泥炭的物理特性：基質的關鍵因子

J-C Michael 著 孟憲民 譯

(1 法國國立園藝學院 昂熱 49000 2 東北師范大學泥炭沼澤研究所 長春 130024)

基質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、水分和營養濃度的劇烈變化。栽培基質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養、水分和氧氣。為達到這一目的，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氧氣和水有效性主要物理性質，并評估其他泥炭替代材料的可能性。

1 持水性

基質的物理屬性最基本的一條是在沒有減少氧氣供應條件下，為植物根系提供充足的水分。基質的持水性狀檢測主要依據于基質中水分和空氣體積比例，而這個比例與水分在基質中的水勢相關，也即基質對水的吸持能量。

1.1 檢測方法

因為基質的物理性質很大程度上受基質包裝方式所影響，所以檢測材料的取樣和處理都必須嚴格要求。

本試驗嚴格遵照歐盟標準NF EN 13041(2000)進行，先用手將兩個PVC樣筒(直徑為14 cm，高度為14 cm)填滿基質，慢慢地從底部潤濕基質，等待24 h達到飽和，然后在水勢-3.2 KPa吸力條件下平衡48 h。騰空樣品筒，將待測材料混勻，用一個較小的PVC樣筒(直徑為10 cm，高度為5 cm，體積為393 cm)，無壓實地填入待試材料，慢慢從底部浸濕24 h。所有樣品均4次重復測定，樣品間測定誤差不超過2%。

基質持水性采用Van Djik&Boekel 1965年最先提出的方法測定。將基質樣品放在吸力表上面的一個小型樣筒中，在-1～-10 KPa水勢下排出水分，測定基質中的水分含量。

1.2 物理特性

根據上述方法測定的水分吸持曲線，可以看到基質水分、空氣體積具有以下性質(圖1)。

(1) 基質總孔隙度：即基質中由空氣和水分體積之和占基質總體積的百分比，即基質總體積減去固體物質體積。

(2) 基質空氣孔隙度：也稱為氣體充填體積，即在飽和狀態下(水勢=0 KPa)基質大孔隙中的水分所占據的體積。這是因為在0～-1 KPa水吸力范圍內，所含水分為非吸持的自由水，易于因重力作用排出基質，騰出空間隨即被空氣取代。

(3) 基質有效水：即固持在基質孔隙中又能被植物根系吸收的水分占基質總體積的百分比。根據植物根系吸收能力，基質有效水可定義為-1～-10 KPa吸力固持的水分體積。

(4) 基質緩沖水：基質在水勢-5～-10 KPa之間吸持的水量，這部分水量是植物生理可以適應、不會萎蔫的最低水量。

(5) 基質無效水：即水吸力大于-10 KPa的水量。基質對水的吸持力大于植物根系吸水力，所以稱為無效水。

圖1 水分吸持曲線的關鍵特征Fig.1 Key features of an example water retention curve

1.3 不同類型泥炭的持水特性

從物理學觀點看，不同類型泥炭可以根據其植物種屬、分解度和顆粒大小進行劃分。對同樣分解度的泥炭，蘚類泥炭一般比灰分含量較高的草本泥炭和其他類型泥炭具有更好的物理性狀，具有較強的水分吸持能力和較好的通氣能力。同樣是蘚類泥炭，與分解度較低的白泥炭相比，分解度較高(H6～H8)的黑泥炭結構明顯變差。從泥炭纖維降解的角度看，分解度大的泥炭出現了更細的顆粒結構，因此，這樣的泥炭就會在使用過程中出現通氣性變差和基質初始性狀的喪失，體積產生不可逆的縮減(圖2)。

泥炭也可以根據顆粒粒徑分布(粒度)劃分種類，根據基質原料是細粒還是粗粒的不同，基質吸水和通氣容量差異明顯(圖3)。粒度的差異可能來自于以下3個因素的影響：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爾蘭泥炭年輕)。其次，開采方法(塊狀開采和粉末開采)和干燥過程也會造成泥炭原始結構的改變。第三，泥炭結構也可能在基質生產過程(粉碎、調制、篩分等)中受到改變。

1.4 基質的分類

對園藝應用而言，基質可以根據持水曲線劃分為4種類型(圖4)。

Ⅰ類基質：高度水分有效性(有效水體積占基質總體積大于25%)和高水分緩沖性的通氣基質(空氣體積大于>25%)。這些特征在蘚類泥炭上表現特別明顯，但由多種原料配合的基質也能得到上述優良性狀。這是一種理想的基質類型，因為它有現實可行的灌溉需求，在水分管理中很少受到限制。

Ⅱ類基質：較高水分有效性和弱通氣基質。由于基質的顆粒較細，因而比Ⅰ類基質持水性更強。該基質的主要缺點是具有阻斷植物根系氧氣供應的潛在風險，黑泥炭就是典型的例子。草木泥炭一般與Ⅱ類基質性質相似。

Ⅲ類基質：低水分有效性和高通氣性基質。此類基質如果單獨用，需要頻繁低劑量灌溉。因此，這種基質需要混合Ⅰ類基質和Ⅱ類基質，以便改進其通氣性。許多有機、礦物基質原料具有這些特征，如樹皮(新鮮的和發酵的)樹木纖維、珍珠巖和火山灰。

Ⅳ類基質：高水分有效性低水分緩沖容量的通氣基質。此類基質中包括具有纖維結構的材料，如巖棉、木質纖維(纖維內部含水很少或基本沒有，水主要儲存在纖維接觸點附近。低水分吸持能量的后果是水分布的不規則性，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，這種基質緩沖容量極低，所以需要持續的灌溉監測。

選擇基質原料主要依據其通氣性和持水性，同時擁有2種優異屬性的材料是少見的(Ⅰ類基質)，所以基質生產最好采用蘚類泥炭做原料(圖4)。

2 潤濕性

基質原料的潤濕性是指原料干燥后的再潤濕能力，這是基質的重要性能。基質通過蒸發作用或者通過根系與蒸騰作用消耗水分后，基質的潤濕性決定了基質和植物吸收水分的效率。基質潤濕性可以用水滴浸潤時間(WDPT)的定性屬性來表述，也可以用水滴在固體表面的接觸角來定量表示(圖5)。

一般來說，水滴在固體材料表面的接觸角小于90°時，這種材料就可以稱為親水材料(即水可浸潤的，對水有強烈親和力)。當接觸角大于90°時，這種材料就可以稱為憎水材料(與水平行，對水幾乎沒有親和力)。礦物材料一般都具有顯著的親水特征，而基質中所用的大多數有機材料除椰糠外大多是憎水的，這些有機材料在過度干燥后，就具有了憎水特征。如果把泥炭徹底干燥，高度分解的蘚類黑泥炭能比輕度分解的白泥炭更具有憎水特性，這是一個在灌溉管理中必須認真考慮的問題。在眾多導致基質憎水特征的因素中，基質生產過程的一些操作過程，如原料干燥和灌溉監測過程中的一些錯誤是導致基質憎水的最主要原因。

3 物理穩定性

基質不僅要有生產之初的結構穩定性，還要在植物生長過程中維持基質結構穩定不變。在基質物理穩定性主要指標上，基質(特別是發酵生物質基質)中所用有機物未經發酵、旱澇交替基質灌溉的都可能在植物生長過程中影響基質結構的穩定性，產生嚴重的憎水問題。

根據基質物理穩定性，可以劃分3種基質原料類型：

(1) 物理穩定的剛性材料：干濕交替不會導致基質總體積和固相與孔隙空間的變化。

(2) 物理不穩定的彈性材料：干時收縮，濕時膨脹，同時產生不可逆的總體積減少和相當大的孔徑分布改變，導致通氣程度降低，持水程度增加。

(3) 中間材料：具有假彈性行為，干時體積收縮，濕潤時體積能完全恢復到原狀，基質物理性質沒有根本改變(例如白泥炭)。

4 結論

市場上少見擁有適宜通氣性和保水性的基質原料。事實上，只有白泥炭和一些由多種原料配合起來的基質才能滿足植物需要的物理性狀。無論從質量上說，還是從來源可靠性上來說，目前還沒有完全令人滿意的泥炭替代材料，所以泥炭仍然是無土栽培系統不可缺少的原料。但是，泥炭中可以添加一些材料，特別添加一些改善基質通氣性能的材料，這有助于間接減少泥炭在基質中的使用量。

致謝與參考文獻(略)

譯自：Mires and Peat，2010，6(2)：1～6。