0 引言

石漠化边坡缺土或土壤结构极为疏松及土层浅薄，水分会快速流失。在多雨季也常出现蒸发量大于降水量的干燥期，造成土壤季节性干旱，这在很大程度上制约着石漠化边坡的植被恢复^[1]。根据不同的施工方式，常见的边坡生态修复技术可分为基材喷播类、格构复绿类、槽穴构筑类和铺挂绿化类等几种类型，例如目前应用较广泛的厚层基材喷射护坡技术^[2]、植被混凝土绿化技术^[3]等。刘英等^[4]选取高羊茅和紫花苜宿作为草种，配制植生基材，进行边坡抗冲刷试验，分析植生后多孔混凝土性能与边坡抗冲刷能力，获得了良好的植生方案，用于生态护坡工程。实践表明，每年产生的大量工程弃土改良后可以作为边坡植被恢复用土^[5-6]。蒋瑜阳等^[7]针对震后边坡生态恢复工程的效果评估问题，从植物群落、土壤和系统稳定性3方面提出植被覆盖度、生物多样性等16项评价指标体系，采用层次分析法构建模型，并应用于川九公路沿线，效果良好。

微生物矿化(MICP)技术是近年发展起来的一种环境友好型土体改良技术，通过生成碳酸钙沉淀物，充填土体孔隙并胶结相邻土颗粒，有效增强了土体的力学强度、抗渗能力和抗冲蚀性。Li等^[8]提出将MICP技术与草方格沙障(SCB)技术相结合的方式，进行荒漠化防治。Wang等^[9]开展了水槽冲蚀试验，利用冲蚀仪精确验证了表层矿化的抗水蚀效果。Jiang等^[10]对采用灌浆法加固的微生物矿化试样进行渗流侵蚀试验，发现加固后土体的抗剪强度增加，内部侵蚀量减少。

本研究提出了微生物矿化石漠化边坡格构内填土表层进行蓄水型植被恢复的新技术^[11]，将工程弃土再利用作为石漠化边坡生态恢复的基质土，并结合微生物矿化技术对填土表层进行处理。进行叠合式土柱降雨-干燥的试验，测试纯土、表层矿化土、纯土+植株、表层矿化土+植株的土柱在降雨阶段优先流渗入渗出和干燥阶段表层土裂隙发育情况及两阶段土柱内部的水力特性，并利用Hydrus软件对土柱的降雨-干燥过程进行数值模拟。结合试验和数值模拟结果的对比分析，探究微生物矿化石漠化边坡格构内填土表层的降雨优先流规律和石漠化边坡蓄水型植被恢复的可行性。

1 微生物矿化石漠化边坡格构内填土进行蓄水型植被恢复的技术

首先在石漠化边坡坡面建造格构梁，然后在格构梁内覆盖一层由弃土构成的基质层，并在覆土过程中依托专利技术^[11]预留出植株种植孔以便采用容器苗快速坡面植被恢复。随后采用坡面喷洒的方式对格构内填土表层进行微生物矿化加固，矿化处理后再进行预留孔内的植株种植，以避免矿化胶结液对植被根系的生长胁迫，如图 1所示。矿化的表土层具有较好的抗雨水冲蚀能力，能减少坡面侵蚀，同时植株孔的坡面集雨和积雨的漏斗效应也能消纳坡面径流，发挥蓄水漏斗的作用，提高土层的持水能力。预留孔内种植的灌草植被在生长过程中根系扎入边坡填土，一定程度上可发挥根系的加筋作用，格构-表层固化土-植被土三者协同发挥作用来进行石漠化边坡的蓄水型植被恢复。

2 叠合式土柱试验 2.1 试验材料

试验土料基本物理特性指标见表 1。参考其他研究采用的植被土层填筑干密度值^[12-14]，选取试验填筑干密度为1.4 g/cm³，制模含水率选为8%。土柱试验中植被选用根系蓄水型的植株，例如吊兰(阴坡)，叶片浓密，栽植于坡面可发挥降雨截流作用，肉根发达可发挥根系生态蓄水能力。采用植株预留孔的方式种植吊兰，其中植株预留孔的直径为6 cm，坑深为7 cm。

试验过程中采用微生物矿化技术通过分离纯化、脲酶活性检测，最终筛选出一种环境适应能力强、重金属离子耐受性高、矿化效果好的微生物，定名为XP-22菌(球形赖氨酸芽孢杆菌属)^[15]。具体矿化步骤为：首先喷洒菌液100 mL和胶结液250 mL，等待微生物矿化反应1~2 h；再次喷100 mL洒菌液和250 mL胶结液，以达到对土柱表层约3 cm厚土体进行矿化的目的；矿化处理2 d后进行降雨试验。

2.2 试验装置

叠合式土柱模型由上层刚性盒和下层刚性盒2部分构成，叠合的目的是为了后期进行大型直剪试验，探究干湿循环过程后基质土的剪切变形和稳定性。本研究采用肉根植株，没有开展后期直剪。刚性盒长、宽、高均为20 cm，模型盒三侧为厚2 cm的工程塑料板，一侧为厚1 cm的透明钢化玻璃，以便观测降雨过程中的湿润锋发展。模型盒两侧对称位置分别沿深度进行钻孔，以便保护性埋设含水率和吸力传感器，钻孔位置距刚性盒底部分别为5 cm和15 cm。

2.3 试验方案

为探究微生物矿化石漠化边坡格构内填土表层进行蓄水型植被恢复的水力特性变化规律，对应常见的现场工况，制模含水率选为8%，然后进行降雨。设计开展不同工况下的叠合式土柱降雨-干燥试验，试验共分为5组(见表 2)。

土柱模型由32 cm厚的土层构成，土层以下设置5 cm厚的砂粒石层模拟石漠化坡面并反滤。在模型底部通过引流管收集降雨过程中的雨水渗出数据。为测量土体吸力和含水率的变化，在土柱内部沿深度分别在土表以下2，12，22，32 cm处设置4处测点，表层矿化+植株土柱模型如图 2所示。

采用分层压实法填筑土层，每层土填筑厚度为8 cm。为了防止击实破坏传感器，通过土柱侧面预留管孔的方式埋设传感器，用凡士林涂抹预留洞口，并用胶带封住预留孔洞。土柱的试验过程具体分为降雨-干燥两阶段。采用等降雨量的水头浸泡方式模拟降雨入渗作用，试验过程中设置的积雨水头为30 mm。入渗过程中每隔5 min供水一次以维持恒定水头，并记录供水量及入渗量。当土柱底部开始渗出水后，每隔5 min记录渗出量并更换收集装置。设计干燥历时10 d，降雨及干燥过程中，均利用传感器持续监测土柱不同深度处含水率和吸力的变化情况。

2.4 试验结果及分析

分别针对土柱的表层裂隙分布规律、入渗与渗出情况和水力特性进行分析。

2.4.1 干燥阶段土柱表层裂隙分布规律分析

利用MATLAB软件，将降雨结束并干燥10 d后各工况土柱裂隙分布图转换为灰度图，计算裂隙率，其中裂隙率为裂隙面积在土柱表面积中的占比。纯土土柱(T-1)、表层弱矿化土柱(T-2)、表层强矿化土柱(T-3)、植株土柱(T-4)、表层矿化+植株土柱(T-5)的裂隙率分别为2.73%，0.66%，0.13%，1.92%，1.17%，如图 3所示。

如图 3(a)和(d)所示，当纯土未被矿化时, 对比无植被的试验组T-1和有植被的试验组T-4发现，有植被条件下裂隙率反而降低了约30%，分析原因在于，干燥过程中土体内部的水分除了通过土柱表面蒸散发外，深7 cm、直径6 cm的预留孔内植被土也提供水分蒸发优势通道，导致土体表面与内部的水力梯度变小，裂隙率降低；表层矿化作用的硬壳层抑裂效果明显，如图 3(a)和(c)所示，仅考虑矿化作用时，表层强矿化土柱较纯土土柱减少了约95%的裂隙；如图 3(d)和(e)所示，同时考虑矿化与植被作用时，表层矿化+植株土柱较植被土柱减少了约40%的裂隙。

2.4.2 降雨阶段土柱入渗及渗出规律分析

在积雨入渗过程中，分析植被作用、表层矿化联合植被作用对土柱渗透性与持水性的影响(见图 4)。如图 4(a)所示，在降雨100 min后，植株土柱、表层矿化+植株土柱、纯土土柱累计入渗量分别为7.4，4.5，1.1 cm，植株移植后增加了植株孔松土及根土间隙等降雨优势流通道，加强了土柱入渗性能，优势流通道将雨水蓄集在植被土层及其周围，增加了约6倍的入渗量；矿化表层则抑制植株土柱的入渗，降低了约40%入渗量。

在降雨220 min前，土柱累计入渗量大小依次为植株土柱，表层矿化+植株土柱，弃土土柱。在降雨220 min后，土柱累计入渗量大小依次为植株土柱，弃土土柱，表层矿化+植株土柱。植株土柱与表层矿化+植株土柱由于植株孔松土及根土间隙等优势流通道的作用，在前期有大量水分迅速入渗并蓄集在植株土中，入渗速度较快，明显大于纯土土柱的入渗速度。后期植株土柱依然保持着较快的入渗速度，但表层矿化+植株土柱由于表层矿化开始形成硬壳层起到阻渗作用，土柱整体入渗速度降低并保持稳定，明显小于纯土土柱的入渗速度。因此对于土柱入渗而言，在降雨作用前期蓄水孔植被土的优势流效应起主导作用，在降雨作用后期由于表层矿化硬壳层的作用开始突显，入渗作用减弱。

植株土柱、纯土土柱、表层矿化+植株土柱分别在降雨约130，167，235 min后开始渗出。以土柱开始渗出的时间作为坐标原点，将累计渗出量随时间的变化情况整理如图 4(b)所示，可通过土柱渗出量数据间接反映土柱持水性，相较而言，表层矿化+植株土柱的累计渗出量最小且渗出时间最晚，持水性最强，有利于石漠化边坡的植被恢复。

2.4.3 降雨-干燥过程土柱水力特性分析

(1) 降雨过程中的土柱水力特性

分析植被、表层矿化、表层矿化+植株等土柱在降雨过程中含水率沿深度分布规律(见图 5)。如图 5(a)所示，在降雨约60 min后，对于深度12 cm处，无矿化的T-4组和T-1组含水率分别约为29%和25%；对于深度22 cm处，T-4组T-1组含水率分别约为21%和14%，且在120 min后植被土柱各深度含水率不再变化，基本达到饱和，这说明植被土层提供了有效的优势流通道，深7 cm、直径6 cm的预留孔内植被土，缩短了12~32 cm范围内土体含水率达饱和的时间，能够快速蓄集雨水。

表层强/弱矿化土柱的含水率变化规律类似，仅选取表层强矿化土柱(T-3，T-5)进行具体分析。

经表层矿化后，随着菌液和胶结液的下渗，土柱浅层含水率会有一定上升，如图 5(b)所示。降雨180 min后，表层强矿化土柱深度2 cm处土体含水率仅增长1.3%，深度12 cm及以下土体含水率未发生明显变化，这说明矿化已经固化了该表土层；与纯土土柱在降雨180 min后各深度处土体已全部达到饱和状态相比，表明经过表层矿化后可以降低土柱的渗透性能，并延缓了土体达到饱和，与入渗规律相一致。

如图 5(c)所示，降雨10 min后，表层矿化+植株土柱深度12 cm处土体含水率增长了约6%，而深度2 cm范围内土体含水率无明显变化，这说明植被土层在雨水入渗过程中发挥渗流优势通道作用，雨水优先渗入植被预留孔蓄积，随后渗入下层土。由图 5(d)可知，仅植株与表层矿化+植株土柱在各深度的含水率变化趋于一致，优势通道打破了表层的矿化阻隔，土柱中的水分入渗主要受蓄水孔植被土控制，表层矿化发挥的阻渗作用有限。

(2) 干燥过程中的土柱水力特性

在干燥阶段, 有、无矿化土柱和有、无植株土柱的体积含水率沿土壤深度的变化和图 6所示。如图 6(a)所示，由于前期降雨入渗的作用，纯土土柱和表层矿化土柱深层土体的水分都产生了一定增长。其中纯土土柱经历降雨入渗后基本处于饱和状态，含水量沿深度分布几乎处于一条直线，而矿化土柱由于表层矿化作用的阻渗作用，使其深部土层含水率要远远低于浅层土体，含水率沿深度分布是逐渐降低的。在干燥过程中，纯土土柱的表层土体水分蒸发迅速，12 cm深度以下土体则蒸发较少。相反地，由于表层矿化土层形成了一个封闭的硬壳层，而土柱底部碎石层仍有透气性，因此表层矿化的土柱的水分还在持续由浅入深地迁移，导致深层(32 cm的深处)土体含水率数值随着蒸发由小变大。但即使是干燥末期(10 d)，表层土体由于矿化作用而颗粒致密，仍然具有很好的持水性，矿化土柱表层土体的含水率仍较高，甚至大于对应的纯土土柱(见图 6(a))，含水量沿深度分布依然表现出上大下小，不像纯土土柱那样符合常规的含水率分布规律上小下大。

干燥10 d后，有、无矿化土柱深部土体(12~32 cm)的平均含水率分别为18.1%和24.9%，这是因为表层矿化土体在干燥期间裂隙发育率低，阻碍水分的蒸发，但在降雨期也减少了雨水入渗，总体而言使深层土体含水率处于较低水平。比较T-4组植株(种植孔)对土柱含水率波动的影响，如图 6(b)所示，可以发现种植孔中植株的根系吸水蒸腾作用会促进深层土体的水分流失。与T-1组相比，在干燥10 d后，植被作用减少了约2.2%的土体含水率。

干燥阶段各土柱吸力对比如图 7所示。在干燥蒸发阶段，处于3 cm深矿化范围表层的土体由于毛细水蒸发和矿化作用会消耗水分，强矿化作用消耗水分更多，获得更高的基质吸力，但远低于大气压，土体仍具有一定含水量。此时土体由于矿化作用而颗粒致密，仍然具有很好的持水性，如图 7(a)所示。干燥10 d后，T-1，T-3，T-4，T-5表层吸力值分别为29.6，52.1，10.8，20.2 kPa，T-3比T-1提高约76%的吸力，T-5比T-4提高约87%的吸力。干燥末期，强矿化土柱深层土体(12~32 cm)的平均吸力值最大，如图 7(b)所示，约为21.3 kPa，与纯土土柱相比提高了约13.2 kPa。

3 土柱的数值模拟 3.1 土柱计算模型及参数选取

土柱计算模型及数据测点设置与土柱试验模型图 2一致。计算模型边界条件与试验部分一致：模型左右两侧均为不透水边界；降雨阶段上边界采用定水头边界(水头为3 cm)，下边界采用自由排水边界；干燥阶段将上边界改为大气边界。数值计算与土柱试验工况划分相同(T-1，T-2，T-3，T-4，T-5)，共分为5组，各工况土柱计算模型的含水率初始值按照土柱各深度处的含水率实测值进行赋值。

本研究根据同一断面含水率及吸力的监测结果，通过最常用的Van Genuchten模型拟合得到土体的土水特征曲线及非饱和水力传导系数，拟合方程如式(1)~(2)所示，土柱各具体参数详见表 3。

(1)

(2)

式中，θ为体积含水率；θ_s为饱和体积含水率；θ_r为残余体积含水率；ψ为基质吸力；K_w为非饱和水力传导系数；K_s为饱和水力传导系数；α，n，m均为Van Genuchten模型拟合参数。

Hydrus软件使用的是水分胁迫与盐分胁迫来处理根系吸水，本研究在计算中不考虑盐分胁迫。对水分胁迫模型为：

(3)

式中，T_a为实际蒸腾量；T_p为潜在蒸腾量；S(x)为吸水强度函数；x为深度；α (h)为水分胁迫函数；h为土体压力水头；h_ϕ为气孔压力水头值；b (x)为根系吸水分配密度函数；L_R为根系层深度。

本研究选取Hydrus软件中的Feddes模型^[16]作为水分胁迫函数的经验表示法，定义了根系分布区域植被吸水速率随压力水头的变化，水分胁迫响应函数α(h)如式(4)所示。模型中涉及到的参数取值参考杨文琦^[17]的模型参数，采用数据库中grass的相关参数进行模拟，如图 8和表 4所示。

(4)

式中，P₀为压力水头低于该值时植被开始从土中吸水；P_opt为压力水头低于该值时，根系吸水速率达到最大值，即潜在蒸腾速率；r_2H为压力水头小于限制压力水头P_2H时所假设的潜在蒸腾速率；r_2L为压力水头小于限制压力水头P_2L时所假设的潜在蒸腾速率；P_2H为限制压力水头，当压力水头低于该值时，根系不再以最大速率吸水，此时假设对应r_2H的潜在蒸腾速率；P_2L同P_2H一样，但此时对应r_2L的潜在蒸腾速率；P₃为压力水头低于该值时，根系吸水活动停止，常定义为植被的凋萎点。

3.2 计算结果与对比分析 3.2.1 降雨过程中的水力特性分析

将降雨过程中土柱各深度含水率和吸力的计算值与实测值进行对比，发现大部分测点的吻合程度较好，但部分测点存在一定误差。对比分析降雨入渗阶段土柱含水率的实测值与计算值，结果如图 9所示。图中S代表计算值，M代表实测值，数字代表含水率传感器的埋设深度。弃土土柱在降雨约162 min后达饱和，表层强矿化土柱在降雨结束后土体仅表层饱和，矿化作用对土体的阻渗效果明显。进一步对比分析矿化作用对植株土柱的水分运移影响。在降雨过程中，植株土柱和表层矿化+植株土柱分别在降雨约137 min和161 min后饱和，矿化作用仅将土柱达饱和时间延后约为24 min，这说明植被土的蓄水作用占主导地位，矿化土的阻渗作用受到明显削弱，与模型试验结论相一致。

3.2.2 干燥过程中土柱水力特性分析

干燥阶段含水率和吸力变化情况如图 10和图 11所示。计算值与实测值规律大致相同，干燥阶段，土中含水率降低，吸力增加。表层2 cm处测点吸力和含水率变化最剧烈，越往下层变化幅度越小。其中表层土含水率在干燥初期下降较快，这是因为在降雨结束后表层土含水率高，土体表面与大气能维持较稳定的水蒸气压差，蒸发作用以最大速率进行，且较稳定。随着水分的丧失，当土颗粒产生的张力超过土颗粒间的黏结强度时，土体表面就会产生裂隙^[18]。裂隙的发育形成新的水分蒸发通道，进一步影响土体含水率和吸力变化，由于不同工况下土体裂隙发育程度各异，导致干燥10 d后土体吸力和含水率值不同。

干燥末期(10 d)土柱埋深2 cm处的实测含水率由大到小依次为表层强矿化(25%)，表层矿化+植株(22%)，纯土(20.2%)，植株(18%)，计算值也呈现出相同规律。两组经过矿化处理的土柱表层含水率大于未经矿化处理的土柱，因为碳酸钙晶体能够充填土颗粒孔隙，抑制裂隙的产生，减少水分蒸发通道，从而减少表层水分的蒸发，发挥锁水作用。在干燥10 d后，纯土土柱、植株土柱、表层矿化+植株土柱在12~32 cm深土体的实测平均含水率分别为24.9%，22.7%，24.0%，与壤土(田间持水量约为25.2%)接近，这表明土柱的持水性可以满足植株生长要求。

对比干燥10 d后T-3和T-1表层2 cm与12~32 cm范围内计算平均吸力值，分别提高约21 kPa和16.5 kPa。引入植株后，表层2 cm范围内，T-5较T-4吸力提高8.4 kPa，这主要是因为表层矿化对雨水的阻渗作用，保证土体维持了较高的吸力。分析T-5(表层矿化+植株土柱)的水分蒸发，主要受2方面因素影响。一方面是表层矿化土的锁水作用，由于部分土颗粒孔隙被碳酸钙充填胶结，不仅减少了水分蒸发通道，还抑制了裂隙的产生；另一方面是种植孔松土提供水分蒸发通道，加速疏干土体水分，减少土体含水率。在深度12~32 cm范围内，无论实测值还是计算值，T-5吸力值均低于T-4，含水率值均高于T-4，这说明表层矿化的锁水效果优于种植孔通道的蒸发效果。此外，T-1的水分变化主要受表层裂隙影响，T-4的水分变化主要受表层裂隙和种植孔松土与植物蒸腾作用的双重影响，T-4组的裂隙率(1.918%)低于T-1组的裂隙率(2.734%)，但T-4组含水率略低于T-1组，说明植被的根系吸水及蒸腾作用能促进土体的水分散失。

4 结论

通过制作纯土、表层矿化土、纯土+植株、表层矿化土+植株这4种叠合式土柱试样，测试降雨阶段土柱的降雨优先流渗入、渗出和干燥阶段表层土的裂隙发育情况及两阶段土柱内部的水力特性，并与数值模拟结果进行对比，探究微生物矿化格构内填土表层进行蓄水型植被恢复的降雨优先流规律，主要结论如下。

(1) 在降雨入渗试验中，土柱累计入渗量由大到小依次为植株土柱、表层矿化+植株土柱、纯土土柱、表层弱矿化土柱、表层强矿化土柱，其中表层矿化处理具有明显的阻渗作用；引入植株(种植孔)后，植被土优势流在入渗前期可发挥主导作用；表层矿化+植株土柱深层土体(12~32 cm)的平均含水率为24%，持水性较好，可以满足植株生长要求。

(2) 降雨阶段矿化联合植被(植株孔)作用时，雨水下渗速率和水分扩散路径发生改变，前期土体的饱和区主要分布在蓄水孔的植被土层，湿润区主要分布在植被土周围。这有利于在短历时降雨条件下雨水优先充满蓄水孔植被土内，发挥其蓄水漏斗的作用，有利于边坡植被恢复。

(3) 土柱试验发现，经过10 d的干燥期，矿化作用的抑裂效果明显，表层矿化土柱较弃土土柱减少了约95%的裂隙。通过碳酸钙填充土颗粒孔隙，减少水分蒸发通道，能够有效减少干燥期土体水分散失。

(4) 在干燥期间，土柱表层深度2 cm处水分波动最剧烈。干燥10 d后，距土柱表层深度2 cm处的实测含水率由大到小依次为表层强矿化(25%)、表层矿化+植株(22%)、纯土(20.2%)、植株(18%)。土柱降雨-干燥过程的数值模拟计算值也呈现出相同规律，这说明经过表层矿化处理能提高格构内填土层的锁水效果。