添加γ-聚谷氨酸对冬菠菜土壤温度的影响特性研究

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(1.西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048；2.甘肃省景泰川电力提灌管理局，甘肃 景泰 730400)

γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是一种使用生物发酵法制得的生物高分子材料，它是由谷氨酸单元的α-氨基和γ-羧基通过聚合而形成的高分子阴离子多肽型聚合物，因其具有良好的吸水性和生物可降解性而广泛应用于化妆品、食品、医药和农业等行业[1-5]。γ-PGA具有很强的吸水能力，其最大吸水倍数可达1 108.4倍，且应用于土壤中可吸收土壤水30～80倍[3]，因此在一定程度上解决农业干旱缺水问题。另外，γ-PGA还可以调节土壤水分分布、改善土壤结构以及改变土壤水力特性，增加土壤孔隙度，同时，施用一定量的γ-PGA可增加0～10cm土壤含水率[6,7];γ-PGA还具有一定的保肥能力，从而有利于作物生长：孙刚忠等[8]通过施加γ-PGA小白菜盆栽和小区试验发现γ-PGA可增加小白菜的氮肥利用率以及干重和鲜重；褚群[9]研究表明，施用一定量的γ-PGA可增加番茄苗叶片的叶绿素数量，促进其茎叶的生长。

土壤的温度状况是指一定时间内上下土层间温度变化，适宜的土壤温度可以促进作物生长，对作物增产有利。对于改善作物土壤温度的研究有很多，如张治等[10]在对新疆膜下滴灌棉田的土壤温度研究中发现气象条件、土壤水分、地膜和棉株覆盖等因素综合影响棉花生育期的土壤温度变化规律；K. Subrahmaniyan等[11]分别对不同塑料膜和秸秆覆盖条件下的油菜进行研究，表明透明膜覆盖下土壤温度最高; 高翔等[12]对春雨米的覆膜研究中得出，覆膜可以提高表层土壤温度；张蕊等[13]研究了保水剂的不同施用方式对土壤水热的影响，发现不同的施用方式均降低了最高温度，提高了最低温度。但目前尚未有人对γ-PGA对土壤温度的影响进行研究，鉴于此本文就盆栽冬菠菜在施用γ-PGA后进行了对地温的初步探索，以期γ-PGA能更好地应用于农业生产实际中提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料——供试土壤

供试土壤容重和田间持水率分别为1.21 g/cm3和33.92%。将土样置于阴凉处阴干，除去大颗粒和杂质后过2.5 mm筛留用。土壤质地为粉质壤土，采用Mastersizer2000激光粒度分析仪进行测定得出，具体结果见表1(国际制)。

表1 供试土壤的颗粒分析

1.2 试验方法

试验采用盆栽法，盆栽箱规格为30 cm×30 cm×25 cm(长×宽×高)，每盆装土17.5 kg。γ-PGA先与5.83 kg土充分混合后再加入剩余土不断搅拌直至均匀。试验在遮雨透光棚内进行，因此不考虑降雨对其影响。本次试验共设5个处理，包括1个空白对照组CK和4个处理组(T1、T2、T3和T4)，每个处理设3个重复。其中T1、T2、T3和T4的γ-PGA施用浓度分别为0.1%、0.2%、0.3%和0.4%，各处理灌水定额一致，均为4 m3/亩。播种前施史丹利基底肥，施肥量为40 kg/667m2。另在菠菜生育期施用尿素分3次作为追肥施入。

菠菜于2017年10月18日播种，每盆均匀撒播30粒，待出苗1周后定苗，定苗至盆25株。将菠菜整个生育期分为发芽期(10月18日～11月9日)、幼苗期(11月10日～12月2日)和生长期(12月3日～1月30日)，于1月30日收获测产。

1.3 试验观测

试验的气象数据资料从西安理工大学气象站获得，试验主要的观测内容有土壤含水率、土壤温度以及大气温度。土壤含水率采用ECH20土壤水分传感器测量，测量范围为0～15 cm，每周测一次以时时监测土壤含水率。土壤温度采用曲管式地温计测量，每个处理测量大气、5 cm、10 cm和15 cm深处的地温。自播种之日起每天在8：00、14：00及20：00定时测量记录，并在各生育期选取3个连续的气象接近的典型日测24小时土壤温度。

2 结果与分析

2.1 土壤水分对土壤温度日变化的影响

试验中因γ-PGA施用量的不同，各处理土壤水分出现差异，分别于11月7日、11月14日及11月19日测土壤0～15 cm土壤水分含量(图1)，期间11月9日进行了灌水。分析其变化规律：灌水前T4处理含水率最大，空白对照组含水率最小，二者相差2.68%，各处理平均含水率相差不大；灌水后各处理土壤含水率逐渐减小，至11月19日土壤平均含水率变化幅度为CK>T1>T2>T3>T4，T4处理与对照组土壤平均含水率相差6.39%。

土壤温度日变化主要受土壤含水率的影响，对作物生长及产量的形成有直接作用。图2为11月18日各处理5 cm处地温日变化。从图中可知，各处理5 cm处土壤温度从8：00至15：00处于上升状态，并在15：00上升至最大值，之后温度缓慢下降；总体上，5 cm处地温在不同γ-PGA施用量下按照T3>T2>T4>T1>CK顺序依次递减。施入γ-PGA后的T1、T2、T3和T4比CK组均有增温效果，其中T3组增温效果明显(日最高温度为10.1℃，比CK组高35%)，T1、T2和T4相较于CK组日最高温度依次高出16%、29%和18%；另外，T1处理在处理组中5 cm处日最高温度最低，但随着γ-PGA施用量的增加T4处理小于T2和T3处理。这是因为T4处理土壤含水率较多，而更多的土壤含水量使得土壤热容量变大，土壤热扩散率减小，土壤升温幅度减小。在冬菠菜幼苗期大气温度比较低时，随着气温的升高，土壤热容量越大土壤温度越小。图2中T3处理5cm处土壤温度整体较高，为冬菠菜幼苗期生长提供了良好的环境。

图1 各处理土壤平均含水率

图2 各处理5 cm处土壤温度日变化

2.2 各生育期5 cm处温度日变化

在作物生长的不同生育期内，气温、光照等气候因素对土壤温度影响差异性较大。图3、图4和图5分别为不同生育期各处理5 cm处实测地温日变化。可以看出不同的生育期，5 cm处地温变化规律一致，均为6：00到14：00呈增长趋势，随后缓慢下降。发芽期5 cm处土壤温度日变化值最大，为8.49℃，幼苗期和生长期分别为6.40℃和6.50℃。各生育期日变化差异和日最大温差主要是由于生育期大气温度和光照强度引起的。而在三个生育期内最大温差分别出现在T4、T3和T4处理，这与大气温度和土壤含水量有关：T4处理土壤含水率较高、土壤热容量较大，在发芽期大气最高温度较高，T4处理日最高温度高于其他处理(T4处理日最高温度分别比CK、T1、T2和T3高2.12℃、1.64℃、1.33℃和0.92℃)，但最低温度相差不大(相差最大为0.91℃)，因此T4处理日温度变化幅度较大；而在幼苗期土壤热容量较大的T4处理地温变化较T3处理无显著差异；由于大气温度在生长期变化比较大，因此日温度变化与发芽期变化趋势基本一致。这对生产实际中种植菠菜施用γ-PGA具有指导意义，γ-PGA施用量控制在0.3%左右可有效防止5 cm处地温变化幅度过大；在大气温度变化较大的生育期应该减少灌水定额而增加灌水次数以降低土壤热容量。整个生育期施用γ-PGA的处理各时刻5 cm处土壤温度均大于CK处理，说明施用适当量的γ-PGA在菠菜生育期内起到了调节土壤温度的作用。

图3 发芽期各处理5 cm处温度日变化

图4 幼苗期各处理5 cm处温度日变化

图5 生长期不同处理5 cm处温度日变化

处理组5 cm10 cm15 cm最高温度最低温度最高温度最低温度最高温度最低温度CK5.34Bc1.48Dd5.10Bc-1.32Dd4.8Bb-1.8DdT16.40ABabc-0.14BCbc6.38ABab-0.12BCbc5.52ABb-0.94BCcT26.92ABab0.4Bb6.56ABab0.22ABab5.74Aab-0.2ABbT37.34Aa1.24Aa7.3Aa0.64Aa6.8Aa0.42AaT45.96ABbc-0.48Cc6.00ABbc-0.5Cc5.16Bb-1.56CDd

注：同列不同小、大写字母分别表示达到显著(p<0.05)和极显著(p<0.01)水平

2.3 施用γ-PGA对菠菜生长期土壤温度垂向的影响

随着土层深度的变化，土壤温度变化出现了差异性，其变化幅度逐渐减小。试验表明，随着γ-PGA施用量的改变，不同深度处的土壤温度表现出差异性。表2为1月13日各处理垂向最高温度和最低温度，可以看出随着土层垂向加深，各处理最高和最低温度整体上呈现出变小的趋势；各处理最高和最低温度依次是T3>T2>T1>T4>CK，其中T3处理的15 cm以上不同深度土壤最高温度和最低温度都显著大于其他处理。这说明γ-PGA在0.3%时可以显著提高该生长期15 cm以上的土壤温度。而T4处理垂向最高温度和最低温度均小于T2处理，说明γ-PGA施用量与土壤垂向最高温度和最低温度不一定是正相关。冬菠菜生长期的大气温度处于较低水平，这对冬菠菜的生长不利，而施用适量的γ-PGA可以起到增加土壤温度的效果，对冬菠菜生长的环境起到了一定的调节作用。

3 结语

(1)施用γ-PGA提高了土壤平均含水率和5 cm处日最高温度，T1、T2、T3和T4比CK组高16%、29%、35%和18%，在菠菜发芽期，随着γ-PGA施用量的增加，5 cm处土壤日最高温度呈现出先增大后减小的趋势；

(2)在冬菠菜整个生育期，5 cm处土壤温度日变化规律为6：00到14：00温度升高，之后缓慢下降，在大气最高温度较高和最低温度较低的发芽期和生长期，γ-PGA施用量较多的T4处理日温度变化幅度较大；

(3)随着土层深度变深，土壤最高温度和最低温度呈现出变小的趋势；γ-PGA施用量增大时，相同土层深度最高温度和最低温度先增大后减小，其中添加0.3%γ-PGA处理最高温度和最低温度显著高于其他处理。