高吸水性聚合物γ-聚谷氨酸对砂壤土水分运移的影响

陈 琳，涂 坤，姜庆飞，黄开生

（1.青岛引黄济青水务集团有限公司，山东 青岛 266000；2.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100831；3.江西明泽水利建设有限公司，江西 上饶 334000；4.宁波市鄞州区水利水电勘测设计院，浙江 宁波 315100）

土壤容重和入渗率均属于土壤物理性质。土壤 容重会影响水分入渗、溶质运移、作物根系分布深度、土壤孔隙有效水容量、土壤孔隙度、作物养分利用效率及土壤微生物活性[1]。土壤团聚对土壤通气性、水分入渗能力、溶质运移特性和土壤抗侵蚀能力有较大影响。此外，溶质在土壤中运移的机理主要有对流、分子扩散和水动力弥散，其对土壤质地和土壤孔隙水流速有影响[2]。

γ-聚谷氨酸（γ-PGA）是由各种芽孢杆菌产生的一种阴离子聚酰胺[3]，通过γ-酰胺键连接的D-谷氨酸和L-谷氨酸单元组成[4]。由于γ-PGA分子侧链具有大量游离羧基，因此具有高吸湿性[5]。γ-PGA具有可生物降解、无毒性[6]、保水性及吸收性，对环境较友好，在农业、食品、护肤品和医药领域的潜在应用引起了广泛关注[7]。γ-PGA可以在高温、长期极低或极高的pH环境里，通过超声波照射进行物理降解或酶促降解而发生化学降解[8]。γ-PGA在蒸馏水中的吸水倍数为200 g/g，比聚丙烯酰胺（PAM）的吸水倍数大1.7倍[9]，并在盐水中吸水32 min以及在蒸馏水中吸水90 min后达到稳定状态[10]。γ-PGA可以结合土壤颗粒，促进土壤团聚体结构的形成，从而提高土壤透气性，防止土壤侵蚀[11]，长期使用可以有效平衡土壤的pH值，避免土壤酸化[12]。在实际农业生产中，施入的γ-PGA由于反复吸放水将导致土壤理化性质、微生物群落分布及作物生长不稳定，因此研究施用γ-PGA的土壤水力参数变化规律尤为重要。

本文将土柱入渗试验与数值模拟（Philip模型和HYDRUS-1D模型）相结合，研究了不同γ-PGA施用量吸水后所制成的水凝胶对土壤性质（容重）和水分入渗特性的影响，并明确了合理施用γ-PGA的方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为砂壤土，利用英国Mastersize-2000激光粒度分析仪测定其颗粒组成，根据美国农业部制定的土壤质地分类标准，黏粒、粉粒和砂粒体积分数分别为1.5%、29.0%和69.5%。γ-PGA由福瑞达生物科技有限公司提供。γ-PGA为白色粉末，分子量为700 kD，在土壤中可2 a自动降解，其粒径为74μm，吸水率为127.73 g/g。

1.2 试验方法

1.2.1 土壤水分特征曲线

首先利用高速离心机（H-1400PF，Kokuan，Japan）测定施用γ-PGA土壤的水分特征曲线，然后将测定的水分特征曲线利用V-G模型（Mualem 1976和van Genuchten 1980）进行拟合。其计算公式为：

式中：h为压力水头（cm）；θ为体积含水率；θr和θs分别为残余含水率和饱和含水率；α、m、n和l为经验参数，其中m=1-1/n，l取值为0.5；Ks为饱和导水率（cm/min）。

1.2.2 水分入渗试验

（1）试验1。为对照试验，设置4个处理，每个处理重复3次。4个处理分别为不同的γ-PGA施用量[0%（CK，对照）、0.1%、0.2%和0.3%]与供试土样均匀混合后，将其装入有机玻璃土柱（高100 cm、内径18 cm）内，土层高度为90 cm，土壤容重分别设为1.3、1.35和1.4 g/cm3。马氏瓶（内径5 cm、高50 cm）为供水装置，试验装置如图1所示。压力水头为2.5 cm。为防止入渗过程中土壤颗粒流失堵塞出流孔口，在有机玻璃土柱底部填放滤纸。此外在填装完后的土壤表面放置1层滤纸，防止蒸馏水在加入时冲击、破坏土壤表面，并保证马氏瓶水均匀释放。土壤含水量用探头METER（美国和德国制造）测定，探头分别位于土壤表面以下10、20、30、40、50和60 cm。入渗过程240 min。累积入渗量、湿润锋运移距离和土壤含水量为试验观测指标。试验设计，详见表1。

图1 室内试验装置

表1 对照试验设计

（2）试验2。为正交试验，包括三因素（土壤容重、γ-PGA施用量和γ-PGA施用深度）三水平，试验设计详见表2，试验装置和试验步骤同试验1。

表2 正交试验设计

1.3 土壤水分入渗模型

利用Philip入渗模型[13]来描述累积入渗量与入渗时间之间的关系，即：

式中：I为累积入渗量（cm）；S为吸渗率（cm/min0.5）；A为稳定入渗率（cm/min）；t为入渗时间（min）。

利用HYDRUS-1D模型来模拟多因素影响下的一维土柱水分入渗过程。HYDRUS-1D模型基于均质和各向同性土壤下的一维Richards方程，可描述为：

式中：t为入渗时间（min）；z为垂直坐标且向上为正（cm）；K（h）为非饱和水力传导率（cm/min）。

模型设定初始条件为：

模型边界条件为：

1.4 数据分析

利 用MS Excel、Origin 8.0、MATLAB和IBM SPSS 25.0统计软件对试验数据进行处理。利用LSD方法进行多重比较。目标函数定义为残差平方和（SSE）。使用p=0.05时的相关系数（R2）和均方根误差（R M SE）评估模拟值与实测值之间的对应关系。

表3 不同γ-PGA施用量土壤的水力特征参数

从表3可以看出，土壤残余含水率和饱和含水率均随γ-PGA施用量的增加而增大，随土壤容重的增加而减小。土壤残余含水率随γ-PGA施用量增加的幅度不大，各处理变幅为0.031～0.033，其差异不明显。当土壤容重为1.30 g/cm3时，0.10%、0.20%和0.30%γ-PGA施用量较空白对照（0.00%）饱和含水率分别上升3.15%、6.78%和7.33%；当土壤容重为1.35 g/cm3时，0.10%、0.20%和0.30%γ-PGA施用量较空白对照（0.00%）饱和含水率分别上升3.29%、6.89%和7.30%；当土壤容重为1.40 g/cm3时，0.10%、0.20%和0.30%γ-PGA施用量较空白对照（0.00%）饱和含水率分别上升4.15%、8.17%和10.77%，说明施加γ-PGA导致土壤持水性能增强。α为模型土壤进气吸力倒数，其极差为0.0046，且随土壤容重增加而降低，说明土壤容重增加导致进气吸力增大，土壤抗失水能力增强；而相同土壤容重的土壤进气吸力随γ-PGA施用量的增加而减小，说明施加γ-PGA使土壤容易失水，并随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线的失水速率[15]，土壤失水速率随土壤容重增加而增大，随γ-PGA施用量的增加而降低，其极差为0.13。

Philip入渗模型参数拟合结果，详见表4。

表4 Philip入渗模型参数拟合结果

从表4可以看出，Philip入渗模型可以很好地描述施加γ-PGA土壤的入渗特性。随着γ-PGA施用量和土壤容重的增加，稳定入渗率和吸渗率呈下降趋势。吸渗率降低表明施加γ-PGA导致土壤的导水能力下降，使土壤具有暂时储存更多水分的能力。通过分析Philip模型的入渗参数与γ-PGA施用量的定量关系，可以很好地探究施加γ-PGA对土壤入渗能力的影响。

2 结果与讨论

2.1 研究结果

2.1.1 施加γ-PGA对土壤入渗特性的影响

累积入渗量随入渗时间的变化规律，如图2所示。

图2 施加γ-PGA的土壤累积入渗量变化

由图2可以看出，在入渗初期（15～30 min），各处理之间的差异较小，这主要是由于风干土壤基质势的绝对值较高和土壤水固相分子间的作用力较大。随着入渗时间的增加，土壤基质势的绝对值梯度迅速下降，因此入渗率急剧下降，各处理之间的差异逐渐变得明显。入渗时间为90 min的累积入渗量可作为揭示土壤初始入渗能力的指标[10]。相同土壤容重下，γ-PGA施用量增加，累积入渗量减小。0.3%的γ-PGA施用量下，入渗时间为90 min时的累积入渗量T3、T6和T9处理与不施用γ-PGA的CK处理相比，分别下降了25.9%、23.5%和20.8%，入渗结束时刻的累积入渗量分别下降了33.6%、30.6%和27.7%。综上所述，土壤容重和γ-PGA施用量越大累积入渗量越小，1.4 g/cm3土壤容重0.3%γ-PGA施用量处理的累积入渗量最低，减渗作用最明显。

2.1.2 多因素条件下施加γ-PGA对土壤入渗特性的影响

多因素（土壤容重、γ-PGA施用量、γ-PGA施用深度）条件下施加γ-PGA的土壤累积入渗量的模拟值，如图3所示。

图3 多因素条件下施加γ-PGA的土壤累积入渗量变化

从图3可以看出，D3处理的累积入渗量最大，D7处理的累积入渗量最小，说明γ-PGA作为一种高吸收性聚合物，其浅施处理较深施处理阻碍土壤水分向下运动作用显著，同时阻碍土壤水分向下运动作用随着γ-PGA施用量的增加而增加。D2处理较D3处理、D5处理较D6处理以及D8处理较D9处理的累积入渗量差异不显著，说明在土壤容重和γ-PGA层施方式相同情况时，γ-PGA施用量对土壤累积入渗量影响不显著。

为分析各因素对土壤累积入渗量的影响，在因素和水平之间进行最小显著性差异法分析（多因素方差分析），分析结果详见表5。

表5 各因素对不同水平的土壤累积入渗量的影响

从表5可以看出，土壤容重和γ-PGA施用深度对土壤累积入渗量具有极显著影响（p＜0.01），γ-PGA施用量对土壤累积入渗量具有显著影响（p＜0.05）。综上所述，土壤容重和γ-PGA施用方式是合理施用γ-PGA的2个重要考虑因素。

2.2 讨论

γ-PGA是一种由微生物合成的阴离子自然聚合物，具有良好的水溶性、超强的吸附性、无毒性、可彻底被微生物降解等优点[16]。目前，γ-PGA对土壤环境的影响主要表现在对土壤土质的改良、土壤水体污染的治理、增强化肥和农药的效果、土壤污染的修复等方面。本文通过室内试验和数值模拟相结合的方法，主要在γ-PGA可以增强砂壤土的保水抗旱能力等方面进行了研究。研究表明，γ-PGA可以很好地与砂壤土结合形成团粒结构，增强土壤孔隙通透性并有效防止土壤侵蚀。另外，构建了模型，并对施加γ-PGA的砂壤土水分运动过程进行预测，为γ-PGA在农业方面的推广奠定了基础。

施加γ-PGA会改变砂壤土的水分特征参数，从而改善了土壤结构，提高了土壤的持水能力，增强了对水分的减渗作用，抑制了土壤水分入渗[17]，增加了土壤毛管水的占比，降低了重力水的占比，从而减少了土壤水分的深层渗漏[18]；由于土壤容重和施用γ-PGA方式（施用深度）是合理利用推广γ-PGA使用的2个重要考虑因素，因此可以根据实际情况适量降低γ-PGA的施用量从而保证较好的农业经济效益。另外，利用HYDRUS-1D模型对施加γ-PGA情况的一维垂直入渗过程进行了模拟和预测，其效果较好。

根据前人的研究成果[16，19]发现，γ-PGA抑制土壤水分下渗的同时降低了盐分的淋洗作用，可以使尿素等易溶于水的肥料保持在上部土层（作物根区），从而降低了肥料流失。由于对γ-PGA的保肥特性研究需有作物参与才有意义，因此本研究对γ-PGA的保肥特性不作具体研究。

3 结论

通过室内施加γ-PGA条件的一维垂直入渗试验，得出主要结论如下。

（1）施加γ-PGA对土壤水分特征参数和入渗特性的影响。土壤中施加γ-PGA后，土壤水分特征参数饱和含水率随γ-PGA施用量的增加而递增，残余含水率变化不显著，进气吸力值有明显降低，n值随γ-PGA施用量的增加而降低，累积入渗量随γ-PGA施用量的增加而减小，入渗率随γ-PGA施用量的增加而减小；Philip入渗模型的吸渗率和入渗率均随土壤容重和γ-PGA施用量的增加而降低，说明施加γ-PGA改变了土壤孔隙结构和分布，增强了土壤黏结力，使土壤失水能力速率减慢以及入渗能力降低。

（2）多因素条件下施加γ-PGA一维垂直水分入渗特性。试验研究表明，土壤容重、γ-PGA施用量和施用深度对一维垂直入渗特性均有影响，即土壤容重和γ-PGA施用深度对土壤累积入渗量具有极显著影响（p＜0.01），γ-PGA施用量对土壤累积入渗量具有显著影响（p＜0.05）。