混合方式對泡沫砂與土壤混合均勻性的影響①

于全波，王美艷*，田育天，史學正，徐靈穎，徐勝祥，史藝杰，李湘偉，謝新喬

(1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學院大學， 北京 100049；3 紅塔煙草(集團)有限責任公司，云南玉溪 653100)

近幾十年來，基質栽培在設施產業中得到廣泛應用[1-3]。物料混合是基質生產過程中的必要環節，其混合的均勻程度直接影響基質的性能[4]。基質的物料組成多樣[5-7]，這些物料往往在尺寸大小、狀態和密度等方面存在差異，容易造成基質混合不均勻[8-11]，進而降低基質的性能，影響種苗生長狀況。

在設施園藝中，目前關于基質的研究主要集中在不同物料配比對作物育苗、生長以及基質性能的影響[7,12-13]，但對于基質混合均勻性的研究很少。物料混合在化工、建材和制藥等行業中也是非常重要的步驟[14-15]。降低物料之間屬性差異和改善混合方式是提高物料混合均勻性常用的方法。蘇麗娜等[16]分析集料組成及其粒徑分布對瀝青混合料均勻性的影響，發現去掉混合料中≥9.5 mm 及≤2.36 mm 粒徑級配可以提高混合均勻性；錢達興等[17]在研究粒度分布變化對玻璃配合料混合均勻性的影響時，發現200目以下和40 目以上的粒子可提高配合料的均勻性；庾正偉等[18]選取形狀和密度(容重)差異大的兩組元顆粒——不銹鋼微球和鋁粉研究物料混合度的影響因素，發現顆粒濕潤劑用量對混合均勻性影響最大。當物料的容重、大小等屬性無法改變時，改變物料粗糙度、含水量也是常用的方法。許東來等[19]采用一種混合裝置將聚苯顆粒最大程度地粗糙化，提高了容重相差懸殊材料間混合的均勻度；胡俊生等[4]將椰糠含水率調整為75%，將泥炭含水率調低，混合后基質成分均勻程度達最優標準。混合方式也是影響混合均勻性的因素之一。Li 等[20]在研究混合方法對傳統水泥和嵌鎖密實型水泥混凝土屬性的影響時發現，雙階段混合提高了兩種混凝土混合的均勻性，并且對于傳統水泥，用糊狀物包裹更合適，而對于嵌鎖密實型水泥混凝土用灰泥先結合更適合。雖然減小物料粒徑差異能夠提高混合的均勻性，但勢必也會降低物料性能，進而影響基質的性能。

泡沫砂是一種輕質材料，質地較輕，通氣性好，通常在粒徑＞2 mm 改善土壤通氣性效果較好[11,21]。土壤也是基質常用物料[22]，但粒徑組成復雜，容重較大[23-24]，因此，物料混合時容易出現混合不均勻的現象，影響基質性能。＜200 目的土壤顆粒是土壤重要的組成部分，在實際應用中也不可能去掉。因此，如何在保持粒徑不變的情況下提高容重差異大的兩種物料的混合均勻性急需解決。為此，本研究以土壤和泡沫砂為例，從改善混合方法角度出發，研究提高粒徑和容重差異大的物料混合均勻性的方法，為提高基質性能提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究供試材料分為土壤和泡沫砂。供試土壤采集于南京市江寧區谷里鎮設施菜地大棚，土壤類型為水稻土，質地為粉砂質黏壤土，容重為1.3 g/cm3。土壤樣品采集后，去除碎石、植物殘茬后風干，研磨過2 mm 篩備用。泡沫砂是一種經高溫煅燒而成的無機改良劑，本研究選擇2 ～ 7 mm 粒徑泡沫砂用于改良土壤板結，泡沫砂pH 8.64，風干狀態泡沫砂的松散容重為0.2 g/cm3。

1.2 試驗設計

本試驗設計了5 個處理(表1)，即3 種泡沫砂形態和2 種混合方法的組合。3 種泡沫砂形態分別為風干態、水浸態和泥漿態。風干態泡沫砂為未經過處理的泡沫砂；水浸態泡沫砂為用水浸泡24 h 后的泡沫砂；泥漿態泡沫砂為用泥漿包裹后的泡沫砂，本試驗泥漿由500 g 過2 mm 篩的風干土和500 ml 水混合而成。2 種混合方式分別是常規混合和分層混合。常規混合即將不同形態泡沫砂和風干土一次性人工混合；分層混合即將不同形態泡沫砂和風干土分別分成若干份，每份泡沫砂和風干土人工混合后再集中，本試驗泡沫砂和土壤分別分成10 份進行混合。

表1 泡沫砂和土壤混合試驗設計Table 1 Mixing test design of porous clay ceramic (PLC) and soil

1.3 物料裝填與培養

采用E2 號聚丙烯花盆裝填土壤和泡沫砂混合物，花盆尺寸：長×寬×高=35.5 cm×26.5 cm×21 cm。計算物料用量時，裝填深度按照20 cm、土壤容重按照1.3 g/cm3、泡沫砂容重按照0.2 g/cm3計算，因此，土壤和泡沫砂混合容重理論值為1.14 g/cm3。根據表1 試驗設計進行裝填，每個處理裝填3 個盆(3 個重復)。裝盆時，每個處理混合約2 min。裝盆后，在中國科學院南京土壤研究所溫室內進行培養，根據土壤干濕程度進行澆水。2 個月后進行采樣分析。

1.4 樣品采集與分析

表征固體混合均勻性通常采用混合物中某一組分含量的相對誤差[20]、標準差[15]、變異系數[25]和混合均勻度[26]等。在物料混合時通常不需要考慮混合物的孔隙，甚至要降低孔隙。但對于設施栽培基質，孔隙對基質物理性能具有重要影響[27-28]。土壤容重是土壤質地和孔隙狀況的綜合反映，決定著土壤的物理條件和多項生態、環境功能[29]。因此，本研究采用容重的標準差和變異系數評價泡沫砂和土壤混合的均勻性。

容重采用環刀法測定[30]。每盆(0 ～ 20 cm 土層)按照0 ～ 10、10 ～ 20 cm 兩層采集土壤環刀樣品，每層采集3 個。采集完成后將樣品在烘箱中105℃烘48 h，測定容重(BD)。

式中：n=3 或者6，當土層為0 ～ 10 cm 和10 ～ 20 cm時n=3，當土層為0 ～ 20 cm 時，n=6。

1.5 數據分析

采用SPSS 19.0 分析數據，采用LSD 法對容重的均值、標準差和變異系數進行單因素方差分析，P＜0.05 代表存在顯著性差異。采用單變量分析法確定影響泡沫砂與土壤混合均勻性的主要因素，P＜0.05 表明影響顯著。采用Excel 2013 繪圖。

2 結果與討論

2.1 泡沫砂形態對混合均勻性的影響

常規混合方式下，3 種泡沫砂形態(風干態、水浸態和泥漿態泡沫砂)對泡沫砂與土壤混合后容重的均值、標準差和變異系數的影響分別見圖1、表2 和圖2 中的CK、1T 和2T 處理。泡沫砂形態對不同土層混合均勻性有顯著影響。與風干態泡沫砂相比，水浸態泡沫砂顯著降低了0 ～ 10 cm 土層容重的均值、標準差和變異系數，分別比風干態泡沫砂降低8.43%、188% 和62.1%；泥漿態泡沫砂對0 ～ 10 cm 土層容重的均值、標準差和變異系數無顯著影響，但泥漿態泡沫砂顯著降低了10 ～20 cm 土層容重的均值、標準差和變異系數，分別比風干態泡沫砂降低了 8.53%、30.2% 和19.0%。采用水浸態泡沫砂與土壤混合顯著提升了0 ～ 10 cm 土層泡沫砂與土壤混合的均勻性，而泥漿態泡沫砂則提升了10 ～ 20 cm 土層泡沫砂與土壤混合的均勻性。

泡沫砂形態對泡沫砂和土壤混合物內部的均勻性有顯著影響。風干態泡沫砂和水浸態泡沫砂兩處理，各處理混合物內部0 ～ 10 cm 土層容重的均值、標準差和變異系數與10 ～ 20 cm 土層無顯著性差異。而泥漿態泡沫砂處理，混合物內部0 ～ 10 cm土層容重的均值、標準差和變異系數與10 ～ 20 cm土層存在顯著性差異。泥漿態泡沫砂處理，0 ～10 cm 土層容重的均值、標準差和變異系數分別比0 ～ 20 cm 顯著增加了11.4%、68.1% 和50.8%。采用泥漿態泡沫砂與土壤混合顯著降低了混合物內部的均勻性。

泡沫砂形態對泡沫砂和土壤混合物整體均勻性有顯著影響。與風干態泡沫砂相比，水浸態泡沫砂顯著降低了容重的標準差和變異系數，而泥漿態泡沫砂則顯著增加了容重的標準差和變異系數。水浸態泡沫砂顯著降低了0 ～ 20 cm 土層容重的均值、標準差和變異系數，分別比風干態泡沫砂降低了6.98%、53.9% 和50.2%。雖然采用泥漿態泡沫砂與土壤混合容重的均值比風干態泡沫砂降低了3.88%，但容重的標準差和變異系數比風干態泡沫砂分別增加了52.6% 和58.5%。水浸態泡沫砂顯著提升了泡沫砂與土壤混合物料整體的均勻性。

圖1 不同處理0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土層容重的均值Fig.1 Average of soil bulk densities of layers in 0-10,10-20 and 0-20 cm under different treatments

表2 不同處理容重的標準差Table 2 Standard deviations of bulk densities under different treatments

圖2 不同處理土壤容重的變異系數Fig. 2 Variation coefficients of soil bulk densities under different treatments

水浸態泡沫砂顯著降低了土壤容重。這可能與土壤的黏結性和流動性有關。風干態泡沫砂在混合時，細小的土壤顆粒會進入到泡沫砂中，減少了泡沫砂中的孔隙。相比風干態泡沫砂，水浸態泡沫砂由于經過浸水處理，一方面增加了自身的重量，另一方可以將土壤顆粒吸附在泡沫砂周圍，通過團聚形成以泡沫砂為核心的大團粒[27-29,31]，減少了土壤顆粒進入泡沫砂中。泥漿態泡沫砂，由于泥漿中水分含量高，增加了土壤的流動性[32-33]，在泡沫砂包裹泥漿的過程中泥漿便會進入泡沫砂中，占據一部分孔隙。因此，與泥漿態泡沫砂相比，水浸態泡沫砂最大程度地保持了泡沫砂中的大孔隙，降低了土壤容重。水浸態泡沫砂在混合過程中形成的大團粒相當于增加了泡沫砂的密度，進而降低了與土壤容重之間的差異，提升了混合均勻性[17]。

2.2 混合方式對混合均勻性的影響

為了研究混合方式對泡沫砂與土壤混合均勻性的影響，選擇了風干態泡沫砂和水浸態泡沫砂，分析了分層混合對泡沫砂與土壤混合容重的均值、容重的標準差和變異系數的影響，分別見圖1、表2 和圖2 的3T 和4T 處理。分層混合對泡沫砂與土壤混合均勻性的影響與泡沫砂形態有關。對于風干態泡沫砂，分層混合提升了泡沫砂與土壤混合的均勻性。分層混合0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm土層容重的均值與常規混合相差很小，0 ～ 10 cm和0 ～ 20 cm 土層分別比常規混合增加0.01 g/cm3，而10 ～ 20 cm 土層比常規混合降低了0.02 g/cm3。分層混合0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土層容重的標準差分別比常規混合降低了4.08%、21.6%和17.1%，容重的變異系數分別降低了4.73%、21.0% 和17.8%。分層混合0 ～ 10 cm 和10 ～ 20 cm變異系數相差0.13%，小于常規混合(0.77%)，分層混合使0 ～ 10 cm 和10 ～ 20 cm 更加均勻。

分層混合降低了水浸態泡沫砂與土壤混合的均勻性。采用水浸態泡沫砂與土壤混合，雖然分層混合0 ～ 10、10 ～ 20 cm 土層容重分別比常規混合降低了3.45% 和 2.59%，但容重的標準差和變異系數大幅增加，容重的標準差分別比常規混合增加了113% 和52.4%，容重的變異系數分別增加了119% 和57.7%。分層混合雖然降低了0 ～ 10 cm和10 ～ 20 cm 之間容重的標準差和變異系數差異，但分層混合同時降低了水浸態泡沫砂與土壤混合的整體均勻性，0 ～ 20 cm 土層容重的標準差和變異系數，分別比常規混合增加了51.9%和56.6%。

雖然混合方式對混合均勻性無顯著影響，但分層混合方式降低了水浸態泡沫砂容重和土壤混合的均勻性(圖1、表2 和圖2)。可能是因為分層混合降低了物料之間的擠壓力。分層混合方式每個批次混合物為常規混合的1/10，因此底部物料受到的壓力小于常規混合。在壓力作用下，泡沫砂和周圍的土壤顆粒形成的大團粒被壓實，團粒的密度增加，容重也增加(圖1)，同時大團粒粒徑下降，但卻提高了混合均勻性[34]。因此相比常規混合，分層混合反而降低了濕態泡沫砂混合均勻性。

2.3 混合方式與泡沫砂形態交互效應對混合均勻性的影響

為了分析影響泡沫砂和土壤混合均勻性的主要因素，采用單變量法分析了混合方式與泡沫砂形態交互效應對混合均勻性的影響(表3)。混合方式對混合均勻性無顯著影響。混合方式對0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土層容重均值、標準差和變異系數的F值在0.17 ～ 2.24，P＞0.05。

泡沫砂形態對泡沫砂與土壤混合的均勻性有顯著影響。泡沫砂形態對0 ～ 10 cm 和0 ～ 20 cm混合均勻性影響顯著，0 ～ 10 cm 土層容重均值、標準差和變異系數的F值分別為54.80、11.50 和5.25，0 ～ 20 cm 土層容重均值、標準差和變異系數的F值分別為38.17、11.30、11.86，10 ～ 20 cm 土層容重均值、標準差和變異系數的F值分別為21.96、1.68 和0.83。混合方式和泡沫砂形態互作效應對泡沫砂和土壤混合的均勻性無顯著影響，0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土層容重均值、標準差、變異系數的F值在0.31 ～ 3.32，P＞0.05。因此，泡沫砂形態是影響泡沫砂和土壤混合均勻性的主要因素。

混合方式對泡沫砂和土壤混合的均勻性無顯著影響，而泡沫砂形態對混合均勻性有顯著影響，并且兩個因素之間無交互效應。這可能與物料物理特性的變化有關。物料物理特性是影響混合均勻度的因素之一，包括粒度、容重、顆粒表面粗糙度、流動特性和水分含量等。混合物料的物理特性越接近，其分離度越低，越容易被混合，混合效果越好[35]。在本研究中，將泡沫砂浸水處理和裹泥漿處理增加了泡沫砂含水量和重量，間接改變了泡沫砂的物理特性，而分層混合只是改變了單次混合的量和混合過程中物料受到的擠壓力，并未改變泡沫砂的物理特性。

表3 混合方式與泡沫砂形態交互效應對混合均勻性的影響Table 3 Influence of mixing methods and forms of PLC interaction on mixing uniformity

3 結論

為提高基質中容重差異大的兩種物料——泡沫砂和土壤混合的均勻性，研究了5 種混合方法對泡沫砂和土壤混合均勻性的影響，結果表明，泡沫砂形態對混合均勻性影響顯著。常規混合條件下，水浸態泡沫砂0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土層容重分別比風干態泡沫砂降低8.43%、6.09% 和6.98%，容重的標準差降低了 188%、30.2% 和53.9%，容重的變異系數降低了62.1%、42.9% 和50.1%。混合方式對混合均勻性無顯著影響，但分層混合降低了水浸態泡沫砂與土壤混合的均勻性，分層混合條件下，0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm土層容重的標準差比常規混合增加113%、119%和51.9%，容重的變異系數比常規混合增加52.4%、57.7% 和56.6%。因此，混合方式選擇常規混合，泡沫砂形態選擇水浸態時，泡沫砂和土壤混合均勻性最好。