泥炭的物理特性：基質(zhì)的關(guān)鍵因子

J-C Michael 著 孟憲民 譯

(1 法國(guó)國(guó)立園藝學(xué)院 昂熱 49000 2 東北師范大學(xué)泥炭沼澤研究所 長(zhǎng)春 130024)

基質(zhì)栽培體系受容器大小限制而使根系容積極小，從而難以抵抗溫度、水分和營(yíng)養(yǎng)濃度的劇烈變化。栽培基質(zhì)除了必須提供原位土壤的的錨定植物功能之外，還必須能夠提供充足營(yíng)養(yǎng)、水分和氧氣。為達(dá)到這一目的，必須泥炭與各種材料配合制備。本研究目的就是定義和闡明影響基質(zhì)氧氣和水有效性主要物理性質(zhì)，并評(píng)估其他泥炭替代材料的可能性。

1 持水性

基質(zhì)的物理屬性最基本的一條是在沒(méi)有減少氧氣供應(yīng)條件下，為植物根系提供充足的水分?；|(zhì)的持水性狀檢測(cè)主要依據(jù)于基質(zhì)中水分和空氣體積比例，而這個(gè)比例與水分在基質(zhì)中的水勢(shì)相關(guān)，也即基質(zhì)對(duì)水的吸持能量。

1.1 檢測(cè)方法

因?yàn)榛|(zhì)的物理性質(zhì)很大程度上受基質(zhì)包裝方式所影響，所以檢測(cè)材料的取樣和處理都必須嚴(yán)格要求。

本試驗(yàn)嚴(yán)格遵照歐盟標(biāo)準(zhǔn)NF EN 13041(2000)進(jìn)行，先用手將兩個(gè)PVC樣筒(直徑為14 cm，高度為14 cm)填滿基質(zhì)，慢慢地從底部潤(rùn)濕基質(zhì)，等待24 h達(dá)到飽和，然后在水勢(shì)-3.2 KPa吸力條件下平衡48 h。騰空樣品筒，將待測(cè)材料混勻，用一個(gè)較小的PVC樣筒(直徑為10 cm，高度為5 cm，體積為393 cm)，無(wú)壓實(shí)地填入待試材料，慢慢從底部浸濕24 h。所有樣品均4次重復(fù)測(cè)定，樣品間測(cè)定誤差不超過(guò)2%。

基質(zhì)持水性采用Van Djik&Boekel 1965年最先提出的方法測(cè)定。將基質(zhì)樣品放在吸力表上面的一個(gè)小型樣筒中，在-1～-10 KPa水勢(shì)下排出水分，測(cè)定基質(zhì)中的水分含量。

1.2 物理特性

根據(jù)上述方法測(cè)定的水分吸持曲線，可以看到基質(zhì)水分、空氣體積具有以下性質(zhì)(圖1)。

(1) 基質(zhì)總孔隙度：即基質(zhì)中由空氣和水分體積之和占基質(zhì)總體積的百分比，即基質(zhì)總體積減去固體物質(zhì)體積。

(2) 基質(zhì)空氣孔隙度：也稱為氣體充填體積，即在飽和狀態(tài)下(水勢(shì)=0 KPa)基質(zhì)大孔隙中的水分所占據(jù)的體積。這是因?yàn)樵?～-1 KPa水吸力范圍內(nèi)，所含水分為非吸持的自由水，易于因重力作用排出基質(zhì)，騰出空間隨即被空氣取代。

(3) 基質(zhì)有效水：即固持在基質(zhì)孔隙中又能被植物根系吸收的水分占基質(zhì)總體積的百分比。根據(jù)植物根系吸收能力，基質(zhì)有效水可定義為-1～-10 KPa吸力固持的水分體積。

(4) 基質(zhì)緩沖水：基質(zhì)在水勢(shì)-5～-10 KPa之間吸持的水量，這部分水量是植物生理可以適應(yīng)、不會(huì)萎蔫的最低水量。

(5) 基質(zhì)無(wú)效水：即水吸力大于-10 KPa的水量?；|(zhì)對(duì)水的吸持力大于植物根系吸水力，所以稱為無(wú)效水。

圖1 水分吸持曲線的關(guān)鍵特征Fig.1 Key features of an example water retention curve

1.3 不同類型泥炭的持水特性

從物理學(xué)觀點(diǎn)看，不同類型泥炭可以根據(jù)其植物種屬、分解度和顆粒大小進(jìn)行劃分。對(duì)同樣分解度的泥炭，蘚類泥炭一般比灰分含量較高的草本泥炭和其他類型泥炭具有更好的物理性狀，具有較強(qiáng)的水分吸持能力和較好的通氣能力。同樣是蘚類泥炭，與分解度較低的白泥炭相比，分解度較高(H6～H8)的黑泥炭結(jié)構(gòu)明顯變差。從泥炭纖維降解的角度看，分解度大的泥炭出現(xiàn)了更細(xì)的顆粒結(jié)構(gòu)，因此，這樣的泥炭就會(huì)在使用過(guò)程中出現(xiàn)通氣性變差和基質(zhì)初始性狀的喪失，體積產(chǎn)生不可逆的縮減(圖2)。

泥炭也可以根據(jù)顆粒粒徑分布(粒度)劃分種類，根據(jù)基質(zhì)原料是細(xì)粒還是粗粒的不同，基質(zhì)吸水和通氣容量差異明顯(圖3)。粒度的差異可能來(lái)自于以下3個(gè)因素的影響：首先，泥炭分解度(年齡的因素)可能從白泥炭到其他泥炭都有極大的差異(如波羅的海泥炭一般比愛(ài)爾蘭泥炭年輕)。其次，開(kāi)采方法(塊狀開(kāi)采和粉末開(kāi)采)和干燥過(guò)程也會(huì)造成泥炭原始結(jié)構(gòu)的改變。第三，泥炭結(jié)構(gòu)也可能在基質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程(粉碎、調(diào)制、篩分等)中受到改變。

1.4 基質(zhì)的分類

對(duì)園藝應(yīng)用而言，基質(zhì)可以根據(jù)持水曲線劃分為4種類型(圖4)。

Ⅰ類基質(zhì)：高度水分有效性(有效水體積占基質(zhì)總體積大于25%)和高水分緩沖性的通氣基質(zhì)(空氣體積大于>25%)。這些特征在蘚類泥炭上表現(xiàn)特別明顯，但由多種原料配合的基質(zhì)也能得到上述優(yōu)良性狀。這是一種理想的基質(zhì)類型，因?yàn)樗鞋F(xiàn)實(shí)可行的灌溉需求，在水分管理中很少受到限制。

Ⅱ類基質(zhì)：較高水分有效性和弱通氣基質(zhì)。由于基質(zhì)的顆粒較細(xì)，因而比Ⅰ類基質(zhì)持水性更強(qiáng)。該基質(zhì)的主要缺點(diǎn)是具有阻斷植物根系氧氣供應(yīng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，黑泥炭就是典型的例子。草木泥炭一般與Ⅱ類基質(zhì)性質(zhì)相似。

Ⅲ類基質(zhì)：低水分有效性和高通氣性基質(zhì)。此類基質(zhì)如果單獨(dú)用，需要頻繁低劑量灌溉。因此，這種基質(zhì)需要混合Ⅰ類基質(zhì)和Ⅱ類基質(zhì)，以便改進(jìn)其通氣性。許多有機(jī)、礦物基質(zhì)原料具有這些特征，如樹(shù)皮(新鮮的和發(fā)酵的)樹(shù)木纖維、珍珠巖和火山灰。

Ⅳ類基質(zhì)：高水分有效性低水分緩沖容量的通氣基質(zhì)。此類基質(zhì)中包括具有纖維結(jié)構(gòu)的材料，如巖棉、木質(zhì)纖維(纖維內(nèi)部含水很少或基本沒(méi)有，水主要儲(chǔ)存在纖維接觸點(diǎn)附近。低水分吸持能量的后果是水分布的不規(guī)則性，在容器中上部具有極高的氣∶水比，而在容器的底部氣∶水比極低。除了高水分有效性以外，這種基質(zhì)緩沖容量極低，所以需要持續(xù)的灌溉監(jiān)測(cè)。

選擇基質(zhì)原料主要依據(jù)其通氣性和持水性，同時(shí)擁有2種優(yōu)異屬性的材料是少見(jiàn)的(Ⅰ類基質(zhì))，所以基質(zhì)生產(chǎn)最好采用蘚類泥炭做原料(圖4)。

2 潤(rùn)濕性

基質(zhì)原料的潤(rùn)濕性是指原料干燥后的再潤(rùn)濕能力，這是基質(zhì)的重要性能?；|(zhì)通過(guò)蒸發(fā)作用或者通過(guò)根系與蒸騰作用消耗水分后，基質(zhì)的潤(rùn)濕性決定了基質(zhì)和植物吸收水分的效率?；|(zhì)潤(rùn)濕性可以用水滴浸潤(rùn)時(shí)間(WDPT)的定性屬性來(lái)表述，也可以用水滴在固體表面的接觸角來(lái)定量表示(圖5)。

一般來(lái)說(shuō)，水滴在固體材料表面的接觸角小于90°時(shí)，這種材料就可以稱為親水材料(即水可浸潤(rùn)的，對(duì)水有強(qiáng)烈親和力)。當(dāng)接觸角大于90°時(shí)，這種材料就可以稱為憎水材料(與水平行，對(duì)水幾乎沒(méi)有親和力)。礦物材料一般都具有顯著的親水特征，而基質(zhì)中所用的大多數(shù)有機(jī)材料除椰糠外大多是憎水的，這些有機(jī)材料在過(guò)度干燥后，就具有了憎水特征。如果把泥炭徹底干燥，高度分解的蘚類黑泥炭能比輕度分解的白泥炭更具有憎水特性，這是一個(gè)在灌溉管理中必須認(rèn)真考慮的問(wèn)題。在眾多導(dǎo)致基質(zhì)憎水特征的因素中，基質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程的一些操作過(guò)程，如原料干燥和灌溉監(jiān)測(cè)過(guò)程中的一些錯(cuò)誤是導(dǎo)致基質(zhì)憎水的最主要原因。

3 物理穩(wěn)定性

基質(zhì)不僅要有生產(chǎn)之初的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還要在植物生長(zhǎng)過(guò)程中維持基質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不變。在基質(zhì)物理穩(wěn)定性主要指標(biāo)上，基質(zhì)(特別是發(fā)酵生物質(zhì)基質(zhì))中所用有機(jī)物未經(jīng)發(fā)酵、旱澇交替基質(zhì)灌溉的都可能在植物生長(zhǎng)過(guò)程中影響基質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，產(chǎn)生嚴(yán)重的憎水問(wèn)題。

根據(jù)基質(zhì)物理穩(wěn)定性，可以劃分3種基質(zhì)原料類型：

(1) 物理穩(wěn)定的剛性材料：干濕交替不會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)總體積和固相與孔隙空間的變化。

(2) 物理不穩(wěn)定的彈性材料：干時(shí)收縮，濕時(shí)膨脹，同時(shí)產(chǎn)生不可逆的總體積減少和相當(dāng)大的孔徑分布改變，導(dǎo)致通氣程度降低，持水程度增加。

(3) 中間材料：具有假?gòu)椥孕袨?，干時(shí)體積收縮，濕潤(rùn)時(shí)體積能完全恢復(fù)到原狀，基質(zhì)物理性質(zhì)沒(méi)有根本改變(例如白泥炭)。

4 結(jié)論

市場(chǎng)上少見(jiàn)擁有適宜通氣性和保水性的基質(zhì)原料。事實(shí)上，只有白泥炭和一些由多種原料配合起來(lái)的基質(zhì)才能滿足植物需要的物理性狀。無(wú)論從質(zhì)量上說(shuō)，還是從來(lái)源可靠性上來(lái)說(shuō)，目前還沒(méi)有完全令人滿意的泥炭替代材料，所以泥炭仍然是無(wú)土栽培系統(tǒng)不可缺少的原料。但是，泥炭中可以添加一些材料，特別添加一些改善基質(zhì)通氣性能的材料，這有助于間接減少泥炭在基質(zhì)中的使用量。

致謝與參考文獻(xiàn)(略)

譯自：Mires and Peat，2010，6(2)：1～6。