新型鸟粪石改性植生混凝土(SPC)在边坡防护与生态修复中的协同增效机制研究

针对传统密实混凝土阻碍水土交换、破坏生态功能的问题，中国研究人员创新性地开发了鸟粪石改性植生混凝土(SPC-6)。该材料兼具13.1 MPa抗压强度与31.4%孔隙率，通过缓释NO3--N(22.2 mg/28d)和PO43--P(1.1 mg/28d)显著提升黑麦草生物量(干重0.087g)及叶绿素含量(2.3 mg/g)，同时经受50次冻融循环后强度损失最低，为生态工程提供了兼具结构稳定与生物相容性的解决方案。

　　

随着城市化进程加速，大量基础设施建设导致边坡裸露和生态退化。传统混凝土防护虽能保障结构稳定，却严重阻碍水土交换，导致"工程硬化、生态荒漠化"现象。据Yang等(2025a)研究，中国已有超1500万平方米边坡采用植生混凝土，但其营养调控和长期植被支撑仍是瓶颈。与此同时，污水处理副产品鸟粪石(struvite，化学式MgNH₄PO₄·6H₂O)因其富含N、P、Mg等植物必需元素，在Pang等(2021a)研究中被证实可促进水泥水化，但对其在生态建材中的多功能性探索仍属空白。

中国长江电力股份有限公司资助的研究团队在《Environmental Research》发表成果，首次将鸟粪石作为水泥替代料(6%掺量)制备新型植生混凝土(SPC-6)。通过水化热分析(累积放热97.3 J/g)、热重测试(残余质量72.3%)等技术，揭示其通过提供成核位点加速C-S-H凝胶形成，同步实现结构强化与营养缓释。冻融50次后，SPC-6质量损失率比对照组降低63%，同时使黑麦草总氮累积量提升至6.0%，展现出"工程-生态"双赢特性。

关键技术方法包括：采用XRD/SEM-EDS表征鸟粪石晶体结构；通过抗压/劈裂试验评估力学性能；使用冻融循环仪测试耐久性；采用紫外分光光度法测定营养盐释放量；通过植物干重、叶绿素含量等指标量化植被性能。

【微观结构与水化行为】
XRD显示鸟粪石特征峰(15.96°、20.73°)完整，SEM观测到规则晶体排列。SPC-6的77小时水化热累积值达97.3 J/g，表明鸟粪石提供额外成核位点，促进水泥水化。TG-DSC显示其Ca(OH)₂含量较对照组减少19%，证实鸟粪石参与二次水化反应。

【物理与植被性能】
SPC-6孔隙率31.4%时仍保持13.1 MPa抗压强度，渗透系数4.5 mm/s最优。冻融测试中，其强度损失率仅为对照组的42%。植被实验显示，SPC-6组黑麦草蛋白质含量(5.3 mg/g)较对照组提升136%，30天N/P累积量分别达6.0%和9.4 mg/g。

【营养释放机制】
28天累积释放曲线显示，SPC-6的NO₃^--N释放量呈线性增长(22.2 mg)，PO₄^3--P释放符合一级动力学模型(R²=0.96)。EDS面扫描证实Mg²⁺在水泥基质中均匀分布，形成持续释放"营养库"。

结论表明，SPC-6通过"结构-功能"一体化设计，突破传统植生混凝土强度-孔隙率矛盾。其创新性体现在：① 鸟粪石双重功能(水化促进剂+缓释肥)；② 冻融环境下质量损失<3%的耐久性；③ 使叶绿素合成效率提升2.1倍的生物刺激效应。该研究为《"十四五"生态保护修复规划》提出的"绿色基础设施"建设提供了新材料范式，未来在矿山修复、河道护坡等领域具有广阔应用前景。