微生物固化粉土坡面的植物适生性研究

李中义，邵光辉,2*，马志刚

(1. 南京林业大学土木工程学院，南京210037；2. 南京林业大学江苏省水土保持与生态修复重点实验室，南京210037)

我国黄河中下游平原以及东部沿海地区广泛分布的粉土，因其颗粒细小、粒间黏结力弱、土质结构松散，易冲刷、易扬尘，水土流失等问题突出[1]。如何对粉土坡面进行有效防护，是水土保持、土木和水利工程等领域经常面临的实际问题。常用的粉土边坡表面防护方法包括表面喷洒高分子聚合物固土剂、种植草皮、土工合成材料防护、砌块植草防护等。周云艳等[2]发现传统的工程固土方法存在很多弊端，而植物防护与传统固土措施相结合，可以避免这些弊端，并且达到美化环境的效果。付江涛等[3]分析了植物边坡防护在水文和力学方面的效应，表明植物边坡防护具有花费小、维护便捷以及适应性强等特点。因此植物护坡技术会成为边坡防护技术发展的新趋势[2]。因为粉土边坡的高流失特性，喷播植草往往会出现坡面植物尚未生长稳定，雨水冲沟却先形成的现象，导致部分植被防护失效。除了植物护坡外，微生物固化松散土体是近年来发展起来的新技术[4]。该技术通过向土体中引入特定的微生物和相应的营养盐，利用微生物诱导的矿化作用(MICP)胶结松散土颗粒。因其胶结完全是生物矿化过程，所以与传统的固化剂固土技术相比具有更加绿色环保的突出优点。一些学者在微生物固化土体坡面的技术方面开展了有益的尝试。Bang等[5]发现通过菌液和胶结液喷洒到砂表面，会在砂表面形成一定厚度的固化层，达到土体表层加固的目的。Jiang等[6]采用微生物固化技术使土壤内部细小颗粒的抗水流侵蚀能力显著增强。彭邦阳等[7]采用表面入渗的微生物固土方法获得了水稳定性良好的粉土表面固化层。邵光辉等[8]采用微生物砂浆固化粉土边坡表层，使粉土坡面的剥蚀率从29.6 g/(m2·s)降低到6.8 g/(m2·s)。荣辉[9]观察了表面经微生物胶结后的砂土中黑麦草的生长情况，结果表明微生物固化砂土表层具有良好的植物生态相容性。

将微生物护坡技术与植物防护技术相结合能够实现边坡抗侵蚀与环境绿化的双重目标。微生物固化粉土坡面的植物适生性直接影响到微生物固土与植物组合护坡技术的效果，就这一问题开展研究对推进微生物生态护坡技术发展具有重要意义。

本研究利用巴氏芽孢杆菌以及胶结液喷洒处理固化粉土坡面，通过改变胶结参数，分析粉土表层固化层的力学特性对两种草本植物出苗生长情况的影响。探讨微生物固化后粉土坡面的植物适生性，为微生物固土技术与生态护坡技术相结合提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验土样

试验粉土为人工吹填粉土，取自江苏省东部填海造陆地区。粉土塑性指数Ip=5.8。土中各粒径颗粒的质量分数分别为：粒径<0.005 mm为4.7%，≥0.005～0.075 mm为74.76%，≥0.075～0.250 mm为12.12%，≥0.250～0.500 mm为1.92%，≥0.500～2.000 mm为0.20%。不均匀系数Cu=4.0，曲率系数Cc=1.4，属于级配不良土。

1.1.2 微生物菌种与培养

选用巴氏芽孢杆菌(Sporosarcinapasteurii，DSM33)，采用DSMZ推荐的液体培养基培养(Medium 220 + urea(20 g/L))。细菌接种比例为1∶800，在30 ℃、135 r/min恒温箱中振荡培养，培养过后的菌液用营养液稀释100倍。本研究未稀释前菌液的OD600为1.28±0.05，电导率法测得的脲酶活性为(5.5±0.1) mS/(cm·min)。

1.1.3 胶结液

胶结液由CaCl2和尿素按照等摩尔浓度混合而成，按0.75，1.00和1.25 mol/L进行配制。

1.1.4 试验草籽

选择高羊茅、披碱草两种常见草本植物开展微生物固化粉土坡面植物适生性试验。高羊茅是国内大量使用的冷季型草坪草，披碱草耐旱、耐碱、抗风沙特性突出。

1.2 试验方法

1.2.1 微生物固化粉土表层试验

在直径为20 cm的圆柱形容器中分层装入10 cm厚粉土，干密度ρd=1.40 g/cm3。首先，向粉土试样表面喷洒菌液，静置12 h；然后分3轮喷洒胶结液，喷洒每轮胶结液间隔12 h。菌液与每轮胶结液的喷洒量均为0.06 mL/cm2。

1)固化层贯入阻力测定：采用微型贯入仪(型号PS-MPT-A)测试粉土表层固化层的贯入阻力[8]，通过测定贯入粉土一定深度时的阻力作为粉土表层固化层的强度指标。

2)固化层水稳定性测定：通过崩解率和贯入阻力损失率来评价粉土表层固化层的水稳定性。崩解率反映土体由于浸水发生碎裂、散体的现象，作为评价土体可蚀性的指标[10]。参照简文彬等[11]提出的测试崩解率的装置与方法，取粉土表层固化层试样，放入烧杯中烘干称质量后装入孔径为2 mm的网袋中浸水12 h，取出试样放入105 ℃的烘箱中，烘干称质量，测定试样的干质量损失率作为崩解率。

测定微生物加固后粉土试样的贯入阻力值后，再将试样整体浸入水中，浸泡12 h，测定浸泡后试样的贯入阻力值，计算出贯入阻力损失率[8]。

3)固化层碳酸钙生成量测定：微生物喷洒固化粉土表层后，菌液与胶结液的生物诱导矿化反应会生成具有胶结作用的碳酸钙，从而使粉土表层固化层有一定的强度。因此，碳酸钙生成量是影响粉土表层微生物固化层强度的重要参量。采用盐酸浸泡法[12]测定固化层碳酸钙生成量，取粉土试样的表层固化层烘干，用刀刮去表层固化层下部的松散粉土，称取剩余表层固化层的质量，将稀释的1 mol/L盐酸倒入烧杯中，用玻璃棒持续搅拌至无气泡产生；用真空抽滤装置对反应后的粉土试样进行真空抽滤，并用去离子水多次洗涤。过滤后的试样置于烘箱内105 ℃烘干后称质量，酸洗前后土样干质量损失量即为CaCO3质量。采用CaCO3质量占所测干土样质量(不含CaCO3质量)的百分比来表示微生物诱导产生的CaCO3生成量。

1.2.2 植物生长试验

将高羊茅、披碱草草籽分别按照各自的适播深度播种在粉土表面以下1和3 cm处，然后分别取菌液和胶结液交替喷洒固化粉土表层。以胶结液浓度为变量，按0.75，1.00和1.25 mol/L分组试验。每组试样喷洒3轮，每轮菌液和胶结液喷洒量均为0.06 mL/cm2。每种草籽的试样各留一组粉土表层不作微生物固化作为对照样，仅喷洒与微生物固化方法等量的水。将试样置于恒温光照培养箱中，参数设定为光照12 h，温度25 ℃，光照度9 000 lx；黑暗12 h，温度20 ℃，光照度0 lx。测定20 d内两种草籽的出苗时间和出苗数量，按照式(1)和式(2)分别计算出苗率、出苗速率指数[13-15]。

(1)

Gi=∑Gt/Dt

(2)

式中：GP为出苗率；GN为种子出苗总数；SN为所测种子总数；Gi为出苗速率指数；Gt、Dt分别为第t天的出苗数和相对应的出苗天数。

2 结果与分析

2.1 粉土表层固化层强度与水稳定性

2.1.1 固化层强度

固化层强度是影响植物生长萌出的重要条件。试验测得仅喷洒水的粉土表层贯入阻力为40 kPa，经微生物固化处理后粉土表层贯入阻力最高达到360 kPa，固化层平均厚度为1.2 mm。采用不同浓度胶结液喷洒粉土表面形成的固化层贯入阻力和碳酸钙生成量变化曲线见图1。可见，随着胶结液浓度增加，碳酸钙生成量与固化层贯入阻力均随之提高，碳酸钙生成量与固化层贯入阻力具有很好的一致性。在喷洒遍数和单位面积喷洒量一定的情况下，可以通过提高胶结液浓度获得更高的粉土表层固化层强度。

图1 微生物固化层的碳酸钙生成量与贯入阻力Fig. 1 Calcium content and penetration resistance of microbial solidification layer

2.1.2 固化层水稳定性

未经微生物固化处理的粉土在水中完全崩解。采用不同浓度胶结液喷洒粉土表面形成的固化层崩解率与贯入阻力损失率变化曲线见图2。随着胶结液浓度增加，固化层崩解率随之降低。0.75 mol/L胶结液对应的崩解率为84.7%，1.25 mol/L胶结液对应的崩解率降至70.3%。随着胶结液浓度增加贯入阻力损失率比崩解率衰减更快，贯入阻力损失率由未处理粉土的100%降至1.25 mol/L胶结液对应的26.2%。结果表明，采用较高浓度的胶结液有利于降低固化层的崩解率和强度损失率，提高粉土表层固化层的水稳定性。

图2 微生物固化层的崩解率与贯入阻力损失率Fig. 2 Disintegration rate and penetration resistance loss ratio of microbial solidification layer

2.2 植物生长情况

微生物固化粉土表层相当于在土体表面形成了一层结皮。已有研究表明，土壤结皮会使土壤表面强度增大，土壤孔隙被堵塞，导致土壤的导水性变差，阻碍土壤的通气和透水性，将会直接影响植物种子的萌发、出苗和生长[16]。土壤结皮影响大气与土壤中氧气的交换，从而将影响种子的发芽[17]。

2.2.1 高羊茅生长情况

高羊茅培养20 d的萌发进程曲线见图3。通过出苗率曲线(图3a)可见，在表层未固化的粉土中(胶结液浓度为0 mol/L，下同)，高羊茅的初始出苗时间为2 d，出苗率在3～11 d快速增长，12 d后出苗率基本稳定。采用0.75和1.00 mol/L的胶结液固化粉土表层后，高羊茅的初始出苗时间为6 d，出苗率在7～14 d快速增长，15 d后出苗率基本稳定。出苗率与未处理粉土相比仅降低了8.9%。可见采用胶结液浓度0.75和1.00 mol/L的微生物方法固化粉土表层对高羊茅的出苗率影响较小。另一方面，采用1.25 mol/L的胶结液固化粉土表层后，对高羊茅的出苗率影响很大。高羊茅的初始出苗时间为7 d，延迟5 d，但是20 d出苗率却大幅下降。出苗速率指数是表征种子活力的指标，比出苗率更能灵敏地表现种子活力[15]。出苗速率指数高表明该种子出苗所用的时间短，出苗速度快。由出苗速率指数曲线(图3b)可见，在未处理粉土中高羊茅在11 d内出苗速率指数就达到峰值，20 d出苗速率指数为14.6。采用0.75和1.00 mol/L的胶结液固化粉土表层后，出苗速率指数大幅下降，分别为7.6和8.0，表明微生物固化粉土表层后虽然对高羊茅出苗率影响较小，但是对种子活力产生了很大影响，出苗速度减慢。采用1.25 mol/L的胶结液固化粉土表层后，出苗速率指数降至4.2，出苗速率大幅降低。

图3 高羊茅萌发进程曲线Fig. 3 Emergence rate curves of Festuca elata Keng ex E. Alexeev

图4 披碱草萌发进程曲线Fig. 4 Emergence rate curves of Elymus dahuricus Turcz.

2.2.2 披碱草生长情况

披碱草培养20 d的萌发进程曲线见图4。在表层未固化的粉土中，披碱草的初始出苗时间为4 d，14 d后出苗率趋于稳定，20 d出苗率为85%，出苗速率指数为8.79。微生物固化粉土表层后，披碱草的初始出苗时间延迟了5 d，20 d出苗率随着胶结液浓度的提高而降低，仅为23%～34%，出苗速率指数最低仅1.80，表明微生物固化层对披碱草的出苗生长产生了显著的不利影响。

2.2.3 高羊茅和披碱草的适生性对比

高羊茅和披碱草在不同表层固化条件下粉土中的出苗情况见表1。在表层未固化的粉土中，高羊茅的20 d出苗率为90%，出苗速率指数为14.43。披碱草的20 d出苗率为85%，出苗速率指数为8.79。对比可见，未处理粉土适于高羊茅生长，但披碱草的生长情况相对较差。

粉土表层固化后，高羊茅的初始出苗时间滞后4～5 d，20 d出苗率降低了8.9%～41.1%。披碱草在表层固化的粉土中初始出苗时间滞后5 d，20 d出苗率降低了60.0%～72.9%。可见，采用浓度0.75～1.00 mol/L的胶结液固化粉土坡面后，高羊茅依旧适于生长。但采用更高浓度胶结液固化粉土坡面后，高羊茅的适生性明显降低。对披碱草而言，无论胶结液浓度如何，微生物固化层均对其出苗产生了很大影响。因此，经微生物固化表层后的粉土坡面不适于披碱草的生长。

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

2.3 固化层强度对植物生长的影响

高羊茅和披碱草的20 d出苗率与贯入阻力关系曲线见图5。可见，随着固化层贯入阻力的提高，两种植物的出苗率都随之降低。粉土固化层强度在280 kPa以下时，对高羊茅出苗率影响不大，能够满足其发芽生长的需要;强度高于280 kPa的固化层则不适于高羊茅出苗生长。同等条件下，披碱草的适生性较差。当粉土固化层强度为230 kPa时，披碱草的20 d出苗率低于35%。

图5 草籽20 d出苗率与贯入阻力关系曲线Fig. 5 Correlation curves of emergence rate and penetration resistance after growing for 20 d of grass seed

3 讨 论

Chu等[18]在研究中发现微生物固土形成的微生物砂浆表层硬壳强度可达到35.9 MPa，虽然存在厚度不足的问题，但足以在土体加固中起到堤岸抗侵蚀和边坡防护的作用。荣辉[9]研究了黑麦草在未固化砂中的出苗时间为4 d。在表面喷洒微生物水泥固砂剂的情况下，由于砂土表层形成了一层固化层约束了幼芽破土生长，导致黑麦草的出苗时间为7 d，相较未喷洒微生物水泥的出苗时间推迟了3 d，但出苗后的生长情况差异不大。这与本试验结果相类似。由于表层粉土的物理性能发生了改变，从而导致了植物的出苗时间、出苗率发生改变。武婷婷等[19]研究表明，土壤结皮阻碍双子叶植物幼苗胚轴的向上运动，因而影响植物出苗。吴发启等[20]研究发现，随结皮厚度和强度的增加，小麦出苗率减少量增加，结皮形成了一个致密坚实的盖层，压抑阻碍了小麦芽破土出苗，而且对已经破土出露的幼苗，在坚硬土层的挤压下，生长受到阻碍。本试验采用的高羊茅和披碱草与小麦同属于单子叶禾本科植物，种子具有类似的萌发特性。由此推断微生物固化粉土表层的固化层阻碍了植物幼苗破土生长，导致出苗率和出苗速率均下降。固化层强度是约束植物出苗的重要因素。

本研究仅从固化层对草本植物出苗、生长的物理约束角度讨论微生物固化粉土表层坡面的植物适生性问题。在微生物固化粉土表层的过程中，菌液中的培养基、胶结液中的盐分和生物矿化代谢产物都会渗入粉土当中，改变一定深度范围内粉土的离子化学环境。这些条件的变化也可能对植物种子萌芽与生长造成影响，该方面问题的研究仍在进行中。

4 结 论

针对微生物加固粉土坡面的植物适生性影响开展研究，分析了粉土表层固化层强度与水稳定性指标的变化特性，及其对草本植物生长的影响，得出以下结论：

1)在喷洒遍数和单位面积喷洒量一定的情况下，提高胶结液浓度能够获得更高的粉土表层固化层强度。采用高浓度的胶结液形成的固化层水稳定性更好。

2)采用菌液和浓度为0.75～1.00 mol/L、喷洒量为0.06 mL/cm2的胶结液喷洒3遍固化粉土坡面，既可保证粉土坡面具有一定防护强度，也可保证高羊茅良好的适生性。披碱草在微生物固化表层后的粉土中生长情况较差。

3)粉土坡面经微生物固化后，高羊茅和披碱草的出苗率和出苗速率指数随着固化层贯入阻力的提高而降低。固化层阻碍了植物幼苗破土生长，导致出苗率下降和出苗时间延迟。植物种类和固化层强度是影响植物适生性的重要因素。