受全球气候变化影响，强降雨等各种极端气候事件频发，导致水土流失问题日益严峻。此外，随着我国经济的快速发展，基础设施和大型工程建设如火如荼，各种高强度的机械开挖破坏原有生态系统和地表植被，形成大量裸露的土质边坡，使其直接暴露于降雨侵蚀之下，引发一系列新的水土流失问题（图1）。目前我国水土流失面积高达295km2，占国土面积的30.7%，年均土壤流失量超过50亿吨。严重的水土流水不仅导致土壤中细颗粒和营养成分的大量流失，造成土地退化，农作物减产，还会诱发滑坡、泥石流等自然灾害，严重威胁生态环境及人民生命财产安全。面对日益严峻的水土流失问题，传统的水土流失防治措施（植被、材料和工程措施）难以同时满足时效、生态、环保和低成本要求，亟需通过技术创新寻求新型的侵蚀调控措施。
图1 典型自然坡面及人为坡面水土流失
针对上述问题，唐朝生教授课题组研发了一种基于微生物成矿作用的新型水土流失防治技术（简称MICP），该技术借助自然界中普遍存在一种脲酶菌的成矿作用，利用土壤孔隙溶液中的钙离子，诱导生成方解石晶体，对土颗粒进行固化，从而提高土体的水-力学性质，达到防治水土流失的目的（图2）。与传统方法相比，基于微生物成矿的水土流失防治技术具有绿色环保、低碳、快速高效、可控性强等诸多优势，为我国水土保持提供了一种基于自然解决方案的新思路。相关研究成果以“Bio-mediated Method for Improving Surface Erosion resistance of Clayey Soils”为题，发表在工程地质领域顶级期刊 Engineering Geology上。
图2 微生物成矿作用胶结土颗粒原理示意图
本文研究中，采用表面喷洒的方法对不同砂土掺量(0, 10, 20, 30, 40%, w/w)的黏性土边坡模型表面进行MICP处理。然后通过开展一系列模拟降雨冲刷试验，对MICP处理黏性土边坡模型的抗侵蚀特性开展系统性研究。结果表明，经MICP处理后，黏性土坡的抗侵蚀性显著提升，降雨过程中的土体流失量和流失速率明显降低，且随着砂掺量的增大，黏性土坡的抗侵蚀能力进一步增强。通过扫描电镜（SEM）对土样的微观结构进行观测分析，发现MICP处理黏性土坡抗侵蚀能力的提升主要归功于微生物在土体表面形成的致密碳酸钙壳层以及水稳性和力学强度较高的碳酸钙胶结层对下覆土体的防护作用（图3）。砂的掺入能够增大黏性土的渗透系数，从而显著提升MICP的处理深度。此外，在MICP过程中生成的碳酸钙的胶结作用下，砂土颗粒可以在土体中形成稳定的砂骨架，进一步增强MICP处理对土体抗侵蚀性的提升效果。本研究表明MICP技术在水土流失防治方面具有良好的应用前景。
图3 MICP提升黏性土坡抗侵蚀性机理示意图
论文第一作者为南京大学地球科学与工程学院博士生刘博，唐朝生教授和泮晓华助理教授为该论文的共同通讯作者。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013795221003069
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