非金屬礦物基無(wú)土栽培基質(zhì)理化性能研究

王曉芳，郭洪燃，顧倩南，秦明明，卜倩瓊，王玉曉，賈玉芳，劉 鵬*

(1.信陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；2.河南省信陽(yáng)高級(jí)中學(xué)，河南 信陽(yáng) 464000 )

非金屬礦物基無(wú)土栽培基質(zhì)理化性能研究

王曉芳1，郭洪燃2，顧倩南1，秦明明1，卜倩瓊1，王玉曉1，賈玉芳1，劉 鵬1*

(1.信陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；2.河南省信陽(yáng)高級(jí)中學(xué)，河南 信陽(yáng) 464000 )

選用可作為無(wú)土栽培基質(zhì)的膨脹珍珠巖、沸石、膨潤(rùn)土和蛭石四種非金屬礦物，測(cè)定其pH值、電導(dǎo)率、孔隙度、滲透系數(shù)等理化性能。測(cè)試結(jié)果表明：四種礦物酸堿度接近中性，電導(dǎo)率適中，適合用作無(wú)土栽培基質(zhì)?；|(zhì)物理性能與礦物內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。珍珠巖容重、總孔隙度小，持水能力、氣水比和滲透系數(shù)較大；沸石總孔隙度大，持水能力適中，氣水比、滲透系數(shù)較??；膨潤(rùn)土總孔隙度、氣水比和滲透系數(shù)大，持水能力適中；蛭石總孔隙度小，持水能力和滲透系數(shù)較大，氣水比適中。將他們按不同比例混合后，理化性質(zhì)有所改善，可滿足不同植物需要的無(wú)土栽培基質(zhì)理化性能要求。珍珠巖、沸石、膨潤(rùn)土和蛭石質(zhì)量比為1∶5∶2∶2時(shí)，混合基質(zhì)理化性能最優(yōu)。

非金屬礦物；無(wú)土栽培；基質(zhì)；理化性能

無(wú)土栽培是指不用天然土壤而用營(yíng)養(yǎng)液或固體基質(zhì)加營(yíng)養(yǎng)液栽培作物的方法，包括水培、霧培和基質(zhì)栽培等[1]。無(wú)土栽培因其具有質(zhì)輕、清潔、無(wú)雜草、避免土壤污染等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物育苗、花卉苗木育苗栽培、草坪培育、經(jīng)濟(jì)林育苗、城市建筑墻面屋頂綠化和家庭陽(yáng)臺(tái)綠化等。無(wú)土栽培按是否使用基質(zhì)可分為無(wú)基質(zhì)栽培和基質(zhì)栽培兩大類(lèi)。常用基質(zhì)材料一是有機(jī)物類(lèi)：包括泥炭、稻 殼、椰殼、蔗渣、鋸木、樹(shù)皮和堆肥等；二是無(wú)機(jī)物類(lèi)：包括砂、礫 、珍珠巖 、蛭石、爐渣、泡沫塑料顆粒和農(nóng)用巖棉等。有機(jī)基質(zhì)顆粒間有較大孔隙度，疏松透氣，吸水保水性能好，缺點(diǎn)是質(zhì)量缺乏穩(wěn)定性；無(wú)機(jī)基質(zhì)質(zhì)量穩(wěn)定均勻， 耐分解且孔隙度大，缺點(diǎn)是陽(yáng)離子交換量較小，緩沖能力較弱[2]。

在我國(guó)農(nóng)、林、花卉業(yè)生產(chǎn)所需的栽培基質(zhì)主要是以泥炭為原料生產(chǎn)的基質(zhì)，但泥炭短期內(nèi)不可再生，使用過(guò)度還會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境。因此，泥炭成本越來(lái)越高。隨著現(xiàn)代高效園藝和創(chuàng)匯園藝的發(fā)展，探索適宜本地的經(jīng)濟(jì)、高產(chǎn)、高效的栽培基質(zhì)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)研究非金屬礦物理化性能，探討其作為無(wú)土栽培基質(zhì)的可行性，為地方優(yōu)勢(shì)非金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用提供新途徑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

膨脹珍珠巖、沸石、膨潤(rùn)土，信陽(yáng)上天梯生產(chǎn)。蛭石，湖北隨州生產(chǎn)。

1.2 儀器設(shè)備

滲透系數(shù)TST-55，PHS-3C PH計(jì)，DDS-307 型電導(dǎo)率儀，HZX-500電子天平等。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

論文實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試膨脹珍珠巖、沸石、膨潤(rùn)土、蛭石四種非

金屬礦物基質(zhì)及按不同比例混合的理化性質(zhì)并與普通土壤對(duì)比，混合基質(zhì)質(zhì)量配比見(jiàn)表1。

表1 非金屬礦物基無(wú)土栽培基質(zhì)的混合質(zhì)量比

1.4 測(cè)試方法

pH 值和電導(dǎo)率測(cè)定方法[3]：將膨脹珍珠巖、沸石、膨潤(rùn)土、蛭石分別與蒸餾水按體積比 1∶5 混合，充分?jǐn)嚢?3min，浸泡時(shí)間分別為1、2、 4、6、8、10、12、14、16 h，過(guò)濾、靜置，利用pH 計(jì)和電導(dǎo)率儀測(cè)定不同浸泡時(shí)間對(duì)應(yīng)值。

基質(zhì)孔隙度的測(cè)定采用飽和重力排水法，包括總孔隙度、持水孔隙度、通氣孔隙度及水氣比的測(cè)定[4]。取一次塑料杯稱其質(zhì)量(W1)，將50 mL待測(cè)基質(zhì)裝入杯中，稱質(zhì)量(W2)，將裝有50 mL基質(zhì)的杯加滿水，浸泡 24 h，倒去多余水，稱重，即為飽和水狀態(tài)下質(zhì)量(W3)，將杯上口用一已知質(zhì)量(W4)的紗布包住，以防止細(xì)小顆粒滲出，把杯倒置至沒(méi)有水分滲出，稱其質(zhì)量(W5)。

計(jì)算公式為：

持水孔隙度=總孔隙度-通氣孔隙度

式中：W1：所用塑料杯質(zhì)量；W2：基質(zhì)裝入塑料杯后的質(zhì)量；W3：飽和水狀態(tài)下的質(zhì)量；W4：紗布的質(zhì)量；W5：水份自由瀝干后的質(zhì)量；W1～W5的單位為 g。

滲透系數(shù)采用滲透系數(shù)測(cè)試儀測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 基質(zhì)的化學(xué)性能

對(duì)植物生長(zhǎng)影響較大的基質(zhì)化學(xué)性能主要是化學(xué)穩(wěn)定性，酸堿性，物理化學(xué)吸收能力、緩沖能力和電導(dǎo)率。非金屬礦物構(gòu)成的基質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性一般較好，實(shí)驗(yàn)選作無(wú)土栽培基質(zhì)的膨脹珍珠巖、沸石、膨潤(rùn)土、蛭石都具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和物理化學(xué)吸收能力，因此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)基質(zhì)的化學(xué)性能重點(diǎn)研究礦物基質(zhì)的pH值和電導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2～5。

表2 非金屬礦物基無(wú)土栽培基質(zhì)的pH值

表3 不同比例非金屬礦物混合基質(zhì)的pH值

注：0普通土壤；1～8分別對(duì)應(yīng)不同比例的混合基質(zhì)。

表4 非金屬礦物基無(wú)土栽培基質(zhì)的電導(dǎo)率

表5 不同比例非金屬礦物混合基質(zhì)的的電導(dǎo)率

注：0普通土壤；1～8分別對(duì)應(yīng)不同比例的混合基質(zhì)。

從表1和表2可以看出：四種非金屬礦物單一pH值和按不同比例混合的pH值隨浸泡時(shí)間的變化不大，即較為穩(wěn)定；表2中沸石和表3中沸石比例較大的4號(hào)和6號(hào)樣的pH值稍大，是因?yàn)榉惺邢鄬?duì)較多的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等離子；單一非金屬礦物及混合物偏微堿性，普通土壤偏微酸性，但都較接近中性，因此，適合用作無(wú)土栽培基質(zhì)。

電導(dǎo)率反映基質(zhì)中可溶鹽分的多少，影響基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)平衡。表4中沸石、表5中沸石比例較大的4號(hào)和6號(hào)樣電導(dǎo)率較大，說(shuō)明沸石中含有較多可溶性離子，蛭石中可溶性離子較少。表3中pH值和表5電導(dǎo)率各不相同，說(shuō)明將非金屬礦物按不同比例混合后形成的基質(zhì)具有一定的緩沖能力，并且可將其電導(dǎo)率調(diào)節(jié)至與普通土壤接近。

2.2 基質(zhì)的物理性能

對(duì)植物生長(zhǎng)影響較大的基質(zhì)物理性能主要有容重、總孔隙度、持水能力、通氣孔隙度、持水孔隙、氣水比和滲透系數(shù)等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6、表7。

現(xiàn)如今體育課堂中圍繞課程展開(kāi)的教學(xué)形式依然存在，有的教師帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)體育知識(shí)，或者邊講邊示范。課程的枯燥無(wú)味給學(xué)生帶來(lái)困意，導(dǎo)致學(xué)生的興致不高。傳統(tǒng)的教育方式早已不適合現(xiàn)代化教育的理念，應(yīng)用多媒體教學(xué)，順應(yīng)時(shí)代潮流、緊隨時(shí)代腳步，首先在本質(zhì)上是學(xué)生們感興趣的。多媒體直觀地展現(xiàn)出教師需要傳授的內(nèi)容，教學(xué)動(dòng)畫(huà)的展現(xiàn)、聲音效果的體現(xiàn)，更易抓住學(xué)生們的眼球。多媒體為體育教育信息化的發(fā)展提供了便利：①開(kāi)拓學(xué)生們的知識(shí)領(lǐng)域，使學(xué)生看見(jiàn)與往常不同的體育；②縮短教學(xué)時(shí)間，為學(xué)生爭(zhēng)取更多的自由活動(dòng)時(shí)間；③強(qiáng)化以學(xué)生為核心的體育教學(xué)體系；④促進(jìn)師生之間的交流，加強(qiáng)老師和學(xué)生對(duì)體育的認(rèn)知。

表6 非金屬礦物基無(wú)土栽培基質(zhì)物理性能

表7 不同比例非金屬礦物混合基質(zhì)物理性能

注：0普通土壤；1-8分別對(duì)應(yīng)不同比例的混合基質(zhì)；基質(zhì)體積50 mL。

2.2.1 容重

容重是指單位體積基質(zhì)的干重量，與基質(zhì)的粒徑、總孔隙度有關(guān)，它反映基質(zhì)的疏松或緊實(shí)程度。容重小，基質(zhì)疏松、透氣性好、但不易固定植物根系；容重過(guò)大，則基質(zhì)過(guò)于緊實(shí)，透氣透水性差，不利于作物生長(zhǎng)?；|(zhì)理想容重范圍在0.1～0.8 g/cm3，最好容重為0.5 g/cm3[5]。由表6可知，膨潤(rùn)土容重重大，沸石次之，蛭石居中，珍珠巖容重最小，膨潤(rùn)土容重比珍珠巖大703.6%。由表7可知，將非金屬礦物按不同比例混合，可將其容重調(diào)整到0.32～0.505 g/cm3之間，低于普通粘土容重，屬中容重基質(zhì)，非常適合城市垂直綠化、屋頂綠化、居室及陽(yáng)臺(tái)綠化、微型草坪等方面的無(wú)土栽培。

2.2.2 總孔隙度、持水能力、通氣孔隙度、持水孔隙

總孔隙度是指基質(zhì)中持水孔隙和通氣孔隙的總和，以相當(dāng)于基質(zhì)體積的百分?jǐn)?shù)表示(%)。總孔隙度大的基質(zhì)疏松，通透性良好，有利于植物根系生長(zhǎng)，但固定作用較差，易倒伏；而總孔隙度小的基質(zhì)雖利于植物固定，但不利于根系發(fā)育，通?；|(zhì)的總孔隙度在54%～96% 時(shí)為宜[6]。

通氣孔隙也叫大孔隙，是指基質(zhì)中空氣所能夠占據(jù)的空間。通氣孔隙大，水不會(huì)吸持在這些孔隙中而隨重力作用流走。

持水孔隙也叫小孔隙，是指基質(zhì)中水分所能夠占據(jù)的空間，反映基質(zhì)持水能力的指標(biāo)。持水孔隙大，水分由于毛細(xì)管作用而被吸持的越多。

從表6可以看出：四種礦物相比較而言，珍珠巖和蛭石總孔隙度小，但持水能力較大；沸石和膨潤(rùn)土的總孔隙度較大，但持水能力小。這與礦物內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。珍珠巖內(nèi)部呈蜂窩狀孔隙，表層為玻璃質(zhì)，因此，持水能力較大，總孔隙度較?。惶烊环惺瘍?nèi)部存在著大量的排列有序、大小均勻、彼此貫通并與外界相連的孔穴和孔道，因此，總孔隙度大，持水能力小；膨潤(rùn)土為層狀結(jié)構(gòu)，吸水膨脹，總孔隙度增大，且有一定的保水能力。蛭石也為層狀結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)吸水力，但選用的蛭石為容重較大的粒狀蛭石，層間孔隙較小，因此，總孔隙度小。

由表7可知，非金屬礦物按不同比例混合，其總孔隙度可以按需要調(diào)整，如6號(hào)樣總孔隙度91.2%、4號(hào)樣總孔隙度99.9%，符合常用基質(zhì)要求。

2.2.3 氣水比

氣水比是指通氣孔隙和持水孔隙之比。因?yàn)榭偪紫抖戎荒芊从骋环N基質(zhì)中能夠容納空氣和水分空間總和，但它不能反映基質(zhì)中能夠容納空氣和水分各自的空間，而氣水比能夠反映出基質(zhì)中氣水之間的情況 。一般講大小孔隙比在1∶(2～4)范圍內(nèi)作物均能良好生長(zhǎng)[6]。

由表6可知，珍珠巖氣水比0.913，說(shuō)明珍珠巖能夠容納空氣和水分的空間接近；沸石氣水比0.307，說(shuō)明沸石能夠容納空氣的空間是容納水分空間的30.7%；膨潤(rùn)土氣水比0.579 ，說(shuō)明膨潤(rùn)土能夠容納空氣的空間是容納水分空間的57.9%；蛭石0.384，說(shuō)明蛭石能夠容納空氣的空間是容納水分空間的38.4%。與表6相比，表7混合基質(zhì)氣水比發(fā)生較大變化，說(shuō)明采用多種礦物混合，可改變基質(zhì)容納空氣和水分的空間，調(diào)節(jié)保水性和通氣性。

2.2.4 滲透系數(shù)

滲透系數(shù)反映基質(zhì)的透水性和通氣性，基質(zhì)的滲透系數(shù)高，基質(zhì)不易持水，灌水后易滲漏，造成水源的浪費(fèi)；滲透系數(shù)低，基質(zhì)保水性好，但通氣性較差，影響植株根系的呼吸與生長(zhǎng)[7]。

由表6可知，珍珠巖滲透系數(shù)最大，沸石滲透系數(shù)最小，膨潤(rùn)土和蛭石滲透系數(shù)居中。說(shuō)明珍珠巖雖然能力持水能力較大，但不易保持；沸石持水能力雖不及珍珠巖，但持水孔隙大，吸水后能夠保水，通氣性較差。表7可知3號(hào)樣品珍珠巖比例最大，樣品的滲透系數(shù)也最大；4號(hào)樣品沸石比例最大，樣品的滲透系數(shù)最小。通過(guò)改變混合基質(zhì)配比，可以獲得適合不同植物需要的基質(zhì)滲透系數(shù)。

3 結(jié)論

(1)膨脹珍珠巖、膨潤(rùn)土、蛭石、沸石等非金屬礦物具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和物理化學(xué)吸附能力；酸堿度接近中性，電導(dǎo)率適中，具有一定的緩沖能力。適合做為無(wú)土栽培基質(zhì)。

(2)膨脹珍珠巖容重小，膨潤(rùn)土容重重大，沸石、蛭石容重居中，將他們按不同比例混合，可將其容重調(diào)整到0.32～0.505 g/cm3

之間，低于普通粘土容重，屬中容重基質(zhì)，適合城市垂直綠化、屋頂綠化、居室及陽(yáng)臺(tái)綠化、微型草坪等方面的無(wú)土栽培。

(3)膨脹珍珠巖持水能力、氣水比和滲透系數(shù)較大；沸石總孔隙度大，持水能力適中，氣水比、滲透系數(shù)較??；膨潤(rùn)土總孔隙度、氣水比和滲透系數(shù)大，持水能力適中；蛭石總孔隙度小，持水能力和滲透系數(shù)較大，氣水比適中。將他們按不同比例混合后，可滿足不同植物需要的無(wú)土栽培基質(zhì)理化性能要求。珍珠巖、沸石、膨潤(rùn)土和蛭石質(zhì)量比為1∶5∶2∶2時(shí)混合基質(zhì)最優(yōu)。

(4)非金屬礦物基無(wú)土栽培基質(zhì)自身含有植物需要的礦物成分，保水、保肥、通氣性好，無(wú)毒、無(wú)菌、無(wú)異味，使用時(shí)根據(jù)不同植物種類(lèi)添加營(yíng)養(yǎng)液即可使用，且可重復(fù)利用。

[1] 安 杰，于 丹，孟義春，等. 高爐水渣用于無(wú)土栽培基質(zhì)的可行性[J]．遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34(6):572.

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(本文文獻(xiàn)格式：王曉芳，郭洪燃，顧倩南，等.非金屬礦物基無(wú)土栽培基質(zhì)理化性能研究[J].山東化工,2017,46(5):14-17,21.)

The Research of the Physical and Chemical Characteristics of Soilless Cultivation Substrates base on Non-metallic Mineral

WangXiaofang1,GuoHongran2,GuQiannan1,QinMingming1,BuQianqiong1,WangYuxiao1,JiaYufang1,LiuPeng1

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Xinyang Normal University，Xinyang 464000,China；2. Henan Xinyang Senior High School, Xinyang 464000,China)

Four kinds of non-metallic miner including perlite, zeolite,bentonite and vermiculite were being selected as soilless culture substrates during the experiment.Their physical and chemical properties such as the PH value,conductivity,Porosity,and Permeability coefficient were measured. Test results showed that the acidity of the four kinds of mineral was close to neutral,while conductivity was moderate,showing that they were suitable for soilless culture substrate. Another finding was that physical properties of the Substrate were related to the internal space structure of the mineral. Generally speaking,perlite had smaller bulk density and total porosity,while the water-holding capacity,gas water ratio,and permeability coefficient were larger; zeolite had larger total porosity,the water-holding ability was moderate,however its gas water ratio and permeability coefficient were smaller; bentonite had large total porosity,gas water ratio and permeability coefficient,while its water-holding ability was moderate; For vermiculite,it had smaller total porosity,larger water-holding capacity and permeability coefficient ,but the gas water ratio was moderate. After mixing them together in different proportions,the physical and chemical properties were notably improved. The physical and chemical performance achieved its best when the mix mass ratio of perlite,zeolite and bentonite,and vermiculite was 1∶5∶2∶2.

non-metallic mineral;soilless culture;substrate;physical and chemical characteristics

2017-02-22

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610477031)

王曉芳(1994—)，女，大學(xué)生；通訊作者： 劉 鵬(1966-)，男，教授，研究方向：無(wú)機(jī)非金屬材料。

S317；TD985

A

1008-021X(2017)05-0014-04