用于风蚀控制的三角形EICP水泥砂障的田间规模评估

《Soil and Tillage Research》：Field-scale evaluation of triangular EICP-cemented sand barriers for wind erosion control

　　李 Zuoyong | 吴 创州 | 施 真明 | 张 宇静 | 科梅尔科娃 玛丽亚
浙江大学海洋学院港口、海岸与海洋工程研究所，舟山 316021，中国

摘要
风蚀是干旱和半干旱地区土地退化的主要驱动因素。传统的稻草棋盘格屏障在强烈的风沙磨损下往往会退化，缩短使用寿命并增加维护需求。本文提出了一种采用酶诱导碳酸盐沉淀（EICP）技术的三角型沙坝。该屏障通过将原位沙漠沙子堆叠成接近安息角的三角形，并喷洒EICP溶液来形成固化壳层。在中国民勤沙漠进行的实地实验量化了风速降低和沙粒控制效果。实验表明，这种屏障显著提高了沙漠沙子的承载能力和抗风蚀能力。在水泥化溶液（CS）浓度为1.0 mol/L、氯化镁（MgCl2）添加量为0.05 mol/L以及喷洒量为3 L/m2的条件下，形成的壳层具有连续性和机械稳定性，其穿透阻力为547 kPa，并在50天后仍保持在310 kPa以上。经过50天的自然风暴露后，屏障单元内的沉积作用增强，且表面强度提高。沙粒表面的水泥化进一步促进了沉积过程，同时改变了近地表的温度和湿度条件。减小屏障间距可形成更连续的低风速通道，并提高平均风速降低率。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，性能受碳酸盐成核和沉积过程的控制，这些过程决定了水泥化网络的连续性和稳定性。这些结果表明，EICP固化沙坝是缓解沙漠环境中风蚀问题的一个有前景的方案。

1. 引言
风蚀是干旱和半干旱地区最严重的地表退化过程之一，经常引发沙尘暴并加速荒漠化（Li等人，2025；Wang等人，2023）。在持续的风力作用下，细小颗粒被剥离、运输并重新沉积，破坏土壤结构，降低肥力并增加地表不稳定性（Fattahi等人，2020；Xu等人，2024）。从长期来看，风蚀驱动沙丘迁移，扩大流动沙范围，对交通走廊、能源基础设施和居住安全构成威胁（Cheng等人，2017；Li等人，2026；Zomorodian等人，2019）。空气中的尘埃还会恶化空气质量并对人类健康造成危害（Naeimi等人，2023；Namdari等人，2018）。因此，防止或延缓荒漠化仍然是全球面临的紧迫挑战，特别是在如沙漠-绿洲过渡带等生态脆弱区域。
在风沙控制工程措施中，沙坝因其能增加地表粗糙度并改变近地表风场而被广泛使用，从而降低风速、限制沙粒搬运并促进沉积（Bo等人，2015；Li等人，2006；Xu等人，2018）。由于材料易于获取、施工简单且成本低廉，稻草棋盘格屏障（SCBs）得到了广泛应用（Fang等人，2007；Wang等人，2018；Zhang等人，2016）。然而，SCBs易受风蚀、紫外线辐射和生物降解的影响；在强风沙条件下，它们可能会被掩埋或结构损坏，导致效果降低和维护需求增加（图1a）（Wang等人，2020；Xu等人，2018）。因此，开发既环保又耐用且实际可行的固沙系统是缓解风蚀的关键。

生物介导的土壤改良技术因其更环保和可持续性而受到关注（Li等人，2025；Whiffin等人，2007；Zha等人，2024；Zhang等人，2023；Zhang等人，2025）。酶诱导的碳酸盐沉淀（EICP）利用尿素酶催化尿素水解生成碳酸根离子，这些离子与钙离子反应生成碳酸盐矿物。形成的沉淀物可在沙粒接触处形成固化桥梁，增强沙子的稳定性（Almajed等人，2020；Chu等人，2013；Liu等人，2025；Song等人，2024）。与微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）相比，EICP不依赖于活微生物的生长和代谢，从而减少了生物安全性问题和与微生物活动波动相关的不确定性（Fattahi等人，2020；Hamdan和Kavazanjian，2016；Li等人，2025）。此外，游离的尿素酶分子体积较小，能更容易渗透到细小孔隙和颗粒间缝隙中，使EICP适用于高渗透性的介质，如沙漠沙（Gowthaman等人，2023；Li等人，2025；Zhang等人，2026）。实验室研究表明，EICP固化可以显著提高沙子的抗压强度和抗剪切能力，并增强抗风蚀和水蚀能力（Naeimi等人，2023；Salifu等人，2016；Sharma等人，2021）。实地研究还表明，通过喷洒或渗透形成的生物固化壳层可以提高颗粒卷吸的临界风速并降低侵蚀率（Li等人，2025；Meng等人，2021；Sun等人，2021）。黄原胶、海藻酸钠、纤维和黏土等添加剂也被用于提高固化效果、增强抗侵蚀性或降低成本（Almajed等人，2020；Devrani等人，2021；Li等人，2025；Zhang等人，2025）。然而，迄今为止的大多数田间应用都集中在表面均匀固化上，由此形成的硬壳和残留盐分可能会抑制种子发芽和幼苗生长，可能削弱生物壳层发育与植被稳定之间的协同作用（Chen等人，2024；Li等人，2025；Liu等人，2023）。
民勤县是中国荒漠化最严重的地区之一（Danfeng等人，2006；Sun等人，2007；Zhu等人，2020）。该地区气候极其干旱，强风频繁，降低了传统稳定措施的耐久性。2015–2025年间，年平均降水量约为134 mm，年均强风天数（风速>10 m/s）约为33天（图1b，c）。在这种条件下，传统的SCBs和沙压实方法通常耐久性和稳定性不足。本研究在SCBs棋盘格布局的基础上，提出了用EICP固化沙形成棋盘格布局的屏障，结合了机械稳定性和生态适应性（图2），以实现有效的防风和固沙功能，同时更好地保护潜在适合植被恢复的微生境。然而，EICP固化屏障的实地性能尚未得到充分量化，其有效性控制因素仍不清楚。

2. 材料与方法
2.1. 原位实验装置和材料
2.1.1. 实验地点
实验地点（106°20′E，38°46′N）位于中国甘肃省民勤县腾格里沙漠的西南边缘（图1）。该地点靠近公路、村庄和农田，当地环境以低降水量和强蒸发为特征。该地区具有典型的干旱大陆性气候，年平均气温为7.8°C，7月平均最高气温为23.2°C，1月平均最低气温为-9.6°C。年平均降水量约为134 mm，而年平均蒸发量约为其20倍。每年有超过30天的强风天气（风速>10 m/s），强风会将松散的地表物质吹向下风方向，对周边地区的交通和农业活动构成威胁。
地表材料以松散的风积沙为主，自然保护作用有限，比重为2.66。中值粒径（D50）为0.18 mm，均匀系数（Cu）为1.79，曲率系数（Cc）为0.94。根据统一土壤分类系统（USCS；ASTM D2487–17），该沙被归类为劣质分级沙（SP）。

2.1.2. 尿素酶制备和EICP溶液
EICP所需的材料包括尿素、钙源和尿素酶溶液。尿素酶按照既定程序从干大豆中提取（Li等人，2025；Liu等人，2023；Zhang等人，2023）。干大豆磨碎后通过0.2 mm筛子筛选，然后与自来水以1:100（质量/体积）的比例混合并充分搅拌。静置30分钟后，收集上清液作为粗制大豆尿素酶溶液。尿素酶活性在25°C下使用电导率（EC）方法测定（Whiffin等人，2007），该方法因可靠性高和操作简便而被广泛采用，测得的尿素酶活性约为13.74 mmol/(L·min)。
水泥化溶液（CS）通过溶解等摩尔的尿素（CO(NH2)2）和氯化钙（CaCl2）配制而成。将粗制大豆尿素酶溶液与CS按1:1体积比混合制成EICP溶液。在某些处理中添加氯化镁（MgCl2）以调节反应过程。研究了CS浓度（0.5–2.0 mol/L）、喷洒量（2–4 L/m2）和MgCl2剂量（0–0.05 mol/L）对固化性能的影响（表1）。

表1. EICP处理方案的详细信息
实验类型 | 样品编号 | CS浓度（mol/L） | MgCl2浓度（mol/L） | 喷洒量（L/m2） | 沙坝间距（m2）
|------|-----------|-----------|------------|------------|--------|在建造了沙障之后，进一步应用了包括EICP + Artemisia sphaerocephala Krasch. gum (ASKG)处理以及水喷洒对照处理在内的沙面处理方法，以评估表面加固如何影响防风性能以及水分和温度响应（Li等人，2025年）。下载：下载高清晰度图片（696KB）下载：下载全尺寸图片图3. 野外试验区域的实验布局和测量方法。(a) 小型野外试验区域（T1–T8）；(b) 大型野外试验区域（TL1和TL2）。为了进一步研究沙障系统的综合防风和沙控性能，在自然风力条件下建立了一个大型野外试验区域。在该试验区域内，实验区域被分为两个试验组TL1和TL2，其屏障间距分别为1.0 m × 1.0 m和1.5 m × 1.5 m（表1）。TL1的试验地块面积为2 m × 12 m，TL2为3 m × 12 m，对应的试验面积分别为24 m2和36 m2（图3b）。对这两种间距布局的表面侵蚀/沉积情况以及风速进行了监测。大型野外试验区域采用的EICP喷洒参数遵循了从小型野外试验区域确定的最佳方案。喷洒在日落时进行，以减少高温和强太阳辐射条件下的蒸发损失。

2.2 评估方法
2.2.1 表面强度和结壳厚度
使用微渗透仪（WXGR-3.0，常州微奈阳仪器有限公司，中国）测量结壳表面强度（Li等人，2025年；Naeimi等人，2023年；Xu等人，2024年）。通过探头穿透来记录穿透阻力。每个试验区域随机选择9个点。探头面积为0.3 cm2，穿透深度固定在6.0 mm。穿透方向垂直于屏障表面。使用游标卡尺测量垂直剖面上的结壳厚度。

2.2.2 障碍物内部的表面高程变化
使用侵蚀针方法监测障碍物单元内的表面高程变化，以表征抗风蚀能力（Meng等人，2021年）。使用直径0.2 cm、长度30 cm的侵蚀针。每个障碍物单元内安装3根针，插入深度为15 cm，大约间隔5 cm（图3a）。处理后的50天测量暴露的针的高度，以量化净侵蚀或沉积量。

2.2.3 土壤湿度、温度和电阻率
在两种沙面条件下，测量EICP固化沙障单元内的土壤湿度、电阻率和温度（图3a）。在晴朗天气条件下，使用便携式土壤湿度计（JK-100F，东莞久策特仪器设备有限公司，中国）测量5 cm深度的土壤湿度。测量时间为上午9:00、下午2:00和晚上7:00。每种处理的平均土壤湿度是三次测量的平均值。
进行二维电阻率成像，以比较固化沙面和未固化沙面下的浅层土壤条件。使用SYSCAL Junior电阻率仪（IRIS Instruments，法国）和偶极-偶极阵列进行测量（Alshehri和Abdelrahman，2021年）。每个剖面包括10个等间距的不锈钢电极（直径1 mm；间距5 cm），安装在障碍物单元内（图3a）。使用RES2DINV软件反演表观电阻率数据，获得二维电阻率剖面（Loke等人，2003年）。
为了评估表面固化对近地表热状况的影响，使用数字温度计在10:00–18:00之间监测固化层下5 cm深度的沙温，每2小时测量一次。此外，从障碍物单元的沙面上收集固化沙和未固化沙样品进行导热率测量。样品在60°C的烤箱中干燥以去除水分，然后冷却至室温。使用多功能快速导热率测试仪（DRE-III，湘潭华晨仪器有限公司，中国）进行导热率测量，该方法基于瞬态平面源（TPS）原理，具有快速测量、操作简单和重复性好的特点（Zhao等人，2024年；Li等人，2023年）。每个样品组进行三次平行测量。

2.2.4 碳酸盐含量和微观结构
从沙障中收集0–2 mm深度的结壳样品，在60°C下干燥24小时后称重。通过滴定法测定碳酸盐含量（Naeimi等人，2023年）。大约5 g的干燥样品与20 mL的1 mol/L HCl反应。加入酚酞指示剂后，用NaOH返滴定至粉红色终点。碳酸盐含量根据NaOH的消耗量计算。每个样品重复分析三次。通过EICP产生的有效碳酸盐量计算为处理样品与原始风成沙背景值之间的差异。
使用扫描电子显微镜（SEM）检查结壳微观结构，以表征不同处理下的颗粒间胶结和沉淀物形态。

2.2.5 风速监测
在大规模实验中，在三个位置监测风速：TL1组中心（1.0 m × 1.0 m间距）、TL2组中心（1.5 m × 1.5 m间距）以及没有屏障的未处理对照区（图3b）。监测持续7天。使用便携式风速计（FT-SQ2，山东风图物联网科技有限公司，中国）测量风速。传感器安装在地表以上12 cm处，数据每2分钟记录一次。
基于三个监测点的同步观测数据，计算平均风速和最大风速。以未处理对照区为参考，计算平均风速降低率（RV）和最大风速降低率（RVmax）如下：
(1) RV = (Vc ? Vb) / Vc × 100%
(2) RVmax = (Vc,max ? Vb,max) / Vc,max × 100%
其中Vc和Vb分别是未处理对照区（裸沙无屏障）和障碍物区域（TL1或TL2）内的平均风速；Vc,max和Vb,max分别是未处理对照区和障碍物区域（TL1或TL2）内的相应最大风速。

3 结果与讨论
3.1 沙障强度分析
图4显示了不同EICP处理下固化沙障的穿透阻力。在所有处理中，处理后3天的穿透阻力高于50天时的阻力，强度损失约为30–45%。这种下降表明，在现场条件下，风蚀和反复的湿干循环逐渐破坏了碳酸盐胶结结构，导致承载能力随时间减弱（Ciantia等人，2015年；Meng等人，2021年；Sun等人，2021年）。MgCl2添加的效果是非线性的。在0.05 mol/L MgCl2浓度下，处理后3天的穿透阻力达到546 kPa，而将MgCl2增加到0.10 mol/L后阻力降至431 kPa（图4a）。这表明适量的Mg2?可以改善碳酸盐沉淀特性并增强颗粒间粘结，而过量的Mg2?会阻碍有效胶结网络的形成，这与关于Mg2?调节碳酸盐结晶的报告一致（Imran等人，2021年；Liu等人，2025年）。如图4b所示，随着胶结溶液浓度的增加，处理后3天和50天的穿透阻力普遍增加。当浓度从0.5 mol/L增加到1.0 mol/L时，强度从372 kPa增加到547 kPa；进一步增加到2.0 mol/L时，强度增加到630 kPa，但增幅较小。这种收益递减可能反映了在高浓度下脲酶活性部分抑制和碳酸盐沉淀效率降低（Li等人，2025年；Meng等人，2021年）。喷洒体积也影响了机械性能（图4c）。随着喷洒体积的增加，穿透阻力增加，从2 L/m2到3 L/m2有明显提高，而在4 L/m2时增幅有限。这种模式表明，添加的溶液更多地沉积在已经固化的颗粒表面，而不是在新的接触点形成新的胶结桥（Cheng和Cord-Ruwisch，2012年）。

3.2 碳酸盐含量和结壳厚度分析
图5显示了MgCl2添加、CS浓度和喷洒体积对沙障结壳厚度和碳酸盐含量的影响。总体而言，Mg2?的添加对这两个变量的影响相对较小（图5a）。将MgCl2从0增加到0.05 mol/L会使结壳厚度和碳酸盐含量都增加，而进一步增加到0.10 mol/L则导致两者略微下降，表明过量的Mg2?可能会削弱有效胶结结构的形成（Liu等人，2025年；Putra等人，2016年）。如图5b所示，随着CS浓度从0.5 mol/L增加到2.0 mol/L，碳酸盐含量持续增加，而结壳厚度在1.0 mol/L时达到峰值（13 mm），之后在高浓度下下降。在野外实验中，高浓度的EICP溶液观察到絮凝现象，这可能降低了渗透性并限制了结壳的进一步增厚。相比之下，喷洒体积使结壳厚度和强度一致增加（图5c）。这一趋势归因于EICP溶液在重力和毛细力共同作用下的更深入了解，促进了更厚的结壳形成并提高了机械性能（Meng等人，2021年）。当喷洒体积从2 L/m2增加到4 L/m2时，碳酸盐含量显著增加，结壳厚度从约11 mm增加到约14 mm。这表明，在测试范围内和CS = 1.0 mol/L时，增加喷洒体积扩大了反应影响深度并提高了整体结壳的机械性能（Zhang等人，2023年）。基于这些结果，选择CS = 1.0 mol/L、Mg2?添加量0.05 mol/L和喷洒体积3 L/m2的参数组合，在结壳厚度和强度方面提供了最佳的整体性能，用于后续的大规模测试。

3.3 沙障结壳层的微观结构观察
图6显示了不同EICP处理下结壳样品的SEM图像。不同处理下的碳酸盐沉淀物的形态和空间分布及其与沙粒的粘结模式差异显著，表明胶结参数对碳酸盐成核、生长和有效胶结网络的发展有很强的控制作用（Chu等人，2013年；Zhang等人，2023年）。在T1（未添加MgCl2）中，碳酸盐主要以散在的晶体形式存在于颗粒表面和接触点，数量有限且颗粒间粘结较弱（图6a）。相比之下，添加了适量MgCl2的T2表现出更加均匀和连续的涂层-桥接结构；碳酸盐在颗粒表面上形成了更密集的胶结层，有效填充了颗粒间的孔隙并增强了颗粒间的连通性（图6b）。在之前的生物固化沙研究中也报告了类似的涂层、孔隙填充和颗粒间粘结特征（Khaleghi和Rowshanzamir，2019年；Naeimi等人，2023年；Xu等人，2024年）。当MgCl2剂量进一步增加（T3）时，碳酸盐变得稀疏且不连续（图6c）。在低CS浓度（T4）下，只有零星的碳酸盐晶体形成，有效的颗粒间桥接很少形成。在高CS浓度（T5）下，虽然产生了较大的碳酸盐晶体，但倾向于形成局部聚集体，未能形成连续的胶结网络（图6d，e）。喷洒体积的影响在T6和T7中尤为明显：较高的喷洒体积产生了更密集和连续的碳酸盐沉积和更强的表面覆盖，而较低的喷洒体积则导致沉淀物分散（图6f，g）。未经处理的沙子显示出平滑的颗粒表面，没有颗粒间粘结（图6h）。总体而言，SEM观察表明EICP处理参数在微观尺度上影响了碳酸盐的成核和沉积，从而为观察到的结壳厚度和屏障强度差异提供了机制支持。

3.4 EICP固化沙障内的风成沙响应
图7显示了在自然风条件下暴露50天后，EICP固化沙障内的沉积-侵蚀响应。所有屏障都使用了EICP进行固化；处理之间的差异主要反映了胶结参数设置和屏障单元内的沙面条件（EICP–ASKG处理表面与水喷洒对照）。在小型野外试验区域（T1–T8）中，屏障内的风成沙响应以沉积为主（图7a）。这种模式归因于迎风侧的强风速降低和屏障单元内的循环作用，促进了悬浮颗粒和盐碱颗粒在屏障内部和背风侧的沉降（Qu等人，2007年；Zhang等人，2016年）。不同参数组合下的沉积高度差异明显。添加了适量MgCl2的处理（例如T2：CS = 1.0 mol/L，MgCl2 = 0.05 mol/L，喷洒体积 = 3 L/m2）产生了更多的沉积，这与它们更高的结壳厚度和强度以及更强的拦截能力一致。相比之下，T1（未添加MgCl2）和T3（添加了较高MgCl2）的沉积量较低。CS浓度的影响在T4和T5中很明显。低浓度处理（T4；CS = 0.5 mol/L）产生的碳酸盐较少，形成的外壳也不连续，导致沉积量显著低于中等浓度处理（T2）。高浓度处理（T5；CS = 2.0 mol/L）虽然增加了碳酸盐含量，但并未相应增加外壳厚度，因此补充沉积量也有限。将喷洒量从2 L/m2增加到4 L/m2通常会提高沉积量（T6–T7）。细胞内表面处理也会影响风蚀响应。在其他条件相同的情况下，EICP–ASKG处理过的表面沉积量始终高于水喷处理过的表面。这归因于处理后表面的强度和粗糙度更高，减少了颗粒的重新卷入，为输运的颗粒提供了更稳定的滞留环境，从而增强了屏障单元内的净沉积量（Bo等人，2015年；Wang等人，2018年）。在实际应用中，沙障设计需要平衡风蚀风险和预算限制，以实现最佳的性能成本平衡。未来的研究应评估该沙障在多种环境应力（如冻融循环和干湿循环）下的长期耐久性，通过将EICP沙障与本土植被相结合来探究生态工程的协同效应，并进行生命周期成本分析和建设规模优化，以支持这一绿色技术的标准化和更广泛的应用。

**资助来源：**
中国国家自然科学基金会（项目编号：42177141）。

**作者贡献说明：**
崔勇（Zuoyong Li）：撰写原文初稿、方法论研究、形式分析、概念框架构建。
张玉静（Yujing Zhang）：撰写内容审核与编辑、数据调查、形式分析。
玛丽亚·科梅尔科娃（Maria Komelkova）：撰写内容审核与编辑、可视化效果处理。
吴长春（Chuangzhou Wu）：撰写内容审核与编辑、项目管理工作协调、方法论研究与概念框架构建。
史振鸣（Zhenming Shi）：可视化效果制作、方法论研究、数据整理与分析。