非金属矿物基无土栽培基质理化性能研究

王晓芳，郭洪燃，顾倩南，秦明明，卜倩琼，王玉晓，贾玉芳，刘 鹏*

(1.信阳师范学院 化学化工学院，河南 信阳 464000；2.河南省信阳高级中学，河南 信阳 464000 )

非金属矿物基无土栽培基质理化性能研究

王晓芳1，郭洪燃2，顾倩南1，秦明明1，卜倩琼1，王玉晓1，贾玉芳1，刘 鹏1*

(1.信阳师范学院 化学化工学院，河南 信阳 464000；2.河南省信阳高级中学，河南 信阳 464000 )

选用可作为无土栽培基质的膨胀珍珠岩、沸石、膨润土和蛭石四种非金属矿物，测定其pH值、电导率、孔隙度、渗透系数等理化性能。测试结果表明：四种矿物酸碱度接近中性，电导率适中，适合用作无土栽培基质。基质物理性能与矿物内部空隙结构有关。珍珠岩容重、总孔隙度小，持水能力、气水比和渗透系数较大；沸石总孔隙度大，持水能力适中，气水比、渗透系数较小；膨润土总孔隙度、气水比和渗透系数大，持水能力适中；蛭石总孔隙度小，持水能力和渗透系数较大，气水比适中。将他们按不同比例混合后，理化性质有所改善，可满足不同植物需要的无土栽培基质理化性能要求。珍珠岩、沸石、膨润土和蛭石质量比为1∶5∶2∶2时，混合基质理化性能最优。

非金属矿物；无土栽培；基质；理化性能

无土栽培是指不用天然土壤而用营养液或固体基质加营养液栽培作物的方法，包括水培、雾培和基质栽培等[1]。无土栽培因其具有质轻、清洁、无杂草、避免土壤污染等优点广泛应用于农作物育苗、花卉苗木育苗栽培、草坪培育、经济林育苗、城市建筑墙面屋顶绿化和家庭阳台绿化等。无土栽培按是否使用基质可分为无基质栽培和基质栽培两大类。常用基质材料一是有机物类：包括泥炭、稻 壳、椰壳、蔗渣、锯木、树皮和堆肥等；二是无机物类：包括砂、砾 、珍珠岩 、蛭石、炉渣、泡沫塑料颗粒和农用岩棉等。有机基质颗粒间有较大孔隙度，疏松透气，吸水保水性能好，缺点是质量缺乏稳定性；无机基质质量稳定均匀， 耐分解且孔隙度大，缺点是阳离子交换量较小，缓冲能力较弱[2]。

在我国农、林、花卉业生产所需的栽培基质主要是以泥炭为原料生产的基质，但泥炭短期内不可再生，使用过度还会破坏生态环境。因此，泥炭成本越来越高。随着现代高效园艺和创汇园艺的发展，探索适宜本地的经济、高产、高效的栽培基质，具有重要的现实意义。本文通过研究非金属矿物理化性能，探讨其作为无土栽培基质的可行性，为地方优势非金属矿产资源开发利用提供新途径。

1 实验

1.1 原料

膨胀珍珠岩、沸石、膨润土，信阳上天梯生产。蛭石，湖北随州生产。

1.2 仪器设备

渗透系数TST-55，PHS-3C PH计，DDS-307 型电导率仪，HZX-500电子天平等。

1.3 实验设计

论文实验主要测试膨胀珍珠岩、沸石、膨润土、蛭石四种非

金属矿物基质及按不同比例混合的理化性质并与普通土壤对比，混合基质质量配比见表1。

表1 非金属矿物基无土栽培基质的混合质量比

1.4 测试方法

pH 值和电导率测定方法[3]：将膨胀珍珠岩、沸石、膨润土、蛭石分别与蒸馏水按体积比 1∶5 混合，充分搅拌 3min，浸泡时间分别为1、2、 4、6、8、10、12、14、16 h，过滤、静置，利用pH 计和电导率仪测定不同浸泡时间对应值。

基质孔隙度的测定采用饱和重力排水法，包括总孔隙度、持水孔隙度、通气孔隙度及水气比的测定[4]。取一次塑料杯称其质量(W1)，将50 mL待测基质装入杯中，称质量(W2)，将装有50 mL基质的杯加满水，浸泡 24 h，倒去多余水，称重，即为饱和水状态下质量(W3)，将杯上口用一已知质量(W4)的纱布包住，以防止细小颗粒渗出，把杯倒置至没有水分渗出，称其质量(W5)。

计算公式为：

持水孔隙度=总孔隙度-通气孔隙度

式中：W1：所用塑料杯质量；W2：基质装入塑料杯后的质量；W3：饱和水状态下的质量；W4：纱布的质量；W5：水份自由沥干后的质量；W1～W5的单位为 g。

渗透系数采用渗透系数测试仪测定。

2 实验结果与讨论

2.1 基质的化学性能

对植物生长影响较大的基质化学性能主要是化学稳定性，酸碱性，物理化学吸收能力、缓冲能力和电导率。非金属矿物构成的基质化学稳定性一般较好，实验选作无土栽培基质的膨胀珍珠岩、沸石、膨润土、蛭石都具有较好的化学稳定性和物理化学吸收能力，因此，本实验对基质的化学性能重点研究矿物基质的pH值和电导率，实验结果见表2～5。

表2 非金属矿物基无土栽培基质的pH值

表3 不同比例非金属矿物混合基质的pH值

注：0普通土壤；1～8分别对应不同比例的混合基质。

表4 非金属矿物基无土栽培基质的电导率

表5 不同比例非金属矿物混合基质的的电导率

注：0普通土壤；1～8分别对应不同比例的混合基质。

从表1和表2可以看出：四种非金属矿物单一pH值和按不同比例混合的pH值随浸泡时间的变化不大，即较为稳定；表2中沸石和表3中沸石比例较大的4号和6号样的pH值稍大，是因为沸石含有相对较多的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等离子；单一非金属矿物及混合物偏微碱性，普通土壤偏微酸性，但都较接近中性，因此，适合用作无土栽培基质。

电导率反映基质中可溶盐分的多少，影响基质营养平衡。表4中沸石、表5中沸石比例较大的4号和6号样电导率较大，说明沸石中含有较多可溶性离子，蛭石中可溶性离子较少。表3中pH值和表5电导率各不相同，说明将非金属矿物按不同比例混合后形成的基质具有一定的缓冲能力，并且可将其电导率调节至与普通土壤接近。

2.2 基质的物理性能

对植物生长影响较大的基质物理性能主要有容重、总孔隙度、持水能力、通气孔隙度、持水孔隙、气水比和渗透系数等。实验结果见表6、表7。

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表6 非金属矿物基无土栽培基质物理性能

表7 不同比例非金属矿物混合基质物理性能

注：0普通土壤；1-8分别对应不同比例的混合基质；基质体积50 mL。

2.2.1 容重

容重是指单位体积基质的干重量，与基质的粒径、总孔隙度有关，它反映基质的疏松或紧实程度。容重小，基质疏松、透气性好、但不易固定植物根系；容重过大，则基质过于紧实，透气透水性差，不利于作物生长。基质理想容重范围在0.1～0.8 g/cm3，最好容重为0.5 g/cm3[5]。由表6可知，膨润土容重重大，沸石次之，蛭石居中，珍珠岩容重最小，膨润土容重比珍珠岩大703.6%。由表7可知，将非金属矿物按不同比例混合，可将其容重调整到0.32～0.505 g/cm3之间，低于普通粘土容重，属中容重基质，非常适合城市垂直绿化、屋顶绿化、居室及阳台绿化、微型草坪等方面的无土栽培。

2.2.2 总孔隙度、持水能力、通气孔隙度、持水孔隙

总孔隙度是指基质中持水孔隙和通气孔隙的总和，以相当于基质体积的百分数表示(%)。总孔隙度大的基质疏松，通透性良好，有利于植物根系生长，但固定作用较差，易倒伏；而总孔隙度小的基质虽利于植物固定，但不利于根系发育，通常基质的总孔隙度在54%～96% 时为宜[6]。

通气孔隙也叫大孔隙，是指基质中空气所能够占据的空间。通气孔隙大，水不会吸持在这些孔隙中而随重力作用流走。

持水孔隙也叫小孔隙，是指基质中水分所能够占据的空间，反映基质持水能力的指标。持水孔隙大，水分由于毛细管作用而被吸持的越多。

从表6可以看出：四种矿物相比较而言，珍珠岩和蛭石总孔隙度小，但持水能力较大；沸石和膨润土的总孔隙度较大，但持水能力小。这与矿物内部空隙结构有关。珍珠岩内部呈蜂窝状孔隙，表层为玻璃质，因此，持水能力较大，总孔隙度较小；天然沸石内部存在着大量的排列有序、大小均匀、彼此贯通并与外界相连的孔穴和孔道，因此，总孔隙度大，持水能力小；膨润土为层状结构，吸水膨胀，总孔隙度增大，且有一定的保水能力。蛭石也为层状结构，具有较强吸水力，但选用的蛭石为容重较大的粒状蛭石，层间孔隙较小，因此，总孔隙度小。

由表7可知，非金属矿物按不同比例混合，其总孔隙度可以按需要调整，如6号样总孔隙度91.2%、4号样总孔隙度99.9%，符合常用基质要求。

2.2.3 气水比

气水比是指通气孔隙和持水孔隙之比。因为总孔隙度只能反映一种基质中能够容纳空气和水分空间总和，但它不能反映基质中能够容纳空气和水分各自的空间，而气水比能够反映出基质中气水之间的情况 。一般讲大小孔隙比在1∶(2～4)范围内作物均能良好生长[6]。

由表6可知，珍珠岩气水比0.913，说明珍珠岩能够容纳空气和水分的空间接近；沸石气水比0.307，说明沸石能够容纳空气的空间是容纳水分空间的30.7%；膨润土气水比0.579 ，说明膨润土能够容纳空气的空间是容纳水分空间的57.9%；蛭石0.384，说明蛭石能够容纳空气的空间是容纳水分空间的38.4%。与表6相比，表7混合基质气水比发生较大变化，说明采用多种矿物混合，可改变基质容纳空气和水分的空间，调节保水性和通气性。

2.2.4 渗透系数

渗透系数反映基质的透水性和通气性，基质的渗透系数高，基质不易持水，灌水后易渗漏，造成水源的浪费；渗透系数低，基质保水性好，但通气性较差，影响植株根系的呼吸与生长[7]。

由表6可知，珍珠岩渗透系数最大，沸石渗透系数最小，膨润土和蛭石渗透系数居中。说明珍珠岩虽然能力持水能力较大，但不易保持；沸石持水能力虽不及珍珠岩，但持水孔隙大，吸水后能够保水，通气性较差。表7可知3号样品珍珠岩比例最大，样品的渗透系数也最大；4号样品沸石比例最大，样品的渗透系数最小。通过改变混合基质配比，可以获得适合不同植物需要的基质渗透系数。

3 结论

(1)膨胀珍珠岩、膨润土、蛭石、沸石等非金属矿物具有较好的化学稳定性和物理化学吸附能力；酸碱度接近中性，电导率适中，具有一定的缓冲能力。适合做为无土栽培基质。

(2)膨胀珍珠岩容重小，膨润土容重重大，沸石、蛭石容重居中，将他们按不同比例混合，可将其容重调整到0.32～0.505 g/cm3

之间，低于普通粘土容重，属中容重基质，适合城市垂直绿化、屋顶绿化、居室及阳台绿化、微型草坪等方面的无土栽培。

(3)膨胀珍珠岩持水能力、气水比和渗透系数较大；沸石总孔隙度大，持水能力适中，气水比、渗透系数较小；膨润土总孔隙度、气水比和渗透系数大，持水能力适中；蛭石总孔隙度小，持水能力和渗透系数较大，气水比适中。将他们按不同比例混合后，可满足不同植物需要的无土栽培基质理化性能要求。珍珠岩、沸石、膨润土和蛭石质量比为1∶5∶2∶2时混合基质最优。

(4)非金属矿物基无土栽培基质自身含有植物需要的矿物成分，保水、保肥、通气性好，无毒、无菌、无异味，使用时根据不同植物种类添加营养液即可使用，且可重复利用。

[1] 安 杰，于 丹，孟义春，等. 高炉水渣用于无土栽培基质的可行性[J]．辽宁科技大学学报，2011，34(6):572.

[2] 周跃华，聂艳丽，赵永红，等. 国内外固体基质研究概况[J]．中国生态农业学报，2005，13(4):40.

[3] 蒲胜海，冯广平，李 磐，等. 无土栽培基质理化性状测定方法及其应用研究[J]. 新疆农业科学，2012，49(2) :267.

[4] 甘 露，范海燕，吴文勇，等. 无土栽培基质水分特性参数研究[J]. 农业机械学报， 2013，44(5) :113-115.

[5] 高丽红. 无土栽培固体基质的种类与理化特性[J], 农村实用工程技术(温室园艺)，2004(2)：28-30.

[6] 康红梅，张启翔，唐 菁．栽培基质的研究进展[J]．土壤通报，2005，36(1): 124-127．

[7] 时连辉，张志国，刘登民，等．菇渣和泥炭基质理化特性比较及其调节[J]．农业工程学报，2008，24(4):199-203．

(本文文献格式：王晓芳，郭洪燃，顾倩南，等.非金属矿物基无土栽培基质理化性能研究[J].山东化工,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

国家级大学生创新创业训练计划项目(201610477031)

王晓芳(1994—)，女，大学生；通讯作者： 刘 鹏(1966-)，男，教授，研究方向：无机非金属材料。

S317；TD985

A

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