本文是一篇农业论文，本论文通过不同土壤质地和土壤改良剂施加量的因素耦合条件，分析γ-PGA 施加量与土壤团粒结构、孔隙度以及土壤水分入渗速率和水力学参数之间的定量关系，揭示 γ-PGA 的作用机理，深化对土壤改良剂作用的认识。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
随着农业高质量发展的深入推进，农业经济在发展过程中注重生态文明协调发展已成为重要趋势[1]。水和土壤是陆地生态系统重要的生态因子[2]，基于土壤-植物-大气连续体（SPAC）的土壤水分研究应适成为土壤科学的一个热门话题，土壤水分入渗规律指导农业生产，研究土壤水分运动对农业发展有重要意义[3]。
水分渗入土壤是通过降水和地表水转化为土壤水进行的，这是水文循环的一部分。是土壤水分运动研究的基础[4-5]，土壤水分入渗也是土壤结构和理化性质的综合表现[6]，对减少地表径流、防止水土流失，保护土壤环境等意义重大。进一步研究土壤中的水分运动，需明确不同尺度的土壤水力学特征参数的空间变异性[7]，一般定量解析土壤水分运动过程常采用的是Darcy-Richards方程[8]，运用数值法和解析法求解方法，取得的最终结果会受土壤水力学参数的影响。近来的研究表明，不同土质土壤的土壤水分运动及水力学特性参数变化不同，影响土壤水分入渗及水力学参数的因素包括土壤本身的条件，诸如土壤质地及颗粒组成、有机质及团聚体含量[9]的影响。而土壤水力学特性参数可以反映出土壤的孔隙度、导水率能力、持水供水能力等，还受到土壤结构等因素的共同影响[10]，以及施加土壤改良剂等外在因素。
γ-聚谷氨酸是微生物发酵的产物，主要是某些微生物荚膜的主要组份[11]，具有绿色、安全、水溶性[12]，是多阴离子聚合物。目前研究发现定水头入渗、粉砂质土条件下，随着γ-PGA施加量的增加土壤中反映水分入渗速率减弱，入渗量降低，表明γ-PGA具有阻渗作用，显著提高土壤的滞水能力。并且随着γ-PGA施加量的增加，短时间内降低土壤饱和含水率，与未施加对照，湿润体形态发生改变，逐渐减小，此时土壤的含水率表现为表层增加，深层降低趋势。说明一方面γ-PGA持水性增高，另一方面还影响了土壤垂直方向的水分分布状态，蓄积更多水分在浅层土壤区域 [13,14]。在室内实验中浑水膜孔灌单点源自由入渗下，研究结果表明，添加γ-PGA对水平湿润锋的运移有推进作用[15]。发现粉壤土与砂壤土的物理性质不同，粉壤土比砂壤土的变化更大。饱和含水量与γ-PGA含量之间的关系拟合为幂函数，且呈正相关，饱和扩散率呈负相关，土壤水常数随着γ-PGA含量的增加而按比例增加，但凋零系数除外。此外，土壤中薄层水和毛细管水的比例增加，重力水的比例明显下降[16]。目前研究集中于添加γ-PGA条件下土壤水分入渗特性以及水力学特性参数特性的变化方面，较少研究涉及对土壤水分入渗的特点和其参数的变化机制。
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1.2 国内外研究进展
1.2.1 土壤改良剂的类型及改良原理
改良剂应用于土壤中的种类十分丰富，常见的土壤改良剂分类：天然改良剂中有沸石、作物秸秆、石灰石、城市污水污泥、腐殖酸、蚯蚓粪等；天然提取高分子化合物改良剂中主要包括甲壳素类化合物；人工合成改良剂（模拟天然的高分子有机聚合物）中有聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、脲醛树脂、PAM[17]等；生物改良剂中有微生物接种菌、吲哚乙酸、赤霉素等活性微生物[18]。
天然改良剂通过改善土壤结构，如增加土壤孔隙，改善容重达到改良效果，提高土壤的保水性能[19]。如孟磊等人[20]以天然沸石为主要材料，对盐碱地进行改良，通过优化土壤结构，增加土壤中养分含量、微生物数量，实现土壤脱盐、作物增产；通过调节pH值、活化土壤中养分达到改良效果，刘芷君[21]等采用室内试验，研究了在酸化的茶园土壤中加入生物炭和玛塔可以改善土壤。培养期过后，酸化土壤的pH值随着添加剂量的增加而增加。添加剂混合物显著降低了土壤酸度和可交换铝值，并显著增加了土壤的有机物含量。天然提取高分子化合物改良剂与模拟天然的人工合成改良剂通过改善土壤物理性质，如提高保持水分能力、颗粒和孔隙度稳定性，可改良板结，对肥料也产生一点的影响，减少肥料流失。如李亚飞等[22]选取4种改良剂，包括甲壳素类化合物-纳米几丁质、壳寡糖，人工合成改良剂-PAM、聚乙烯醇，研究植物（烟株）的生长发育与土壤性质的变化，发现壳寡糖和 PAM 会使土壤速效钾分别提高 21.81% 和 19.38%（P＜0.05）。四种改良剂改良后烟叶含有的总糖和还原糖量升高，土壤容重和含水率发生显著变化（P＜0.05）。生物改良剂对土壤养分、微生物和酶有很好的活化作用，对病原微生物有抑制作用[23]。如对陕北西北部耕地风沙土的改良效果显著，通过施用微生物土壤改良剂改良耕地的生态结构，提高作物养分利用率，保水保肥性[24]。
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2 材料与方法
2.1供试材料
试验用的土壤取于0-20厘米厚的土层，粉壤土取自延安安塞试验站、砂壤土取自西安市未央区、砂土来自陕西榆林神木试验站。土壤样品自然风干，过2 mm 筛子后备用。土壤质地分类标准采用国际制，试验所用的三种土样的基本理化性质如表2-1所示：
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本实验使用的农用γ-PGA是山东福瑞达科技有限公司生产的、浅黄色粉末状、γ-PGA的含量为34.1%。本品按企业标准检验，结果如表2-2所示：
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2.2 水分运动试验
2.2.1 一维土柱入渗试验
土柱填装工作分为γ-PGA混施、与γ-PGA表施。
γ-PGA混施：依据表2-1土样的初始容重计算填装一个土柱所需的土壤质量，再称量配比0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的γ-PGA质量，称量过程中需佩戴手套，尽量缩短γ-PGA样品与空气接触时长，将土样与γ-PGA混合均匀，在土柱底部放一张滤纸（防止土壤颗粒孔口外流），分层（每5cm一层）分次填装，过程中层间刮毛，装完后，土壤表面再放置一张滤纸（防止水流冲刷，并保证均匀供水）。
γ-PGA表施：准备工作同混施，将不掺杂γ-PGA的土样装入土柱，填装过程同混施，再将称量好的γ-PGA翻拌于土层表面1cm内。
实验需记录时间t（工具：秒表）、湿润锋（工具：度量尺）、马氏瓶水位，时间节点选择（壤土t=0，0.5，1，1.5，2，3，4，5，10，15，20，30，40……；砂土t=0，0.50，1，1.5，2，2.5，3，4，5，7，9，14，19，24，29，39……）
入渗至整个装填高度的3/4（32cm）处立即关闭水阀，并迅速排干土柱表层积水，分层取样并测量土壤中的各项指标（取土深度为0，2，4，8，12，16，20，24，28，32，36cm）。实验装置如图2-1：透明有机玻璃土柱尺寸：壁宽0.5cm、内径8cm、高50cm；透明有机玻璃（供水）马氏瓶尺寸：壁宽0.5cm、内径5cm、高50cm；两部分通过软胶管连接，配备止水阀。
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3 γ-PGA对土壤水分运移的影响 .................................. 21
3.1 γ-PGA施加量和施加方式对不同质地土壤水分入渗特征影响 . 21
3.1.1 累积入渗量和入渗速率 ........................... 21
3.1.2 土壤湿润锋运移 ............................. 24
4 γ-PGA施加量对不同质地土壤水力学特性参数的影响 ................... 37
4.1 γ-PGA施加量对三种土质饱和导水率的影响 ...................... 37
4.2 γ-PGA施加量对土壤水分特征曲线的影响 ................................. 37
5 γ-PGA对土壤孔隙结构和团粒结构的影响 ....................................... 45
5.1 γ-PGA施加量对孔隙结构的影响 ........................ 45
5.1.1 土壤容重 ......................... 45
5.1.2 土壤孔隙度 .......................... 45
6 γ-PGA 对土壤水分运动的调控机理分析
6.1 γ-PGA对土壤结构的调控机理分析
6.1.1 γ-PGA对孔隙结构以及团粒结构的调控
经试验处理后，γ-PGA（混施）施加量与孔隙特性的定量关系如图6-1，拟合关系式如表6-1，随着高施加量段γ-PGA施加量的增加，土壤孔隙度增加，容重也随着改变，高施量时容重随着添加量的增加而降低。此外，γ-PGA引起的凝聚态小团聚体具有较强的凝水能力，土壤容重降低，有效地增加了土壤孔隙度，改善了土壤结构。对于壤土来说，施加较高量γ-PGA会增加土壤孔隙度，增强保水能力。对于砂土来说，少量的γ-PGA的施用可以降低土壤孔隙率，提高保水能力。这可能是由于聚谷氨酸分子中有1000多个超亲水（-COOH）基团，可以充分保留土壤中的水分，改善粘性土壤的体积和孔隙度，提高砂质土壤的肥力和保水能力。
农业论文参考
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7 主要结论与展望
7.1 主要结论
本论文主要通过室内土柱试验，针对土壤改良剂γ-PGA 自身的特征，即γ-PGA 的吸水保水性，以及γ-PGA 加入土壤后，对土壤孔隙度、团粒结构等特性的影响，研究γ-PGA 对土壤水分入渗和水力学特性参数影响的机理，通过不同土壤质地和土壤改良剂施加量的因素耦合条件，分析γ-PGA 施加量与土壤团粒结构、孔隙度以及土壤水分入渗速率和水力学参数之间的定量关系，揭示 γ-PGA 的作用机理，深化对土壤改良剂作用的认识。主要结论如下：
（1）通过室内试验，结合经典模型分析γ-PGA对土壤水分入渗与蒸发的影响。在一维垂直定水头入渗实验中发现，施加γ-PGA可抑制土壤的累积入渗量和湿润锋的迁移，并提高了基质中的含水量。在进行混合施用时，在施加量从0增加到0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的时候，在相同时间内，在粉壤土中，累积入渗量的减率3.11%~32.31%，湿润锋减率为-1.50%~24.62%，在同一垂直剖面上，各基质的水分含量增幅分别为10.12%、-0.53%、14.78%和13.52%；在砂壤土中，累积入渗量减率为21.81%~53.91%。湿润锋减率为20.93%~43.02%。在同一垂直剖面上，各基质的水分含量增幅分别为-7.93%、17.50%、2.38%、9.83%；在砂土中，累积入渗量减率为28.62%、~48.59%。湿润锋减率为35.66%~66.20%。在同一垂直剖面上，各基质的水分含量增幅分别9.68%、11.84%、6.67%、10.09%。此外，表施方式下施入γ-PGA后，其入渗特性也发生了类似的改变，但相对于混合施用，土壤累积入渗量、湿润锋随时间增加更加缓慢。不同模型对γ-PGA 处理下基质水分入渗过程的模拟精度有所差异。混施条件下，Philip模型精度高于Kostiakov模型（R2达0.99）；表施条件下， Kostiakov模型精度高于Philip模型（R2达0.99）。通过蒸发试验，以累积蒸发量、蒸发速率为研究对象，对不同处理中的蒸发效果进行了分析，三种土壤的对照组蒸发速率最高，这表明在不同的土壤中，施加γ-PGA可以降低土壤的蒸发。各施加处理较对照组，粉壤土的平均蒸发速率降低变化幅度为3.62%~13.16%。；砂壤土的降低变化幅度为2.70%~8.56%；砂土降低变化幅度为5.78%~22.48%。表明偏砂质土壤施加γ-PGA后抑制蒸发的能力高于壤土。经回归分析表明，幂函数方程的拟合因子R2都大于0.98，可以较好地反映出施加γ-PGA的土壤蒸发水分变化规律。
参考文献（略）