通过协同植被作用和生物胶结技术实现花岗岩残余土壤的绿色稳定化

《Journal of Cleaner Production》：Green stabilization of granite residual soils through synergistic vegetation and biocementation treatments

花岗岩残积土因高渗透性、低胶结性易引发侵蚀和滑坡，研究通过根系加固、生物胶结及协同处理，发现协同效应使渗透率降低86%、凝聚力增215%，钙碳沉淀与根系机械锚固互补，细根更有效促进胶结，证实协同应用是可持续的浅层坡面保护策略。

　　研究团队由陈建、张勇杰、郭毅鹏、刘世宇、邓俊仁、易翠平和范海组成，来自中国湖南省长沙市的长沙理工大学土木与环境工程学院。该研究旨在探索一种绿色且可持续的稳定策略，以改善易受侵蚀地区浅层地表的稳定性。针对花岗岩残积土这一特殊的土壤类型，研究重点分析了植被在生物胶结土壤中的适应性，并评估了根系加固与生物胶结作用的单独和协同效应。

花岗岩残积土由于长期的原位风化作用而形成，广泛分布于中国南方地区。其高孔隙率、低天然凝聚力以及高渗透性等固有特性，使其在工程应用中面临诸多挑战。尤其是在基础设施建设中，如路基、边坡和地基等工程，花岗岩残积土容易受到侵蚀、内部侵蚀和水分诱导弱化等破坏过程的影响。相较之下，黏土和粉土等具有较高凝聚力的土壤，其水力行为和机械稳定性更为优越，因此由花岗岩残积土构成的边坡在长期或强降雨条件下更容易发生表层侵蚀、沟蚀以及浅层滑坡等灾害。

为了应对这些问题，传统土壤稳定技术，如水泥、石灰和化学粘结剂的使用，已被广泛应用于改善不良土壤的工程性能。然而，这些方法通常伴随着高能耗、二氧化碳排放以及土壤污染等环境问题，因此促使人们关注更加绿色和可持续的替代方案。生物胶结技术作为一种新兴的环保方法，正逐渐受到重视。该技术主要依赖于微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）或酶诱导碳酸盐沉淀（EICP），通过尿素水解和钙碳酸盐的沉淀过程，提高土壤的强度、刚度和抗侵蚀能力。钙碳酸盐的沉淀不仅能够填充土壤中的孔隙，还能将土壤颗粒粘结在一起，从而增强其整体稳定性。

与此同时，基于植被的稳定方法，尤其是根系加固，也是一种广泛应用的可持续策略。植物根系通过机械锚固、根土互锁以及界面摩擦等方式，增强土壤的稳定性。然而，根系加固的效果具有时间依赖性，只有当根系充分发育后，才能达到显著的稳定效果。因此，在植被初期生长阶段，边坡仍然容易受到侵蚀的影响。尽管根系加固和生物胶结技术都已被单独研究，但它们的协同效应尚未得到充分探讨。

本研究旨在填补这一空白，通过实验量化根系加固和生物胶结作用对花岗岩残积土水力和机械性能的协同影响。研究设计了三种处理方式：仅根系加固、仅生物胶结以及两者的协同处理。通过一系列实验室实验，评估了土壤的渗透性、保水能力、抗崩解性能以及抗剪强度等关键指标。此外，还利用扫描电子显微镜（SEM）技术分析了微观结构的变化，重点考察了钙碳酸盐、根系表面与土壤颗粒之间的相互作用。研究还探讨了根系形态以及生物胶结周期数对土壤性能的影响。

实验结果显示，百里香草（vetiver）在生物胶结花岗岩残积土中的适应性较好，最高发芽率为79%。协同处理方式在改善土壤性能方面表现出最显著的效果：渗透性降低了86%，保水能力提高了18%，抗崩解系数降低了55%，内聚力提高了215%，内摩擦角提高了116%。这些结果表明，生物胶结与根系的协同作用能够显著提高土壤的稳定性和抗侵蚀能力。生物胶结通过钙碳酸盐的沉淀增强了土壤与根系之间的结合，而根系则提供了机械锚固，进一步提升了边坡的稳定性。

研究还发现，根系含量对土壤性能的影响比根系直径更为显著，细根在促进钙碳酸盐与土壤颗粒之间的结合方面比粗根更为有效。这说明，在生物胶结与根系协同处理中，根系的分布和形态对于整体效果至关重要。此外，协同处理方式在改善土壤渗透性、提高保水能力方面表现出良好的调控作用，有助于维持土壤的水力平衡。

本研究通过系统的实验设计和分析，揭示了生物胶结与植被协同作用在改善花岗岩残积土性能方面的机制。研究不仅评估了不同处理方式对土壤性能的影响，还探讨了微观结构的变化以及根系与生物胶结之间的相互作用。这些发现为易受侵蚀地区提供了一种绿色且可持续的浅层地表保护策略，具有重要的工程应用价值。

在实际应用中，生物胶结技术可以通过压力注浆、预混和表面喷洒等方式应用于花岗岩残积土。其中，表面喷洒方式因其操作简便和现场适用性强而受到青睐。此外，生物胶结技术还能够提高表层土壤的保水和养分保持能力，从而支持植被的生长，同时避免对植被覆盖造成破坏。这一特性使得生物胶结技术在生态修复和环境保护方面具有双重优势。

研究还发现，NH4+在生物胶结过程中对百里香草的适应性具有重要影响。通过调节NH4+的浓度，可以优化生物胶结效果，从而提高植被的生长能力。然而，过高的NH4+浓度可能抑制种子的发芽和生长。因此，在实际应用中，需要平衡生物胶结溶液的浓度，以确保其既能有效促进钙碳酸盐的沉淀，又不会对植被生长造成负面影响。

此外，微生物活性的稳定对于生物胶结技术的成功至关重要。通过调节pH值，可以稳定微生物的活性，从而提高生物胶结效率。同时，探索无尿酶的路径和替代钙源，也可以进一步优化生物胶结过程。这些研究结果表明，生物胶结技术在实际应用中具有一定的灵活性和可调节性，可以根据具体环境条件进行优化。

本研究的实验设计不仅关注了土壤性能的改善，还深入探讨了生物胶结与植被之间的协同机制。通过分析不同处理方式对土壤性能的影响，研究揭示了生物胶结与根系加固在提高土壤稳定性方面的相互作用。这些发现为未来在易受侵蚀地区推广绿色和可持续的土壤稳定技术提供了理论支持和实践指导。

在总结研究结果时，研究团队指出，生物胶结与根系加固的协同作用能够显著提高花岗岩残积土的水力和机械性能。这一技术不仅能够有效改善土壤的渗透性和保水能力，还能增强土壤的抗崩解和抗剪强度。这些结果表明，生物胶结与植被的协同应用为易受侵蚀地区的浅层地表保护提供了一种可行的解决方案。研究还强调，根系含量和形态对于生物胶结效果具有重要影响，因此在实际应用中需要综合考虑这些因素，以确保最佳的稳定效果。

研究团队在实验过程中采用了多种方法，包括实验室测试、扫描电子显微镜分析以及对根系形态和生物胶结周期数的评估。这些方法不仅提供了全面的数据支持，还帮助研究人员更深入地理解生物胶结与植被之间的相互作用机制。通过这些实验，研究团队能够系统地评估不同处理方式对土壤性能的影响，并进一步优化生物胶结与植被的协同应用。

此外，研究团队还探讨了生物胶结与植被协同作用在实际工程中的应用潜力。通过分析不同处理方式对土壤性能的影响，研究团队能够为未来的工程实践提供理论依据和应用建议。这些研究结果不仅有助于提高土壤的稳定性，还能够促进生态环境的改善，从而实现可持续发展的目标。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和分析，揭示了生物胶结与植被协同作用在改善花岗岩残积土性能方面的潜力。研究不仅评估了不同处理方式对土壤性能的影响，还深入探讨了微生物活动、根系形态以及钙碳酸盐沉淀等关键因素的作用。这些发现为未来在易受侵蚀地区推广绿色和可持续的土壤稳定技术提供了重要的理论支持和实践指导。