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摘 要:试验以草炭、蛭石和珍珠岩3种物料复合配制的育苗基质为材料,采取烘干、自然晾干、加水润湿措施,研究基质在含水量0~65.56%范围内自然垒结、饱和水和持水状态体积变化以及容重、比重、孔隙特性的变化相关性。结果表明,基质含水量影响基质颗粒粒径大小分布和孔隙特性;保持基质各级粒径均匀、稳定分布状态以及包装、运输环节维持基质物理结构的适宜水分为32.63%左右;应用基质育苗时,保持基质良好的孔隙特性和体积数量,其适宜的基质水分为32.63%~40.32%。
关键词:基质;水分含量;物理性状;相关性分析
中图分类号 S630.43 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2013)23-46-03
育苗基质稳定协调的水、气结构,能够为植物提供适宜的根系生长环境[1]。基质容重、比重、粒径分布和空隙特性等物理性状是协调基质水、气结构的关键因素,物理性状指标不仅与基质物料固有结构特性有关,而且受生产工艺、储存运输、水分含量等因素影响。目前,国内对基质物理性状研究多集中在物料固有特性、基质物料配制比例、粒径颗粒大小等方面对基质容重、比重和空隙特性的影响[2]。本试验研究了基质不同含水量与基质体积、容重、比重、粒径大小分布、空隙特性等主要物理性状变化的相关性,为科学配制、稳定生产、高效应用育苗基质提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料 试验待测基质为草炭、蛭石、珍珠岩混合复配商品基质(产地山东)。
1.2 试验方法
1.2.1 试验设计 试验采取单因素随机区组设计。将待测基质充分混合均匀后,然后采取烘干、自然晾干和加水润湿措施,调整基质含水量。本试验共设9个处理,每处理3次重复,分别是Ⅰ:基质烘干至恒重(基质含水量0);Ⅱ:基质自然晾干并经翻动后,基质各级粒径颗粒极易分离(基质含水量9.98%);Ⅲ:基质自然晾干并经翻动后,基质各级粒径颗粒较易分离(基质含水量27.13%);Ⅳ:基质自然晾干并经翻动后,基质各级粒径颗粒不易分离(基质含水量32.63%);Ⅴ:基质润湿用手挤压后不成团(基质含水量40.32%);Ⅵ:基质润湿用手挤压后成团,但落地后基质团散开(基质含水量47.94%);Ⅶ:基质润湿用手挤压后成团,但落地后基质团不能散开(基质含水量54.71%);Ⅷ:基质润湿用手挤压有微量水流出,但不成水滴(基质含水量58.98%);Ⅸ:基质润湿用手挤压有明显水滴流出(基质含水量65.56%)。
测定指标分别是基质含水量、容重、比重、基质颗粒粒径分布、基质空隙特性,基质在自然垒结、饱和水、持水状态体积变化等5个物理性状指标。水分含量及容重所用基质体积为534.6m3;比重测定所用基质重量为120g;颗粒粒径分布测定所用基质体积1 069.2m3;空隙特性测定所用基质体积3 207.6m3。
1.2.2 物理性状指标测定方法 (1)含水量及容重测定:采用105℃烘干称重法,基质含水量(%)=(待测基质重-烘干基质重)/烘干基质重×100。
(2)比重测定:采取容重瓶加热煮沸法,基质比重=基质干重/(基质干重+比重瓶和水重-比重瓶和基质及水重)。
(3)基质颗粒粒径分布测定:采取直径分别是3mm、2mm、1mm、0.5mm、0.2mm这5种筛子进行基质筛分,量取不同粒径基质体积,然后计算不同粒径基质与待测基质总体积百分比。
(4)空隙特性测定:采取待测基质及容器埋入水下浸泡法,饱和水浸泡时间24h,容器倒置沥干重力水时间8h[3],总空隙=(饱和水基质重-基质干重)/待测基质体积×100;通气孔隙=(饱和水基质重-沥干重力水基质干重)/被测基质体积×100;持水空隙=(沥干重力水基质重-基质干重)/被测基质体积×100;空隙比=空隙体积/基质体积;大小空隙比=通气孔隙/持水空隙。
(5)体积测定:量取饱和水、持水状态下基质底面积和高度,计算基质体积。
2 结果与分析
2.1 不同水分处理对基质比重的影响 由表1可知,不同水分处理的基质其比重无显著差异,由此说明基质比重与基质含水量之间无相关性,说明基质比重是固体基质本身单位体积质量。
2.2 不同水分处理对基质容重及自然累积体积的影响 详见图1。图1A表明基质水分含量小于54.71%时,容重与基质水分变化呈负相关,随水分增加而减小;水分大于54.71%,基质与水分变化呈正相关,容重随水分增加而增大。图1B表明基质水分小于54.71%,基质体积与水分变化呈正相关,随水分含量增加而增大;水分小于54.71%,基质体积与水分变化呈负相关,基质体积随水分增加而减小。由此说明基质随水分含量增加,自然垒结体积不断增大,容重逐渐减小,基质含水量在54.71%时体积最大,容重最小。
2.3 不同水分处理对基质粒径分布的影响 表2表明,基质不同水分含量影响各级粒径的稳定分布,水分大于27.13%各级粒径不易分离,水分在40.32%时基质挤压后不成坨,水分在47.94%时基质用手挤压后成坨。
图2表明基质不同水分含量可改变基质粒径大小分布。基质不同水分含量对1~2mm粒径分布影响较小,无显著差异;基质粒径小于0.2mm,随基质水分含量增加呈减少趋势,水分含量大于32.63%时减幅明显增大,且差异显著;基质粒径为0.5~0.2mm时,水分大于40.32%时随水分增加呈减少趋势且减幅较大,水分小于40.32%随水分增加呈增大趋势,但增幅较小;基质粒径为0.5~1mm,水分大于40.32%呈增大趋势且增幅较大,水分小于40.32%影响较小;基质粒径为2~3mm,水分大于40.32%随水分增加呈增大趋势,但增幅小,水分小于40.32%随水分增加呈减少趋势且减幅小;基质粒径大于3mm,随水分增加有增加趋势,但增幅小。 以上结果表明,基质不同水分处理对1mm以下粒径分布影响较明显,尤其对0.5mm粒径分布影响更为明显。随着基质水分的增加,因水的张力作用而增强基质颗粒表面对小颗粒的吸附能力,从而改变基质各级粒径大小。基质水分含量增加,吸附能力增强,水分小于27.13%时基质颗粒之间吸附力小,各级粒径易于分离;水分大于40.32%时基质颗粒之间吸附力增强,基质受挤压后易于成团;基质粒径稳定分布且不易挤压成团的适宜水分为27.13%~40.32%。
2.4 不同水分处理对基质饱和水、持水状态下与自然状态下体积比的影响 图3表明,当基质含水量小于54.71%时,随基质含水量的增加,饱和水与自然状态下的体积比呈减小趋势,含水量54.71%时体积比减至最小,大于54.71%时体积比逐渐增大,当基质含水量达65.56%时,其体积比达最大值;基质含水量较小时,饱和水状态大于自然状态体积;含水量较大时,饱和状态小于自然状态体积;基质水分含量在9.98%~27.13%范围内,饱和状态与自然状态体积差别较小。持水状态与自然状态体积比变化和饱和状态与自然状态体积比变化趋势相同。由此说明基质含水量小于58.98%时,随基质含水量增加,基质颗粒之间无效大空隙逐渐增多;含水量为9.98%~27.13%时,基质颗粒之间无效大空隙较少。
图4表明,基质水分含量为32.63%时,基质持水体积与干重比值较小;基质水分大于或小于32.63%时,持水体积与干重比值均较大,说明基质水分含量为32.63%时小粒径颗粒填充在大粒径颗粒间的空隙,形成基质体积较小。由此说明,含水量32.63%的基质大小颗粒比例适宜、分布均匀。
2.5 不同水分处理对基质空隙特性的影响 图5表明,随着基质含水量的增加,总孔隙度逐渐减少,当含水量为54.71%时总空隙度降至最低,含水量为65.56%时,其总孔隙度略有增加;持水空隙度变化趋势与总空隙度表现一致;通气孔隙度随基质含水量增加而增大,水分含量大于27.13%,增幅较小。
以上结果说明,基质总孔隙度分别在水分含量为27.13%~32.63%和40.32%~47.94%区间受水分变化影响较大;大小孔隙比在基质水分含量为9.98%~27.13%时区间受水分影响较大,而水分含量大于27.13%时对基质大小孔隙比影响较小。
3 结论与讨论
3.1 基质含水量影响粒径分布 随基质水分含量的增加,基质颗粒表面水分张力对细小粒径颗粒吸附能力增强,引起颗粒集聚,从而改变基质各级粒径分布状态和相互吸附能力,影响基质自然垒结、持水状态体积以及孔隙特性和粒径稳定分布状态。基质水分含量小于27.13%,粒径之间吸附力较小,基质翻动后各级粒径较易分离;基质水分含量大于40.32%,粒径之间吸附力较强,基质翻动、受压后各级粒径易于成团;基质水分在27.13%~40.32%范围内,基质翻动、挤压后,不易分离、不易成团。基质水分含量为32.63%,大小颗粒组成比例适宜、持水状态体积较小、各级粒径分布均匀。由此说明,基质各级粒径稳定分布状态的基质水分32.63%左右。
3.2 基质水分影响孔隙特性 基质容重、比重、粒径大小、空隙特性是育苗基质的主要物理性状,良好的育苗基质应具备适宜的比重和容重,较大的孔隙度和合理的大小孔隙比,各级粒径能够稳定分布,在基质生产、运输和育苗应用中不易改变基质结构和空隙特性。本研究中水分含量小于58.98%时,基质随水分增加,基质自然垒结体积增大,无效大孔隙增加,总孔隙减小,通气孔隙增大,持水孔隙减小,孔隙比和大小孔隙比减小。优良的育苗基质不仅要求总孔隙为60%~90%[4],孔隙比1~9[5],而且大小孔隙比为1:2~4时基质水气协调,利于根系生长[6]。基质水分大于27.13%时总孔隙66.92%~81.55%,孔隙比2~4.4,大小孔隙比1∶(2.4~3.0),满足优良基质孔隙特性。而水分含量为27.13%~58.98%时,饱和水状态体积小于自然垒结状态体积,随水分增加体积缩小幅度增加;基质水分含量大于40.32%时,基质受压后易于成团。由此说明,育苗时应用基质适宜水分为27.13%~40.32%。
3.3 基质生产与基质育苗的适宜水分 保持基质各级粒径均匀、稳定分布状态以及包装、运输环节不易改变基质物理结构的适宜水分为32.63%左右;育苗应用基质时,保持基质良好的孔隙特性和体积数量,适宜的基质水分为32.63%~40.32%。
参考文献
[1]蔡象元.现代蔬菜温室设施和管理[M].上海:上海科技出版社,2000.
[2]曹志洪. 栽培基质的研究和产业化前景[A]//中国科学院南京土壤研究所国际学术研究讨论文集[C].设施农业相关技术,1998:248-254.
[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研究应用[J].新疆农业科学,2012,02.
[4]高丽红.无土栽培固体基质的种类及理化特性[J].温室园艺2000,10(7):23.
[5]仲跻秀,施岗陵.土壤学[M].北京:农业出版社,1992:40,78.
[6]F.A.Pokorny and B.K.henny.Construction of a Milled Pine Bark and Sand Potting Medium from Component Particles I:Bulk Density:A Toll for Predicting Component Volumes[J].J.Amer. Soc.Hort. Sci,1984,109(6):770-773. (责编:张宏民)
关键词:基质;水分含量;物理性状;相关性分析
中图分类号 S630.43 文献标识码 A 文章编号 1007-7731(2013)23-46-03
育苗基质稳定协调的水、气结构,能够为植物提供适宜的根系生长环境[1]。基质容重、比重、粒径分布和空隙特性等物理性状是协调基质水、气结构的关键因素,物理性状指标不仅与基质物料固有结构特性有关,而且受生产工艺、储存运输、水分含量等因素影响。目前,国内对基质物理性状研究多集中在物料固有特性、基质物料配制比例、粒径颗粒大小等方面对基质容重、比重和空隙特性的影响[2]。本试验研究了基质不同含水量与基质体积、容重、比重、粒径大小分布、空隙特性等主要物理性状变化的相关性,为科学配制、稳定生产、高效应用育苗基质提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料 试验待测基质为草炭、蛭石、珍珠岩混合复配商品基质(产地山东)。
1.2 试验方法
1.2.1 试验设计 试验采取单因素随机区组设计。将待测基质充分混合均匀后,然后采取烘干、自然晾干和加水润湿措施,调整基质含水量。本试验共设9个处理,每处理3次重复,分别是Ⅰ:基质烘干至恒重(基质含水量0);Ⅱ:基质自然晾干并经翻动后,基质各级粒径颗粒极易分离(基质含水量9.98%);Ⅲ:基质自然晾干并经翻动后,基质各级粒径颗粒较易分离(基质含水量27.13%);Ⅳ:基质自然晾干并经翻动后,基质各级粒径颗粒不易分离(基质含水量32.63%);Ⅴ:基质润湿用手挤压后不成团(基质含水量40.32%);Ⅵ:基质润湿用手挤压后成团,但落地后基质团散开(基质含水量47.94%);Ⅶ:基质润湿用手挤压后成团,但落地后基质团不能散开(基质含水量54.71%);Ⅷ:基质润湿用手挤压有微量水流出,但不成水滴(基质含水量58.98%);Ⅸ:基质润湿用手挤压有明显水滴流出(基质含水量65.56%)。
测定指标分别是基质含水量、容重、比重、基质颗粒粒径分布、基质空隙特性,基质在自然垒结、饱和水、持水状态体积变化等5个物理性状指标。水分含量及容重所用基质体积为534.6m3;比重测定所用基质重量为120g;颗粒粒径分布测定所用基质体积1 069.2m3;空隙特性测定所用基质体积3 207.6m3。
1.2.2 物理性状指标测定方法 (1)含水量及容重测定:采用105℃烘干称重法,基质含水量(%)=(待测基质重-烘干基质重)/烘干基质重×100。
(2)比重测定:采取容重瓶加热煮沸法,基质比重=基质干重/(基质干重+比重瓶和水重-比重瓶和基质及水重)。
(3)基质颗粒粒径分布测定:采取直径分别是3mm、2mm、1mm、0.5mm、0.2mm这5种筛子进行基质筛分,量取不同粒径基质体积,然后计算不同粒径基质与待测基质总体积百分比。
(4)空隙特性测定:采取待测基质及容器埋入水下浸泡法,饱和水浸泡时间24h,容器倒置沥干重力水时间8h[3],总空隙=(饱和水基质重-基质干重)/待测基质体积×100;通气孔隙=(饱和水基质重-沥干重力水基质干重)/被测基质体积×100;持水空隙=(沥干重力水基质重-基质干重)/被测基质体积×100;空隙比=空隙体积/基质体积;大小空隙比=通气孔隙/持水空隙。
(5)体积测定:量取饱和水、持水状态下基质底面积和高度,计算基质体积。
2 结果与分析
2.1 不同水分处理对基质比重的影响 由表1可知,不同水分处理的基质其比重无显著差异,由此说明基质比重与基质含水量之间无相关性,说明基质比重是固体基质本身单位体积质量。
2.2 不同水分处理对基质容重及自然累积体积的影响 详见图1。图1A表明基质水分含量小于54.71%时,容重与基质水分变化呈负相关,随水分增加而减小;水分大于54.71%,基质与水分变化呈正相关,容重随水分增加而增大。图1B表明基质水分小于54.71%,基质体积与水分变化呈正相关,随水分含量增加而增大;水分小于54.71%,基质体积与水分变化呈负相关,基质体积随水分增加而减小。由此说明基质随水分含量增加,自然垒结体积不断增大,容重逐渐减小,基质含水量在54.71%时体积最大,容重最小。
2.3 不同水分处理对基质粒径分布的影响 表2表明,基质不同水分含量影响各级粒径的稳定分布,水分大于27.13%各级粒径不易分离,水分在40.32%时基质挤压后不成坨,水分在47.94%时基质用手挤压后成坨。
图2表明基质不同水分含量可改变基质粒径大小分布。基质不同水分含量对1~2mm粒径分布影响较小,无显著差异;基质粒径小于0.2mm,随基质水分含量增加呈减少趋势,水分含量大于32.63%时减幅明显增大,且差异显著;基质粒径为0.5~0.2mm时,水分大于40.32%时随水分增加呈减少趋势且减幅较大,水分小于40.32%随水分增加呈增大趋势,但增幅较小;基质粒径为0.5~1mm,水分大于40.32%呈增大趋势且增幅较大,水分小于40.32%影响较小;基质粒径为2~3mm,水分大于40.32%随水分增加呈增大趋势,但增幅小,水分小于40.32%随水分增加呈减少趋势且减幅小;基质粒径大于3mm,随水分增加有增加趋势,但增幅小。 以上结果表明,基质不同水分处理对1mm以下粒径分布影响较明显,尤其对0.5mm粒径分布影响更为明显。随着基质水分的增加,因水的张力作用而增强基质颗粒表面对小颗粒的吸附能力,从而改变基质各级粒径大小。基质水分含量增加,吸附能力增强,水分小于27.13%时基质颗粒之间吸附力小,各级粒径易于分离;水分大于40.32%时基质颗粒之间吸附力增强,基质受挤压后易于成团;基质粒径稳定分布且不易挤压成团的适宜水分为27.13%~40.32%。
2.4 不同水分处理对基质饱和水、持水状态下与自然状态下体积比的影响 图3表明,当基质含水量小于54.71%时,随基质含水量的增加,饱和水与自然状态下的体积比呈减小趋势,含水量54.71%时体积比减至最小,大于54.71%时体积比逐渐增大,当基质含水量达65.56%时,其体积比达最大值;基质含水量较小时,饱和水状态大于自然状态体积;含水量较大时,饱和状态小于自然状态体积;基质水分含量在9.98%~27.13%范围内,饱和状态与自然状态体积差别较小。持水状态与自然状态体积比变化和饱和状态与自然状态体积比变化趋势相同。由此说明基质含水量小于58.98%时,随基质含水量增加,基质颗粒之间无效大空隙逐渐增多;含水量为9.98%~27.13%时,基质颗粒之间无效大空隙较少。
图4表明,基质水分含量为32.63%时,基质持水体积与干重比值较小;基质水分大于或小于32.63%时,持水体积与干重比值均较大,说明基质水分含量为32.63%时小粒径颗粒填充在大粒径颗粒间的空隙,形成基质体积较小。由此说明,含水量32.63%的基质大小颗粒比例适宜、分布均匀。
2.5 不同水分处理对基质空隙特性的影响 图5表明,随着基质含水量的增加,总孔隙度逐渐减少,当含水量为54.71%时总空隙度降至最低,含水量为65.56%时,其总孔隙度略有增加;持水空隙度变化趋势与总空隙度表现一致;通气孔隙度随基质含水量增加而增大,水分含量大于27.13%,增幅较小。
以上结果说明,基质总孔隙度分别在水分含量为27.13%~32.63%和40.32%~47.94%区间受水分变化影响较大;大小孔隙比在基质水分含量为9.98%~27.13%时区间受水分影响较大,而水分含量大于27.13%时对基质大小孔隙比影响较小。
3 结论与讨论
3.1 基质含水量影响粒径分布 随基质水分含量的增加,基质颗粒表面水分张力对细小粒径颗粒吸附能力增强,引起颗粒集聚,从而改变基质各级粒径分布状态和相互吸附能力,影响基质自然垒结、持水状态体积以及孔隙特性和粒径稳定分布状态。基质水分含量小于27.13%,粒径之间吸附力较小,基质翻动后各级粒径较易分离;基质水分含量大于40.32%,粒径之间吸附力较强,基质翻动、受压后各级粒径易于成团;基质水分在27.13%~40.32%范围内,基质翻动、挤压后,不易分离、不易成团。基质水分含量为32.63%,大小颗粒组成比例适宜、持水状态体积较小、各级粒径分布均匀。由此说明,基质各级粒径稳定分布状态的基质水分32.63%左右。
3.2 基质水分影响孔隙特性 基质容重、比重、粒径大小、空隙特性是育苗基质的主要物理性状,良好的育苗基质应具备适宜的比重和容重,较大的孔隙度和合理的大小孔隙比,各级粒径能够稳定分布,在基质生产、运输和育苗应用中不易改变基质结构和空隙特性。本研究中水分含量小于58.98%时,基质随水分增加,基质自然垒结体积增大,无效大孔隙增加,总孔隙减小,通气孔隙增大,持水孔隙减小,孔隙比和大小孔隙比减小。优良的育苗基质不仅要求总孔隙为60%~90%[4],孔隙比1~9[5],而且大小孔隙比为1:2~4时基质水气协调,利于根系生长[6]。基质水分大于27.13%时总孔隙66.92%~81.55%,孔隙比2~4.4,大小孔隙比1∶(2.4~3.0),满足优良基质孔隙特性。而水分含量为27.13%~58.98%时,饱和水状态体积小于自然垒结状态体积,随水分增加体积缩小幅度增加;基质水分含量大于40.32%时,基质受压后易于成团。由此说明,育苗时应用基质适宜水分为27.13%~40.32%。
3.3 基质生产与基质育苗的适宜水分 保持基质各级粒径均匀、稳定分布状态以及包装、运输环节不易改变基质物理结构的适宜水分为32.63%左右;育苗应用基质时,保持基质良好的孔隙特性和体积数量,适宜的基质水分为32.63%~40.32%。
参考文献
[1]蔡象元.现代蔬菜温室设施和管理[M].上海:上海科技出版社,2000.
[2]曹志洪. 栽培基质的研究和产业化前景[A]//中国科学院南京土壤研究所国际学术研究讨论文集[C].设施农业相关技术,1998:248-254.
[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研究应用[J].新疆农业科学,2012,02.
[4]高丽红.无土栽培固体基质的种类及理化特性[J].温室园艺2000,10(7):23.
[5]仲跻秀,施岗陵.土壤学[M].北京:农业出版社,1992:40,78.
[6]F.A.Pokorny and B.K.henny.Construction of a Milled Pine Bark and Sand Potting Medium from Component Particles I:Bulk Density:A Toll for Predicting Component Volumes[J].J.Amer. Soc.Hort. Sci,1984,109(6):770-773. (责编:张宏民)