风沙土多见于干旱半干旱地区^[1-2]，由于其本身所含细砂颗粒居多，加之风沙区雨水不足^[2]，风速较大^[3]，极易被风吹蚀，发生沙尘暴等^[4]一系列风沙灾害。不合理的人为扰动是荒漠化的迅速发展的主要原因^[5]。中国地域辽阔，跨越经度范围大，因而荒漠化成因极为复杂，治理方法难度较高^[6]。沙漠沿线的公路，铁路施工建设^[7]都需考虑沙漠风蚀的危害。当前主要采取工程固沙、化学固沙以及生物固沙等措施来防治风蚀^[8]。其中工程固沙措施只能作为一种临时防护措施，耐久性差^[9]；化学固沙措施成本较高，对环境扰动大^[10]；生物措施开展的周期较长，限制条件较多^[11]。针对传统固沙方式存在的诸多局限性问题，本文采用了一种适应性强、成本低、高效快速且对环境友好的微生物固沙方法开展固沙试验。并对其固化效果及保水性能进行了探究。

微生物固沙方法基于微生物的矿化原理，向土体中加注巴氏芽孢杆菌菌液和胶结液(CaCl₂和Urea按照1∶1的比例均匀混合)，此时细菌能够在碱性条件下，通过自身新陈代谢产生脲酶，从而将尿素分解为铵根离子(NH₄⁺)和碳酸根离子(CO₃^2-)。碳酸根离子(CO₃^2-)与环境中存在大量的钙离子(Ca²⁺)结合，围绕细菌表面生成碳酸钙结晶，将松散砂粒固结为一个整体，从而达到防风固沙的目的，且在整个生物矿化的过程中，基本不产生毒性物质和其他副产品。

$ {\mathrm{CO}}\left({\mathrm{NH}}_2\right)_2+2 {\mathrm{H}}_2 {\mathrm{O}} \rightarrow {\mathrm{CO}}_3^{2-}+2 {\mathrm{NH}}_4^{+} $

(1)

$ {\mathrm{Ca}}^{2+}+{\mathrm{CO}}_3^{2-}+\text { cell }=\text { cell }-{\mathrm{CaCO}}_3({\mathrm{~s}}) $

(2)

为了探明微生物诱导碳酸钙沉淀过程中的影响因素，Whiffin等^[12]人采用注射法和分布灌浆法完成了砂柱的固结试验并测得其具有一定的抗剪强度。彭劼等^[13]人通过控制反应温度来比较固化后土样中碳酸钙结晶的含量。Ahmad^[14]提出硝酸钙和氯化钙同样可以作为钙源参与MICP过程。Sivakumar^[15]将扇贝粉以不同比例添加进MICP试剂中，使得固化后的试样无侧限抗压强度提高了200%。当前关于微生物固化效果的研究主要集中于试样抗剪强度、渗透系数、干密度以及碳酸钙含量等指标，对于固化后试样的保水性能研究较少。而进一步将MICP技术应用于风蚀防治以及植被恢复需要考虑固化试样的保水性能。因此，本研究采用MICP技术对风沙土试样进行不同的次数的固化处理，通过保水性试验探究12 d内固化样本的保水性能，结合其固化效果确定最优固化次数，以便为MICP技术在固化风沙土以及恢复生态等方面的应用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料 1.1.1 风沙土材料

试验所用风沙土于2021年6月15日采自宁夏回族自治区中卫市境内沙坡头区的腾格里沙漠地理坐标为37°33′59″N，105°01′52″E，海拔1 221.7 m。根据GB/T50123-2019土工试验标准^[16]以及相关试验研究^[17]，确定风沙土样基本物理化学性质(表 1)。

1.1.2 菌液及胶结液材料

(1) 菌液的制备及相关性质。本试验菌液制备时使用的菌种自美国菌种保藏中心选取巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii)，培养基为CASO AGAR培养基，制作该培养基需将20 g尿素，15 g酪蛋白胨，5 g植物大豆蛋白胨，5 g NaCl溶于1 L蒸馏水中。

制备菌液时，先按照巴氏芽孢杆菌培养基制备要求，配制液体培养基。将培养基在121 ℃条件下灭菌20 min，结束后放置于无菌操作台冷却至室温并完成接种工作。将接种完成的液体培养基放入恒温摇床(30 ℃，200 rpm)振荡培养48 h。培养结束观察到原本透明澄清的培养基变得浑浊，且无其他杂菌生成，则细菌活化成功。进一步按照此方法完成细菌的扩繁培养，放置于4 ℃冰箱储藏待用。在恒温振荡48 h的培养时间内，每间隔两个小时用紫外分光光度计(波长600 nm)和pH计测量菌液的吸光度OD600值和pH值。由图 1可知，随着时间的变化，细菌的OD600值和pH值呈现逐渐上升的趋势。在2—10 h内细菌繁殖速度最快，呈现对数增长的趋势。在10—32 h内，增长速度放缓。32 h后逐渐稳定至无明显变化。最终测得菌液pH值为9.18，OD600值为2.145。

(2) 胶结液的制备。本次试验选取的胶结液由氯化钙溶液和尿素溶液按照1∶1摩尔比例混合后制成，其中氯化钙溶液为微生物矿化过程提供了钙源。根据吴雨瑶对风沙土的微生物固化及其抗风蚀试验研究^[18]可知，胶结液浓度为0.5 mol/L时，既能节约成本，又保证了固化效果。故本试验采用的胶结液浓度为0.5 mol/L。

1.2 试验方法 1.2.1 风沙土的固化试验

2021年10月于西北农林科技大学水土保持研究所水土保持生态工程技术研究中心将采回的风沙土样过筛(1 mm)，去除其中的杂质。选取20 cm(长)×15 cm(宽)×8 cm(高)的塑料容器，底部铺设1 cm厚的碎石，上部平铺一层无纺布，计算容器体积和所用风沙土重量，按照风沙土天然密度进行装填，平整表面(图 2)。根据微生物诱导碳酸钙沉淀的基本原理，首先将50 ml巴氏芽孢杆菌菌液均匀喷洒于风沙土表面，待2 h后菌液完全渗入，再采用相同方式注入等量0.5 mol/L的胶结液(CaCl₂和Urea按照1∶1的比例均匀混合)，菌液和胶结液加注完毕后静置24 h。此为完整的一次固化过程。本试验共设置6组试样，其固化处理次数分别为0，1，2，3，5，7。每组两个重复。

1.2.2 固化试样干密度及渗透系数的测定

采用蜡封法^[19]测定不同固化次数处理后的试样块干密度。首先将固化后的风沙土切取成相近大小的试样块，在纯水中浸泡后放入烘箱，在105 ℃下烘干24 h。将烘干后的试样块称重，记为m₁。用细线绑好试样将其没入蜡液中，保证其被包裹完全且表面没有气泡，称重蜡封好的试样块重量，记为m₂。再测定蜡封好的试样浸入纯水时的重量，记为m₃。按照干密度测定公式计算固化试样干密度(ρ)。

$ \rho=\frac{m_1}{\frac{\left(m_2-m_3\right)}{\rho_1}-\frac{\left(m_2-m_1\right)}{\rho_2}} $

式中：ρ₁为纯水的密度(g/cm³)；ρ₂为蜡的密度(g/cm³)。

使用体积为100 cm³的环刀切取固化处理后的试样，并放入渗透仪中，将适量凡士林涂抹于渗透仪内壁中，保证圆柱状的试样与渗透仪紧密贴合且不透水。采用常水头试验方法^[17]，使水流自上而下浸润试样，水头由低到高逐级增加，记录渗透量、经过时间等相关数据，按照渗透系数(K)计算公式测定不同固化试样的渗透系数。

$ K=\frac{Q L}{A h t} $

式中：Q为渗透水量(cm³)；L为渗径(cm)；A为试样横截面积(cm²)；h为常水头(cm)；t为经过时间(s)。

1.2.3 固化试样的保水率测定

为了探究不同固化次数下，风沙土试样的保水性能，采用称重法对原沙及各个样本进行测定。取固化样本，将其烘干至水分不再变化时测重，计为m；向固化试样面喷水，使其达到饱和状态时再次测重，计为m₂。置于室内22 ℃恒温条件下，每24 h进行一次称重测定。根据下式^[20]测定其保水率。共测定12次。

$ R=\frac{m_1-m}{m_2-m} \times 100 \% $

式中：m₁为风沙土总重(g)；m为风沙土干重(g)；m₂为风沙土达饱和含水量后风沙土总重。

1.2.3 数据处理

采用Excel 2016办公软件对试验数据进行初步整理，使用SPSS数据分析软件对整理好的数据进行差异性分析。并在Origin 2018软件中完成相关图片的绘制。

2 结果与分析 2.1 固化风沙土的微观结构分析

选取小块固化风沙土试样的自然破坏面，在光学显微镜(Axio scope A1)下放大200倍进行观察分析；再将小块试样进行喷金处理后，放入扫描电子显微镜(S-4800)内放大500，5 000倍，对固化试样的微观结构进行分析。图 3a为风沙土试样固化前的光学显微镜图像^[18]，可以看到风沙土颗粒与颗粒间孔隙较大，颗粒表面光滑且无明显的附着物。图 3b为固化后试样放大200倍的图像，可在风沙土颗粒间明显观测到白色碳酸钙结晶生成，填补了原沙的孔隙，使得松散沙粒胶结在一起。图 4a为固化后试样切块放大500倍的扫描电镜图像，可以观察到有大量细小颗粒生成，紧紧包裹在风沙土颗粒表面，起到连接沙颗粒的作用。图 4b为固化后试样切块放大5 000倍的扫描电镜图像，可以更加直观地看出生成的细小颗粒为方解石晶体，且在晶体表面存在长条状的孔洞，这是由于在MICP过程中，生成的碳酸钙结晶越来越多，阻挡甚至切断了巴氏芽孢杆菌吸收生存物质的通道，导致细菌在一段时间后死亡，留下了大小不一的孔洞，一定程度上验证了微生物在MICP过程中充当了晶核的作用。

2.2 固化风沙土的物理化学特性 2.2.1 风沙土的固化层厚度及碳酸钙含量

为了探究不同处理次数对固化效果的影响，将固化好的样本进行烘干处理，分别从中间切断，取切面，将下部松散砂粒掏空，取固化表层测量其厚度及重量。采用酸洗法向各试样中加入过量的盐酸，使用滤纸过滤，用超纯水淋洗加酸后的固化风沙土试样，去除多余盐酸，将处理好的试样放入烘箱烘干，再次称重，前后两次试样质量的差值，即为碳酸钙含量(表 2)。由表 2可知，随着固化次数的增加，菌液及胶结液入渗高度逐渐增加，伴随着越来越多碳酸钙结晶的生成，固结深度随之增加，固化层厚度从3.38 mm增加到11.28 mm。其中，固化1次和固化2次的厚度差别不大，固化3~5次的厚度增加幅度较大。固化处理增加伴随着固化层厚度增加的同时，碳酸钙含量呈现相同的上升趋势，更进一步表明，微生物诱导碳酸钙沉淀的过程中，生成的碳酸钙越多，固结的沙颗粒越多。

2.2.2 固化风沙土的干密度及渗透系数

由图 5可知，将原沙作为对照组进行比较，固化处理后的风沙土试样密度与固化处理次数之间呈现正相关。原沙的干密度为1.61 g/cm³，固化试样的干密度随着处理次数的增加逐渐增大。最大干密度为2.05 g/cm³。这表明经过MICP固化处理后的沙样，其干密度与原沙相比明显增大，这是由于随着固化次数的增加，菌液入渗深度增加，沙粒间形成了越来越多的碳酸钙结晶，松散的原沙变成了致密的整体。同时随着试样干密度的不断增大，大量的碳酸钙结晶不仅填充了固化试样表层的孔隙，其内部的沙颗粒也被牢牢胶结在一起，使得试样孔隙度不断减小，进一步导致固化试样的渗透系数逐渐减小。

2.3 固化风沙土的保水性能 2.3.1 风沙土试样保水率随固化次数的变化规律

图 6为固化风沙土试样在恒温条件下，保水率随着固化次数的变化曲线。由图 6可知，固化处理试样的保水率从第2 d开始出现变化，第3—9 d变化较为显著且固化处理3次与5次的样本保水率差异并不明显，而固化处理7次的样本保水率最低。第11和12 d固化2次后的试样保水率变化明显，处于较低水平。

图 7为经过不同固化次数处理的风沙土试样在恒温条件下，12 d内的平均保水率对比曲线。由图 7可知随着固化处理次数的增加，固化层保水率逐渐增加且高于原沙的平均保水率。但固化7次的风沙土试样平均保水率显著低于原沙。

2.3.2 不同固化处理试样保水率随时间的变化规律

图 8为固化风沙土试样在恒温条件下，12 d内保水率随时间的变化曲线。由图 8可知随着蒸发时长的增加，试样中的风沙土含水量均逐渐减少。处理1~5次的试样与原沙相比保水性能均有所增加，其中，处理3次与5次的固化试样在12 d内，保水性能呈现出较好的效果。处理1~2次的固化试样在试验前期保水性较好，后期较差。而处理7次的保水性最差，甚至在2~9 d这一时间段保水率低于原沙试样。

2.3.3 不同固化处理试样保水率的时间分布特征

由图 9可知，在保水性试验的第2 d，各试样保水率均有一定程度的下降。经过固化处理的风沙土试样保水率均高于原沙试样。其中固化处理1次和7次的试样保水率与原沙试样保水率无显著性差异。而固化处理2，3，5次的试样保水率与原沙呈现显著性差异。

由图 10可知，从保水试验第3—8 d，各风沙土试样保水率不断下降，固化7次处理后的风沙土试样保水率均为最低，其次是固化处理2次的试样。其中第3—7 d，固化处理1，2，3，5次试样及原沙试样均与固化处理7次试样呈现出差异性，第8 d，固化2次的风沙土试样保水率下降幅度较大，与固化7次的试样保水率已无显著差异。

图 11为第9—10 d不同固化处理试样保水率之间的差异。由图 11可知，在保水性试验的第9 d和第10 d，原沙及各固化试样保水率之间均无显著性差异。其中固化1，3，5次的试样保水率均能够维持在高于原沙的水平，而固化2次和固化7次的试样保水率略低于原沙。

由图 12可知，在保水试验的第11 d和第12 d，固化处理后的风沙土试样保水率整体高于原沙保水率。固化1，2，7次的风沙土试样保水率与原沙试样保水率相比均无显著的差异性，而固化3次及固化5次的风沙土试样保水率均与原沙试样保水率呈现出较大的差异。

综合12 d各试样的物理化学特性及保水率情况可知，在试验前期，固化处理的风沙土试样均呈现出较好的保水性能；随着固化天数的增加，在保水性试验中期，固化2次以及固化7次的风沙土试样所呈现出的保水性能较差，保水率一度低于原沙试样；在保水性试验后期，各试样间的保水率变化幅度较小，此时，经过固化处理的试样保水率仍旧高于原沙试样，且固化3次及固化5次的试样保水性能优于其他试样。无论是在保水率试验的哪一个阶段，固化3次和固化5次的试样保水率始终处于较高水平。这是由于土壤的保水性能与土壤团聚体^[21]比例正相关，而风沙土所含黏粒物质较少且质地松散，因而其保水性能较差。在试验初期，固化次数较少，MICP过程中生成的碳酸钙晶体主要填补了沙粒间的大空隙，同时使得沙粒胶结在一起^[22]，有效减少了水分的散失。相关研究表明，碳酸钙作为许多保水剂^[23]制备时添加的材料，其本身能够吸取并保留一些水分，因此当碳酸钙结晶适量存在于固化试样中时，既保留了一定的水流通路，又显著提升了风沙土的保水性能。但当固化次数不断增加时，固化风沙土的渗透系数逐渐减低，干密度显著增加，此时大量的碳酸钙结晶堵塞了水流通路^[24]，使得固化试样保水性能变差。

3 讨论

从固化效果方面来说，当前微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术广泛应用于多种材料的裂隙修复^[25-26]、重金属离子的矿化^[27]以及土体加固中。相关研究发现通过改变钙源种类^[28]、反应温度^[13]以及灌浆方式^[29]、混合多种改性物质^[30-31]均可提升MICP加固风沙土的效果。而本研究采取的增加固化处理次数的方法同样在一定程度上提升了风沙土试样的固化效果。这与王怀星等^[32]人在固化黄土时得到的结果一致。在干旱及半干旱地区，荒漠化的成因较为复杂，但风沙土颗粒级配不良，区域雨水不足且风速较大均为主要因素。因此防治风蚀的关键在于固定流沙，经一系列风洞试验^[18]表明，MICP技术固化处理后的样本，在较高风速下仍然能够有效控制风蚀。同时在固化沙样的过程中，胶结液浓度和固化处理次数的增加^[22-33]均能增加固化层的厚度。

在保水性能方面，当前各类高分子化合物^[34-36]以及化学保水剂^{[21, 37]}的添加均能够提高风沙土的保水性能。而经过MICP技术固化后的风沙土试样，生成的污染物质较少，制备过程简洁，且更多依据的是环境中固有的成分，对环境扰动较小。从为期12 d的保水试验中可以发现，固化3~5次试样保水率在较长时间内都能够维持较高的水平。

综上，采用MICP技术固化后的风沙土，随着固化次数的增加，固化层厚度、碳酸钙含量以及干密度均显著增加，渗透系数随之逐渐降低。固化1~5次的试样不仅优化了风沙土的物理化学特性，同时将其保水率提升至较高的水平，其中固化3次和5次的试样效果最佳，但整体差别不显著。而固化7次的试样虽然显著提升了风沙土的理化性质，但过厚的固化层也使得风沙土密度显著增大，孔隙比过小，造成饱和含水率降低，导热率增大，呈现出的保水效果不佳。因此，综合考虑固化效果和经济耗损，采用浓度为0.5 mol/L胶结液，固化处理3次为最佳方法。

4 结论

(1) MICP技术固化风沙土的效果较为显著，该方法能够在短期内使得松散沙颗粒固结成具有一定力学性质的整体。

(2) 随着固化次数的增加，风沙土试样固化层的厚度、碳酸钙含量及干密度逐渐增加，渗透系数逐渐降低。

(3) 固化风沙土保水率随着固化次数的增加而增加，处理3次与5次的试样保水率差别不大。当固化次数超过5次时，风沙土孔隙比过小，水分蒸散加快，保水率开始下降，甚至一度低于原沙。基于固化成本及保水性能综合考虑，浓度为0.5 mol/L的胶结液处理3次为最佳的固化处理方法。

(4) MICP技术固化后的风沙土不仅具有一定的抗风蚀效果，同时能够有效保持沙地中的水分，为后续生态修复提供良好的环境条件。