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。土壤 容重會影響水分入滲、溶質運移、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、溶質運移特性和土壤抗侵蝕能力有較大影響。此外，溶質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，對環境較友好，在農業、食品、護膚品和醫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環境里，通過超聲波照射進行物理降解或酶促降解而發生化學降解[8]。γ-PGA在蒸餾水中的吸水倍數為200 g/g，比聚丙烯酰胺（PAM）的吸水倍數大1.7倍[9]，并在鹽水中吸水32 min以及在蒸餾水中吸水90 min后達到穩定狀態[10]。γ-PGA可以結合土壤顆粒，促進土壤團聚體結構的形成，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]。在實際農業生產中，施入的γ-PGA由于反復吸放水將導致土壤理化性質、微生物群落分布及作物生長不穩定，因此研究施用γ-PGA的土壤水力參數變化規律尤為重要。

本文將土柱入滲試驗與數值模擬（Philip模型和HYDRUS-1D模型）相結合，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（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，根據美國農業部制定的土壤質地分類標準，黏粒、粉粒和砂粒體積分數分別為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為經驗參數，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、內徑18 cm）內，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 數據分析

利 用MS Excel、Origin 8.0、MATLAB和IBM SPSS 25.0統計軟件對試驗數據進行處理。利用LSD方法進行多重比較。目標函數定義為殘差平方和（SSE）。使用p=0.05時的相關系數（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

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，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入滲模型參數擬合結果，詳見表4。

表4 Philip入滲模型參數擬合結果

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 結果與討論

2.1 研究結果

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點[16]。目前，γ-PGA對土壤環境的影響主要表現在對土壤土質的改良、土壤水體污染的治理、增強化肥和農藥的效果、土壤污染的修復等方面。本文通過室內試驗和數值模擬相結合的方法，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合形成團粒結構，增強土壤孔隙通透性并有效防止土壤侵蝕。另外，構建了模型，并對施加γ-PGA的砂壤土水分運動過程進行預測，為γ-PGA在農業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，從而改善了土壤結構，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，因此可以根據實際情況適量降低γ-PGA的施用量從而保證較好的農業經濟效益。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。

根據前人的研究成果[16，19]發現，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），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 結論

通過室內施加γ-PGA條件的一維垂直入滲試驗，得出主要結論如下。

（1）施加γ-PGA對土壤水分特征參數和入滲特性的影響。土壤中施加γ-PGA后，土壤水分特征參數飽和含水率隨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施用量的增加而減小；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改變了土壤孔隙結構和分布，增強了土壤黏結力，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）。