濃度進(jìn)行EICP處理，實(shí)現(xiàn)了在24小時(shí)間隔內(nèi)，鈣離子的轉(zhuǎn)化率近乎達(dá)到了100%。

6 生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀土體固化技術(shù)在防風(fēng)固沙領(lǐng)域的應(yīng)用前景及展望

近些年，EICP技術(shù)的環(huán)境友好性的特點(diǎn)使得EICP技術(shù)在防風(fēng)固沙領(lǐng)域的研究中脫穎而出。在防風(fēng)固沙領(lǐng)域中，EICP技術(shù)相比純化學(xué)固沙而言更加持久有效。Handan等對(duì)EICP處理后的土壤進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，證實(shí)其在防風(fēng)固沙等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[38]。吳敏等將黃原膠與EICP技術(shù)相結(jié)合，并通過(guò)風(fēng)蝕模擬試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了EICP技術(shù)抵抗風(fēng)砂侵蝕的能力[17]。Sun等在騰格里沙漠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[39]，通過(guò)對(duì)風(fēng)積沙在聚醋酸乙烯酯處理后的結(jié)層殼強(qiáng)度、抗雨水侵蝕能力及抗風(fēng)蝕性能評(píng)估。證明了該方法具有長(zhǎng)期防治沙塵暴的潛力。綜上所述，EICP技術(shù)已在防風(fēng)固沙領(lǐng)域中有了突出的貢獻(xiàn)，同時(shí)期待此技術(shù)可以為沙漠治理、環(huán)境保護(hù)提供更多的幫助。

近些年，大面積的光伏電站被建立，利用沙區(qū)豐富的光能資源大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，但同時(shí)光伏電站也存在許多問(wèn)題，光伏板下風(fēng)蝕情況普遍比較嚴(yán)重，如果不加以有效的防護(hù)，必然會(huì)影響光伏電板的發(fā)電效率和光伏電站的安全運(yùn)營(yíng)。我們目前傳統(tǒng)的防沙治沙措施都有其缺陷，生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)是一種新型的環(huán)境友好且經(jīng)濟(jì)高效的土體加固技術(shù)。而且同時(shí)光伏電站的建設(shè)會(huì)影響站內(nèi)土壤溫度，有研究表明[40]，大規(guī)模建設(shè)光伏裝置會(huì)產(chǎn)生“熱島效應(yīng)”，為微生物的活動(dòng)創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件，然而溫度又會(huì)影響MICP/EICP的脲酶活性，進(jìn)而影響碳酸鈣沉淀的生成速率，如果溫度過(guò)高，脲酶則會(huì)失活，所以生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀土體固化技術(shù)在沙區(qū)光伏電站的可行性還有待進(jìn)一步探究。生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)未來(lái)的研究應(yīng)聚焦于在光伏電站站內(nèi)小氣候的條件下，MICP與EICP的碳酸鈣生成率會(huì)呈現(xiàn)什么樣的規(guī)律，與傳統(tǒng)的防沙治沙措施相比，在考慮治沙效果與治沙成本后，討論哪種措施更加適用于沙區(qū)大規(guī)模的光伏電站的防風(fēng)固沙。

總體來(lái)說(shuō)，生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀土體固化技術(shù)可以很大程度的增加土壤的防風(fēng)固沙效果，但是目前大多數(shù)的研究都集中于MICP，有關(guān)EICP的研究大多數(shù)也都集中于巖土工程領(lǐng)域，對(duì)于防風(fēng)固沙領(lǐng)域的研究非常的有限，關(guān)于光伏電站內(nèi)溫濕度的變化對(duì)于EICP技術(shù)的影響還需進(jìn)一步開(kāi)展研究。