水资源短缺和土壤退化被认为是影响农业生产的两大因素，通过梁佳萍等研究发现该试验地点的荒漠化土壤的持水能力（WHC）较差，这可能导致水分利用效率降低和养分流失增加。此外，荒漠化土壤的肥力主要取决于土壤团聚体的稳定性。这是因为具有良好稳定性的土壤团聚体结构具有出色的土壤储水和养分能力。因此，如何提高荒漠化土壤的WHC和团聚体稳定性将是提高作物产量、水分利用效率和农业生产力的首要任务。
聚-γ-谷氨酸的功能
聚-γ-谷氨酸（γ-PGA）是一种非常有前途的环保聚合物，具有可生物降解、非免疫原性和无毒特性。它已广泛应用于食品、医药、水处理和农业等。聚-γ-谷氨酸（γ-PGA）是一种环保型超吸水剂和肥料增效剂，在提高农业生产力方面具有巨大潜力，特别是在农业领域。
试验设计
1. 实验地点
实验处理包括五种γ-PGA施用量（0、20、40、80和160 kg/ha），分别标记为CK、P20、P40、P80和P160。每个处理有 3 个重复，随机分布在 15 个样地中。实验地点年平均降水量小于80毫米，但年平均潜在蒸发量大于2700毫米。实验田表土（0-60 cm）的理化性质简述见表1。
2.农艺实践
棉花是试验区的主要经济作物。棉花种植模式和滴灌线布置为图1中的“1个覆盖物、2个滴灌线和4行棉花植株”。为了满足棉花植物的养分需求，450公斤/公顷犁耕前施用有机肥（有机质含量≥45%）作为基础肥料。在生长季节，652 公斤/公顷尿素， 228 kg/ha磷酸二铵和 52 公斤/公顷在每个地块中施用硫酸钾。灌溉水来自地下水，地下水被归类为微咸水，电导率为2.8―3.1 mS/cm。在两个生长季节，灌溉时间表中显示了每次灌溉事件的灌溉日期和灌溉量（表2）。每个地块的灌溉计划是相同的。
图 1.田间试验中的棉花种植模式和滴灌线布置。
3.土壤储水量（SWS）
从无覆盖区、宽行区和窄行区分别用手动螺旋钻在深度为 0、10、20、30、40、60、80 和 100 cm 处收集土壤样品。采集土壤样本后，用备用土壤回填这些洞。将土壤样品在烘箱中以105°C至恒重干燥，然后用重量法测定土壤含水量。在收获阶段，用螺旋钻在0-15厘米的土壤层中从每个地块收集土壤样品，并通过2毫米的筛网。土壤样品用于通过湿筛法测定水稳定性团聚体。水稳定聚集体分为三种不同尺寸的组分，如大团聚体（2-1 mm）、小团聚体（1-0.25 mm）和微聚集体（<0.25 mm）。
4.地上干物质、氮磷吸收效率、籽棉产量
从每个样地随机抽取3株具有代表性的棉花植株，分别测定育苗期、开花期、棉铃期和开铃期的地上干物质。植物氮浓度通过凯氏定氮法。采用钼酸铵法测定植物磷浓度（GPC）。从每个地块手动收获籽棉，并在实验室中风干，籽棉产量采用重量法测定。
γ-PGA对土壤储水量、蒸发量、水稳定团聚体
分布和稳定性的影响
1.灌溉前后的土壤储水量（SWS）
在两个生长季中，灌溉后的SWS显著高于灌溉前。在两个生长季节，所有实验处理的灌溉量相同。γ-PGA处理根区SWS的增加显著高于CK<0.05（表3）。γ-PGA可以有效提高土壤持水能力，提高SWS，这意味着γ-PGA在农业生产中具有巨大的节水潜力。
2.不同生长阶段的SWS和ET
不同生育期各处理根区SWS和蒸散量（ET）均存在显著差异（P < 0.05）（表S1-S2）。γ-PGA处理中不同生长阶段的SWS显著高于CK组（表S1-S2），<值为0.05）。因此，γ-PGA处理的△SWS（播种前SWS与不同生长季节SWS的差异）显著低于CK处理，两个生长季所有处理的降水量和灌溉量均相同（表S1-S2），γ-PGA处理的ET显著低于CK处理（P < 0.05），这归因于γ-PGA可以有效提高沙质土壤的持水能力，通过抑制土壤蒸发，特别是在生长期，有助于保持土壤中的更多水分。
3.耐水聚集体和平均重量直径（MWD）
各处理土壤团聚体的水稳定性团聚体和MWD均存在显著差异（P < 0.05）（表4）。γ-PGA处理土壤微团聚体比例（<0.25 mm）显著低于CK处理（P < 0.05）。与CK相比，γ-PGA处理（P < 0.05）显著提高了两个生长季大土大团聚体（2–1 mm）和小土壤大团聚体（1–0.25 mm）的比例。这表明γ-PGA的施用促进了土壤大团聚体（0.25-2 mm）的形成。此外，γ-PGA处理土壤团聚体的MWD显著高于CK处理（P < 0.05），表明施用γ-PGA提高了土壤团聚体的稳定性。因此，施用γ-PGA对改善荒漠化土壤质量非常有效。
γ-PGA对地上干物质、氮磷吸收效率、产量、肥料PFP（N、P、K）的影响
地上干物质、氮磷吸收量和效率
在不同生育期，γ-PGA处理棉花地上干物质显著高于CK（图2）。与CK相比，γ-PGA处理的地上干物质显著增加11.0–62.8%（P < 0.05）。此外，γ-PGA处理（P20、P40、P80和P160）也显著影响了氮磷吸收量和效率（<表5）。与CK相比，γ-PGA处理显著提高了氮吸收量<（21.0–81.1%）、氮吸收效率（20.7–82.8%）、磷吸收量（4.8–51.2%）和磷吸收效率（4.2–50.0%）。与P80处理相比，P160处理显著降低了地上干物质和氮磷吸收量和效率（P < 0.05）。P80处理的地上干物质最大，氮磷吸收量和效率最高。因此，施用γ-PGA对作物生产和促进养分（N和P）吸收具有较大优势。
籽棉产量、IWP、肥料 FPF（N、P、K）和成本效益分析
从籽棉产量、IWP 和肥料的 PFP（N、P 和 K）等方面评估了棉花的水肥生产率（表 6）。与CK相比，γ-PGA处理显著提高了籽棉产量、IWP和肥料PFP（<n、p和k）。然而，2015年p80处理和2016年p40处理的籽棉产量和iwp最高，肥料pfp最大（n、p和k）。这表明过量施用γ-PGA并没有像预期的那样提高棉花的水肥生产力。
通过成本效益分析评估了γ-PGA应用的经济效益（表7）。总成本随着γ-PGA应用率的提高而显著增加。γ-PGA治疗的总收入显著高于CK组（P < 0.05）。2015年P80治疗和2016年P40治疗的总收入最高。此外，P20、P40 和 P80 处理产生的净利润似乎高于 CK，尽管这种效应没有统计学意义 （P > 0.05）。与CK相比，P160处理（P < 0.05）显著降低了净利润，表明过度施用γ-PGA对经济效益的增加有负面影响。
适当的应用γ-PGA策略
根据上述结果，我们发现过量的γ-PGA施用量并没有像预期的那样提高养分（氮和磷）吸收效率、水肥生产力和经济效益。γ-PGA施用量与氮磷吸收效率之间的关系通过二次曲线拟合（图3a和b）。根据两个二次函数，当最佳γ-PGA施用量分别为79和83.3 kg/ha时，氮和磷的吸收效率最高，γ-PGA施用量与水肥生产率（籽棉产量、IWP和肥料PFP（N、P和K））之间的关系采用二次曲线拟合（图4、图5）。通过对这些二次函数的分析，计算γ-PGA应用平均值（89 kg ha）可以实现最高的养分（氮和磷）吸收效率和水肥生产力。
此外，γ-PGA应用率与净利润之间的关系也通过二次曲线拟合（图6）。根据二次函数分析，当γ-PGA施用量为42.1 kg ha时，净利润最高，在综合考虑养分（氮和磷）吸收效率、水肥生产力和净利润的基础上，我们建议65公斤/公顷可以作为适当的γ-PGA应用速率。
结论
在荒漠化土壤中添加γ-PGA可被视为增加SWS和减少用水量的有效途径。
在荒漠化土壤中添加γ-PGA在促进土壤团聚体形成和增强土壤团聚体稳定性方面具有巨大潜力。
在荒漠化土壤中添加γ-PGA可以提高棉花生长、氮磷吸收量和效率、水肥生产率和净利润。
考虑到养分吸收效率、水肥生产率和农民净利润，我们建议 65 公斤/公顷可作为提高农业生产和经济效益的适当γ-PGA应用策略。
引用
Jiaping Liang, Wenjuan Shi,Poly-γ-glutamic acid improves water-stable aggregates, nitrogen and phosphorus uptake efficiency, water-fertilizer productivity, and economic benefit in barren desertified soils of Northwest China,Agricultural Water Management,Volume 245,2021.
微信号｜GH-PGA
官网｜www.ghpga.com
