本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，涉及一種沙漠化治理的固沙方法，具體為一種復(fù)合固沙模型及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

土地沙漠化是當(dāng)下一個(gè)重要的生態(tài)環(huán)境問題，對人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生存環(huán)境改善造成了嚴(yán)重威脅，亟需全世界各國解決和治理。近年來，國內(nèi)外關(guān)于沙漠化治理的固沙方法主要有物理固沙、化學(xué)固沙與生物固沙三種方法。物理固沙方法主要是采用沙障、沙樁、沙網(wǎng)。然而該方法成本高，耗費(fèi)勞力，且具體實(shí)施方法復(fù)雜。化學(xué)固沙是指噴灑含有高分子材料的化學(xué)防風(fēng)固沙劑，使其在沙土表面黏結(jié)固化。其特點(diǎn)是方法簡單有效，但會對沙土造成污染，不利于改造后期植被的種植，不適宜大規(guī)模使用。生物固沙方法分為兩類，一類是由沙漠邊緣向中心逐步種植防護(hù)林或沙生植物及于沙層表面布設(shè)草方格。該方法實(shí)施時(shí)間長，耗費(fèi)勞力且見效慢。第二類是利用土壤微生物如擴(kuò)大培養(yǎng)藻類，產(chǎn)生土壤結(jié)皮，從而產(chǎn)生防沙固沙效果。其特點(diǎn)是對環(huán)境影響小，成本低，然而該方法效率低，土體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，強(qiáng)度低，易受風(fēng)蝕。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

解決的技術(shù)問題：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有有效的生物固沙方法中存在的微生物固化沙土結(jié)皮強(qiáng)度低、脆性大、易開裂、受風(fēng)蝕易破裂、耐受性差等不足，提供一種復(fù)合固沙模型及其制備方法和應(yīng)用，該方法對環(huán)境影響小，成本低、簡單有效、固沙效果好。

技術(shù)方案：一種復(fù)合固沙模型的制備方法，包含以下步驟：

(1)制備微生物加固液：將巴氏芽孢桿菌按10⁷～10⁹個(gè)/ml接種至培養(yǎng)液中，獲得菌液，菌液與處理液按等摩爾比混合制得微生物加固液；所述處理液為尿素與氯化鈣的水溶液等摩爾比混合；

(2)制備纖維絲：將纖維切割或開松成以下尺寸，長5～10mm、寬0.05～1mm、厚0.05～1mm，置于微生物加固液中浸泡，備用；

(3)布設(shè)纖維絲：采用噴播機(jī)在待處理場地表面噴播經(jīng)步驟(2)處理后的纖維絲，噴播量為50～250g/m²；

(4)噴灑微生物加固液：向步驟(3)布設(shè)的纖維絲表層噴灑微生物加固液，噴灑量為1～8l/m²，重復(fù)噴灑2～10次，每次間隔2～7天。

優(yōu)選的，步驟(1)中所述的培養(yǎng)液組分為5～30g/l酵母膏，2～20g/lnh4cl，0～3g/lnicl2，0～2g/lmnso4，并采用0～1g/lnaoh將培養(yǎng)基ph調(diào)至8～9。

優(yōu)選的，步驟(1)所述處理液中尿素與氯化鈣的摩爾濃度均為0.1～2mol/l。

優(yōu)選的，步驟(2)中所述纖維為聚丙烯纖維或植物纖維。

由所述方法制備獲得的復(fù)合固沙模型。

優(yōu)選的，所述模型包括布設(shè)于現(xiàn)場沙土層的纖維絲，與表面的碳酸鈣晶體形成了立體加筋結(jié)構(gòu)，并在沙土內(nèi)形成碳酸鈣結(jié)硬。

所述的復(fù)合固沙模型在干旱及半干旱區(qū)域固沙中的應(yīng)用。

本發(fā)明所述的復(fù)合固沙模型工作的原理在于，微生物參與的尿素水解的誘導(dǎo)碳酸鈣過程。巴氏芽孢桿菌通過自身新陳代謝活動產(chǎn)生大量的高活性脲酶，將尿素水解生nh4⁺和co3^2-。在周圍環(huán)境中加入可溶性鈣鹽如氯化鈣，碳酸根離子和鈣離子結(jié)合生成沉淀，可快速在沙顆粒間及表面析出碳酸鈣晶體，并將一定厚度的松散沙顆粒膠結(jié)成為整體，沙土表面也形成具有一定厚度的結(jié)皮。阻止了沙土的移動，減弱了風(fēng)蝕量，固沙效果明顯，生物結(jié)皮的產(chǎn)生起到了緩滲作用，從而降低了沙土表面的蒸發(fā)量，有利于治理后期植被的種植。

有益效果：(1)本發(fā)明所述復(fù)合固沙模型產(chǎn)生的生物結(jié)皮起到了緩滲作用，從而降低了沙土表面的蒸發(fā)量，有利于后期植被的種植；(2)本發(fā)明所述復(fù)合固沙模型中纖維絲與微生物加固液結(jié)硬形成加筋結(jié)構(gòu)，克服了原有微生物固沙方法表層脆性大、耐久性差、易風(fēng)蝕的缺點(diǎn)以及原有土工纖維網(wǎng)固沙方法成本高、耗費(fèi)勞力等問題；(3)本發(fā)明所述復(fù)合固沙模型在噴播纖維絲后沙土的表面粗糙度提高，可以減低地表風(fēng)速，有效阻止或減少沙土的移動，抗風(fēng)蝕性提高；(4)本發(fā)明所述復(fù)合固沙模型加固后的沙漠地區(qū)沙土，承載性能提高，抗拉與抗壓強(qiáng)度也提高，增強(qiáng)了土體的抗變形能力，脆性減弱；(5)本發(fā)明所述復(fù)合固沙模型生態(tài)相容性好，不會造成二次污染，利于后期沙生植被和防護(hù)林的生長，適于大規(guī)模使用。

附圖說明

圖1是不同處理方式后的硬殼層；

其中a為未加纖維的硬殼層，b為布設(shè)纖維，c加纖維后的硬殼層；

圖2是本發(fā)明所述復(fù)合固沙模型的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1為沙土，2為碳酸鈣結(jié)硬，3為立體加筋結(jié)構(gòu)，4為碳酸鈣晶體，5為巴氏芽孢桿菌，6為纖維絲。

圖3是室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)中不同試驗(yàn)變量對沙土質(zhì)量損失影響的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，但不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。在不背離本發(fā)明精神和實(shí)質(zhì)的情況下，對本發(fā)明方法、步驟或條件所作的修改和替換，均屬于本發(fā)明的范圍。若未特別指明，實(shí)施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。

實(shí)施例1

一種復(fù)合固沙模型的制備方法，包含以下步驟：

(1)制備微生物加固液：將巴氏芽孢桿菌按10⁷～10⁹個(gè)/ml接種至培養(yǎng)液中，獲得菌液，菌液與處理液按等摩爾比混合制得微生物加固液；所述處理液為尿素與氯化鈣的水溶液等摩爾比混合。

巴氏芽孢桿菌的培養(yǎng)基成分為：20g/l酵母提取物，10g/lnh4cl，2.4g/lnicl2，1g/lmnso4，采用0.1g/lnaoh溶液將培養(yǎng)基ph調(diào)至9；通過磁力攪拌器混合均勻后置于高壓鍋內(nèi)120℃高溫蒸壓30min；待培養(yǎng)基冷卻至室溫后，在無菌工作臺中完成接種，并置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱內(nèi)，30℃、100r/min培養(yǎng)24h備用。

測量菌液活性：測量恒溫培養(yǎng)中的巴氏芽孢桿菌的活性，采用活性高于0.2ms/cm/min的菌液。

上述處理液中尿素與氯化鈣的摩爾濃度均為0.5mol/l。

所述加固液制備注意點(diǎn)：首先制備適量加固液用于纖維絲的浸泡，將菌液與處理液按摩爾比1:1混合均勻制成加固液，在噴灑加固液前30min需擴(kuò)大加固液的制備，若提前較長時(shí)間配制加固液，易析出碳酸鈣沉淀，影響加固效果。

(2)制備纖維絲：將聚丙烯纖維切割或開松成以下尺寸，長20mm、寬0.05mm、厚0.05mm，置于微生物加固液中浸泡0.5小時(shí)，備用。

(3)布設(shè)纖維絲：采用噴播機(jī)在待處理場地表面噴播經(jīng)步驟(2)處理后的纖維絲，噴播量為50g/m²。

(4)噴灑微生物加固液：向步驟(3)布設(shè)的纖維絲表層噴灑微生物加固液，噴灑量為4l/m²，重復(fù)噴灑5次，每次間隔7天。

加固液噴灑注意點(diǎn)，于布設(shè)纖維絲的沙土粗糙表面大規(guī)模噴灑加固液，保證噴灑區(qū)域的均勻性，應(yīng)保證噴灑方式為噴霧狀，加固液噴灑量、摩爾濃度與處理次數(shù)通過室內(nèi)固沙風(fēng)洞試驗(yàn)與貫入試驗(yàn)確定，測量現(xiàn)場取樣沙土在不同濃度加固液、不同噴灑量以及不同處理次數(shù)的加固后的試驗(yàn)樣品在0～15m/s風(fēng)速下的質(zhì)量變化如圖3示意圖所示，得出各控制因素的最佳量。

加固液一次噴灑后，需要對沙土表面覆膜，防止外界影響。一次處理隔7d后掀開塑料薄膜，繼續(xù)噴灑加固液。

由所述方法制備獲得的復(fù)合固沙模型。

所述模型包括布設(shè)于現(xiàn)場沙土層的纖維絲6與表面的碳酸鈣晶體4形成了立體加筋結(jié)構(gòu)3，并在沙土1內(nèi)形成了碳酸鈣結(jié)硬2。

實(shí)施例2

通過制備兩種不同類型的固沙模型，驗(yàn)證復(fù)合固沙模型的優(yōu)異性。

一、模型1如圖1中a，制作包含以下步驟：

(1)地層制備

選用甘肅沙土作為地層，稱取1.23kg，埋于底部開孔，直徑為18.50cm的圓筒中，地層高度為3.5cm，控制干密度為1.31g/cm³。

(2)細(xì)菌的培養(yǎng)

巴氏芽孢桿菌的培養(yǎng)基成分為：20g/l酵母提取物，10g/lnh4cl，2.4g/lnicl2，1g/lmnso4，采用0.1g/lnaoh溶液將培養(yǎng)基ph調(diào)至9，通過磁力攪拌器混合均勻后置于高壓鍋內(nèi)120℃高溫蒸壓30min；待培養(yǎng)基冷卻至室溫后，將巴氏芽孢桿菌按10⁷～10⁹個(gè)/ml接種至培養(yǎng)液中，并置于恒溫振蕩培養(yǎng)箱內(nèi)，30℃、100r/min培養(yǎng)24h備用。

(3)生物加固液的配制

選用活性高于0.2ms/cm/min的菌液與處理液按等摩爾比混合制得微生物加固液，所述處理液為尿素與氯化鈣的水溶液等摩爾比混合。尿素的摩爾濃度為0.5mol/l。

(4)生物加固液的噴灑

將加固液裝于噴壺中，一次噴灑用量為4l/m²，保證噴出液體始終為霧狀?？偣矅姙?次，每次間隔2天。

(5)已處理土體表面存在碳酸鈣結(jié)硬，然而有裂縫產(chǎn)生。

二、模型2如圖1中c，制作包含以下步驟：

(1)地層制備

選用甘肅沙土作為地層，稱取1.23kg，埋于底部開孔，直徑為18.50cm的圓筒中，地層高度為3.5cm，控制干密度為1.28g/cm³。

(2)布設(shè)纖維

稱取1g聚丙烯纖維，開松后，均勻?yàn)⒙湓诘貙颖砻?，形成纖維層，如圖1中b所示。

(3)噴灑微生物加固液

微生物加固液配制與模型1相同，將加固液裝于噴壺中，一次噴灑用量為6l/m²，保證噴出液體始終為霧狀。總共噴灑5次，每次間隔2天。

(4)已處理土體表面存在碳酸鈣結(jié)硬，碳酸鈣硬殼層內(nèi)含有預(yù)先布設(shè)的纖維，表面無明顯裂縫。

實(shí)施例3

根據(jù)試驗(yàn)變量：(1)風(fēng)速；(2)纖維；(3)處理液濃度，總共36種工況，制備待處理地層。

稱取2.0kg砂土，裝于長為24cm，寬為17cm，高為4cm的長方體模型箱內(nèi)，控制地層干密度為1.23g/cm³

根據(jù)試驗(yàn)變量處理液濃度配制4種cacl2與尿素等摩爾比的處理液，cacl2濃度分別為0.25mol/l、0.5mol/l、0.75mol/l、1mol/l。

選用活性高于0.2ms/cm/min的菌液與處理液按等摩爾比混合制得微生物加固液。

將加固液裝于噴壺中，一次噴灑用量為4l/m²，保證噴出液體始終為霧狀，總共噴灑3次,每次間隔為7天。總共有36種試樣，其中對于布設(shè)纖維的試樣，纖維于噴灑前開松布設(shè)，用量為1g。

對于已處理好的土體覆膜處理，放于烘箱內(nèi)，待表面烘干，進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)變量為風(fēng)速，試樣于每級風(fēng)速下5分鐘，稱取前后質(zhì)量變化獲得風(fēng)蝕量。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，對于微生物加固處理的土體，風(fēng)蝕量大幅減小，尤其是處理液濃度越高，風(fēng)蝕量越小，在處理液濃度為0.75m時(shí)，風(fēng)蝕量幾乎為0。此外，與之相比，對于微生物加固液與纖維共同處理的地層，風(fēng)蝕量減小。