添加γ-聚谷氨酸對冬菠菜土壤溫度的影響特性研究

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(1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.甘肅省景泰川電力提灌管理局，甘肅 景泰 730400)

γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是一種使用生物發(fā)酵法制得的生物高分子材料，它是由谷氨酸單元的α-氨基和γ-羧基通過聚合而形成的高分子陰離子多肽型聚合物，因其具有良好的吸水性和生物可降解性而廣泛應(yīng)用于化妝品、食品、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等行業(yè)[1-5]。γ-PGA具有很強(qiáng)的吸水能力，其最大吸水倍數(shù)可達(dá)1 108.4倍，且應(yīng)用于土壤中可吸收土壤水30～80倍[3]，因此在一定程度上解決農(nóng)業(yè)干旱缺水問題。另外，γ-PGA還可以調(diào)節(jié)土壤水分分布、改善土壤結(jié)構(gòu)以及改變土壤水力特性，增加土壤孔隙度，同時，施用一定量的γ-PGA可增加0～10cm土壤含水率[6,7];γ-PGA還具有一定的保肥能力，從而有利于作物生長：孫剛忠等[8]通過施加γ-PGA小白菜盆栽和小區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)γ-PGA可增加小白菜的氮肥利用率以及干重和鮮重；褚群[9]研究表明，施用一定量的γ-PGA可增加番茄苗葉片的葉綠素數(shù)量，促進(jìn)其莖葉的生長。

土壤的溫度狀況是指一定時間內(nèi)上下土層間溫度變化，適宜的土壤溫度可以促進(jìn)作物生長，對作物增產(chǎn)有利。對于改善作物土壤溫度的研究有很多，如張治等[10]在對新疆膜下滴灌棉田的土壤溫度研究中發(fā)現(xiàn)氣象條件、土壤水分、地膜和棉株覆蓋等因素綜合影響棉花生育期的土壤溫度變化規(guī)律；K. Subrahmaniyan等[11]分別對不同塑料膜和秸稈覆蓋條件下的油菜進(jìn)行研究，表明透明膜覆蓋下土壤溫度最高; 高翔等[12]對春雨米的覆膜研究中得出，覆膜可以提高表層土壤溫度；張蕊等[13]研究了保水劑的不同施用方式對土壤水熱的影響，發(fā)現(xiàn)不同的施用方式均降低了最高溫度，提高了最低溫度。但目前尚未有人對γ-PGA對土壤溫度的影響進(jìn)行研究，鑒于此本文就盆栽冬菠菜在施用γ-PGA后進(jìn)行了對地溫的初步探索，以期γ-PGA能更好地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料——供試土壤

供試土壤容重和田間持水率分別為1.21 g/cm3和33.92%。將土樣置于陰涼處陰干，除去大顆粒和雜質(zhì)后過2.5 mm篩留用。土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土，采用Mastersizer2000激光粒度分析儀進(jìn)行測定得出，具體結(jié)果見表1(國際制)。

表1 供試土壤的顆粒分析

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用盆栽法，盆栽箱規(guī)格為30 cm×30 cm×25 cm(長×寬×高)，每盆裝土17.5 kg。γ-PGA先與5.83 kg土充分混合后再加入剩余土不斷攪拌直至均勻。試驗(yàn)在遮雨透光棚內(nèi)進(jìn)行，因此不考慮降雨對其影響。本次試驗(yàn)共設(shè)5個處理，包括1個空白對照組CK和4個處理組(T1、T2、T3和T4)，每個處理設(shè)3個重復(fù)。其中T1、T2、T3和T4的γ-PGA施用濃度分別為0.1%、0.2%、0.3%和0.4%，各處理灌水定額一致，均為4 m3/畝。播種前施史丹利基底肥，施肥量為40 kg/667m2。另在菠菜生育期施用尿素分3次作為追肥施入。

菠菜于2017年10月18日播種，每盆均勻撒播30粒，待出苗1周后定苗，定苗至盆25株。將菠菜整個生育期分為發(fā)芽期(10月18日～11月9日)、幼苗期(11月10日～12月2日)和生長期(12月3日～1月30日)，于1月30日收獲測產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)觀測

試驗(yàn)的氣象數(shù)據(jù)資料從西安理工大學(xué)氣象站獲得，試驗(yàn)主要的觀測內(nèi)容有土壤含水率、土壤溫度以及大氣溫度。土壤含水率采用ECH20土壤水分傳感器測量，測量范圍為0～15 cm，每周測一次以時時監(jiān)測土壤含水率。土壤溫度采用曲管式地溫計測量，每個處理測量大氣、5 cm、10 cm和15 cm深處的地溫。自播種之日起每天在8：00、14：00及20：00定時測量記錄，并在各生育期選取3個連續(xù)的氣象接近的典型日測24小時土壤溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分對土壤溫度日變化的影響

試驗(yàn)中因γ-PGA施用量的不同，各處理土壤水分出現(xiàn)差異，分別于11月7日、11月14日及11月19日測土壤0～15 cm土壤水分含量(圖1)，期間11月9日進(jìn)行了灌水。分析其變化規(guī)律：灌水前T4處理含水率最大，空白對照組含水率最小，二者相差2.68%，各處理平均含水率相差不大；灌水后各處理土壤含水率逐漸減小，至11月19日土壤平均含水率變化幅度為CK>T1>T2>T3>T4，T4處理與對照組土壤平均含水率相差6.39%。

土壤溫度日變化主要受土壤含水率的影響，對作物生長及產(chǎn)量的形成有直接作用。圖2為11月18日各處理5 cm處地溫日變化。從圖中可知，各處理5 cm處土壤溫度從8：00至15：00處于上升狀態(tài)，并在15：00上升至最大值，之后溫度緩慢下降；總體上，5 cm處地溫在不同γ-PGA施用量下按照T3>T2>T4>T1>CK順序依次遞減。施入γ-PGA后的T1、T2、T3和T4比CK組均有增溫效果，其中T3組增溫效果明顯(日最高溫度為10.1℃，比CK組高35%)，T1、T2和T4相較于CK組日最高溫度依次高出16%、29%和18%；另外，T1處理在處理組中5 cm處日最高溫度最低，但隨著γ-PGA施用量的增加T4處理小于T2和T3處理。這是因?yàn)門4處理土壤含水率較多，而更多的土壤含水量使得土壤熱容量變大，土壤熱擴(kuò)散率減小，土壤升溫幅度減小。在冬菠菜幼苗期大氣溫度比較低時，隨著氣溫的升高，土壤熱容量越大土壤溫度越小。圖2中T3處理5cm處土壤溫度整體較高，為冬菠菜幼苗期生長提供了良好的環(huán)境。

圖1 各處理土壤平均含水率

圖2 各處理5 cm處土壤溫度日變化

2.2 各生育期5 cm處溫度日變化

在作物生長的不同生育期內(nèi)，氣溫、光照等氣候因素對土壤溫度影響差異性較大。圖3、圖4和圖5分別為不同生育期各處理5 cm處實(shí)測地溫日變化?？梢钥闯霾煌纳冢? cm處地溫變化規(guī)律一致，均為6：00到14：00呈增長趨勢，隨后緩慢下降。發(fā)芽期5 cm處土壤溫度日變化值最大，為8.49℃，幼苗期和生長期分別為6.40℃和6.50℃。各生育期日變化差異和日最大溫差主要是由于生育期大氣溫度和光照強(qiáng)度引起的。而在三個生育期內(nèi)最大溫差分別出現(xiàn)在T4、T3和T4處理，這與大氣溫度和土壤含水量有關(guān)：T4處理土壤含水率較高、土壤熱容量較大，在發(fā)芽期大氣最高溫度較高，T4處理日最高溫度高于其他處理(T4處理日最高溫度分別比CK、T1、T2和T3高2.12℃、1.64℃、1.33℃和0.92℃)，但最低溫度相差不大(相差最大為0.91℃)，因此T4處理日溫度變化幅度較大；而在幼苗期土壤熱容量較大的T4處理地溫變化較T3處理無顯著差異；由于大氣溫度在生長期變化比較大，因此日溫度變化與發(fā)芽期變化趨勢基本一致。這對生產(chǎn)實(shí)際中種植菠菜施用γ-PGA具有指導(dǎo)意義，γ-PGA施用量控制在0.3%左右可有效防止5 cm處地溫變化幅度過大；在大氣溫度變化較大的生育期應(yīng)該減少灌水定額而增加灌水次數(shù)以降低土壤熱容量。整個生育期施用γ-PGA的處理各時刻5 cm處土壤溫度均大于CK處理，說明施用適當(dāng)量的γ-PGA在菠菜生育期內(nèi)起到了調(diào)節(jié)土壤溫度的作用。

圖3 發(fā)芽期各處理5 cm處溫度日變化

圖4 幼苗期各處理5 cm處溫度日變化

圖5 生長期不同處理5 cm處溫度日變化

處理組5 cm10 cm15 cm最高溫度最低溫度最高溫度最低溫度最高溫度最低溫度CK5.34Bc1.48Dd5.10Bc-1.32Dd4.8Bb-1.8DdT16.40ABabc-0.14BCbc6.38ABab-0.12BCbc5.52ABb-0.94BCcT26.92ABab0.4Bb6.56ABab0.22ABab5.74Aab-0.2ABbT37.34Aa1.24Aa7.3Aa0.64Aa6.8Aa0.42AaT45.96ABbc-0.48Cc6.00ABbc-0.5Cc5.16Bb-1.56CDd

注：同列不同小、大寫字母分別表示達(dá)到顯著(p<0.05)和極顯著(p<0.01)水平

2.3 施用γ-PGA對菠菜生長期土壤溫度垂向的影響

隨著土層深度的變化，土壤溫度變化出現(xiàn)了差異性，其變化幅度逐漸減小。試驗(yàn)表明，隨著γ-PGA施用量的改變，不同深度處的土壤溫度表現(xiàn)出差異性。表2為1月13日各處理垂向最高溫度和最低溫度，可以看出隨著土層垂向加深，各處理最高和最低溫度整體上呈現(xiàn)出變小的趨勢；各處理最高和最低溫度依次是T3>T2>T1>T4>CK，其中T3處理的15 cm以上不同深度土壤最高溫度和最低溫度都顯著大于其他處理。這說明γ-PGA在0.3%時可以顯著提高該生長期15 cm以上的土壤溫度。而T4處理垂向最高溫度和最低溫度均小于T2處理，說明γ-PGA施用量與土壤垂向最高溫度和最低溫度不一定是正相關(guān)。冬菠菜生長期的大氣溫度處于較低水平，這對冬菠菜的生長不利，而施用適量的γ-PGA可以起到增加土壤溫度的效果，對冬菠菜生長的環(huán)境起到了一定的調(diào)節(jié)作用。

3 結(jié)語

(1)施用γ-PGA提高了土壤平均含水率和5 cm處日最高溫度，T1、T2、T3和T4比CK組高16%、29%、35%和18%，在菠菜發(fā)芽期，隨著γ-PGA施用量的增加，5 cm處土壤日最高溫度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；

(2)在冬菠菜整個生育期，5 cm處土壤溫度日變化規(guī)律為6：00到14：00溫度升高，之后緩慢下降，在大氣最高溫度較高和最低溫度較低的發(fā)芽期和生長期，γ-PGA施用量較多的T4處理日溫度變化幅度較大；

(3)隨著土層深度變深，土壤最高溫度和最低溫度呈現(xiàn)出變小的趨勢；γ-PGA施用量增大時，相同土層深度最高溫度和最低溫度先增大后減小，其中添加0.3%γ-PGA處理最高溫度和最低溫度顯著高于其他處理。