基質(zhì)物理性質(zhì)及其調(diào)制

王忠強(qiáng)，孟憲民（東北師范大學(xué)泥炭研究所，長(zhǎng)春 130024）

基質(zhì)物理性質(zhì)是決定基質(zhì)功能和使用效果的關(guān)鍵指標(biāo)，基質(zhì)物理性質(zhì)包括氣容積、有效水容積、無(wú)效水容積、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和水分潤(rùn)濕性質(zhì)。要獲得理想的基質(zhì)物理性狀，基質(zhì)制備是必須科學(xué)采用特定物料的多種粒徑，通過(guò)科學(xué)組配才能調(diào)制出最佳水氣條件，創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的孔隙空間，保證基質(zhì)的潤(rùn)濕性質(zhì)，從而提高基質(zhì)的使用效果。

持水性

專業(yè)基質(zhì)的一個(gè)重要功能就是要在沒(méi)有減少氧氣供應(yīng)條件下，為植物根系提供充足水分?；|(zhì)持水性就是基質(zhì)對(duì)水的吸持能量?；|(zhì)對(duì)水的吸持力越小，對(duì)植物的有效性越高，當(dāng)基質(zhì)對(duì)水分的吸持力小于大地重力時(shí)，基質(zhì)內(nèi)的水分就會(huì)滲出基質(zhì)，為基質(zhì)騰出空氣空間[1]。

在基質(zhì)水勢(shì)0～-1 kPa吸力范圍內(nèi)，基質(zhì)對(duì)水分吸力很弱，這部分水分因?yàn)橹亓Υ笥诨|(zhì)吸力而向下滲出基質(zhì)。水分自由流出基質(zhì)后，基質(zhì)空隙騰出的空間就會(huì)被空氣迅速填充，所以這部分空間稱為空氣孔隙?；|(zhì)空氣體積占總體積的百分比，是基質(zhì)通氣性的重要指標(biāo)，是植物根系氧氣主要來(lái)源，理想基質(zhì)的空氣孔隙度應(yīng)該在26% 左右[2]。

基質(zhì)水勢(shì)達(dá)到-1～-5 kPa時(shí)，基質(zhì)對(duì)水分的吸持力增強(qiáng)，水分不能滲出基質(zhì)，但很容易被植物根系吸收，這部分水分稱為有效水?？梢詫⒐坛衷诨|(zhì)孔隙中又能被植物根系吸收的水分占基質(zhì)總體積的百分比則稱為有效水孔隙度。理想的專業(yè)基質(zhì)有效水含量應(yīng)該為基質(zhì)體積的33%左右。

在基質(zhì)水勢(shì)-5～-10 kPa吸力下，基質(zhì)對(duì)水分吸力更強(qiáng)，這是植物生理可以適應(yīng)、不會(huì)萎蔫的最低水量，因此這部分水量稱為緩效水。通常緩效水占基質(zhì)總體積的4%左右。

如果基質(zhì)對(duì)水的吸力超過(guò)-10 kPa，基質(zhì)水吸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了植物根系的吸力，即使基質(zhì)中有大量水分存在，仍然不能被植物根系吸收利用，所以這部分水分被稱為無(wú)效水。

了解基質(zhì)中基質(zhì)吸力與空氣容積、有效水容積、緩效水容積和無(wú)效水容積的關(guān)系，是基質(zhì)調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)。要科學(xué)調(diào)制基質(zhì)，還必須研究不同分解度、不同顆粒粒徑對(duì)基質(zhì)不同孔隙形成的影響，以便合理利用各種基質(zhì)原料，合理調(diào)配不同粒徑的不同原料，達(dá)到獲得理想水氣指標(biāo)的目的。

不同分解度泥炭具有不同的空氣體積、有效水體積和緩效水體積。分解度越高，泥炭顆粒越細(xì)，空氣體積越少，通氣性變差，緩效水體積增加的越多。同樣分解度的泥炭，弱分解蘚類泥炭比強(qiáng)分解泥炭具有更好的物理性狀，水分吸持能力強(qiáng)，通氣能力大（表1）。

表1 不同分解度泥炭的水氣比例

泥炭顆粒粒徑不同，對(duì)水的吸持能力和通氣能力也有較大影響。從表2可見(jiàn)，不同泥炭粒徑的基質(zhì)吸水和通氣容量差異明顯。泥炭顆粒越大，基質(zhì)的空氣空隙越高，有效水分隨之降低，緩效水量變化不大。理想水分、通氣比例基質(zhì)的原料粒徑為 10～20 mm。

表2 不同粒徑分布白泥炭的持水曲線

根據(jù)不同基質(zhì)持水曲線上的水和氣容積，可以看到理想基質(zhì)的最佳空氣容積應(yīng)占基質(zhì)總?cè)莘e的25%左右，有效水容積應(yīng)占35%左右，緩效水容積應(yīng)占5%左右，無(wú)效水體積應(yīng)占25%左右?；|(zhì)原料指標(biāo)和上述理想基質(zhì)的技術(shù)指標(biāo)越接近，越適合用于制備該類基質(zhì)。如果技術(shù)指標(biāo)差距較遠(yuǎn)，就要通過(guò)多種原料配合使用，才能達(dá)到上述指標(biāo)要求。

目前人工調(diào)制基質(zhì)可以分為4種，不同基質(zhì)具有不同的水分特征和空氣含量，適應(yīng)不同的作物類別（圖1）。

Ⅰ類基質(zhì)：具有高度水分有效性和高通氣，其有效水體積大于25%，空氣體積大于＞25% 。這種基質(zhì)特性雖然易于從蘚類泥炭調(diào)制獲得，但也可以通過(guò)多種原料調(diào)制得到上述優(yōu)良性狀。這種理想基質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)在于水分管理方便，限制因素少。

Ⅱ類基質(zhì)：具有較高水分有效性和較弱通氣性。由于基質(zhì)顆粒較細(xì)，因此比Ⅰ類基質(zhì)持水性更強(qiáng)。該類基質(zhì)的主要缺點(diǎn)是有阻斷植物根系氧氣供應(yīng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)分解泥炭和草本泥炭就是典型例子。

Ⅲ類基質(zhì)：具有低水分有效性和高通氣。此類基質(zhì)如果單獨(dú)用，需要頻繁的低劑量灌溉。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。

圖1 不同基質(zhì)的持水曲線

Ⅳ類基質(zhì)：具有高水分有效性、低水分緩沖性。這類基質(zhì)的纖維內(nèi)部含水很少或基本沒(méi)有，水主要儲(chǔ)存在顆粒接觸點(diǎn)附近。這些顆粒結(jié)構(gòu)材料包括巖棉、木纖維等?；|(zhì)對(duì)分吸持能量太小，導(dǎo)致水分布不規(guī)則，在栽培容器中上部基質(zhì)中具有極高的氣水比，而在栽培容器的底部氣水比則極低。因?yàn)榇祟惢|(zhì)水分有效性高，但緩沖容量極低，所以需要持續(xù)灌溉供水。

對(duì)于顆粒10～20 mm的弱分解蘚類泥炭，顆粒0～25 mm的弱分解蘚類泥炭和顆粒10～20 mm的弱分解蘚類泥炭來(lái)說(shuō)，其水分吸力特征曲線與理想基質(zhì)水分吸力曲線十分相似，可以直接采用一種或多種上述物料制備專業(yè)基質(zhì)。而0～10 mm的弱分解蘚類泥炭、中高分解的蘚類泥炭、中高分解的草本泥炭和椰糠粉末來(lái)說(shuō)，由于纖維細(xì)碎，孔隙細(xì)小，會(huì)形成低空氣體積、低有效水分、高無(wú)效水分的水分特征曲線，一般適合用于制備種苗基質(zhì)。對(duì)于木纖維、0～10 mm新鮮樹(shù)皮、0～10 mm發(fā)酵堆肥、椰塊、珍珠巖、粗砂等，往往會(huì)形成高空氣孔隙、高水分有效性，低緩沖水或無(wú)效水的水分特征曲線，通氣極好，但也漏水漏肥，只有那些極端喜歡通氣性的植物才會(huì)使用這種基質(zhì)栽培。巖棉完全是另一種基質(zhì)原料，具有高通氣性、高水分有效性和低水分緩沖性特點(diǎn)，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，所以需要持續(xù)灌溉供水。綜上所述，基質(zhì)原料選擇主要依據(jù)其通氣性和持水性，除了蘚類泥炭之外，很少具有同時(shí)擁有持水性和通氣性2種優(yōu)異屬性的基質(zhì)原料，所以要生產(chǎn)優(yōu)良基質(zhì)，最好采用蘚類泥炭或者使用長(zhǎng)纖維的草本泥炭。

基質(zhì)的潤(rùn)濕性

生產(chǎn)上經(jīng)常遇到基質(zhì)水分偏干，使用時(shí)無(wú)法吸水，影響育苗和栽培工作的進(jìn)行。導(dǎo)致基質(zhì)不在吸水的主要原因是基質(zhì)潤(rùn)濕性質(zhì)改變?；|(zhì)原料潤(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)蒸發(fā)作用或者根系吸收散發(fā)消耗水分后，基質(zhì)變干，能否重新吸水取決于基質(zhì)吸收水分效率。基質(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[2]。

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，即與水平行，對(duì)水幾乎沒(méi)有親和力。無(wú)機(jī)礦物材料一般都具有顯著的親水特征[3]，而大多數(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，因?yàn)楦淖兞吮砻鏉?rùn)濕活性，就具有了憎水特征。高分解蘚類泥炭干燥后比弱分解蘚類泥炭的憎水性更強(qiáng)。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)程中原料干燥和不良灌溉習(xí)慣是導(dǎo)致基質(zhì)憎水的主要原因。

解決基質(zhì)憎水性的辦法有2個(gè)：一是基質(zhì)中添加表面活性物質(zhì)，降低基質(zhì)顆粒的潤(rùn)濕角。這樣在干燥的基質(zhì)再潤(rùn)濕時(shí)，可以比較快地濕潤(rùn)，保證基質(zhì)應(yīng)用的正常進(jìn)行。第二，是在基質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中，保持基質(zhì)合理的濕度，避免基質(zhì)過(guò)度干燥，就不會(huì)造成基質(zhì)吸水性能地下降[4]。但是，如果保持基質(zhì)的濕度就會(huì)增加基質(zhì)的重量，提高運(yùn)輸成本，增加用戶負(fù)擔(dān)。雖然基質(zhì)計(jì)量以體積為單位，適當(dāng)提高基質(zhì)濕度，不會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量事故發(fā)生，但基質(zhì)生產(chǎn)、儲(chǔ)備、運(yùn)輸、銷售過(guò)程中，基質(zhì)水分不可避免散失，仍然會(huì)直接影響基質(zhì)的使用效果。作為基質(zhì)生產(chǎn)者，為了基質(zhì)使用效果和育苗的安全，就不得不使用潤(rùn)濕劑。為了解決基質(zhì)憎水矛盾，影響基質(zhì)吸水效率，目前多數(shù)基質(zhì)企業(yè)都采取向基質(zhì)中添加潤(rùn)濕劑方式予以解決，效果也非常理想。

圖3 水滴在基質(zhì)表面的接觸角[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，還要在運(yùn)輸、使用和植物生長(zhǎng)過(guò)程中維持基質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不變。在基質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，基質(zhì)特別是發(fā)酵生物質(zhì)基質(zhì)中所含有機(jī)物未發(fā)酵徹底、基質(zhì)灌溉的旱澇交替、基質(zhì)原料抗分解能力的差異，都可能在運(yùn)輸、儲(chǔ)藏和使用過(guò)程中影響基質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，產(chǎn)生嚴(yán)重的水氣平衡失調(diào)問(wèn)題。根據(jù)基質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以將基質(zhì)原料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性劃分為3種類型：

（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，如蛭石、珍珠巖和樹(shù)皮等。

（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，中高分解的草本泥炭和蘚類泥炭就是這種物料的典型代表。

（3）中間材料，具有假?gòu)椥孕袨?，在干時(shí)體積收縮，但濕潤(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，弱分解的蘚類泥炭就具有如此特征。

表征基質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的指標(biāo)是單位體積基質(zhì)在單位重力下基質(zhì)厚度的變化、吸水干燥后基質(zhì)的收縮率以及一定時(shí)間內(nèi)基質(zhì)分解度的變化。

要尋找同時(shí)具備適宜通氣性和保水性的基質(zhì)原料并不容易。事實(shí)上，只有低分解蘚類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)，還是從原料來(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，所以泥炭仍然是專業(yè)基質(zhì)和無(wú)土栽培系統(tǒng)不可缺少的原料。但是，泥炭中可以通過(guò)添加一些材料，特別是添加一些改善基質(zhì)通氣性能的材料等方式間接減少泥炭在基質(zhì)中的使用量。