泥炭的物理特性：基质的关键因子

J-C Michael 著 孟宪民 译

(1 法国国立园艺学院 昂热 49000 2 东北师范大学泥炭沼泽研究所 长春 130024)

基质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、水分和营养浓度的剧烈变化。栽培基质除了必须提供原位土壤的的锚定植物功能之外，还必须能够提供充足营养、水分和氧气。为达到这一目的，必须泥炭与各种材料配合制备。本研究目的就是定义和阐明影响基质氧气和水有效性主要物理性质，并评估其他泥炭替代材料的可能性。

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，为植物根系提供充足的水分。基质的持水性状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所影响，所以检测材料的取样和处理都必须严格要求。

本试验严格遵照欧盟标准NF EN 13041(2000)进行，先用手将两个PVC样筒(直径为14 cm，高度为14 cm)填满基质，慢慢地从底部润湿基质，等待24 h达到饱和，然后在水势-3.2 KPa吸力条件下平衡48 h。腾空样品筒，将待测材料混匀，用一个较小的PVC样筒(直径为10 cm，高度为5 cm，体积为393 cm)，无压实地填入待试材料，慢慢从底部浸湿24 h。所有样品均4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。将基质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、空气体积具有以下性质(图1)。

(1) 基质总孔隙度：即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。这是因为在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：即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：即水吸力大于-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好的通气能力。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，体积产生不可逆的缩减(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(图3)。粒度的差异可能来自于以下3个因素的影响：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(粉碎、调制、筛分等)中受到改变。

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4种类型(图4)。

Ⅰ类基质：高度水分有效性(有效水体积占基质总体积大于25%)和高水分缓冲性的通气基质(空气体积大于>25%)。这些特征在藓类泥炭上表现特别明显，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。

Ⅱ类基质：较高水分有效性和弱通气基质。由于基质的颗粒较细，因而比Ⅰ类基质持水性更强。该基质的主要缺点是具有阻断植物根系氧气供应的潜在风险，黑泥炭就是典型的例子。草木泥炭一般与Ⅱ类基质性质相似。

Ⅲ类基质：低水分有效性和高通气性基质。此类基质如果单独用，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，以便改进其通气性。许多有机、矿物基质原料具有这些特征，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。此类基质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，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其通气性和持水性，同时拥有2种优异属性的材料是少见的(Ⅰ类基质)，所以基质生产最好采用藓类泥炭做原料(图4)。

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。基质通过蒸发作用或者通过根系与蒸腾作用消耗水分后，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(与水平行，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，这是一个在灌溉管理中必须认真考虑的问题。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导致基质憎水的最主要原因。

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，基质(特别是发酵生物质基质)中所用有机物未经发酵、旱涝交替基质灌溉的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3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，干时体积收缩，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性状。无论从质量上说，还是从来源可靠性上来说，目前还没有完全令人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原料。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，2010，6(2)：1～6。