植物与微生物诱导碳酸钙沉淀协同作用下边坡土壤侵蚀试验与模型研究OA

[目的]分析植物与微生物诱导碳酸钙沉淀(microbial-induced calcium carbonate precipitation,MICP)协同作用,揭示植物与MICP联合方法的护坡有效性及其对水文与土壤侵蚀过程的影响,为斜坡土壤侵蚀防治提供新思路与新技术。[方法]开展5组试验,包括裸土对照组(CK)、MICP处理组(MR)以及3种植物(高羊茅FA、紫花苜蓿MS、香根草CZ)分别与MICP协同防护试验组(FA-MC,MS-MC和CZMC)。基于地表-地下水耦合过程,构建了土壤侵蚀数值模型,用以定量分析不同护坡设计下的土壤侵蚀率。通过直剪试验、显微镜观测与扫描电镜等技术综合分析黏聚力(c)与内摩擦角(φ)的变化规律与机理。[结果](1)MICP作用下土壤孔隙填充片状、团絮状的CaCO3沉积物,有效胶结松散土颗粒,提升c值;减少孔隙度与提升粗糙度,使φ值升高;在植物与MICP协同作用下,c与φ均进一步提升,相对于CK组最高分别提升了402.81%和33.91%;(2)数值模型能较好地模拟五组试验的径流量与土壤侵蚀速率[平均绝对误差最高值分别为2.39×10^(-4)m/s和1.77×10^(-2)g/(m^(2)·s)],为分析植物与MICP协同作用下的水文与土壤侵蚀过程提供工具;(3)植物与MICP协同作用既可显著提升土体强度,也能改善土壤渗透性和保水性能,同时在植物截流消能、蓄水绕流、径流拦挡等多重减蚀作用下,发挥强化、保水和减蚀的综合功效。[结论]通过植物与MICP协同作用,改善土壤性质和削弱雨滴对斜面的溅蚀和冲蚀作用,从而调节土壤侵蚀过程。构建的数值模型可作为土壤侵蚀研究过程中分析不同护坡设计下水土保持效果的有效工具。