基于微生物诱导碳酸钙沉淀改良植被护坡的适应性与稳定性研究

为何更坚固的绿色边坡重要

在世界各地，新建的公路、铁路和城市扩张常常开挖山坡，留下易被降雨冲刷的裸露坡面。工程师常通过植草来固持土壤，但幼根需要时间形成牢固的根系网络，因此坡面在早期仍可能失稳。该研究探索了一种仿生的植物辅助手段：有益微生物在土壤中生长出一层薄薄的矿物“胶结”。根系与微生物共同作用，可能将脆弱的开挖坡面转变为更坚韧、更绿色的抗侵蚀与防滑坡屏障。

在土中“生石”的微生物

研究者关注的是一种称为微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）的过程。某些细菌，在本研究中为Sporosarcina pasteurii，能将溶解的化学物质转化为微小的碳酸钙晶体——这种矿物也存在于石灰岩和贝壳中。当这些微生物与合适的营养物和富含钙的溶液一起施入土壤时，矿物晶体会在颗粒之间的孔隙中生成。随着时间推移，它们像天然水泥一样把粒子粘结在一起并包裹在植物根系周围。团队想知道：这种微观的矿化生长能否与植被协同工作以保护真实的边坡，同时不损害植物生长？

选择合适的草种伙伴

研究使用了西南地区边坡常见的富粘土土壤，测试了两种生命周期短、耐性强的草种：耐受较宽土壤酸碱度范围的高羊茅，以及偏好中性条件的巴西草（Paspalum notatum）。种子播在小土盘中，并以不同浓度和不同施药次数定期喷施含细菌与反应溶液的混合液。40天内，团队跟踪了发芽率和生长势。结果显示，低浓度溶液几乎无影响，但较高浓度与更频繁的喷施会降低发芽率，尤其对耐性较差的巴西草影响明显。高羊茅对因矿化形成而造成的盐分升高和表面结皮更具韧性，因而被标识为更适合与微生物辅助护坡配合的草种。

微型坡面的降雨冲刷试验

为检验这些微观变化是否真能改善抗侵蚀性能，研究者构建了小型模型坡并施以人工暴雨冲刷。仅靠根系加固的土样在中等坡度下遭受冲刷时丢失了超过五分之四的质量。加入四次微生物处理后，土壤流失显著下降到约三分之一；施药六次时，侵蚀仅剩原来质量的一小部分。目视检查表明，表面形成了一层薄而浅色的矿物皮层，能在一定程度上遮蔽土壤免受雨滴直接打击，同时根系在内部起到锚固作用。较陡的坡面仍比缓坡侵蚀更多，但即便如此，微生物与根系的组合明显减缓了土壤被冲刷的速率。

根系与矿物“胶”如何分担荷载

团队还研究了当根系与微生物生成的矿物同时存在时，土壤的增强程度。他们制备了不同根量的小土柱，施以细菌和矿化溶液，然后在模拟坡体内压力的三轴试验装置中压缩测试。应力—应变曲线显示出应变硬化特性：样品被变形时能够承载越来越大的载荷而不会突然断裂。根量越大，生成的碳酸钙越多，填充空隙并增强颗粒间接触。两个衡量抗剪强度的关键参数——粘聚力与内摩擦角均有所提升，但粘聚力的增长更为显著——从未处理到最佳处理样品，粘聚力增加超过一倍。对比相同根量有无MICP处理的样品，微生物处理为根—土复合体额外增加了约70–80%的强度。

对更安全、更绿色边坡的意义

简言之，研究表明经过精细调控的微生物处理可以大幅增强植被固坡的效果。存在一个权衡：过强或过频的施用会抑制种子发芽，但低到中等剂量，尤其配合像高羊茅这样耐受性强的草种，可在植被建立的同时让微生物悄然在根系周围构建矿物支架。其结果是一个活体、能自我强化的层体，更能抵御雨滴溅落、地表径流和土体内部的剪切力。对于工程师和土地管理者而言，这种结合方法为在提升生态修复的同时降低侵蚀与滑坡风险、将脆弱的开挖坡面转变为持久的植被防护提供了有前景的方案。

引用: Bu, C., Wang, Y., Huang, W. et al. Study on the adaptability and stability of MICP improved vegetation slope protection. Sci Rep 16, 13327 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40222-1

关键词: 边坡加固, 土壤侵蚀控制, 微生物土壤处理, 植被工程, 碳酸钙胶结