Rheological stabilization of wet soils by model root and fungal exudates depends on clay mineralogy

摘要

Changes in soil rheological behaviour by a root mucilage analogue (polygalacturonic acid, PGA) and a fungal polysaccharide (scleroglucan) were studied for a range of soils with different clay mineralogies. An oscillation recovery test was conducted with a parallel plate rheometer with stress steps of 10 Pa (linear viscoelastic), 500 Pa (resistance) and then 10 Pa (resilience). Five soils that were either dominated by 2:1 or 1:1 clay minerals were examined: a pure Ca montmorillonite; a 2:1 Cambisol; a 2:1 Luvisol; a 1:1 clay loam Ferralsol; and a 1:1 sandy loam Ferralsol. The viscosity of all 2:1-dominated samples increased with decreasing water content, ranging from 151 Pa s to 237 800 Pa s. The model biological exudates increased viscosity by up to 10-fold in some 2:1 clay-dominated soils at the wettest water contents, with the relative effect diminishing as soils dried. The viscosity of 1:1-dominated soils also increased with decreasing water content, ranging from 17 320 Pa s to 1 333 000 Pa s. In these soils, scleroglucan increased viscosity 22-fold for the 1:1 clay loam soil, but PGA had little impact. For the 1:1 sandy loam soil, neither exudate influenced viscosity. When a greater stress of 500 Pa was applied, viscosity decreased in all samples because of shear thinning. Scleroglucan maintained greater viscosity under this greater stress for the montmorillonite, 2:1 Luvisol and 1:1 clay loam, whereas PGA did not have a significant impact. After the stress was removed, only the scleroglucan-amended 1:1 clay loam recovered to viscosities greater than the other treatments. The increased viscosity and resistance caused by biological exudates will help to 'drive' soil structure formation, particularly in the rhizosphere. Les modifications du comportement rhcbologique de sols c mincbralogies contrastcbes induites par l'apport d'un analogue d'exsudat racinaire (l'acide polygalacturonique, PGA) et d'un polysaccharide d'origine fongique (le sclcbroglucane) ont cbtcbcbtudicbes dans ce travail. Pour cela, trois contraintes de cisaillement oscillantes (10 Pa, 500 Pa et c nouveau 10 Pa) ont cbtcb appliqucbes successivement c l'aide d'un rhcbomc.tre c plaque parallc.le. Ceci a permis de dcbterminer la viscositcb, la rcbsistance et la rcbsilience des cbchantillons ainsi testcbs. Cinq sols contenant majoritairement des argiles 2:1 ou 1:1 ont cbtcbcbtudicbs: une Montmorillonite pure saturcbe au Calcium; un Cambisol c argiles 2:1; un Luvisol c argiles 2:1; un sol tropical argileux c argiles 1:1 et un sol tropical sableux c argiles 1:1. La viscositcb de tous les sols c argiles 2:1 a augmentcb, au sein d'une gamme allant de 151 Pa s c 237 800 Pa s, lorsque leur teneur en eau diminuait. Les exsudats biologiques modc.les ont provoqucb une hausse de la viscositcb pour les sols c argiles 2:1. Cette augmentation pouvant aller jusqu'c entrainer une multiplication par dix de la viscositcb pour les cbchantillons les plus humides dans le cas du PGA. La viscositcb des sols c 1:1 a cbgalement diminucb avec la teneur en eau, au sein d'une gamme allant de 17 320 Pa s c 1 333 000 Pa s. Le sclcbroglucane a eu un impact beaucoup plus important que le PGA sur le sol argileux, allant jusqu'c augmenter 24 fois sa viscositcb. Aucun des deux exsudats n'a eu d'effet sur la viscositcb du sol tropical sableux. Aprc.s l'application de la contrainte plus forte (500 Pa), la viscositcb a diminucb notablement pour chaque cbchantillon. La prcbsence de sclcbroglucane a entracncb un relatif maintien de la viscositcb sous forte contrainte pour la Montmorillonite, le Luvisol c argiles 2:1 et le sol tropical argileux. L'ajout de PGA n'a par contre pas eu d'impact sur la rcbsistance des sols. Aprc.s relcOchement de la contrainte, seul l'ajout de sclcbroglucane dans le cas du sol tropical argileux a eu un effet sur la rcbsilience. Ces augmentations de viscositcb et de rcbsistance induites par les exsudats biologiques faciliteront la formation de la structure du sol, en particu