基于草方格沙障与微生物岩土技术的治沙方法

邓时容

摘 要：草方格沙障通过降低近地表风速、形成腐殖质改善沙土性质达到治沙效果，微生物岩土技术利用微生物产生的具有某些特殊性质的酶与外界物质反应，形成在材料中具有胶结或填充作用的新物质以善材料性质。本文结合两种方法的特点，提出一种防风固沙的新思路：利用微生物岩土技术形成固体沙障改善近地表沙面粗糙程度，并在格中固定植物形成腐殖质以善沙土性质。

关键词：土地沙化；草方格技术；微生物岩土技术；固体沙障

中国是世界上荒漠化最严重的地区之一，截至2017年，全国荒漠化土地总面积259.16 万平方公里，占国土总面积的 269%。沙漠化造成地区生态系统失衡，使耕地面积不断减少，给人民的农牧业带来严重影响，造成了巨大社会经济损失。减少气流中的输沙量、削弱近地表层的风速、延缓或阻止沙丘前移是防风固沙工程的核心。[1]目前广泛采用的防风固沙措施是草方格沙障。草方格沙障是目前采用较多的机械治沙手段，其利用废弃植物在沙漠中扎成部分伸出地表方格，减弱了近地表的风速，同时麦草等材料可以截留水分，一段时间后腐烂的草为流沙中注入腐殖质，促进微生物的生长繁殖，改变沙的性质，结合植物的种植，最终达到防治流沙的目的。[2]

本文介绍的基于微生物岩土技术与草方格沙障的治沙思路，核心思想是利用微生物诱导产生的碳酸钙在流动沙丘中形成方格或横格固体沙障，然后在格内铺置废弃植物并固定，利用其截留水分与腐烂产生腐殖质的作用，改变沙的性质。在性质有所改善后进行植物种植，达到永久治沙的目的。

1 微生物岩土技术简介

某些微生物反应后会产生具有特殊作用的酶，酶与外界的某些物质反应生成结晶或者未结晶的无机物，这个过程被称为微生物矿化。微生物矿化过程中产生的无机物可在岩土工程材料中起到填充和胶结作用。利用微生物的这一反应过程来解决岩土工程中所遇到的问题就是微生物岩土技术。[3]目前微生物岩土技术主要应用于岩土体加固与防渗、砂土液化防治、污染土治理、建筑体的裂缝修补等领域，并取得了很显著的成果。近年来微生物岩土技术应用最为广泛的是以碳酸盐为产物的微生物矿化过程，被称为微生物诱导碳酸盐沉积（MICP）。基于经济、实用原则，已有的大多数研究都是基于尿素的MICP过程。该反应的原材料包括尿素与氯化钙的混合液（胶凝液），尿素细菌水解溶液，低浓度的氯化钙溶液，材料使用步骤：将菌液放入待固化材料中，一段时间后加入低浓度的氯化钙溶液使微生物吸附于土颗粒上，最后以合适的速率放入胶凝液使反应发生。[4]其反应原理如下：（1）中，细菌产生酶将尿素分解并产生碳酸根；（2）中碳酸根遇钙离子生成碳酸钙沉淀。

NH2-CO-NH2+2H2O嗜碱菌产生的脲酶2NH4++CO32（1）

Ca2++CO32-→CaCO3↓（2）

2 具体的方法步骤

本文介绍的基于草方格沙障与微生物岩土技术的治沙思路主要分为6个阶段：①埋线：预先在固化范围内合适深度的沙中埋置横穿固体方格的绳索，绳索应具有一定弹性。这一布置是为了方便麦草秸秆等植物的铺设与固定，防止其在大风下被吹走。②堆沙成障及布管：将平坦的沙面按一定长宽划分成格，格边界上形成宽高各约10厘米的沙垅；在沙垅上部一定距离布置主管道，主管道设计有支管，负责菌液与胶凝液的排出。③滴入菌液及胶凝液：首先从管道中向沙土中滴入菌液，待菌液有一定深度后，滴入胶凝液。根据菌液的活性以及胶凝液中钙离子的消耗情况按一定周期再添加胶凝液及菌液。停止加液后一段时间，水汽被蒸发，沙垅及其下部沙固结到一定强度，形成具有一定深度和高度的碳酸钙胶结的固体沙障。④铺设废弃的麦草秸秆等：将麦草、秸秆等植物铺在方格内未固结处，用预先埋置的绳索进行固定（绳索已与固化格固结，不易被扯出）。⑤种植植物：格内沙的性质改善后，种植合适的植物，利用植物及微生物对沙土进行彻底的改善。⑥固化格的退化：植物涨势并不能抵御强风时，需重新滴入菌液与胶凝液对固化格进行再加固。而当涨势到了一定程度，植物自身有了抵御风沙的能力，此后停止再加固，沙障在植物根劈等各种作用下逐渐退化。

经以上过程，流动的沙得到了固定，其性质也逐渐向“土”转变，使在沙漠上种植植物成为可能。

3 方法优点与局限

草方格沙障实施方便，但易受风的干扰，方格损坏后的更换也显得较为麻烦，将其与微生物岩土技术结合起来则有了这些优点：①高出平面10厘米的固体沙障结合了草方格的优点：使近地表变得粗糙，降低风速；固体沙障对风的抵抗更强，加之绳索的固定，内部的植物不再受风的制约。② 在沙障内部横铺了各种废弃草与秸秆，截留水分的能力较之草方格沙障更强，加速了植物腐烂产生腐殖质改良沙土性质。③绳索被固定在了沙垅内部，不易被风拔出，因此绳索可重复利用，方便了内部植物腐烂后的更换。④种植的植物生长至能独自抵御风沙的时间周期较长，若固体沙障强度随时间降低，可以在固体沙障上部重新布管滴入菌液及胶凝液对格构进行加固，即该方法具有可重复性。⑤MICP技术形成碳酸钙胶结的固体沙障所经历的硬化周期短，产脲酶菌、尿素与氯化钙作为原料来源广泛且成本低廉，同时原料及产物都不会对环境造成大的伤害，整个方法显得经濟且环保。

受方法的限制，在沙障固结硬化前，不能有大雨及大风天气破坏沙垅；反应过程会产生少量氨气，不过该反应只在固体沙障一定深宽范围内进行，对大气环境影响不大；由于胶凝液中含有氯化钙，沙障中残余的氯离子可能会影响到格内的沙土性质，因此，在种植植物时优先选用耐氯植物。

参考文献：

[1]刘姝颖，李宁，陆小辉.草方格在防风固沙工程中的应用[J].辽宁林业科技，2014（3）：6768.

[2]刘大为.草方格治沙的奥秘[J].力学与实践，2013，35（12）：102105.

[3]连一仁，胡国贞，竹文坤，等.微生物矿化沉积固化技术概述[J].教学与科技，2015（4）：1017.

[4]何稼，楚剑，刘汉龙.微生物岩土技术的研究进展[J].岩土工程学报，2016，38（4）：644653.