γ-聚谷氨酸在農(nóng)田系統(tǒng)應(yīng)用的研究進(jìn)展及展望

史文娟，王培華，林鳳妹，李曼，王瀚

?專(zhuān)家評(píng)述?

γ-聚谷氨酸在農(nóng)田系統(tǒng)應(yīng)用的研究進(jìn)展及展望

史文娟，王培華，林鳳妹，李曼，王瀚

（西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048）

γ-聚谷氨酸（Poly-γ-glutamic acid，簡(jiǎn)稱(chēng)γ-PGA）作為一種新型的“環(huán)境友好型”高分子生物材料，由于自身良好的吸水性及緩釋性，且其降解產(chǎn)物無(wú)毒、可食用，因此已經(jīng)在化妝品、食品、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域得以廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)的研究證實(shí)γ-PGA在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也顯示出其巨大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景。本文以γ-PGA在農(nóng)田系統(tǒng)的應(yīng)用為切入點(diǎn)，重點(diǎn)總結(jié)分析了γ-PGA對(duì)土壤理化生特性的調(diào)控作用以及保水保肥效果，評(píng)述了γ-PGA對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分吸收以及生理特性指標(biāo)方面的影響，淺談了γ-PGA及其降解產(chǎn)物對(duì)土壤及作物的影響。在系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)γ-PGA在農(nóng)田系統(tǒng)應(yīng)用研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出了目前研究面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)其需進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題進(jìn)行了展望，為γ-PGA在農(nóng)田系統(tǒng)的進(jìn)一步研究和推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

γ-PGA；農(nóng)業(yè)應(yīng)用；研究進(jìn)展

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，干旱缺水、水肥利用率低下以及土壤退化是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的三大主要因素。節(jié)水抗旱是我國(guó)西北干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的永恒課題。目前我國(guó)的氮肥消耗量已躍居世界第一，但氮肥的利用率遠(yuǎn)低于國(guó)際水平。同時(shí)氮肥的肥效期短也造成作物生長(zhǎng)期頻繁施氮的現(xiàn)象，從而造成不合理施肥和過(guò)量施肥，引起作物減產(chǎn)，與節(jié)水農(nóng)業(yè)、減負(fù)農(nóng)業(yè)的用肥要求極不相稱(chēng)。采取有效措施提高土壤持水保肥能力，降低農(nóng)業(yè)用水量和施氮量，減少養(yǎng)分流失，延長(zhǎng)肥效期，提高水肥利用率，對(duì)于實(shí)現(xiàn)追求高水、高肥、高產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向控水減肥、優(yōu)質(zhì)高效的現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變具有重要意義[1]。

保水劑是目前公認(rèn)的具有水肥保持和土壤改良等多重功效的化控節(jié)水措施[2]。但目前市面上主流的SAP型保水劑以及PAM型保水劑均具有一定的環(huán)境不友好、不可持續(xù)性的特點(diǎn)，即施用后會(huì)產(chǎn)生一些次生危害，如適當(dāng)施入聚丙烯酸鈉保水劑可緩解土壤鹽漬化，但其降解產(chǎn)物含有很多鈉離子，可能會(huì)加劇土壤的次生鹽堿化[3]；聚丙烯酰胺型保水劑的降解產(chǎn)物對(duì)土壤微生物和環(huán)境有毒害作用[4]；包括近年來(lái)出現(xiàn)的納米碳（NC）、生物炭型保水劑一旦進(jìn)入水環(huán)境中會(huì)影響水生生物的呼吸并對(duì)其產(chǎn)生毒害作用等[5]。因此，尋求環(huán)境友好型外源調(diào)控物質(zhì)對(duì)解決目前旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的瓶頸、保障糧食安全、改善脆弱的生態(tài)環(huán)境有極其重要的作用。

近年來(lái)，一種新型的“環(huán)境友好”的“綠色環(huán)保型”高分子物質(zhì)——γ-聚谷氨酸受到了人們的高度關(guān)注。它是以D-谷氨酸和L-谷氨酸單體通過(guò)α-胺基和γ-羧基經(jīng)酰胺鍵聚合的一種陰離子聚合物[6]。由于其分子主鏈上含有大量的親水性羧基和肽鍵，可發(fā)生螯合、交聯(lián)、衍生、吸附、離子交換等反應(yīng)，因而具有超強(qiáng)的吸水性、良好的吸附性、生物可降解性及生物相容性。與目前市場(chǎng)主流的聚丙烯酸鹽類(lèi)和聚丙烯酰胺類(lèi)吸水樹(shù)脂相比較，γ-PGA具有2個(gè)突出特點(diǎn)：一是自身和降解產(chǎn)物無(wú)毒無(wú)害，可食用；二是成本低，吸水性能好，其吸水倍數(shù)是前二者的3～5倍。因此已經(jīng)在化妝品、食品、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域得以廣泛的應(yīng)用[7-9]，具有巨大的商業(yè)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值，目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已顯示出其巨大的節(jié)水保肥潛力。本文對(duì)γ-PGA在農(nóng)田土壤-植物系統(tǒng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)其研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望，旨在為γ-PGA在農(nóng)田系統(tǒng)進(jìn)一步推廣應(yīng)用以及西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的思路和途徑。

1 γ-PGA對(duì)農(nóng)田土壤特性的調(diào)控作用

土壤-植物系統(tǒng)中，土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是其生命體系的載體。土壤特性決定著其水、肥、氣、熱等水平。研究[10]表明，γ-PGA對(duì)土壤的物理、化學(xué)、生物特性均可起到明顯的調(diào)控作用，從而對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生正面的影響。

1.1 物理特性

1.1.1 γ-PGA對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的影響

土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)之一。研究[11-12]發(fā)現(xiàn)，將γ-PGA混施于土壤后，有利于提高水穩(wěn)性大團(tuán)聚體量，改進(jìn)黏性壤土的蓬松度及孔隙度，增加土壤溫度，對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成有促進(jìn)作用；亦可防止土壤板結(jié)，減少土壤侵蝕[13]。施加γ-PGA后，土壤中水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量、平均重量直徑和幾何平均直徑均顯著增大，土壤顆粒的分形維數(shù)降低，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性提高，破壞率減小[14]。將γ-PGA制成吸水樹(shù)脂后對(duì)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用更為顯著[11]?？梢?jiàn)，γ-PGA對(duì)改善土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)具有顯著的效果，可以有效增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，這對(duì)于團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較弱的砂性土壤來(lái)說(shuō)具有重要的意義。

1.1.2 γ-PGA對(duì)土壤持水保水能力的影響

γ-PGA作為保水劑，可減緩?fù)寥浪窒聺B，降低土壤入滲能力，延長(zhǎng)土壤蒸發(fā)歷時(shí)，提高土壤持水保水性能[11,16-17]。隨著γ-PGA施量的增大，同一土壤吸力下土壤含水率增大；積水入滲條件下，γ-PGA施加深度越淺、施加量越大，累積入滲量、入滲率、濕潤(rùn)鋒運(yùn)移越小[18]；點(diǎn)源入滲下，施加γ-PGA會(huì)阻礙垂直濕潤(rùn)鋒運(yùn)移，使水分聚集在土壤根系吸水層，同時(shí)可提高灌溉水利用效率[19]。此外，施加γ-PGA后可降低土壤無(wú)效水量，顯著提高有效水量[20]，還可以改變土壤剖面水分的分布形態(tài)，使更多的水分蓄積在作物根區(qū)周?chē)耐翆訁^(qū)域[21]，顯著增加根系層附近土壤的蓄水量和土壤含水量[14]。

γ-PGA良好的持水保水能力正是源于其獨(dú)特的吸水特性。研究[22]發(fā)現(xiàn)，γ-PGA能吸收比自身重幾百倍的水分，因此在土壤中吸水后，γ-PGA可緩慢釋放水分，保持土壤水分的持久有效性[23]。模擬滲透脅迫條件下，γ-PGA在較高濃度中仍具有較強(qiáng)的吸水和保水能力[20]，但在反復(fù)吸水和失水的過(guò)程中，γ-PGA的分子鏈?zhǔn)艿揭欢ǔ潭鹊钠茐?，吸水能力也隨之降低，且隨著吸水時(shí)間加長(zhǎng)，降低幅度增大[11,22]。最新研究[24]顯示，制成吸水樹(shù)脂使γ-PGA保水能力更為顯著，只要分子鏈未被破壞其吸水能力仍可恢復(fù)?？梢?jiàn)，γ-PGA可減緩?fù)寥浪诌\(yùn)動(dòng)，有效提高土壤持水保水能力，這對(duì)于改善旱區(qū)砂性土壤區(qū)域的生態(tài)環(huán)境尤為重要，但其有效性也是需要研究和關(guān)注的問(wèn)題。

1.2 化學(xué)特性

1.2.1 γ-PGA對(duì)土壤酸堿特性、土壤中離子調(diào)控作用

γ-PGA可有效平衡土壤的酸堿度，使土壤對(duì)酸、堿具有良好的適應(yīng)能力，可以改善由于施用多年肥料造成的土壤板結(jié)與酸化現(xiàn)象[25]。在Al3+量較高的土壤中，γ-PGA可以結(jié)合土壤中的Al3+，最終形成不溶于水的化合物，緩沖土壤的酸度值，有利于作物的生長(zhǎng)[26]。但當(dāng)土壤或其他介質(zhì)中Ca2+量過(guò)多時(shí)，γ-PGA的促進(jìn)作用受到了一定程度的抑制[27]。同時(shí)，γ-PGA對(duì)土壤中難溶性磷沒(méi)有活化作用，而對(duì)磷礦粉有活化作用，且將γ-PGA與磷礦粉混合后施入土壤，可增加土壤pH值、土壤有效磷量以及交換性Ca2+、交換性Mg2+量[28]。

γ-PGA主鏈上的酰胺鍵帶有負(fù)電荷，側(cè)鏈上的游離羧基在溶液中易形成羧酸負(fù)離子，可與陽(yáng)離子發(fā)生螯合或吸附作用，從而影響土壤和水環(huán)境中Pb2+、Cu2+、Cd2+、Cr3+、Al3+、As4+等重金屬離子的遷移，改善水土環(huán)境質(zhì)量[26, 29]。通過(guò)螯合作用，γ-PGA可去除鹽漬化土壤中大部分的Ca2+、Mg2+，降低土壤鹽分[30]，其去除過(guò)程可用二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行描述[31]。與此同時(shí)，在盆栽試驗(yàn)中施入γ-PGA不僅可降低Ca2+、Mg2+的生物有效性，亦可緩解耐鹽植物幼苗受到的鹽分脅迫[31]。γ-PGA的吸附和凈化效果與其施加量以及介質(zhì)中污染物的性質(zhì)、濃度、pH值、溫度、吸附歷時(shí)等因素有關(guān)[31-32]?？梢?jiàn)，施加γ-PGA后可平衡土壤pH值，同時(shí)對(duì)陽(yáng)離子有很強(qiáng)的吸附作用，從而影響其遷移能力，有效改善土壤質(zhì)量和生存環(huán)境。

1.2.2 γ-PGA對(duì)土壤養(yǎng)分的調(diào)控作用

γ-PGA可增強(qiáng)土壤膠體顆粒對(duì)銨態(tài)氮的吸附能力[18]；γ-PGA施加量越大，同一時(shí)期不同土層深度處硝態(tài)氮、銨態(tài)氮量越大[33]，同時(shí)可明顯減少砂質(zhì)壤土中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的流失，且施加量越大，流失量越小[33]。將γ-PGA作為尿素的包衣材料，可降低尿素的釋放速率，增加作物生長(zhǎng)期土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮量，降低收獲期土壤中硝態(tài)氮量[34]。同樣，在施用肥料時(shí)，加入適量的γ-PGA可以讓這些養(yǎng)分在作用對(duì)象表面上的停留時(shí)間延長(zhǎng)，使其不易被雨水沖刷掉，有效降低土壤中肥料的淋失，減緩水分入滲能力，顯著提高肥料的使用效果，從而使土壤的保水保肥能力大幅提高[18]，還可以減少肥料施用量[35]。進(jìn)一步研究[36-37]表明，在土壤中施加γ-PGA增效尿素可增加土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀量，提高土壤鈣、鎂、鋅等養(yǎng)分元素的有效性，從而提高土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力。此外。γ-PGA攜帶的負(fù)電游離羧基與養(yǎng)分離子的吸附交換能力是自然土壤的100倍左右，能有效阻止化肥中硫酸根、磷酸根、草酸根等離子與鈣、鎂等微量元素的結(jié)合，從而將養(yǎng)分的無(wú)效淋失和揮發(fā)大幅度降低[35]。可見(jiàn)，γ-PGA雖然本身不可以用作肥料，但由于其分子量較大，且含有眾多游離的負(fù)電α-羧基，因此γ-PGA具有和陰離子表面活性劑同樣的特征，從而對(duì)鈣、鎂、鐵、錳、銅、硼等多種營(yíng)養(yǎng)元素有較強(qiáng)的富集和螯合作用，使其聚集在土壤中，不易被分解。

1.3 微生物特性

土壤微生物特性與土壤養(yǎng)分的吸收和利用密切相關(guān)。研究[26]表明，將γ-PGA用作底物施用于土壤可顯著促進(jìn)根區(qū)微生物群落的生長(zhǎng)。在西瓜苗播種前向基質(zhì)中添加γ-PGA可以顯著提高育苗基質(zhì)微生物活性[37]。γ-PGA（包括未提純的發(fā)酵液）或γ-PGA緩釋肥還可增加土壤微生物種群的數(shù)量、多樣性以及均勻度[38]，增強(qiáng)土壤脲酶、蔗糖酶、脫氫酶等酶活性[39]。γ-PGA施加量越大，土壤微生物數(shù)量增加幅度越大，但低氮條件下，低劑量的γ-PGA可降低其微生物的數(shù)量和種類(lèi)[40]。此外，γ-PGA的施加方法對(duì)微生物種群的影響遠(yuǎn)大于γ-PGA施加量的影響程度[12]。由此可見(jiàn)，γ-PGA對(duì)土壤微生物的影響與其施加量、施加方式、施用環(huán)境以及施氮水平等因素有關(guān)。

可以看出，γ-PGA在改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤持水能力、減少養(yǎng)分流失、促進(jìn)根區(qū)微生物群的生長(zhǎng)等方面具有良好的效果，這為γ-PGA對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。

2 γ-PGA對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、養(yǎng)分吸收及生理代謝的調(diào)控

2.1 γ-PGA對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和養(yǎng)分吸收的影響

研究[41]發(fā)現(xiàn)，γ-PGA不僅可以作為保水劑和肥料增效劑作用于土壤，還可以作為一種植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，有效促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，促進(jìn)其養(yǎng)分吸收，增加作物產(chǎn)量，具有良好的抗旱、保苗效應(yīng)。

當(dāng)γ-PGA被包衣在另一種植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑（赤霉素）表面用于浸泡種子時(shí)，可使幼苗的生物活性及種子的出苗率成倍增加[42]。土壤拌施[43]及葉面噴施[44]γ-PGA均可降低葉片氣孔限制值、提高其對(duì)光強(qiáng)的吸收能力，從而促進(jìn)作物對(duì)光能的捕獲及轉(zhuǎn)化，提高其光能利用效率，增加根系吸收面積，提高作物產(chǎn)量[45]。施用不同分子量的γ-PGA均在不同程度上提高了作物種子的發(fā)芽率，增加幼苗的株高、根長(zhǎng)、鮮質(zhì)量等生理指標(biāo)[46]。γ-PGA隨肥液施用后可增加作物幼苗葉片葉綠素量，增強(qiáng)根系活力，顯著提高作物生長(zhǎng)后期的代謝酶活性，增強(qiáng)基質(zhì)水分、養(yǎng)分供應(yīng)能力，增加葉片葉綠素量，伴施或隨肥液施用均可促進(jìn)幼苗莖葉生長(zhǎng)，但后者具有明顯延遲效應(yīng)[47]。而當(dāng)土壤或其他介質(zhì)中Ca2+量過(guò)多時(shí)，γ-PGA的促進(jìn)作用會(huì)受到一定程度的抑制[27]。同時(shí)，不同γ-PGA噴施濃度對(duì)作物幼苗各指標(biāo)的影響不同，高噴施濃度對(duì)作物幼苗莖粗和類(lèi)胡蘿卜素量的促進(jìn)作用最大；中噴施濃度對(duì)葉片、株高、根質(zhì)量以及光合和葉綠素的促進(jìn)作用最大[48]。γ-PGA還可顯著提高棉花纖維長(zhǎng)度和產(chǎn)量，提高其水肥利用效率[15]。將γ-PGA施用于土壤或培養(yǎng)液中，可有效阻止黃瓜、西瓜、水稻等幼苗的凋萎，促進(jìn)其生長(zhǎng)，顯著提高幼苗根系、莖葉干物質(zhì)量、根冠比和根系活力[49]。當(dāng)γ-PGA的噴施量低于某一濃度時(shí)，作物幼苗生物量和葉綠素量隨γ-PGA濃度的增加而增加[45]。γ-PGA作用于茄子、甘藍(lán)、水稻、油菜、白菜、棉花、茶葉等作物后也表現(xiàn)出明顯的促生長(zhǎng)和增產(chǎn)作用[40]。

γ-PGA的促生增產(chǎn)效果源于其施于土壤后可增強(qiáng)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用率[40]。將分離提純后的γ-PGA與尿素復(fù)配成γ-PGA復(fù)合葉面肥噴施在作物葉片表面，可有效提高其對(duì)氮肥的利用率[50]。在土壤中施加γ-PGA增效尿素也可有效促進(jìn)作物對(duì)氮、磷、鉀的吸收[36]。將γ-PGA制成緩釋肥可提高土壤中微生物碳氮量，增加收獲時(shí)作物中碳、氮、磷和鉀量[43]。此外，土壤中γ-PGA施加量的多少也會(huì)影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，中等或較高水平的γ-PGA施加量可顯著增加作物對(duì)養(yǎng)分的表觀利用率，低水平的施加量可能會(huì)降低作物對(duì)養(yǎng)分（氮、磷、鉀等元素）的吸收，從而降低作物產(chǎn)量[40]。γ-PGA在作物苗期可增強(qiáng)土壤對(duì)NH4+的吸附和對(duì)土壤微生物的固定，生長(zhǎng)后期NH4+可再次釋放出來(lái)供作物利用[12]。

由此可見(jiàn)，γ-PGA可以降低土壤養(yǎng)分的流失，在土壤中起到很強(qiáng)的保肥、節(jié)肥和增效效果，也滿(mǎn)足了作物生長(zhǎng)的需求，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育。

2.2 γ-PGA對(duì)作物生理代謝的影響

γ-PGA可以調(diào)控土壤中的有效水分，整合植物營(yíng)養(yǎng)，大大提高由土壤傳播的植物病原所引起癥狀的抵抗能力，從而對(duì)植物的生理特性起到了一定程度的調(diào)控作用。γ-PGA可降低重金屬離子及Ca2+、Ｍg2+等離子的生物有效性，減小作物對(duì)重金屬離子的富集，緩解其鹽分脅迫，增強(qiáng)其抗逆性，改善作物體內(nèi)生理生化代謝過(guò)程，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[51]。且無(wú)論噴施于葉片還是施加于土壤，均能有效提高作物體內(nèi)SOD、CAT、POD及抗氧化酶量，降低葉片MDA含量[27, 52]。γ-PGA還可增加作物幼苗葉片鮮質(zhì)量及葉片活力，減少葉片活性氧積累量，增加可溶性糖、脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)量，以便更好地調(diào)節(jié)細(xì)胞水勢(shì)，減輕滲透脅迫，使作物幼苗在逆境下仍能保持較高的存活率，增強(qiáng)其耐旱性、耐低溫和耐高鹽的能力[41]，還可提高作物葉片可溶性蛋白量，葉片抗氧化能力也顯著加強(qiáng)[53]，且一次施用的效果要好于分次施用。γ-PGA還可提高綠豆、油菜種子的淀粉酶、過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶的活性以及種子活力[46, 49]。

噴施γ-PGA可增強(qiáng)作物葉片保護(hù)酶SOD、POD的活性[45]。外施γ-PGA的植株葉片可緩解由蚜蟲(chóng)脅迫導(dǎo)致的葉綠素降低的趨勢(shì)并增強(qiáng)POD和CAT活性，從而提高了其抗病害能力[53]。有學(xué)者利用基因工程的手段將γ-PGA基因片段導(dǎo)入其他菌株中，發(fā)現(xiàn)發(fā)生基因重組后的菌種生命力會(huì)更強(qiáng)，其抗逆性也會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)[13]。此外，一些學(xué)者認(rèn)為，γ-PGA通過(guò)影響作物的氮素代謝而影響作物的生長(zhǎng)。如γ-PGA可通過(guò)鈣/鈣調(diào)素信號(hào)通道加速植物的氮代謝，從而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)；土壤中Ca2+量不足時(shí)，細(xì)胞器和胞外Ca2+進(jìn)入胞漿的過(guò)程減弱，γ-PGA對(duì)酶活性及作物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用受到明顯抑制[27]。由此可見(jiàn)，γ-PGA可以通過(guò)對(duì)作物自身酶活性或代謝活動(dòng)的影響，增強(qiáng)其抗逆性，同時(shí)由于作物的生理代謝與其生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，進(jìn)而可促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育，產(chǎn)生明顯的促生效應(yīng)。

3 γ-PGA的降解特性

由于γ-PGA主鏈上有大量的肽鍵，易受環(huán)境中某些水解酶的作用，在自然條件下可降解成無(wú)毒的短肽或谷氨酸單體，屬于易降解有機(jī)物，且谷氨酸對(duì)植物來(lái)說(shuō)是一種不可缺少的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其降解在土壤中有利于植物的生長(zhǎng)；在熱、酸、堿性及超聲波條件下也可使γ-PGA降解，并通過(guò)對(duì)γ-PGA降解酶的控制得到特定分子量的γ-PGA[54]。研究[55]表明，由于土壤微生物的作用，γ-PGA在環(huán)境土樣中的降解較水樣中更明顯。但也有其他學(xué)者[46]發(fā)現(xiàn)，γ-PGA降解后是否可以在農(nóng)田中對(duì)作物生長(zhǎng)持續(xù)發(fā)揮作用，有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論與展望

可以看出，γ-PGA在改善土壤特性、提高土壤的持水保肥能力、調(diào)控作物的生理代謝、促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育和養(yǎng)分吸收、提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)等方面有巨大潛力。但目前有關(guān)γ-PGA在農(nóng)業(yè)水土工程領(lǐng)域的研究依然處于探索階段，為了進(jìn)一步發(fā)揮γ-PGA在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的節(jié)水保肥效應(yīng)，促進(jìn)γ-PGA的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，未來(lái)需要進(jìn)一步加強(qiáng)以下方面的研究工作。

1）土壤是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)和其生命系統(tǒng)的載體，土壤的理化生特性直接決定著其肥力水平（水、肥、氣、熱等要素構(gòu)成），并進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育和其生產(chǎn)力水平。揭示γ-PGA對(duì)根際區(qū)土壤理化生特性的調(diào)控機(jī)制是理解和量化其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力功效的基礎(chǔ)。此外，在作物的生長(zhǎng)季節(jié)，土壤在灌溉或降雨條件下均發(fā)生著干-濕-干的動(dòng)態(tài)交替過(guò)程，在此過(guò)程中施入土壤的γ-PGA也在反復(fù)的吸水和釋水，但γ-PGA的吸水能力會(huì)逐漸下降，這就意味著通過(guò)γ-PGA的溶脹性改善土壤結(jié)構(gòu)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的較為復(fù)雜的過(guò)程，繼而導(dǎo)致土壤水肥狀態(tài)和吸收利用也發(fā)生連鎖式效應(yīng)。因此，研究灌溉過(guò)程中（即土壤水分的干濕交替變化過(guò)程中）γ-PGA對(duì)土壤理化生性質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制也是今后面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。

2）土壤、作物是一個(gè)有機(jī)的整體，水、肥是聯(lián)系土壤、作物的紐帶，土壤的水分和養(yǎng)分狀況決定著作物的生長(zhǎng)發(fā)育及其生產(chǎn)力水平。在明確γ-PGA對(duì)土壤理化生特性調(diào)控機(jī)制的基礎(chǔ)上，對(duì)γ-PGA作用下土壤的水氮吸持性能與作物根系生長(zhǎng)發(fā)育及水氮吸收利用的互作機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步的深入探究，系統(tǒng)了解γ-PGA對(duì)促進(jìn)作物生長(zhǎng)及水肥利用的調(diào)控機(jī)制，為γ-PGA在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

3）目前盡管γ-PGA在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的潛力很大，但由于缺乏可操作性的指標(biāo)體系，其應(yīng)用受到很大的限制。由于受外界因素影響較大，有限的試驗(yàn)難以準(zhǔn)確確定γ-PGA的農(nóng)田應(yīng)用指標(biāo)體系，需要在模型預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，明確其節(jié)水保肥促生效應(yīng)，從而確定科學(xué)合理的農(nóng)田應(yīng)用指標(biāo)體系，為γ-PGA在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供科技支撐。

4）γ-PGA作為一種生物可降解的高分子材料，降解后會(huì)形成谷氨酸單體，其作為一種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從植物生長(zhǎng)及環(huán)保的角度考慮也許是有利的，但從農(nóng)田應(yīng)用方面來(lái)說(shuō)，γ-PGA的成本較高，且其降解后的谷氨酸單體在農(nóng)田中以及對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)揮的效能還需進(jìn)一步研究。

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The Application of Poly-γ Glutamic Acid in Agriculture: A Review

SHI Wenjuan, WANG Peihua, LIN Fengmei, LI Man, WANG Han

(State Key Laboratory of Eco-hyraulics in Northwest Arid Region of China, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Poly-γ-glutamic acid (γ-PGA) is an environment-friendly polymeric biomaterial with good water absorption and slow-release. Its metabolites are non-toxic and edible, and it has hence been widely used in a wide range of fields including cosmetics, food and medicine. Its application in agriculture is mainly as a soil conditioner to improve the ability of soil to retain water, as well as a fertilizer synergistic agent. Studies in recent years have concluded that γ-PGA has a potential application in many areas in agricultural production. In this paper, we reviewed its application as a soil conditioner to improve water bioavailability. We reviewed previous studies on the effects of γ-PGA on physicochemical and biological properties of soil, fertilizer leaching and adsorption, the ultimate crop growth and development, as well as nutrient absorption and physiological traits of different crops. We also outline the existing research challenges and the prospects of γ-PGA in its application in agricultural production.

γ-PGA; agricultural application; soil conditioner; review

1672 -3317（2022）05 - 0001 - 07

S156

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021612

史文娟, 王培華, 林鳳妹, 等. γ-聚谷氨酸在農(nóng)田系統(tǒng)應(yīng)用的研究進(jìn)展及展望[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(5): 1-7．

SHI Wenjuan, WANG Peihua, LIN Fengmei, et al. The Application of Poly-γ Glutamic Acid in Agriculture: A Review[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(5): 1-7.

2021-12-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42077011）

史文娟（1972-），女，陜西武功人。教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源高效利用方面研究。E-mail: shiwj@xaut.edu.cn

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