非金屬礦物基無土栽培基質理化性能研究

王曉芳，郭洪燃，顧倩南，秦明明，卜倩瓊，王玉曉，賈玉芳，劉 鵬*

(1.信陽師范學院 化學化工學院，河南 信陽 464000；2.河南省信陽高級中學，河南 信陽 464000 )

非金屬礦物基無土栽培基質理化性能研究

王曉芳1，郭洪燃2，顧倩南1，秦明明1，卜倩瓊1，王玉曉1，賈玉芳1，劉 鵬1*

(1.信陽師范學院 化學化工學院，河南 信陽 464000；2.河南省信陽高級中學，河南 信陽 464000 )

選用可作為無土栽培基質的膨脹珍珠巖、沸石、膨潤土和蛭石四種非金屬礦物，測定其pH值、電導率、孔隙度、滲透系數等理化性能。測試結果表明：四種礦物酸堿度接近中性，電導率適中，適合用作無土栽培基質。基質物理性能與礦物內部空隙結構有關。珍珠巖容重、總孔隙度小，持水能力、氣水比和滲透系數較大；沸石總孔隙度大，持水能力適中，氣水比、滲透系數較小；膨潤土總孔隙度、氣水比和滲透系數大，持水能力適中；蛭石總孔隙度小，持水能力和滲透系數較大，氣水比適中。將他們按不同比例混合后，理化性質有所改善，可滿足不同植物需要的無土栽培基質理化性能要求。珍珠巖、沸石、膨潤土和蛭石質量比為1∶5∶2∶2時，混合基質理化性能最優。

非金屬礦物；無土栽培；基質；理化性能

無土栽培是指不用天然土壤而用營養液或固體基質加營養液栽培作物的方法，包括水培、霧培和基質栽培等[1]。無土栽培因其具有質輕、清潔、無雜草、避免土壤污染等優點廣泛應用于農作物育苗、花卉苗木育苗栽培、草坪培育、經濟林育苗、城市建筑墻面屋頂綠化和家庭陽臺綠化等。無土栽培按是否使用基質可分為無基質栽培和基質栽培兩大類。常用基質材料一是有機物類：包括泥炭、稻 殼、椰殼、蔗渣、鋸木、樹皮和堆肥等；二是無機物類：包括砂、礫 、珍珠巖 、蛭石、爐渣、泡沫塑料顆粒和農用巖棉等。有機基質顆粒間有較大孔隙度，疏松透氣，吸水保水性能好，缺點是質量缺乏穩定性；無機基質質量穩定均勻， 耐分解且孔隙度大，缺點是陽離子交換量較小，緩沖能力較弱[2]。

在我國農、林、花卉業生產所需的栽培基質主要是以泥炭為原料生產的基質，但泥炭短期內不可再生，使用過度還會破壞生態環境。因此，泥炭成本越來越高。隨著現代高效園藝和創匯園藝的發展，探索適宜本地的經濟、高產、高效的栽培基質，具有重要的現實意義。本文通過研究非金屬礦物理化性能，探討其作為無土栽培基質的可行性，為地方優勢非金屬礦產資源開發利用提供新途徑。

1 實驗

1.1 原料

膨脹珍珠巖、沸石、膨潤土，信陽上天梯生產。蛭石，湖北隨州生產。

1.2 儀器設備

滲透系數TST-55，PHS-3C PH計，DDS-307 型電導率儀，HZX-500電子天平等。

1.3 實驗設計

論文實驗主要測試膨脹珍珠巖、沸石、膨潤土、蛭石四種非

金屬礦物基質及按不同比例混合的理化性質并與普通土壤對比，混合基質質量配比見表1。

表1 非金屬礦物基無土栽培基質的混合質量比

1.4 測試方法

pH 值和電導率測定方法[3]：將膨脹珍珠巖、沸石、膨潤土、蛭石分別與蒸餾水按體積比 1∶5 混合，充分攪拌 3min，浸泡時間分別為1、2、 4、6、8、10、12、14、16 h，過濾、靜置，利用pH 計和電導率儀測定不同浸泡時間對應值。

基質孔隙度的測定采用飽和重力排水法，包括總孔隙度、持水孔隙度、通氣孔隙度及水氣比的測定[4]。取一次塑料杯稱其質量(W1)，將50 mL待測基質裝入杯中，稱質量(W2)，將裝有50 mL基質的杯加滿水，浸泡 24 h，倒去多余水，稱重，即為飽和水狀態下質量(W3)，將杯上口用一已知質量(W4)的紗布包住，以防止細小顆粒滲出，把杯倒置至沒有水分滲出，稱其質量(W5)。

計算公式為：

持水孔隙度=總孔隙度-通氣孔隙度

式中：W1：所用塑料杯質量；W2：基質裝入塑料杯后的質量；W3：飽和水狀態下的質量；W4：紗布的質量；W5：水份自由瀝干后的質量；W1～W5的單位為 g。

滲透系數采用滲透系數測試儀測定。

2 實驗結果與討論

2.1 基質的化學性能

對植物生長影響較大的基質化學性能主要是化學穩定性，酸堿性，物理化學吸收能力、緩沖能力和電導率。非金屬礦物構成的基質化學穩定性一般較好，實驗選作無土栽培基質的膨脹珍珠巖、沸石、膨潤土、蛭石都具有較好的化學穩定性和物理化學吸收能力，因此，本實驗對基質的化學性能重點研究礦物基質的pH值和電導率，實驗結果見表2～5。

表2 非金屬礦物基無土栽培基質的pH值

表3 不同比例非金屬礦物混合基質的pH值

注：0普通土壤；1～8分別對應不同比例的混合基質。

表4 非金屬礦物基無土栽培基質的電導率

表5 不同比例非金屬礦物混合基質的的電導率

注：0普通土壤；1～8分別對應不同比例的混合基質。

從表1和表2可以看出：四種非金屬礦物單一pH值和按不同比例混合的pH值隨浸泡時間的變化不大，即較為穩定；表2中沸石和表3中沸石比例較大的4號和6號樣的pH值稍大，是因為沸石含有相對較多的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等離子；單一非金屬礦物及混合物偏微堿性，普通土壤偏微酸性，但都較接近中性，因此，適合用作無土栽培基質。

電導率反映基質中可溶鹽分的多少，影響基質營養平衡。表4中沸石、表5中沸石比例較大的4號和6號樣電導率較大，說明沸石中含有較多可溶性離子，蛭石中可溶性離子較少。表3中pH值和表5電導率各不相同，說明將非金屬礦物按不同比例混合后形成的基質具有一定的緩沖能力，并且可將其電導率調節至與普通土壤接近。

2.2 基質的物理性能

對植物生長影響較大的基質物理性能主要有容重、總孔隙度、持水能力、通氣孔隙度、持水孔隙、氣水比和滲透系數等。實驗結果見表6、表7。

現如今體育課堂中圍繞課程展開的教學形式依然存在，有的教師帶領學生學習體育知識，或者邊講邊示范。課程的枯燥無味給學生帶來困意，導致學生的興致不高。傳統的教育方式早已不適合現代化教育的理念，應用多媒體教學，順應時代潮流、緊隨時代腳步，首先在本質上是學生們感興趣的。多媒體直觀地展現出教師需要傳授的內容，教學動畫的展現、聲音效果的體現，更易抓住學生們的眼球。多媒體為體育教育信息化的發展提供了便利：①開拓學生們的知識領域，使學生看見與往常不同的體育；②縮短教學時間，為學生爭取更多的自由活動時間；③強化以學生為核心的體育教學體系；④促進師生之間的交流，加強老師和學生對體育的認知。

表6 非金屬礦物基無土栽培基質物理性能

表7 不同比例非金屬礦物混合基質物理性能

注：0普通土壤；1-8分別對應不同比例的混合基質；基質體積50 mL。

2.2.1 容重

容重是指單位體積基質的干重量，與基質的粒徑、總孔隙度有關，它反映基質的疏松或緊實程度。容重小，基質疏松、透氣性好、但不易固定植物根系；容重過大，則基質過于緊實，透氣透水性差，不利于作物生長。基質理想容重范圍在0.1～0.8 g/cm3，最好容重為0.5 g/cm3[5]。由表6可知，膨潤土容重重大，沸石次之，蛭石居中，珍珠巖容重最小，膨潤土容重比珍珠巖大703.6%。由表7可知，將非金屬礦物按不同比例混合，可將其容重調整到0.32～0.505 g/cm3之間，低于普通粘土容重，屬中容重基質，非常適合城市垂直綠化、屋頂綠化、居室及陽臺綠化、微型草坪等方面的無土栽培。

2.2.2 總孔隙度、持水能力、通氣孔隙度、持水孔隙

總孔隙度是指基質中持水孔隙和通氣孔隙的總和，以相當于基質體積的百分數表示(%)。總孔隙度大的基質疏松，通透性良好，有利于植物根系生長，但固定作用較差，易倒伏；而總孔隙度小的基質雖利于植物固定，但不利于根系發育，通常基質的總孔隙度在54%～96% 時為宜[6]。

通氣孔隙也叫大孔隙，是指基質中空氣所能夠占據的空間。通氣孔隙大，水不會吸持在這些孔隙中而隨重力作用流走。

持水孔隙也叫小孔隙，是指基質中水分所能夠占據的空間，反映基質持水能力的指標。持水孔隙大，水分由于毛細管作用而被吸持的越多。

從表6可以看出：四種礦物相比較而言，珍珠巖和蛭石總孔隙度小，但持水能力較大；沸石和膨潤土的總孔隙度較大，但持水能力小。這與礦物內部空隙結構有關。珍珠巖內部呈蜂窩狀孔隙，表層為玻璃質，因此，持水能力較大，總孔隙度較小；天然沸石內部存在著大量的排列有序、大小均勻、彼此貫通并與外界相連的孔穴和孔道，因此，總孔隙度大，持水能力小；膨潤土為層狀結構，吸水膨脹，總孔隙度增大，且有一定的保水能力。蛭石也為層狀結構，具有較強吸水力，但選用的蛭石為容重較大的粒狀蛭石，層間孔隙較小，因此，總孔隙度小。

由表7可知，非金屬礦物按不同比例混合，其總孔隙度可以按需要調整，如6號樣總孔隙度91.2%、4號樣總孔隙度99.9%，符合常用基質要求。

2.2.3 氣水比

氣水比是指通氣孔隙和持水孔隙之比。因為總孔隙度只能反映一種基質中能夠容納空氣和水分空間總和，但它不能反映基質中能夠容納空氣和水分各自的空間，而氣水比能夠反映出基質中氣水之間的情況 。一般講大小孔隙比在1∶(2～4)范圍內作物均能良好生長[6]。

由表6可知，珍珠巖氣水比0.913，說明珍珠巖能夠容納空氣和水分的空間接近；沸石氣水比0.307，說明沸石能夠容納空氣的空間是容納水分空間的30.7%；膨潤土氣水比0.579 ，說明膨潤土能夠容納空氣的空間是容納水分空間的57.9%；蛭石0.384，說明蛭石能夠容納空氣的空間是容納水分空間的38.4%。與表6相比，表7混合基質氣水比發生較大變化，說明采用多種礦物混合，可改變基質容納空氣和水分的空間，調節保水性和通氣性。

2.2.4 滲透系數

滲透系數反映基質的透水性和通氣性，基質的滲透系數高，基質不易持水，灌水后易滲漏，造成水源的浪費；滲透系數低，基質保水性好，但通氣性較差，影響植株根系的呼吸與生長[7]。

由表6可知，珍珠巖滲透系數最大，沸石滲透系數最小，膨潤土和蛭石滲透系數居中。說明珍珠巖雖然能力持水能力較大，但不易保持；沸石持水能力雖不及珍珠巖，但持水孔隙大，吸水后能夠保水，通氣性較差。表7可知3號樣品珍珠巖比例最大，樣品的滲透系數也最大；4號樣品沸石比例最大，樣品的滲透系數最小。通過改變混合基質配比，可以獲得適合不同植物需要的基質滲透系數。

3 結論

(1)膨脹珍珠巖、膨潤土、蛭石、沸石等非金屬礦物具有較好的化學穩定性和物理化學吸附能力；酸堿度接近中性，電導率適中，具有一定的緩沖能力。適合做為無土栽培基質。

(2)膨脹珍珠巖容重小，膨潤土容重重大，沸石、蛭石容重居中，將他們按不同比例混合，可將其容重調整到0.32～0.505 g/cm3

之間，低于普通粘土容重，屬中容重基質，適合城市垂直綠化、屋頂綠化、居室及陽臺綠化、微型草坪等方面的無土栽培。

(3)膨脹珍珠巖持水能力、氣水比和滲透系數較大；沸石總孔隙度大，持水能力適中，氣水比、滲透系數較小；膨潤土總孔隙度、氣水比和滲透系數大，持水能力適中；蛭石總孔隙度小，持水能力和滲透系數較大，氣水比適中。將他們按不同比例混合后，可滿足不同植物需要的無土栽培基質理化性能要求。珍珠巖、沸石、膨潤土和蛭石質量比為1∶5∶2∶2時混合基質最優。

(4)非金屬礦物基無土栽培基質自身含有植物需要的礦物成分，保水、保肥、通氣性好，無毒、無菌、無異味，使用時根據不同植物種類添加營養液即可使用，且可重復利用。

[1] 安 杰，于 丹，孟義春，等. 高爐水渣用于無土栽培基質的可行性[J]．遼寧科技大學學報，2011，34(6):572.

[2] 周躍華，聶艷麗，趙永紅，等. 國內外固體基質研究概況[J]．中國生態農業學報，2005，13(4):40.

[3] 蒲勝海，馮廣平，李 磐，等. 無土栽培基質理化性狀測定方法及其應用研究[J]. 新疆農業科學，2012，49(2) :267.

[4] 甘 露，范海燕，吳文勇，等. 無土栽培基質水分特性參數研究[J]. 農業機械學報， 2013，44(5) :113-115.

[5] 高麗紅. 無土栽培固體基質的種類與理化特性[J], 農村實用工程技術(溫室園藝)，2004(2)：28-30.

[6] 康紅梅，張啟翔，唐 菁．栽培基質的研究進展[J]．土壤通報，2005，36(1): 124-127．

[7] 時連輝，張志國，劉登民，等．菇渣和泥炭基質理化特性比較及其調節[J]．農業工程學報，2008，24(4):199-203．

(本文文獻格式：王曉芳，郭洪燃，顧倩南，等.非金屬礦物基無土栽培基質理化性能研究[J].山東化工,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

國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201610477031)

王曉芳(1994—)，女，大學生；通訊作者： 劉 鵬(1966-)，男，教授，研究方向：無機非金屬材料。

S317；TD985

A

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