一种用于可持续荒漠化防治的综合生物岩土方法：酶促矿化与生态修复的协同机制

《Journal of Environmental Management》：An integrated bio-geotechnical approach for sustainable desertification control: Synergistic mechanisms of enzymatic mineralization and ecological restoration

　　

摘要

沙尘暴（SDS）是威胁干旱地区生态系统稳定性和土地生产力的严重地质环境灾害。酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）在控制沙尘暴方面非常有效，且表现出更好的生态兼容性。然而，工程固化与植被恢复之间的具体相互作用仍未得到充分理解，这限制了进一步的进展。本研究评估了一种结合 EICP 和植被的综合处理方法，用于快速表面固化和早期生态恢复。系统考察了豆粕浓度、试剂浓度和混合溶液用量对结皮特性、保水性、土壤化学性质、植物生长和抗风蚀性的影响。在 25 m/s 的清洁气流下，未处理的对照组表现出 90.2% 的累积风蚀率，而 EICP 处理显著减少了沙土流失。形成的结皮还减少了蒸发，并在幼苗建立早期维持了较高的水分含量。植被降低了残余有机碳和 NH₄⁺-N，表明其作为生物氮汇的贡献。然而，过高的处理强度增加了结皮阻力、电导率、残余铵含量，并延迟了幼苗出苗。使用 0.25 M 试剂、50 g/L 豆粕和 3 L/m² 混合溶液的处理在测试条件下提供了最佳的总体平衡。这些发现证明了一个互补过程的早期阶段，其中 EICP 提供即时保护，而生长的植被有助于氮吸收、根系加固和表面粗糙度。

引言

沙尘暴（SDS）是灾难性的地质环境事件，对全球公共卫生、经济稳定和生态系统功能产生深远影响 (Le Houérou, 2001; Mekuria et al., 2007; Wang et al., 2015)。在干旱和半干旱地区，风致土壤侵蚀加速了荒漠化，导致生物多样性丧失和土地生产力下降 (Liu et al., 1999; Ludwig et al., 2006)。现有的荒漠化控制方法包括机械屏障、水泥基稳定剂和聚合物稳定剂。机械屏障（如草方格）可以降低近地面风速，但需要大量的材料、安装和维护投入。水泥基稳定剂能提供快速加固，但可能形成刚性大、碳排放高的结皮，限制水分入渗和根系穿透。聚合物稳定剂也能提高表面稳定性，而其耐久性和生态效应取决于材料类型和环境暴露 (Grainger, 2013; Niu et al., 2023; Xing et al., 2023; Li et al., 2023a; Zhang and Zhou, 2020)。尽管植被恢复通过增强表面粗糙度和土壤凝聚力提供长期解决方案，但其实施经常受到恶劣、贫营养沙漠环境中幼苗存活率极低阻碍 (Tran et al., 2019; Li et al., 2020)。因此，需要一种能提供即时固沙同时支持长期植被发展的处理方法。

最近，酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）在地质和环境工程领域受到了越来越多的关注 (Ivanov and Chu, 2008; van Paassen et al., 2010)。尿素水解被认为是常见的研究途径，涉及尿素的分解和具有胶凝特性矿物质的生成（例如，碳酸钙，CaCO₃） (Yasuhara et al., 2012; Dhami et al., 2013; Liu et al., 2017; Liu et al., 2019; Sun et al., 2021a; Xiao et al., 2022; Xiao et al., 2021)。EICP 技术因形成结皮层而被广泛认可具有控制 SDS 的巨大潜力 (Hamdan, 2015; Li et al., 2025a; Wang et al., 2024; Chen et al., 2024)。与 MICP 相比，EICP 不依赖于解脲菌的存活，这在涉及热量、干燥和盐度的沙漠条件下可能提供操作优势。然而，游离脲酶在高温下可能会失去活性，过高的试剂浓度仍可能增加渗透胁迫。因此，在相同沙漠条件下比较 EICP 和 MICP 仍然是必要的。值得注意的是，EICP 过程改变了土壤的水文性质；产生的孔隙填充效应改善了保水性，这对维持生物活性至关重要 (Tran et al., 2019; Li et al., 2020)。因此，EICP 处理表现出良好的生态兼容性 (Sun et al., 2021b, 2022)。然而，EICP 应用的环境管理面临一个关键瓶颈：反应副产物铵（NH₄⁺）的积累和高碱性，高浓度下可能带来地下水污染风险或阻碍敏感植物物种的生长 (Tran et al., 2019; Li et al., 2020)。先前的研究证明了基于 EICP 的沙土固化和生物矿化辅助侵蚀控制的可行性，以及碳酸盐沉淀与植被结合以改善幼苗建立的整合 (Hu et al., 2026; Wu et al., 2024; Li et al., 2025b; Jia et al., 2021)。然而，在共同处理矩阵中，结皮完整性、水分保持、残余盐度、幼苗出苗、根系发育和抗蚀性之间的权衡仍未得到充分评估。

将植被整合到 EICP 中为减轻环境风险提供了独特的机会。具体而言，植物的生长可以作为 EICP 含氮副产物的代谢汇，有效地将潜在污染物转化为生物质营养素。同时，结皮层作为幼苗的保护屏障，减轻风沙的磨蚀影响并最大限度地减少蒸发水分损失。然而，实现这种协同作用需要处理复杂的权衡：高水平的矿化提供更高的强度，但可能会阻碍根系穿透或幼苗出苗，过量的氨释放可能从生长信号分子转变为强细胞毒素 (Tran et al., 2019; Li et al., 2020)。因此，阐明根 - 结皮界面水 - 营养 - 机械相互作用的机制对于优化防荒漠化干预至关重要。

在本研究中，系统评估了一种在 沙蒿（Artemisia arenaria） 下使用不同豆粕浓度、试剂浓度和混合溶液用量的整合 EICP 和植被处理方法。使用成对的 EICP 组和 EICP-植被组来评估结皮层（例如，抗剪强度、厚度和保水能力），以及环境 pH 值、电导率、有机碳和铵态氮（NH₄⁺-N），以及植物生长。目标是确定最佳处理条件，以平衡即时 SDS 控制和早期生态建立。

章节摘要

沙土和 沙蒿（Artemisia arenaria）

风积沙（图 S1a）来自中国宁夏回族自治区的腾格里沙漠，比重为 2.60，累积频率 50% (D₅₀) 为 0.12 mm。曲率系数 (C_c) 为 0.94，均匀系数 (C_u) 为 1.42 (表 S1)。风积沙中的矿物成分为石英和钠长石（图 S1b），具有几个特殊特征，例如，颗粒间无粘聚力、良好的圆度（0.87）、高球度（0.9）以及易风蚀性。

抗剪强度、厚度、CaCO₃ 含量和声波时间值

在去离子水处理组中，由于幼苗阶段植被造成的有限土壤改良，导致抗剪强度约为 300 Pa（图 2c）。随着试剂浓度的增加，抗剪强度（图 2a）、厚度（图 2d）和 CaCO₃ 含量（图 2g）有所增加，而声波时间值逐渐减小（图 2j）。脲酶浓度从 25 g/L 增加到 75 g/L 导致抗剪强度显著增加（图 2b）。

水 - 机械协同效应

EICP 中 CaCO₃ 的沉淀减少了孔径，增强了根系与土壤之间的接触面积，提高了根系吸收水分和养分的效率，促进植物生长 (Hamdan and Kavazanjian, 2016; Wang et al., 2023b)。大多数植物在土壤孔隙率低于 25% 时生长受限，降低养分吸收效率。基于声波时间值的结果，可以计算处理样本 Φ₂ 的孔隙率（公式 (2)）。基于测量的干密度

结论

使用 0.25 M 试剂、50 g/L 豆粕和 3 L/m² 混合溶液的适度处理提供了充足的 CaCO₃ 形成、水分保持和对清洁气流侵蚀的抵抗力，同时保持了合理的幼苗出苗率。更密集的处理增强了矿化，但也增加了电导率、残余铵含量、结皮阻力以及对幼苗出苗的抑制。

在早期建立阶段，EICP 结皮通过减少颗粒分离提供主要保护

CRediT 作者贡献声明

Hengxing Wang: 撰写 - 初稿，方法学，调查，数据整理。 Xiaohao Sun: 撰写 - 初稿，调查，资金获取，概念化。 Linchang Miao: 撰写 - 审阅与编辑，监督，资金获取。 Junhao Yuan: 撰写 - 审阅与编辑，方法学。 Guangcai Fan: 撰写 - 审阅与编辑，调查。 Linyu Wu: 撰写 - 审阅与编辑。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能被认为影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢评审人员提出的宝贵意见。本研究由国家自然科学基金（国家自然科学基金 (52173248)）、宁夏科技厅（2020BFG02014）和宁夏交通厅（202000173）资助。

Hengxing Wang|Xiaohao Sun|Linchang Miao|Junhao Yuan|Guangcai Fan|Linyu Wu

教育部城市地下工程重点实验室，北京交通大学，北京，100044，中国