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决定专业基质性状的三大物理指标

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决定专业基质性状的三大物理指标

发布日期:2017-08-26 作者: 点击:

无论是种苗生产还是无土栽培,专业基质都会受容器大小限制而使根系容积极小,从而难以抵抗外部温度、水分和营养浓度的剧烈变化。专业基质除了必须为植物提供锚定功能和养分功能之外,还必须在为植物提供充足的水分供应的同时,还能同时保证对植物根系的氧气供应,因此,专业基质制备必须消除不同种类、不同粒径的原料相互配合,努力为植物创造最佳水气条件,而评估基质原材料性质和专业基质水气条件的三个关键指标是就是持水性、可湿性和稳定性。


1,持水性

专业基质物理属性最重要的一条就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。基质持水性状依据于基质中水分和空气体积比例,水气比例与基质水势相关,也即基质对水的吸持能量越大,水的自由度越小,对植物根系供水能力越小。

对基质持水能力测定可以发现,在基质水饱和状态下,即水势0 —1000 Pa范围内,基质对水分吸力很弱,这部分水分因为重力大于基质吸力而向下流出基质。水分自由流出基质后,基质空隙腾出的空间就会被空气迅速充填,所以这部分空间也称为空气孔隙,或者称为气体充填体积。基质空气体积占总体积的百分比,就可以称为基质的孔隙度。基质空气体积就是植物根系氧气的主要来源,为了区别基质含水空隙,空气空隙也称为大孔隙。理想的基质空气孔隙度应该在26%左右。

基质对水的吸力达到1000-5000帕时,基质对水分的吸持力较强,水分不会自由流出基质,但很容易被植物根系吸收,这部分水分称为有效水。将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则称为有效水孔隙度。理想的专业基质有效水含量应该为基质体积的33%左右。

在基质5000-10000帕吸力下,基质对水分吸力更强,这是植物生理可以适应、不会萎蔫的最低水量,因此基质中的这部分水量也称为缓效水。通常缓效水占基质总体积的4%左右。

如果基质对水的吸力超过10000帕,这基质水吸力远远超过了植物根系的吸力,即使基质中有大量水分存在,但仍然不能被植物根系吸收利用,所以这部分水分被称为无效水。

从以上分析可以发现,水势在0-1000帕范围内,基质中的孔隙则被空气占据,1000-10000帕之间的孔隙被有效水占据,大于10000帕的则被无效水占据。

空气体积、水体积加上固体体积,则是基质总体积。基质中空气和水分体积之和即为基质总孔隙度。孔隙度不同,对水的吸力不同,所以基质中的水分有效状态也明显不同。


不同分解度、不同颗粒大小的泥炭具有不同的持水能力和通气能力。同是藓类泥炭,强分解度泥炭(H6-H8)与弱分解泥炭相比结构明显变差。这是因为强分解度泥炭出现了更细的颗粒结构,从而导致通气性变差,基质初始性状丧失,基质体积产生不可逆缩减。同样分解度的泥炭,弱分解藓类泥炭一般比灰分含量较高强分解泥炭具有更好的物理性状,水分吸持能力强,通气能力大(见表1)

表1 不同分解度泥炭的水气比例

泥炭类型

空气体积%

有效水体积%

缓效水体积%

爱尔兰弱分解泥炭10-20mm

26

33

4

德国强分解泥炭

11

33

9

波罗的海强分解泥炭

5

30

14


泥炭颗粒粒径不同,对水的吸持能力和通气能力也有较大的差别。从表2可见,不同泥炭粒径的基质吸水和通气容量差异明显。粒度差异造成基质水气容量的变化原因可能来自于以下几个因素:1,泥炭分解度可能造成泥炭粒度明显变化;2,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,导致基质的通气透水性状明显变化;3,泥炭颗粒大小可能在基质的粉碎、调制、筛分等生产过程中造成改变。从表3可以看到,泥炭颗粒越大,基质的空气空隙越高,水分有效性随之降低,缓效水量变化不大。理想水分、通气比例基质的原料粒径在10-20mm。

表2,不同粒径分布白泥炭的持水曲线

泥炭粒径

空气体积%

有效水体积%

缓效水体积%

爱尔兰弱分解泥炭0-10mm

11

45

8

爱尔兰弱分解泥炭10-20mm

26

33

4

爱尔兰弱分解泥炭20-45mm

47

19

3

根据基质的持水曲线和水、气比例,可以将基质划分为四种类型:



图2 四大基质的持水曲线

Ⅰ类基质:高度水分有效性和高通气基质,其有效水体积大于25%,空气体积大于>25% 。这种基质特性虽然易于从藓类泥炭获得,但也可以通过多种原料调制得到上述优良性状。这种理想的质类型的优点在于水分管理方便,限制因素少。

Ⅱ类基质:较高水分有效性和较弱通气性基质。由于基质颗粒较细,因此比Ⅰ类基质持水性更强。该类基质的主要缺点是有阻断植物根系氧气供应的潜在风险,前分解泥炭和草本泥炭就是典型例子。

Ⅲ类基质:低水分有效性和高通气基质。此类基质如果单独用,需要频繁的低剂量灌溉。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、低水分缓冲性的通气基质。这类基质的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。这些纤维结构材料包括岩棉、木质纤维等。基质对分吸持能量太小,导致水分布不规则,在栽培容器中上部基质中具有极高的气:水比,而在栽培容器的底部气:水比则极低。因为此类基质水分有效性高,但缓冲容量极低,所以需要持续灌溉供水。

综上所述,基质原料选择主要依据其通气性和持水性,除了藓类泥炭之外,很少具有同时拥有持水性和通气性两种优异属性的基质原料,所以要生产优良基质,最好采用藓类泥炭或者使用长纤维的草本泥炭。

2,基质的润湿性

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3,水滴在固体表面的接触角(左为吸水材料,右为疏水材料)

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,即与水平行,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,高度分解的藓类泥炭能比轻度分解的白泥炭憎水性更强,这是植物栽培水分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,基质生产过程中原料干燥和不良灌溉习惯是导致基质憎水的主要原因。

为了解决基质憎水矛盾,影响基质吸水效率,目前多数基质企业都采取向基质中添加润湿剂方式予以解决,效果理想。

3,物理稳定性

基质不仅要有生产企业内保持结构的稳定性,还要在植物栽培过程中维持基质的结构稳定不变。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未经发酵完全的有机物、旱涝交替的基质灌溉方式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,可以将基质原料划分三种类型:

(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,如低分解藓类泥炭。

要寻找同时具备适宜通气性和保水性的基质原料并不容易。事实上,只有低分解藓类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,还是从原料来源可靠性上来说,目前还没有完全令人满意的泥炭替代材料,所以泥炭仍然是专业基质和无土栽培系统不可缺少的原料。但是,泥炭中可以通过添加一些材料,特别是添加一些改善基质通气性能的材料等方式间接减少泥炭在基质中的使用量。


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