γ－聚谷氨酸（γ-PGA）是由微生物发酵而成的一种新型可溶解的环保型高分子材料，降解产物为无公害的谷氨酸。γ-PGA除作为土壤保水剂应用广泛外，也可作为肥料增效剂可有效提高肥料利用率，提高作物产量。曾健等研究选取不同质地土壤添加γ-PGA分析其对土壤孔隙结构、入渗能力及土壤持水特性的影响，并借助土壤水分常数分析不同γ-PGA含量下，不同类型土壤水比例分布，以期为γ-PGA的合理使用提供依据。
试验设计
试验土样经风干、均匀混合后过2ｍｍ筛备用，采用Mastersizer 2000激光粒度分析仪测土壤颗粒。结果见表1，试验设置γ-PGA质量比为0为对照组，其余4个水平γ-PGA质量比分别为0.1％，0.2％，0.5％，1％，土壤质地分别为砂壤土与粉壤土，利用离心机选取10个不同水吸力值进行试验，得到不同处理下各吸力所对应的含水量。利用渗透仪测得环刀内饱和土壤的饱和导水率，凋萎系数的测定采用生物法，田间持水量利用环刀采用威尔科斯法测定。
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对水分特征曲线的影响
由图１可知，从不同γ-PGA含量土壤水分特性曲线的差别程度分析可知，不同土壤质地随γ-PGA含量的增加，土壤持水容量均呈现递增效应。在低含水量时，不同添加剂含量土壤水吸力值差异较大，随土壤含水量的增加，各处理间水吸力差值逐渐减少。由拟合曲线可知γ-PGA含量越大，土壤含水量所作用的吸力范围也将越高。相同γ-PGA含量处理在同一水吸力时，粉壤土含水量高于砂壤土，粉壤土中土壤颗粒比表面积较大，故能吸持更多水分。粉壤土中孔隙分布较均匀，当水吸力不断增加时，土壤含水量减少较缓和，反之砂壤土中土壤水分特征曲线坡度较陡。
由表２可知，不同质地下，饱和含水量随γ-PGA含量增大而递增，残余含水量变化不显著，说明γ-PGA的添加加强了土壤的持水性能。α为土壤开始排水时的水吸力倒数，其值越小，意味着开始失水时的土壤水吸力越大，表征着失水起始点，γ-PGA含量增加，α值变大，意味着开始失水时的土壤吸水力越小，越容易发生失水。ｎ值表示土壤水分特征曲线的失水速率，砂壤土失水速率均大于粉壤土，意味着土壤中γ-PGA含量增加能有效降低土壤失水速率。
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对土壤物理特性的影响
由图２可知，γ-PGA添加入土壤中后，添加剂吸水膨胀，进而导致土壤中孔隙含量增加，土壤容重减小。土壤容重及孔隙度随γ-PGA含量变化呈指数函数。随γ-PGA含量增加至１％时，砂壤土中土壤容重与孔隙度分别为1.21g/cm3，54.23％，粉壤土中则为1.19g/cm3，55.02％，粉壤土中容重与孔隙度变化趋势均大于砂壤土。
土壤孔隙是水分和空气的主要通道，决定着土壤的持水性和保肥性，影响着植物的正常生长。上述分析中根据土壤容重计算出各处理间总土壤孔隙度，进一步利用土壤水分特征曲线得各处理下通气孔隙、毛管孔隙、无效孔隙含量（图３）。未添加γ-PGA时砂壤土中通气孔隙含量大于粉壤土，而粉壤土中无效孔隙含量较高，两者间毛管孔隙含量均为60％。随γ-PGA含量增加，砂壤土中通气孔隙含量所占比例大小顺序为0.2％＞0＞0.1％＞1％＞0.5％，无明显变化规律，粉壤土中含量递增；毛管孔隙含量在砂壤土、粉壤土中均递减；无效孔隙含量递增。
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对土壤水分参数的影响
根据一维土柱水平入渗试验数据资料验证数学模型中所述累积入渗量与湿润锋、入渗率与湿润锋倒数间关系见图4。利用线性回归法拟合出表3砂壤土、粉壤土中不同γ-PGA含量下参数ａ、ｂ值，结合图４可知，砂壤土、粉壤土中不同γ-PGA含量下累积入渗量与湿润锋、入渗率与湿润锋倒数间线性相关，决定系数Ｒ2均大于0.94，拟合精度较高。不同土壤质地下参数ａ均随γ-PGA含量增加而递增；反之，参数ｂ逐渐减小。
利用环刀法所得饱和含水量与线性参数ａ、ｂ代入公式，可得水平入渗法所得土壤饱和扩散率，其饱和含水量、饱和扩散率与γ-PGA含量关系见图５。饱和含水量与γ-PGA含量呈幂函数关系，土壤中γ-PGA含量越高，其持水量越大；随着γ-PGA含量的增加，水分在土壤中饱和扩散度呈指数函数负相关，将水分特征曲线ＶＧ模型中所拟合饱和含水量与环刀法所测得饱和含水量实测值相比较（表４）。
分析不同γ-PGA含量下水分运动参数发现饱和导水率与饱和扩散率均与γ-PGA含量呈负相关关系，相同γ-PGA含量梯度下砂壤土饱和导水率与饱和扩散率均大于粉壤土；相反，当γ-PGA含量添加至１％时，砂壤土与粉壤土饱和含水量分别增加了30.06％，27.12％，与γ-PGA含量呈正相关关系，说明粉粒含量较高的粉壤土中，土壤颗粒间表面积较大，水分吸附能力提高，所以粉壤土持水能力较强，水分传导能力较弱。饱和含水量实测值与拟合值相比较，除粉壤土中γ-PGA含量为0.2％时两者相对误差为11.94％，其他处理间相对误差值均小于10％；水平吸渗法与ＶＧ模型所计算饱和扩散率相比较，粉壤土中相对偏差在（－9.64％）～9.29％内，计算较为精确，砂壤土中两计算方法间偏差较高，适用性较低。
γ-PGA对水分运动参数的影响较为显著，其减缓了水分于土壤中的入渗，γ-PGA的添加导致土壤中土壤颗粒对水分吸渗能力的减弱，γ-PGA遇水后形成水凝胶增加了水分的黏滞性。
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对土壤持水能力的影响
根据土壤水分常数测定法得不同处理下水分常数值（表５）。对其余土壤水分常数存在显著影响，随γ-PGA含量增大而递增。不同质地相同γ-PGA含量下砂壤土水分常数大于粉壤土值。
利用土壤水分常数按照土壤水受作用力类型及对植物有效性划分土壤水分类型，对添加γ-PGA后各土壤水分类型所占比例分析得出（图６）：从土壤水所受作用力划分土壤水分类型发现，当γ-PGA含量添加至1％时吸湿水所占比例略为下降。薄膜水与毛管水比例提高，薄膜水比例增长幅度较大，砂壤土与粉壤土增幅分别为19.50％，19.68％，当γ-PGA含量增至0.5％时，毛管水所占比例随γ-PGA含量增加停止递增。重力水下降趋势较为显著，添加γ-PGA所导致的重力水比例的减少有利于土壤空气的供应，对植物的生长有利。对比不同土壤质地中土壤水分类型比例可知，粉壤土中吸湿水、薄膜水、毛管水所占比例均大于砂壤土，仅重力水所含比例低于砂壤土。
根据土壤水分被作物吸收的难易程度，分析γ-PGA对土壤水分类型所占比例可看出，添加0.1％含量的γ-PGA时无效水所占比例增长比例小于1.2％，随γ-PGA含量增加无效水所占比例有所降低。难有效水比例增长速率较大。粉壤土中易有效水增长比例为7.54％，砂壤土中仅为3.44％。多余水下降比例转移至难、易有效水。粉壤土饱和含水量与有效水比例均大于砂壤土，表明粉壤土中作物可利用水含量大于砂壤土。
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总 结
１.使用γ-PGA后增强了土壤持水能力，同等γ-PGA含量梯度下，粉壤土持水能力较砂壤土强。
２.添加γ-PGA有利于改良土壤内孔隙分布，提高持水能力，防止土壤水分的深层渗漏。
3.γ-PGA提高土壤中有效水含量，降低无效水及多余水比例，粉壤土中有效水含量高于砂壤土。
引用
曾健,费良军,陈琳,杨扬.添加γ-聚谷氨酸对土壤结构及持水特性的影响[J].水土保持学报,2018,32(1):217-224
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文案 | 来源 曾健,费良军,陈琳,杨扬.添加γ-聚谷氨酸对土壤结构及持水特性的影响[J].水土保持学报,2018,32(1):217-224
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