我国是世界上极端气候事件及灾害最严重的国家之一。联合国政府间气候变化专门委员会最新研究报告指出，受全球气候变化影响，各种极端气候事件发生的频率、强度、影响范围及持续时间都呈显著加剧趋势（IPCC, 2021），如强降雨、长时间干旱、多年一遇的低温寒潮或高温热浪等。这类极端气候事件通过一系列物质能量交换，会极大改变浅表层土体的工程性质，导致工程地质条件严重恶化，从而诱发各种极端地质灾害和生态环境问题（图1），造成巨大损失，给当前工程地质研究和重大工程建设带来许多新的挑战，严重制约社会经济可持续发展。
图1 极端干湿气候作用下土体灾变示意图
针对上述问题，我院唐朝生课题组基于“韧性低碳”理念，创新性地提出了基于微生物技术的大气-土体相互作用调控措施，即利用自然界广泛存在的一种微生物矿化行为（微生物诱导碳酸钙沉积-MICP）对地表土体进行改性，具体是利用一种能够高产脲酶的细菌，将尿素分解出碳酸根离子，然后与土壤孔隙中的钙离子结合从而析出碳酸钙结晶，对土颗粒进行靶向可控胶结，从而在土体表面构建生物基缓冲层（bio-created buffer barrier，BBB），通过其特殊的结构调控气/土界面物质能量交换过程，减缓气候作用强度，从而达到平衡土体物理力学状态、提升土体气候变化韧性的目的（图2）。
图2 基于微生物矿化作用的地表生物基缓冲层构建示意图
课题组围绕这一设想开展了一系列针对性研究，分别模拟了极端干旱和强降雨气候条件，系统分析了生物基缓冲层BBB提升土体气候变化韧性的效果和机理。结果表明，地表土体经过微生物矿化处理后，在干旱气候下的蒸发速率和表面裂隙率分别降低了32%和85%，显著提高了土体的保水性能；而在极端强降雨气候下的土体流失量减少了90%以上 （图3），呈现出良好的抗侵蚀性。微观结构分析发现，微生物诱导生成的碳酸钙在土体中的含量和分布是影响BBB作用效果的关键因素，碳酸钙晶体胶结表层土颗粒形成的稳定多孔骨架结构能有效提高地表土体的蒸发/入渗阻力和力学强度，维持气候变化条件下土体热-水-力状态的相对平衡。这项研究涉及的微生物技术具有低碳、环保、高效和可持续的特点，为全球气候变化背景下土体生态环境保护和灾害防控提供了全新的基于自然的解决思路。
图3 微生物处理前后土体：（a）蒸发速率；（b）表面裂隙率；（c）累积土体流失量；（d）土体侵蚀速率
上述研究成果近期以“Enhancing Soil Resilience to Climatic Wetting-Drying Cycles through a Bio-Mediated Approach”为题，发表于国际地学著名期刊Journal of Geophysical Research: Earth Surface。论文工作的创新性得到了杂志主编的高度肯定（I think this manuscript will make a nice addition to the literature on MICP）。我所唐朝生教授为该论文的第一作者兼通讯作者，新加坡南洋理工大学的刘博博士为共同通讯作者。研究工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题等项目的资助。
论文链接：http://doi.org/10.1029/2023JF007573
