基于草方格沙障與微生物巖土技術的治沙方法

鄧時容

摘 要：草方格沙障通過降低近地表風速、形成腐殖質改善沙土性質達到治沙效果，微生物巖土技術利用微生物產生的具有某些特殊性質的酶與外界物質反應，形成在材料中具有膠結或填充作用的新物質以善材料性質。本文結合兩種方法的特點，提出一種防風固沙的新思路：利用微生物巖土技術形成固體沙障改善近地表沙面粗糙程度，并在格中固定植物形成腐殖質以善沙土性質。

關鍵詞：土地沙化；草方格技術；微生物巖土技術；固體沙障

中國是世界上荒漠化最嚴重的地區之一，截至2017年，全國荒漠化土地總面積259.16 萬平方公里，占國土總面積的 269%。沙漠化造成地區生態系統失衡，使耕地面積不斷減少，給人民的農牧業帶來嚴重影響，造成了巨大社會經濟損失。減少氣流中的輸沙量、削弱近地表層的風速、延緩或阻止沙丘前移是防風固沙工程的核心。[1]目前廣泛采用的防風固沙措施是草方格沙障。草方格沙障是目前采用較多的機械治沙手段，其利用廢棄植物在沙漠中扎成部分伸出地表方格，減弱了近地表的風速，同時麥草等材料可以截留水分，一段時間后腐爛的草為流沙中注入腐殖質，促進微生物的生長繁殖，改變沙的性質，結合植物的種植，最終達到防治流沙的目的。[2]

本文介紹的基于微生物巖土技術與草方格沙障的治沙思路，核心思想是利用微生物誘導產生的碳酸鈣在流動沙丘中形成方格或橫格固體沙障，然后在格內鋪置廢棄植物并固定，利用其截留水分與腐爛產生腐殖質的作用，改變沙的性質。在性質有所改善后進行植物種植，達到永久治沙的目的。

1 微生物巖土技術簡介

某些微生物反應后會產生具有特殊作用的酶，酶與外界的某些物質反應生成結晶或者未結晶的無機物，這個過程被稱為微生物礦化。微生物礦化過程中產生的無機物可在巖土工程材料中起到填充和膠結作用。利用微生物的這一反應過程來解決巖土工程中所遇到的問題就是微生物巖土技術。[3]目前微生物巖土技術主要應用于巖土體加固與防滲、砂土液化防治、污染土治理、建筑體的裂縫修補等領域，并取得了很顯著的成果。近年來微生物巖土技術應用最為廣泛的是以碳酸鹽為產物的微生物礦化過程，被稱為微生物誘導碳酸鹽沉積（MICP）。基于經濟、實用原則，已有的大多數研究都是基于尿素的MICP過程。該反應的原材料包括尿素與氯化鈣的混合液（膠凝液），尿素細菌水解溶液，低濃度的氯化鈣溶液，材料使用步驟：將菌液放入待固化材料中，一段時間后加入低濃度的氯化鈣溶液使微生物吸附于土顆粒上，最后以合適的速率放入膠凝液使反應發生。[4]其反應原理如下：（1）中，細菌產生酶將尿素分解并產生碳酸根；（2）中碳酸根遇鈣離子生成碳酸鈣沉淀。

NH2-CO-NH2+2H2O嗜堿菌產生的脲酶2NH4++CO32（1）

Ca2++CO32-→CaCO3↓（2）

2 具體的方法步驟

本文介紹的基于草方格沙障與微生物巖土技術的治沙思路主要分為6個階段：①埋線：預先在固化范圍內合適深度的沙中埋置橫穿固體方格的繩索，繩索應具有一定彈性。這一布置是為了方便麥草秸稈等植物的鋪設與固定，防止其在大風下被吹走。②堆沙成障及布管：將平坦的沙面按一定長寬劃分成格，格邊界上形成寬高各約10厘米的沙垅；在沙垅上部一定距離布置主管道，主管道設計有支管，負責菌液與膠凝液的排出。③滴入菌液及膠凝液：首先從管道中向沙土中滴入菌液，待菌液有一定深度后，滴入膠凝液。根據菌液的活性以及膠凝液中鈣離子的消耗情況按一定周期再添加膠凝液及菌液。停止加液后一段時間，水汽被蒸發，沙垅及其下部沙固結到一定強度，形成具有一定深度和高度的碳酸鈣膠結的固體沙障。④鋪設廢棄的麥草秸稈等：將麥草、秸稈等植物鋪在方格內未固結處，用預先埋置的繩索進行固定（繩索已與固化格固結，不易被扯出）。⑤種植植物：格內沙的性質改善后，種植合適的植物，利用植物及微生物對沙土進行徹底的改善。⑥固化格的退化：植物漲勢并不能抵御強風時，需重新滴入菌液與膠凝液對固化格進行再加固。而當漲勢到了一定程度，植物自身有了抵御風沙的能力，此后停止再加固，沙障在植物根劈等各種作用下逐漸退化。

經以上過程，流動的沙得到了固定，其性質也逐漸向“土”轉變，使在沙漠上種植植物成為可能。

3 方法優點與局限

草方格沙障實施方便，但易受風的干擾，方格損壞后的更換也顯得較為麻煩，將其與微生物巖土技術結合起來則有了這些優點：①高出平面10厘米的固體沙障結合了草方格的優點：使近地表變得粗糙，降低風速；固體沙障對風的抵抗更強，加之繩索的固定，內部的植物不再受風的制約。② 在沙障內部橫鋪了各種廢棄草與秸稈，截留水分的能力較之草方格沙障更強，加速了植物腐爛產生腐殖質改良沙土性質。③繩索被固定在了沙垅內部，不易被風拔出，因此繩索可重復利用，方便了內部植物腐爛后的更換。④種植的植物生長至能獨自抵御風沙的時間周期較長，若固體沙障強度隨時間降低，可以在固體沙障上部重新布管滴入菌液及膠凝液對格構進行加固，即該方法具有可重復性。⑤MICP技術形成碳酸鈣膠結的固體沙障所經歷的硬化周期短，產脲酶菌、尿素與氯化鈣作為原料來源廣泛且成本低廉，同時原料及產物都不會對環境造成大的傷害，整個方法顯得經濟且環保。

受方法的限制，在沙障固結硬化前，不能有大雨及大風天氣破壞沙垅；反應過程會產生少量氨氣，不過該反應只在固體沙障一定深寬范圍內進行，對大氣環境影響不大；由于膠凝液中含有氯化鈣，沙障中殘余的氯離子可能會影響到格內的沙土性質，因此，在種植植物時優先選用耐氯植物。

參考文獻：

[1]劉姝穎，李寧，陸小輝.草方格在防風固沙工程中的應用[J].遼寧林業科技，2014（3）：6768.

[2]劉大為.草方格治沙的奧秘[J].力學與實踐，2013，35（12）：102105.

[3]連一仁，胡國貞，竹文坤，等.微生物礦化沉積固化技術概述[J].教學與科技，2015（4）：1017.

[4]何稼，楚劍，劉漢龍.微生物巖土技術的研究進展[J].巖土工程學報，2016，38（4）：644653.