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

Summary 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. La stabilisation rhéologique des sols humides par un analogue d’exsudat racinaire et un exsudat fongique depend de leurs minéralogies Résumé Les modifications du comportement rhéologique de sols à minéralogies contrastées induites par l’apport d’un analogue d’exsudat racinaire (l’acide polygalacturonique, PGA) et d’un polysaccharide d’origine fongique (le scléroglucane) ont étéétudiées dans ce travail. Pour cela, trois contraintes de cisaillement oscillantes (10 Pa, 500 Pa et à nouveau 10 Pa) ont été appliquées successivement à l’aide d’un rhéomètre à plaque parallèle. Ceci a permis de déterminer la viscosité, la résistance et la résilience des échantillons ainsi testés. Cinq sols contenant majoritairement des argiles 2:1 ou 1:1 ont étéétudiés: une Montmorillonite pure saturée au Calcium; un Cambisol à argiles 2:1; un Luvisol à argiles 2:1; un sol tropical argileux à argiles 1:1 et un sol tropical sableux à argiles 1:1. La viscosité de tous les sols à argiles 2:1 a augmenté, au sein d’une gamme allant de 151 Pa s à 237 800 Pa s, lorsque leur teneur en eau diminuait. Les exsudats biologiques modèles ont provoqué une hausse de la viscosité pour les sols à argiles 2:1. Cette augmentation pouvant aller jusqu’à entrainer une multiplication par dix de la viscosité pour les échantillons les plus humides dans le cas du PGA. La viscosité des sols à 1:1 a également diminué avec la teneur en eau, au sein d’une gamme allant de 17 320 Pa s à 1 333 000 Pa s. Le scléroglucane a eu un impact beaucoup plus important que le PGA sur le sol argileux, allant jusqu’à augmenter 24 fois sa viscosité. Aucun des deux exsudats n’a eu d’effet sur la viscosité du sol tropical sableux. Après l’application de la contrainte plus forte (500 Pa), la viscosité a diminué notablement pour chaque échantillon. La présence de scléroglucane a entraîné un relatif maintien de la viscosité sous forte contrainte pour la Montmorillonite, le Luvisol à argiles 2:1 et le sol tropical argileux. L’ajout de PGA n’a par contre pas eu d’impact sur la résistance des sols. Après relâchement de la contrainte, seul l’ajout de scléroglucane dans le cas du sol tropical argileux a eu un effet sur la résilience. Ces augmentations de viscosité et de résistance induites par les exsudats biologiques faciliteront la formation de la structure du sol, en particulier dans la rhizosphère.