干湿循环下生物炭-植被协同作用提升土壤抗裂性能与水力特性

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Enhancing soil cracking resistance and hydraulic performance via biochar-vegetation interaction under dry-wet cycles

　　

摘要：浅层边坡失稳常由失水开裂引发，而传统化学稳定剂往往面临环境和经济方面的制约。本研究评估了在200 °C和500 °C下制备、分别以土干质量9%掺量添加的生物炭与高羊茅协同缓解开裂并改善水力特性的潜力。通过室内试验和微观尺度分析，揭示了该集成处理的内在机理。结果表明，生物炭-植被集成可显著抑制失水开裂。具体而言，500 °C生物炭-植被处理（V-T5）表现出最有效的抑裂效果，经三次干湿循环后，其表面开裂率较裸土（BS）降低51.4%。在水力性能方面，V-T5延长了恒速蒸发阶段，并在测试干燥期内使累计保留水量增加约35%。此外，集成处理有效限制了干湿循环通常引起的饱和水力传导系数（k_s）增大。机理分析表明，生物炭通过其微孔改善持水能力，通过多价阳离子交换增强土壤团聚，并优化养分有效性以促进植被生长。这些物理化学效应与根系机械加筋及根际诱导的生物胶结共同构成从根际改善、植物生长增强到结构加固的递进机制。上述发现证明了生物炭与植被联合作为一种环境可持续的方法，在干湿交替条件下稳定浅层边坡的潜力。

论文解读：生物炭-植被协同改良土壤抗裂与水力特性的机制研究

一、研究背景与科学问题

浅层边坡失稳常由失水开裂诱发。蒸发失水引起土体收缩，产生的裂隙成为降雨入渗的优势通道，在暴雨与极端干旱交替驱动的干湿循环作用下，裂隙进一步扩展，导致饱和水力传导系数（k_s）显著增大，持水能力下降，非饱和抗剪强度降低，进而威胁防渗屏障、路堤和大坝的安全，并诱发浅层滑坡。传统改良方法多采用石灰、聚丙烯纤维和土工格栅等，但存在碳排放高、材料与施工成本增加、长期耐久性不足等问题。生物炭作为生物质在限氧条件下热解产生的富碳固体材料，具有成本低、孔隙发达、比表面积大、阳离子交换容量高和稳定性好等优点，适量掺入可缓解土体开裂并改善持水性；然而生物炭本身为离散颗粒材料，缺乏抗拉加筋能力，在反复干湿循环下可能作为脆性夹杂物而限制长期效果。植被护坡通过根系机械加筋和蒸腾、吸水等水文过程发挥固坡作用，但早期建植缓慢，且根系衰亡后留下的孔道可能成为优势渗流路径，削弱屏障功能。目前鲜有研究系统探讨两者在时间和空间上的互补性。为此，研究者开展试验，探索生物炭与植被协同改良土体结构完整性和水力行为的潜力，为浅层边坡绿色可持续加固提供科学依据。

二、主要技术方法

该研究采用室内试验与微观表征相结合的方法。供试土样取自中国南京东南大学九龙湖校区，为含砂低液限黏土（CL），由33%砂粒、42%粉粒和25%黏粒组成。生物炭由玉米秸秆在200 °C和500 °C下热解5 h制备，按9%干土质量掺量添加；植被选用高羊茅。试验设置裸土（BS）、纯植被土（VS）、200 °C生物炭-植被土（V-T2）和500 °C生物炭-植被土（V-T5）四组处理，并设置0、1、3次干湿循环和30、60、90 d植被生长时长。采用压汞法（MIP）测定孔隙结构，X射线衍射（XRD）分析矿物组成，X射线光电子能谱（XPS）表征表面元素和化学态；采用数字图像处理系统（CIAS）量化裂隙几何参数；采用柔性壁渗透仪测定饱和水力传导系数；采用压力板仪和张力计测定土-水特征曲线（SWRC）；通过水 displacement 法测定根体积比。

三、研究结果

3.1 生物炭对土壤理化性质的影响

MIP结果表明，生物炭掺入使土体总孔隙率增加，宏孔相对比例降低，孔径分布主峰由约100 μm移至约10 μm，其中500 °C生物炭在5～50 μm孔径范围的增孔效果更显著。XRD分析显示，生物炭掺入降低了蒙脱石和伊利石等黏土矿物的相对衍射峰强度，产生“替代效应”，从而降低土体收缩潜势。XPS结果显示，500 °C生物炭富含K、N、P等养分，并提高Ca²⁺相对含量、降低Na⁺比例，促进絮凝和团聚，增强结构稳定性。

3.2 生物炭对植被生长的促进作用

经过21 d生长，V-T5的发芽率平均达93.3%，较VS提高18%；平均株高为11.6 cm，高于V-T2（10.1 cm）和VS（9.2 cm）。500 °C生物炭因较高的灰分含量和强碱性（pH=10.1）改善了弱酸性裸土（pH=6.8）环境，其富含的养分及优化的孔隙结构为植物提供了更稳定的水分和营养条件。

3.3 生物炭与植被对土壤持水能力的协同效应

在持续蒸发条件下，所有处理均经历恒速、降速和残余三个阶段。BS失水最快，V-T5蒸发速率最慢，其累计持水量较BS高约35%，较VS高约14%，较V-T2高约5%。V-T5最晚退出恒速阶段。改善机制包括：生物炭多孔结构阻塞水分迁移通道、增强土体吸力、降低表面温度；植被地上部分遮蔽和蒸腾作用降低蒸发需求，根系及分泌物促进团聚体形成。

3.4 生物炭与植被对土壤开裂行为的协同效应

经三次干湿循环后，BS开裂率从0%升至13.8%，VS为8.7%，较BS降低36.9%；V-T5仅为6.7%，较BS降低51.4%，较VS降低30.0%。随植被生长时间延长，裂隙由宽大连通转为细碎断续。90 d时，VS和V-T5的开裂率分别降至约5.03%和4.95%。根体积比与开裂率呈单调递减关系，但V-T5在相同根体积比下始终具有更低开裂率，表明生物炭的加入进一步强化了根系抑裂效果。

3.5 生物炭与植被对土体水力特性的协同效应

干湿循环前，含植被和生物炭处理的k_s高于BS；随着循环次数增加，BS的k_s从初始8.6×10^-9 m/s升至三次循环后的9.1×10^-8 m/s，增加一个数量级；VS在三次循环后k_s维持在约4.2×10^-8 m/s；V-T5仅从1.7×10^-8 m/s升至2.4×10^-8 m/s，增幅最小。k_s对开裂率的响应曲线显示，BS的k_s增幅分别是VS的5.4倍、V-T2的4.2倍和V-T5的7.2倍。SWRC测定表明，V-T5的持水能力在整个吸力范围内均高于其他开裂处理，在高吸力阶段甚至超过未开裂裸土，其体积含水率较开裂裸土高约14.1%。

四、协同机制讨论

生物炭-植被协同抑裂和优化水力功能的机制包括物理改造、化学改性和生物加固的多重耦合。生物炭通过其微孔持水、多价阳离子交换、养分富集和pH调节改善根际环境，促进植物生长，增强根系加筋、锚固和生物团聚作用；植被根系提供机械锚固，根系分泌物和微生物活动形成生物胶结，进一步加固土体。两者在时间上形成互补：早期生物炭提供结构支撑和水分储备，后期成熟根系接替提供长期力学锚固。500 °C生物炭因碳化完全、微孔发达、比表面积大、养分丰富且呈碱性，与植被协同效果最佳。该集成方法可应用于边坡浅表层，具有工程实用前景，但9%掺量仅为代表性工程掺量，尚需系统优化。

五、研究结论

本研究通过控制干湿循环条件，评估了生物炭与植被联合作用对土体开裂和水力行为的影响，主要结论如下：（1）生物炭-植被联合处理，尤其是500 °C生物炭与植被组合（V-T5），产生显著协同效应，开裂率在裸土和纯植被处理中最低，其最优抗裂性能源于时间互补性：生物炭增强早期结构稳定，植被维持长期加筋；（2）联合改良显著增强持水性和水力稳定性，V-T5的SWRC甚至优于未开裂裸土，并有效抑制干湿循环引起的饱和水力传导系数增大，维护了抵御优势渗流的水力完整性；（3）改良效果受热解温度显著调控，500 °C生物炭一致优于200 °C生物炭，这归因于其发达的微孔结构、更高的比表面积和碱性，从而增强持水和促进植被生长；（4）该改良通过多路径协同实现：生物炭优化土体理化性质和结构，植被提供机械加筋和水力调节，二者形成“生物炭改善条件—促进植被生长—增强长期抗干湿劣化能力”的良性循环。