专业基质的关键因子

泥炭的物理特性：专业基质的关键因子

J-C Michael1　著　孟宪民2　译

(1　法国国立园艺学院　昂热　2　东北师范大学泥炭沼泽研究所　长春　130024 )

摘　要：本文定义了影响植物根系利用空气和水分的基质物理性能指标(持水性、可湿性、稳定性)，该指标目前被广泛用于评估基质原材料性能。泥炭物理性质分析结果证明，弱分解(H1-H5)的藓类泥炭对基质生产是不可缺少的，尽管泥炭替代材料可以提高基质通透性能，但尚未有任何材料能够达到泥炭所具有的优良性能。

关键词：空气体积　持水性　润湿性

The Physical Properties of Peat: a Key Factor for Modern Growing Media

J-C.Michel1 write Meng Xianmin2 translate

(1 Agrocampus ouest, Angers, France　2 Institute for Peat and Mire Research, Northeast Normal University, Northeast Normal University, Changchun 130024)

Abstract: This article identifies criteria for assessing the physical properties(water retention characteristics, wettability and physical stability)of growing media which influence the availability of air and water to plant roots.The various materials that are currently in use are assessed for these properties.The analysis of physical properties indicates that weakly decomposed(H1–H5, generally referred to as white)Sphagnum peat is still indispensable for soil-less horticulture.Whilst a number of materials can be used as peat additives, especially to improve aeration, no alternative products with equivalent physical properties are available at present.

Key words: air volume content; water retention; wettability

无土栽培体系受容器大小限制而使根系容积极小，从而难以抵抗温度、水分和营养浓度的频繁变化。栽培基质除了必须提供正常原位土壤的的锚定植物功能之外，还必须具备提供充足的营养、水分和氧气的物理功能。为达到这一目的，包括泥炭在内的多种材料被作为无土栽培的基质使用。本文的目的就是为了定义和阐明影响基质氧气和水利用有效性的主要物理性质，并评估其他材料的可能性。

1　持水性

基质的物理属性最基本的一条是在没有减少氧气供应条件下，为根系提供充分水分。基质的这一性状的检测主要依据于基质中水分和空气体积比例，而这个比例与水分在基质中的水势相关，也即基质对水的吸持能量。

1.1　检测方法

因为基质的物理性质很大程度上受基质包装方式影响，所以检测材料的取样和处理都必须遵照欧盟标准NF EN 13041 (2000)进行。用手将两个PVC样筒(直径14 cm，高度14 cm)填满基质，慢慢地从底部润湿，等待24小时至饱和，然后在水势-3.2 KPa条件下平衡48小时。腾空样品筒，混匀待测材料，用一个较小的PVC样筒(直径10 cm，高度5 cm，体积393 cm)，无压实地填入待试材料，慢慢从底部浸湿24 h。四次重复测定，样品间测定误差不超过2%。

基质持水性采用Van Djik&Boekel 1965年最先提出的方法测定。将样品放在吸力表上面的一个小型样筒中，在-1～-10 kPa水势下排出水分，测定基质中的水分含量。

1.2　物理特性

根据上述方法测定的水分吸持曲线，可以看到基质水分、空气具有以下性质(图1):

(1)基质总孔隙度：基质中由空气和水分体积之和占基质总体积的百分比，即基质总体积减去固体物质体积。

(2)基质空气孔隙度：也称为气体充填体积，即在饱和状态下(水势=0 kPa)基质大孔隙中的水分所占据的体积。在0～-1 kPa水吸力范围内，所含水分为非吸持的自由水，易于因重力作用排出基质，腾出空间随即被空气取代。

(3)基质有效水：固持在基质孔隙中又能被植物根系吸收的水分占基质总体积的百分比。根据植物根系吸收能力，基质有效水可定义为-1～-10 kPa吸力固持的水分体积。

(4)基质缓冲水：基质在水势-5～-10 kPa之间吸持的水量，这部分水量是植物生理可以适应、不会萎蔫的最低水量。

(5)基质无效水：水吸力大于-10 kPa的水量。基质对水的吸持力大于植物根系吸水力，所以称为无效水。

图1　水分吸持曲线的关键特征

Fig.1 Key features of an example water retention curve

1.3　不同类型泥炭的持水特性

从物理学观点看，不同类型泥炭可以根据其植物种属、分解度和颗粒大小进行划分。对同样分解度的泥炭，藓类泥炭一般比灰分含量较高的草本泥炭和其他类型泥炭具有更好的物理性状，具有较强的水分吸持能力和较差的通气能力。同样是藓类泥炭，与分解度较低的白泥炭相比，分解度较高(H6～H8)的黑泥炭结构明显变差。从泥炭纤维降解的角度看，分解度大的泥炭出现了更细的颗粒结构，因此，这样的泥炭就会在使用过程中出现通气性变差和基质初始性状的丧失，产生不可逆的体积缩减(图2)。

泥炭也可以根据颗粒粒径分布(粒度)划分种类，根据基质原料是细粒还是粗粒的不同，基质吸水和通气容量差异明显(见图3)。粒度的差异可能来自于几个因素：首先，泥炭分解度(年龄的因素)可能从白泥炭到其他泥炭都有极大的差异(如波罗的海泥炭一般比爱尔兰泥炭年轻)。其次，开采方法(块状开采和粉末开采)和干燥过程也会造成泥炭原始结构的改变。第三，泥炭结构也可能在基质生产过程中受到改变(粉碎、调制、筛分等等)。

图2　不同分解度的泥炭的持水曲线

Fig.2 Examples of retention curves of different types of peat at various degrees of decomposition, and consequences in terms of physical characteristics

1.4　基质的分类

对园艺应用而言，基质可以根据持水曲线划分为四种类型(图4)：

Ⅰ类基质：高度水分有效性(大于25% V/V)和高水分缓冲性的通气基质(空气体积大于>25% V/V)。这些特征可在藓类泥炭上得到显现，但由多种原料配合的基质也能得到上述优良性状。这是一种理想的基质类型，因为它有现实可行的灌溉需求，在水分管理中很少受到限制。

图3　不同粒径分布白泥炭的持水曲线

Fig.3 Examples of water retention curves of white Sphagnum peat with different particle size distributions

Ⅱ类基质：较高水分有效性的弱通气基质。由于基质的颗粒较细，因而比类型1具有较强的持水性。该基质的主要缺点是具有切断植物根系氧气供应的潜在风险。黑泥炭就是典型的例子。非藓类泥炭一般与类型2基质性质相似。

Ⅲ类基质：低水分有效性的高通气基质。如果单独用，低水分有效性基质需要频繁低剂量灌溉。因此，这种基质需要混合Ⅰ类基质和Ⅱ类基质以便改进通气性。许多有机、矿物原料具有这些特征，如树皮(新鲜的和发酵的)树木纤维、珍珠岩和火山灰。

Ⅳ类基质：高水分有效性低水分缓冲容量的通气基质。类别中包括具有纤维结构的材料，如岩棉、木质纤维(纤维内部含水很少或基本没有，水主要储存在纤维接触点附近。低水分吸持能量的后果是水分布的不规则性，在容器中上部具有极高的气：水比，而在容器的底部气：水比极低。除了高水分有效性以外，由于这种基质缓冲容量极低，所以需要持续的灌溉监测。

选择基质原料主要依据它们的通气性和持水性。同时拥有两种优异属性的材料是少见的(Ⅰ类基质)，所以基质原料最好采用藓类泥炭(图4)。

图4　不同基质原料的持水曲线

Fig.4 Examples of water retention curves for different materials used as growing media

2　润湿性

基质原料的润湿性是指原料干燥后的再润湿能力，这是基质的重要性能，在基质通过蒸发作用或者通过根系与蒸散发作用消耗水分后，基质的润湿性决定了基质和植物吸收水分的效率。基质润湿性可以用水滴浸润时间(WDPT)的定性属性来表述，也可以用水滴在固体表面的接触角来定量表示(图5)。

一般来说，水滴在固体材料表面的接触角小于90°时，这种材料就可以称为亲水材料(即水可浸润的，对水有强烈亲和力)，当接触角大于90°时，这种材料就可以称为憎水材料(或水平行，对水几乎没有亲和力)。矿物材料一般都具有显著的亲水特征，而基质中所用的大多数有机材料除椰糠外大多是憎水的，这些有机材料在过度干燥后，就具有了憎水特征。如果把泥炭彻底天然干燥，高度分解的藓类黑泥炭能比轻度分解的白泥炭更具有憎水特性。显然这是一个在灌溉管理中必须予以认真考虑的问题。在众多导致基质憎水特征的因素中，基质生产过程的一些操作过程如原料干燥和灌溉监测过程中的一些错误是最主要的来源。

图5　水滴在固体表面的接触角(θ)(左为吸水材料，右为疏水材料)

Fig.5 Contact angle (θ)of a drop of water on a solid surface

3　物理稳定性

基质不仅要有生产之初的结构稳定性，还要在植物生长过程中维持基质结构稳定不变。在基质物理稳定性主要指标上，包括基质(特别是发酵生物质基质)中所用有机物未经发酵、基质灌溉的频繁旱涝交替都可能在植物生长过程中影响基质结构的稳定性，产生严重的憎水问题。根据基质物理稳定性，可以划分三种基质原料类型：

(1)物理稳定的刚性材料，干湿交替不会导致基质总体积和固相与孔隙空间的变化。

(2)物理不稳定的弹性材料，干时收缩，湿时膨胀，同时产生不可逆的总体积减少和相当大的孔径分布改变，导致通气程度降低，持水程度增加。

(3)中间材料，具有假弹性行为，在干时体积收缩，但湿润时体积能完全恢复到原状，基质物理性质没有根本改变(例如白泥炭)。

4　结论

市场上少见拥有适宜通气性和保水性的基质原料。事实上，只有白泥炭和一些由多种原料配合起来的基质才能满足植物需要的物理效果。无论从质量上说，还是从来源可靠性上说，目前还没有完全完全满意的泥炭替代材料，所以泥炭仍然是无土栽培系统不可缺少的材料。但是，泥炭中可以添加一些材料，特别添加一些改善基质通气性能的材料，这有助于间接减少泥炭在基质中的使用量。

致谢与参考文献(略)

译自：Mires and Peat，2010，Volume 6，Article 02：1～6。