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(mǎn)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(xiàn)，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(chēng)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(chēng)為無(wú)效水。

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

1.3 不同類(lèi)型泥炭的持水特性

從物理學(xué)觀點(diǎn)看，不同類(lèi)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(lèi)泥炭一般比灰分含量較高的草本泥炭和其他類(lèi)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(lèi)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(lèi)，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(lèi)

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

Ⅰ類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)基質(zhì)性質(zhì)相似。

Ⅲ類(lèi)基質(zhì)：低水分有效性和高通氣性基質(zhì)。此類(lèi)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(lèi)基質(zhì)和Ⅱ類(lèi)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(lèi)基質(zhì)：高水分有效性低水分緩沖容量的通氣基質(zhì)。此類(lèi)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(lèi)基質(zhì))，所以基質(zhì)生產(chǎn)最好采用蘚類(lèi)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(chēng)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(chēng)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(lèi)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(lèi)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(mǎn)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(mǎn)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。