高吸水性聚合物γ-聚谷氨酸對砂壤土水分運移的影響

陳 琳，涂 坤，姜慶飛，黃開生

（1.青島引黃濟青水務集團有限公司，山東 青島 266000；2.中國礦業(yè)大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京 100831；3.江西明澤水利建設有限公司，江西 上饒 334000；4.寧波市鄞州區(qū)水利水電勘測設計院，浙江 寧波 315100）

土壤容重和入滲率均屬于土壤物理性質(zhì)。土壤 容重會影響水分入滲、溶質(zhì)運移、作物根系分布深度、土壤孔隙有效水容量、土壤孔隙度、作物養(yǎng)分利用效率及土壤微生物活性[1]。土壤團聚對土壤通氣性、水分入滲能力、溶質(zhì)運移特性和土壤抗侵蝕能力有較大影響。此外，溶質(zhì)在土壤中運移的機理主要有對流、分子擴散和水動力彌散，其對土壤質(zhì)地和土壤孔隙水流速有影響[2]。

γ-聚谷氨酸（γ-PGA）是由各種芽孢桿菌產(chǎn)生的一種陰離子聚酰胺[3]，通過γ-酰胺鍵連接的D-谷氨酸和L-谷氨酸單元組成[4]。由于γ-PGA分子側(cè)鏈具有大量游離羧基，因此具有高吸濕性[5]。γ-PGA具有可生物降解、無毒性[6]、保水性及吸收性，對環(huán)境較友好，在農(nóng)業(yè)、食品、護膚品和醫(yī)藥領域的潛在應用引起了廣泛關注[7]。γ-PGA可以在高溫、長期極低或極高的pH環(huán)境里，通過超聲波照射進行物理降解或酶促降解而發(fā)生化學降解[8]。γ-PGA在蒸餾水中的吸水倍數(shù)為200 g/g，比聚丙烯酰胺（PAM）的吸水倍數(shù)大1.7倍[9]，并在鹽水中吸水32 min以及在蒸餾水中吸水90 min后達到穩(wěn)定狀態(tài)[10]。γ-PGA可以結(jié)合土壤顆粒，促進土壤團聚體結(jié)構(gòu)的形成，從而提高土壤透氣性，防止土壤侵蝕[11]，長期使用可以有效平衡土壤的pH值，避免土壤酸化[12]。在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施入的γ-PGA由于反復吸放水將導致土壤理化性質(zhì)、微生物群落分布及作物生長不穩(wěn)定，因此研究施用γ-PGA的土壤水力參數(shù)變化規(guī)律尤為重要。

本文將土柱入滲試驗與數(shù)值模擬（Philip模型和HYDRUS-1D模型）相結(jié)合，研究了不同γ-PGA施用量吸水后所制成的水凝膠對土壤性質(zhì)（容重）和水分入滲特性的影響，并明確了合理施用γ-PGA的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為砂壤土，利用英國Mastersize-2000激光粒度分析儀測定其顆粒組成，根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部制定的土壤質(zhì)地分類標準，黏粒、粉粒和砂粒體積分數(shù)分別為1.5%、29.0%和69.5%。γ-PGA由福瑞達生物科技有限公司提供。γ-PGA為白色粉末，分子量為700 kD，在土壤中可2 a自動降解，其粒徑為74μm，吸水率為127.73 g/g。

1.2 試驗方法

1.2.1 土壤水分特征曲線

首先利用高速離心機（H-1400PF，Kokuan，Japan）測定施用γ-PGA土壤的水分特征曲線，然后將測定的水分特征曲線利用V-G模型（Mualem 1976和van Genuchten 1980）進行擬合。其計算公式為：

式中：h為壓力水頭（cm）；θ為體積含水率；θr和θs分別為殘余含水率和飽和含水率；α、m、n和l為經(jīng)驗參數(shù)，其中m=1-1/n，l取值為0.5；Ks為飽和導水率（cm/min）。

1.2.2 水分入滲試驗

（1）試驗1。為對照試驗，設置4個處理，每個處理重復3次。4個處理分別為不同的γ-PGA施用量[0%（CK，對照）、0.1%、0.2%和0.3%]與供試土樣均勻混合后，將其裝入有機玻璃土柱（高100 cm、內(nèi)徑18 cm）內(nèi)，土層高度為90 cm，土壤容重分別設為1.3、1.35和1.4 g/cm3。馬氏瓶（內(nèi)徑5 cm、高50 cm）為供水裝置，試驗裝置如圖1所示。壓力水頭為2.5 cm。為防止入滲過程中土壤顆粒流失堵塞出流孔口，在有機玻璃土柱底部填放濾紙。此外在填裝完后的土壤表面放置1層濾紙，防止蒸餾水在加入時沖擊、破壞土壤表面，并保證馬氏瓶水均勻釋放。土壤含水量用探頭METER（美國和德國制造）測定，探頭分別位于土壤表面以下10、20、30、40、50和60 cm。入滲過程240 min。累積入滲量、濕潤鋒運移距離和土壤含水量為試驗觀測指標。試驗設計，詳見表1。

圖1 室內(nèi)試驗裝置

表1 對照試驗設計

（2）試驗2。為正交試驗，包括三因素（土壤容重、γ-PGA施用量和γ-PGA施用深度）三水平，試驗設計詳見表2，試驗裝置和試驗步驟同試驗1。

表2 正交試驗設計

1.3 土壤水分入滲模型

利用Philip入滲模型[13]來描述累積入滲量與入滲時間之間的關系，即：

式中：I為累積入滲量（cm）；S為吸滲率（cm/min0.5）；A為穩(wěn)定入滲率（cm/min）；t為入滲時間（min）。

利用HYDRUS-1D模型來模擬多因素影響下的一維土柱水分入滲過程。HYDRUS-1D模型基于均質(zhì)和各向同性土壤下的一維Richards方程，可描述為：

式中：t為入滲時間（min）；z為垂直坐標且向上為正（cm）；K（h）為非飽和水力傳導率（cm/min）。

模型設定初始條件為：

模型邊界條件為：

1.4 數(shù)據(jù)分析

利 用MS Excel、Origin 8.0、MATLAB和IBM SPSS 25.0統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理。利用LSD方法進行多重比較。目標函數(shù)定義為殘差平方和（SSE）。使用p=0.05時的相關系數(shù)（R2）和均方根誤差（R M SE）評估模擬值與實測值之間的對應關系。

表3 不同γ-PGA施用量土壤的水力特征參數(shù)

從表3可以看出，土壤殘余含水率和飽和含水率均隨γ-PGA施用量的增加而增大，隨土壤容重的增加而減小。土壤殘余含水率隨γ-PGA施用量增加的幅度不大，各處理變幅為0.031～0.033，其差異不明顯。當土壤容重為1.30 g/cm3時，0.10%、0.20%和0.30%γ-PGA施用量較空白對照（0.00%）飽和含水率分別上升3.15%、6.78%和7.33%；當土壤容重為1.35 g/cm3時，0.10%、0.20%和0.30%γ-PGA施用量較空白對照（0.00%）飽和含水率分別上升3.29%、6.89%和7.30%；當土壤容重為1.40 g/cm3時，0.10%、0.20%和0.30%γ-PGA施用量較空白對照（0.00%）飽和含水率分別上升4.15%、8.17%和10.77%，說明施加γ-PGA導致土壤持水性能增強。α為模型土壤進氣吸力倒數(shù)，其極差為0.0046，且隨土壤容重增加而降低，說明土壤容重增加導致進氣吸力增大，土壤抗失水能力增強；而相同土壤容重的土壤進氣吸力隨γ-PGA施用量的增加而減小，說明施加γ-PGA使土壤容易失水，并隨γ-PGA施用量的增加土壤越容易失水。n值表示土壤水分特征曲線的失水速率[15]，土壤失水速率隨土壤容重增加而增大，隨γ-PGA施用量的增加而降低，其極差為0.13。

Philip入滲模型參數(shù)擬合結(jié)果，詳見表4。

表4 Philip入滲模型參數(shù)擬合結(jié)果

從表4可以看出，Philip入滲模型可以很好地描述施加γ-PGA土壤的入滲特性。隨著γ-PGA施用量和土壤容重的增加，穩(wěn)定入滲率和吸滲率呈下降趨勢。吸滲率降低表明施加γ-PGA導致土壤的導水能力下降，使土壤具有暫時儲存更多水分的能力。通過分析Philip模型的入滲參數(shù)與γ-PGA施用量的定量關系，可以很好地探究施加γ-PGA對土壤入滲能力的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究結(jié)果

2.1.1 施加γ-PGA對土壤入滲特性的影響

累積入滲量隨入滲時間的變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 施加γ-PGA的土壤累積入滲量變化

由圖2可以看出，在入滲初期（15～30 min），各處理之間的差異較小，這主要是由于風干土壤基質(zhì)勢的絕對值較高和土壤水固相分子間的作用力較大。隨著入滲時間的增加，土壤基質(zhì)勢的絕對值梯度迅速下降，因此入滲率急劇下降，各處理之間的差異逐漸變得明顯。入滲時間為90 min的累積入滲量可作為揭示土壤初始入滲能力的指標[10]。相同土壤容重下，γ-PGA施用量增加，累積入滲量減小。0.3%的γ-PGA施用量下，入滲時間為90 min時的累積入滲量T3、T6和T9處理與不施用γ-PGA的CK處理相比，分別下降了25.9%、23.5%和20.8%，入滲結(jié)束時刻的累積入滲量分別下降了33.6%、30.6%和27.7%。綜上所述，土壤容重和γ-PGA施用量越大累積入滲量越小，1.4 g/cm3土壤容重0.3%γ-PGA施用量處理的累積入滲量最低，減滲作用最明顯。

2.1.2 多因素條件下施加γ-PGA對土壤入滲特性的影響

多因素（土壤容重、γ-PGA施用量、γ-PGA施用深度）條件下施加γ-PGA的土壤累積入滲量的模擬值，如圖3所示。

圖3 多因素條件下施加γ-PGA的土壤累積入滲量變化

從圖3可以看出，D3處理的累積入滲量最大，D7處理的累積入滲量最小，說明γ-PGA作為一種高吸收性聚合物，其淺施處理較深施處理阻礙土壤水分向下運動作用顯著，同時阻礙土壤水分向下運動作用隨著γ-PGA施用量的增加而增加。D2處理較D3處理、D5處理較D6處理以及D8處理較D9處理的累積入滲量差異不顯著，說明在土壤容重和γ-PGA層施方式相同情況時，γ-PGA施用量對土壤累積入滲量影響不顯著。

為分析各因素對土壤累積入滲量的影響，在因素和水平之間進行最小顯著性差異法分析（多因素方差分析），分析結(jié)果詳見表5。

表5 各因素對不同水平的土壤累積入滲量的影響

從表5可以看出，土壤容重和γ-PGA施用深度對土壤累積入滲量具有極顯著影響（p＜0.01），γ-PGA施用量對土壤累積入滲量具有顯著影響（p＜0.05）。綜上所述，土壤容重和γ-PGA施用方式是合理施用γ-PGA的2個重要考慮因素。

2.2 討論

γ-PGA是一種由微生物合成的陰離子自然聚合物，具有良好的水溶性、超強的吸附性、無毒性、可徹底被微生物降解等優(yōu)點[16]。目前，γ-PGA對土壤環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在對土壤土質(zhì)的改良、土壤水體污染的治理、增強化肥和農(nóng)藥的效果、土壤污染的修復等方面。本文通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，主要在γ-PGA可以增強砂壤土的保水抗旱能力等方面進行了研究。研究表明，γ-PGA可以很好地與砂壤土結(jié)合形成團粒結(jié)構(gòu)，增強土壤孔隙通透性并有效防止土壤侵蝕。另外，構(gòu)建了模型，并對施加γ-PGA的砂壤土水分運動過程進行預測，為γ-PGA在農(nóng)業(yè)方面的推廣奠定了基礎。

施加γ-PGA會改變砂壤土的水分特征參數(shù)，從而改善了土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤的持水能力，增強了對水分的減滲作用，抑制了土壤水分入滲[17]，增加了土壤毛管水的占比，降低了重力水的占比，從而減少了土壤水分的深層滲漏[18]；由于土壤容重和施用γ-PGA方式（施用深度）是合理利用推廣γ-PGA使用的2個重要考慮因素，因此可以根據(jù)實際情況適量降低γ-PGA的施用量從而保證較好的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。另外，利用HYDRUS-1D模型對施加γ-PGA情況的一維垂直入滲過程進行了模擬和預測，其效果較好。

根據(jù)前人的研究成果[16，19]發(fā)現(xiàn)，γ-PGA抑制土壤水分下滲的同時降低了鹽分的淋洗作用，可以使尿素等易溶于水的肥料保持在上部土層（作物根區(qū)），從而降低了肥料流失。由于對γ-PGA的保肥特性研究需有作物參與才有意義，因此本研究對γ-PGA的保肥特性不作具體研究。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)施加γ-PGA條件的一維垂直入滲試驗，得出主要結(jié)論如下。

（1）施加γ-PGA對土壤水分特征參數(shù)和入滲特性的影響。土壤中施加γ-PGA后，土壤水分特征參數(shù)飽和含水率隨γ-PGA施用量的增加而遞增，殘余含水率變化不顯著，進氣吸力值有明顯降低，n值隨γ-PGA施用量的增加而降低，累積入滲量隨γ-PGA施用量的增加而減小，入滲率隨γ-PGA施用量的增加而減??；Philip入滲模型的吸滲率和入滲率均隨土壤容重和γ-PGA施用量的增加而降低，說明施加γ-PGA改變了土壤孔隙結(jié)構(gòu)和分布，增強了土壤黏結(jié)力，使土壤失水能力速率減慢以及入滲能力降低。

（2）多因素條件下施加γ-PGA一維垂直水分入滲特性。試驗研究表明，土壤容重、γ-PGA施用量和施用深度對一維垂直入滲特性均有影響，即土壤容重和γ-PGA施用深度對土壤累積入滲量具有極顯著影響（p＜0.01），γ-PGA施用量對土壤累積入滲量具有顯著影響（p＜0.05）。