不同粒径组合对植物栽培基质容重及孔性和水吸力的影响*

唐永康 沈韫赜 艾为党 吴志强 毛瑞鑫 吴浩 胡伟 冯红旗

(中国航天员科研训练中心 人因工程重点实验室 北京 100094)

0 引言

在受控生态生保系统（Controlled Ecological Life Support System，CELSS）中，植物作为其中的关键生物部件，可以吸收二氧化碳，为乘员提供食物、氧气和水，调节乘员的心理[1]。自人类开展太空飞行活动以来，就一直尝试在空间轨道上培养植物，以评估空间飞行环境对植物的影响。

目前，相关国家及组织已在空间搭载过40 多种不同的植物培养装置，开展空间失重环境下的植物培养试验研究[2-4]。在空间失重环境下培养植物的方式包括液膜培养和基质培养，其中基质培养是空间植物培养的主要方式[5]。已在空间应用过的植物栽培基质主要有离子交换树脂、琼脂、泡沫材料、沸石、蒙脱土、蛭石等[6-8]。基质特性（包括pH 值、容重、孔性和水吸力等）是影响其在空间应用效果的重要因素。Hoehn等[6]研究了不同类型基质的供水特性，Steinberg等[7]筛选研究了蒙脱土的理化特性和水分特性，Guo等[9]筛选研究了陶瓷颗粒作为植物栽培基质，Adams等[10]研究了蒙脱土的活性养分、养分吸附和植物吸收等几方面内容。这些研究主要集中在单一均质基质的物理特性上，缺少对不同粒径基质组合后对土壤物理性质的影响。因此，本文在前期研究[11]基础上，开展了不同粒径对栽培基质容重、孔性和水吸力影响的比较研究，旨在为栽培基质的空间应用提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用4 类无机植物栽培基质，即Profile 颗粒土（P）[10]、黑陶粒（B）、白陶粒（W）和蛭石（V）[8]。其中，P 基质来自美国黏土矿石，B 和W 基质是通过煅烧不同岩石而形成的多孔颗粒物，V 基质由花岗岩高温煅烧而成。其中P/B/W 基质设计3 种粒径，即＜1 mm，1～2 mm，2～3 mm。V 基质设计一种粒径（1～2 mm），作为对比参照。不同基质的外观形貌及微观电子显微镜扫描图见文献[11]。

1.2 试验设计

3 种基质（P/W/B）均设计10 种粒径组合（见表1），以1～2 mm 粒径的基质为主（1～3 组合的体积占比为50%，4～7 组合的体积占比为60%，8～10 组合的体积占比为70%），配置不同比例的＜ 1 mm基质（10%～50%）和2～3 mm 基质（0～30%）。其中，蛭石（V）仅设置一种比例，即0-100-0（全部为1～2 mm 粒径蛭石），用于对照参比。不同粒径基质配置后，充分混匀。

表1 4 种栽培基质不同粒径组合Table 1 Combinations of different particle size of four kinds of substrates

1.3 试验方法

基质基本特性（pH 值、电导率和重金属含量）、容重和孔性的测定方法参照标准NY/T2118-2012《蔬菜育苗基质》和GB/T 33891-2017《绿化用有机基质》。采用1～2 mm 粒径测定基质的基本特性，容重和孔性的测定则采用不同粒径组合基质。

1.3.1 基本特性

（1）酸碱度（pH 值）：采用一定体积比例的基质与去离子水的浸提液测定pH 值。

（2）电导率（Electric Conductivity，EC）：反映栽培基质中可溶性盐分的含量，单位为mS·cm-1。

（3）重金属含量（Heavy Metal Content，HMC）：取烘干基质测定其重金属（镉、铬、铅、汞和砷）含量。

1.3.2 容重

测定不同粒径组合基质的容重（Bulk Density，BD），即单位体积（50 cm3）的基质干重，单位为g·cm-3。

1.3.3 孔性

（1）总孔隙度（Total Porosity，TP）：基质中所有孔隙（持水孔隙和通气孔隙）的总和，以相当于基质体积的百分数（%）表示。

（2）持水孔隙度（Water Holding Porosity，WHP）：基质中水分所占的空间，一定程度上反映了基质的保水力，以相当于基质体积的百分数（%）表示。

（3）通气孔隙度（Air Porosity，AP）：基质中空气所占的空间，以相当于基质体积的百分数（%）表示。

（4）气水比（Water Air Ratio，WAR）：基质中通气孔隙度与持水孔隙度的比值。

1.3.4 水吸力

取烘干的不同粒径组合栽培基质100 mL，混合均匀，置于直径29 mm 的100 mL 塑料量筒内。量筒底部均匀对称打8 个直径5 mm 的圆孔，然后用双层定性滤纸包裹圆孔，外部水溶液可从双层滤纸均匀进入量筒内基质。量筒放入直径110 mm 的培养皿中。试验时，在培养皿中快速加入150 mL 0.2%的曙红水溶液，定时（0.5，1，2，5，10，30，60，120 min）观察、测定并计算湿润锋液面上升高度和速率，试验结束时测量培养皿剩余曙红溶液的体积。

1.4 统计分析

本试验所有处理均设置重复（重复次数n=3），进行统计分析。对数据进行方差分析和回归分析，并采用SAS 9.2（SAS Inc.，Cary，NC）统计软件对不同处理的平均值进行多重比较，以p＜ 0.05和p＜0.01 表示统计学显著和极显著意义。

2 结果与分析

2.1 基本特性

4 种栽培基质的酸碱度（pH 值）列于表2。黑色陶粒的pH 值超出NYT2118-2012 标准要求（5.5～7.5），在使用时需要进行酸化处理，减小高pH 值对植物生长的不利影响。P 基质的电导率最高，黑陶粒的电导率最小。这表明，P 基质中有较多可溶性盐分，可作为植物根系吸收利用的矿质养分。黑陶粒为烧结的材料，可溶性盐分较少。P 基质的水浸提液电导率符合GB/T 33891-2017 的标准要求（300～1500 µS·cm-1），而其他3 种基质略低于该标准。4 种植物栽培基质中的5 种重金属含量极低，符合GB/T 33891-2017 标准中的重金属含量Ⅰ级标准。

表2 不同栽培基质基本物化特性Table 2 Physical-chemical characteristics of four kinds of substrates

2.2 容重

P 基质的容重随着＜1 mm 粒径比例的增加而增加（见表3），P4 的容重最低，P10 的容重最高。P2，P3，P5～P10 之间的容重无明显差异，但却显著高于P1 和P4。B 基质的容重变化趋势与P 基质相似，但不同组合之间的差异更加明显。＜1 mm 黑陶粒较低比例的B1，B4 和B8 容重显著低于其他处理，B3，B7 和B10 的容重显著高于其他处理，B2，B5，B6和B9 的容重适中。W 基质不同组合之间的差异较小，W1 容重最小，W10 具有最大的容重，W1～W9 之间的容重无显著差异，而W10 容重显著高于W1，W3和W4。3 种基质（P/B/W）不同组合的平均容重均显著高于V 基质的容重，W 基质具有最大的容重，P 和B 基质之间的容重无显著差异。

表3 不同粒径组合基质的容重比较（单位g·cm-3）Table 3 Comparisons of bulk density of different size combinations of substrates (Unit g·cm-3)

对不同组合基质P/B/W 的容重与不同粒径（＜1 mm,1～2 mm,2～3 mm）比例进行直线回归分析，所得回归方程、R2和显著性见表4。3 种基质P/B/W 的容重直线回归方程R2分别为0.75，0.89和0.72，分别达到显著相关（B 基质为极显著相关）。其中，P 基质和B 基质的容重与X1（＜1 mm 粒径占比）成正相关（相关系数为0.663，0.951），与X3（2～3 mm 粒径占比）呈负相关（相关系数-0.745，-0.939），而与X2（1～2 mm 粒径占比）无显著相关（相关系数0.194，-0.304）。W 基质的容重仅与X3呈负相关（相关系数-0.592）。

表4 不同粒径组合基质的容重、孔性及水吸力回归分析Table 4 Regression analyses of bulk density,total porosity,and water suction of different size combinations of substrates

2.3 孔性

2.3.1 孔隙度

如图1（a）所示，当1～2 mm 粒径的P 基质占比为50% 时（组合P1～P3），增加＜1 mm 粒径的基质（从20%增加到50%），并且减少＞2 mm 粒径的基质时（从30% 减少到0%），P2 和P3 的总孔隙度（TP）增加，持水孔隙度（WHP）也显著增加，但通气孔隙度（AP）则显著下降；与P 基质不同，B2 和B3 的TP 没有显著增加（见图1 b），WHP 和AP 的变化趋势相似；W1～W3 之间的TP 和WHP 均无显著性差异（图1 c），仅W2 和W3 的AP 显著下降。

当增加1～2 mm 基质占比为60%时（组合P4～P7）和70%（P8～P10）时，增加小粒径颗粒，TP 和WHP 逐渐增加，而AP 则逐渐下降。其中，P7 组合的TP 显著高于P4，WHP 则显著高于P4～P6，但是P4～P7 之间AP 无显著性差异。在P8～P10 之间，TP 无显著性差异，P8 的WHP 显著低于P9 和P10，P8 的AP 显著高于P9 和P10；B4～B7 之间的TP，WHP 和AP，以及B8、B9 和B10 之间的TP，WHP 和AP 均无显著性差异；W4的TP值显著高于W7，W8～W10之间的TP值无显著性差异，W9 和W10 的WHP 值显著增加，AP 则显著下降。

4 种栽培基质（1～2 mm 粒径）孔隙度比较（见图1d），V 基质的TP（69.66%）显著高于其他3 种基质，P 基质的TP 显著高于B 和W 基质，B 基质的TP（47.62%）最小；P 和V 基质的WHP 均显著高于B 和W 基质；4 种栽培基质的AP（9.00%～14.30%）无显著性差异。

图1 不同粒径组合P/B/W/V 基质孔隙度（对于同一参数TP，AP，WHP，同一张图内标注相同小写字母表示不同组合之间无显著性差异，即p ＜ 0.05，n=4）Fig.1 Porosities of different size combinations of P/B/W/V substrates (For the same parameter of TP,AP,WHP,the same lowercase letter marked in the same figure indicates that there are no significant differences between different combinations,p ＜ 0.05,n=4)

根据孔隙度与不同粒径（＜ 1 mm,1～2 mm,2～3 mm）比例的直线回归分析结果（见表4），3 种基质P/B/W 的孔隙度直线回归方程R2分别为0.42，0.53 和0.87，其中W 基质的直线回归方程达到极显著性相关，但P 和B 基质回归方程相关不显著。其中，P 基质和B 基质的孔隙度与X1，X2和X3均无相关性，而W 基质的孔隙度与X1负相关（相关系数-0.815），与X2和X3正相关（相关系数0.700，0.581）。

比较不同基质组合的孔隙度大小（见表5）。组合P7 具有最高的TP（65.91%）和WHP（59.91%），组合P8 具有最高AP。P 基质组合的孔隙度平均值分别为TP（63.82%），WHP（53.60%）和 AP（10.22%）；组合B8，B3 和B1 分别具有最高的TP（47.83%），WHP（42.79%）和AP（16.37%）。B 基质组合的孔隙度平均值分别为47.62% TP，38.22% WHP 和9.40%AP；组合W4，W3 和W8 分别具有最高的TP（61.95%），WHP（48.62%）和AP（26.56%）。W 基质组合的孔隙度平均值分别为TP（58.61%），WHP（44.31%）和AP（14.30%）。

表5 不同粒径组合基质的总孔隙度值、持水孔隙度值和通气孔隙度值大小顺序Table 5 Order of porosities of different size combinations of substrates

2.3.2 气水比

从3 种基质不同粒径组合基质的WAR 值变化趋势来看（见图2），增加＜1 mm 粒径的基质时，基质的WAR 值均呈现下降趋势（组合1～ 3，组合4～ 7，组合8～ 10）。增加1～2 mm 基质颗粒占比（50%～70%），P 基质（图2 a）和W 基质（图2 c）的气水比呈现逐渐增加的趋势，而B 基质（图2 b）的气水比则相反。4 种栽培基质（1～2 mm 粒径）气水比的结果比较见图2 d，P 基质的WAR 值与V 基质相当，B 和W 基质的WAR 值较V 基质大，但4 种基质之间的WAR 比较并无显著性差异。3 种基质结果比较见表6，P8，B1 和W8 具有最高的WAR 值，分别为0.34，0.53 和0.50 ；P3，B3和W3具有最小的WAR值，分别为0.08，0.10 和0.12。

表6 不同粒径组合基质的气水比值大小顺序Table 6 Order of water air ratios of different size combinations of substrates

图2 不同粒径P/B/W/V 基质气水比Fig.2 Water air ratios of different size combinations of P/B/W/V substrates

从气水比与不同粒径（＜1 mm,1～2 mm,2～3 mm）比例的直线回归分析结果看（见表4），3 种基质P/B/W 气水比的直线回归方程R2分别为0.79，0.77 和0.90，均达到显著性相关（W 基质为极显著性相关）。其中P 基质的气水比与X1负相关（相关系数-0.875），与X3正相关（相关系数0.866），而与X2无显著性相关（相关系数0.246）。B 基质的气水比与X3正相关（相关系数0.733），但与X1和X2无相关性（相关系数-0.494，-0.329）。W 基质的气水比与X1负相关（相关系数-0.883），与X2和X3正相关（相关系数0.663，0.754）。

2.4 水吸力

2.4.1 吸水高度

组合P1～P3 中（图3 a），基质对水分的吸附上升速度随 ＜1 mm 粒径基质的占比增加而增加，120 min 测试时间内，P3 具有较高的爬升高度，即112.5 mm（0.94 mm·min-1）；B1～B3 中（图3 b）对水分的吸附上升速度与P 基质相似，120 min 测试时间内，B3 具有较高的爬升高度，即171.2 mm（1.43 mm·min-1）；组合W1～W3 中（图3 c），120 min 测试时间内，W3 具有较高的爬升高度，即94.5 mm（0.78 mm·min-1）。

图3 不同粒径P/B/W/V 基质水吸力高度Fig.3 Water suction heights of different size combinations of P/B/W/V substrates

组合P4～P7 中，P7 具有较高吸水速率（111.9 mm，0.93 mm·min-1）；组合B4～B7 中，B5，B6，B7 具有较高吸水速率（163.0 mm，1.36 mm·min-1）；组合W4～W7中，W7 具有较高吸水速率（98.3 mm，0.82 mm·min-1）；P4，B4 和W4 组合的吸水速率均较小。

组合P8～P10中，P10具有较高吸水速率（99.4 mm，0.83 mm·min-1）；组合B8～B10 中，B10 具有较高吸水速率（171.2 mm，1.43 mm·min-1）；组合W8～W10中，W10 具有较高吸水速率（75.0 mm，0.63 mm·min-1）；P8，B8 和W8 组合的吸水速率均较小。

P/B/W 不同粒径组合基质的吸水速率大小顺序分别为P3＞P7＞P6＞P10＞P2＞P5＞P9＞P1＞P4＞P8，B3=B10＞B5=B6=B7=B8＞B4＞B9＞B2＞B1，W7＞W3＞W2＞W6＞W1＞W10＞W9＞W4＞W5＞W8。

4 种栽培基质（1～2 mm 粒径）吸水力测定结果的比较（图3d），V 基质的吸水速率值最高，达到112.5 mm（0.94 mm·min-1），显著高于其他三种基质（p＜0.05）；P 基质和B 基质的吸水速率值相当，约71.7 mm（0.60 mm·min-1），显著高于W 基质。

2.4.2 吸附水量

表7 给出了不同粒径组合基质的吸水量。P 基质中，P3 具有最高吸附水量（37.0 mL），P4 具有最小吸附水量（18.3 mL）。P 基质的吸附水量大小顺序为P3＞P2＞P1＞P7＞P6＞P10＞P9＞P5＞P8＞P4。P1，P2和P3 间的吸附水量显著高于其他基质组合。P6，P7 和P10（P5 和P9，以及P4 和P8）之间的吸附水量也无显著性差异。

表7 不同粒径组合基质吸水量（单位 mL）Table 7 Adsorption water volume of different size combinations of substrates (Unit mL)

B 基质中，B3 具有最高吸附水量（37.7 mL），B4 具有最小吸附水量（18.3 mL）。B 基质的吸附水量大小顺序为B3＞B2＞B7＞B6＞B10＞B5＞B1＞B8＞B9＞B4。B2，B3，B6 和B7 间的吸附水量显著高于其他基质组合。

W 基质中，W3 具有最高吸附水量（25.0 mL），W8 具有最小吸附水量（14.3 mL）。W 基质的吸附水量大小顺序为W3＞W2＞W6＞W7＞W1＞W10＞W9＞W4＞W5＞W8。W2，W3，W6 和W7 的吸附水量显著高于其他基质组合。

4 种栽培基质（1～2 mm 粒径）中，V 基质的吸水量最高，达37.0 mL，显著高于其他3 种基质（p＜0.05）；P 基质和B 基质的吸水量相当（无显著性差异），约20.0 mL，显著高于W 基质。

从水吸力（吸水量）与不同粒径（＜1 mm,1～2 mm,2～3 mm）比例的直线回归分析结果看（见表4），3 种基质P/B/W 吸水量的直线回归方程R2分别为0.84，0.85 和0.83，均达到极显著性相关。其中，P 基质的吸水量与X1正相关（相关系数0.762），与X2负相关（相关系数-0.683），而与X3无显著性相关（相关系数-0.510）。B 基质的吸水量与X1正相关（相关系数0.911），与X3负相关（相关系数-0.792），而与X2无显著性相关（相关系数-0.474）。W 基质的吸水量与X1正相关（相关系数0.851），与X2和X3负相关（相关系数-0.664，-0.682）。

3 讨论

3.1 粒径对基质容重的影响

容重是影响植物基质栽培的重要物理参数，基质容重与其自身质地和颗粒大小关联度大，其大小反映了基质的疏松、紧实程度和持水、通气能力[12]。在现有的国标和行业标准中，GB/T 33891-2017 规定基质的容重范围为0.10～1.00 g·cm-3，NYT2118-2012 标准则规定育苗基质的容重范围为0.20～0.60 g·cm-3。容重过大，基质过于紧实，持水性较好，但通气性较差；容重过小，基质过于疏松，通气性较好，有利于根系下扎，但持水性较差，易干，且固定植株的效果较差。

本研究中，3 种基质（P/B/W）的容重均随＜1 mm 粒径比例的增加而增加（见表3），这表明增加小粒径基质颗粒占比，不同组合基质的容重也显著增加。基质容重不仅与基质材料相关，还与基质颗粒大小密切相关。对几种基质的容重进行比较，其中P 基质和B 基质容重相当，约为0.7 g·cm-3，W 基质容重较大（＞1.0 g·cm-3），V 基质容重约0.4 g·cm-3。此外，在资源有限的空间，容重较小的栽培基质有利于节约资源，但需同步考虑其固持植物能力。参考已开展的相关研究[7-10]，空间植物栽培基质的容重范围一般为0.3～0.8 g·cm-3。因此，P 基质和B 基质的容重比较适合在空间培养植物，V 基质适合较小植物或植物幼苗培养，W 基质的容重过大。

3.2 粒径对基质孔性的影响

基质的孔性参数包括总孔隙度、持水孔隙度、通气孔隙度和气水比等。总孔隙度反映了基质的孔隙状况，孔隙度大说明基质疏松，容纳空气和水的量大，有利于根系生长。因此，孔隙度需要合理控制在一定范围内，一般要求孔隙度在54%～96%，这比较适合多数作物栽培[12]。W 基质容重较大，导致其不同粒径组合基质的总孔隙度普遍偏小，均值约为50%。P 基质和B 基质总孔隙度均大于60%。V 基质容重最小，其总孔隙度最大（约70%）。因此，从总孔隙度角度考虑，空间植物栽培时宜选择V 基质、P 基质和B 基质。

持水孔隙度、通气孔隙度和气水比则反映基质中容纳水分和空气的能力和比值。研究表明，增加小颗粒基质（＜1 mm）的含量有利于增加持水孔隙度，以便基质能够储存更多水分，但相应也会减少容纳空气的孔隙。其中P 基质和V 基质WHP 较高，具有较高的贮藏水分的能力。B 基质和W 基质的微孔占比较少，持水能力相对较弱，但是可以通过增加细小颗粒占比提高其储存水分的能力。此外，在空间培养植物，还需要栽培基质具有良好的透气性（AP）。当根部氧气不足时，需要进行强制通风[8]。NY/T2118-2012《蔬菜育苗基质》规定，育苗基质的气水比（WAR）为1∶（2～4）。本文中4 种基质的气水比值均小于该标准要求，这可能与这4 种基质颗粒粒径（≯2.0 mm）均远小于农业生产中的基质颗粒粒径（≯20 mm）有关。

3.3 粒径对基质水吸力的影响

基质水吸力表征基质中水分承受一定吸附力情况下所表现的能态，其值与水势值相等而符号相反，包括基质吸力和渗透吸力两方面。通过测量基质吸水速率和吸水高度，间接反映基质的水吸力，同时通过测量其吸水数量反映基质容纳水分的能力。研究表明，在同一种基质中，小粒径颗粒（＜1 mm）占比越高，其吸水速率和吸水量均较高；基质中1～2 mm 粒径占比越高，其吸水速率和吸水量则越低，70%占比的吸水速率最低。不同基质之间，V 基质具有最高的吸水速率和吸水量，P 基质和B 基质相当，W 基质最小。这与基质的总孔隙度值相一致。

在空间微重力环境下，水分在基质中的传导主要依靠基质毛细作用力（水吸力），并且水分在基质中的分布及运移规律也与地面完全不同[11]。基质水吸力的强弱直接体现其在空间微重力环境下为植物根系的导水能力，导水能力强则可均匀输送水分至植物根部附近。此外，在空间微重力环境下，基质中的水气较地面更难达到平衡，容易造成缺水致使植物干旱死亡，或者水多造成植物根部缺氧影响根系生长。因此，需要综合考虑基质既要为植物根系提供充足的水分，又需要保证基质中空气含量满足根系呼吸需求。比较而言，P 基质和B 基质具有适中的容重，良好的孔性和水吸力，可以作为空间植物栽培基质的备选材料。此外，本研究主要考虑单一基质不同粒径配比对容重、孔性和水吸力的影响，未来还需要开展不同基质不同粒径配比的研究，以便融合不同基质的优良特性，研制或筛选更加适应空间环境且满足植物生长需要的复合基质。

4 结论

通过对4 种栽培基质10 种粒径组合的基本特性、容重、孔性和水吸力性能进行研究，得到如下结论。

（1）B 基质酸碱度偏高，需要调节后使用。P基质含有较多矿质养分离子。

（2）增加小粒径基质颗粒占比显著增加了不同组合基质的容重。P/B 基质的容重适中（约0.70 g·cm-3）。

（3）不同组合基质的TP 和WHP 随小粒径基质颗粒占比增加而增加，但AP 下降。P7（40-60-0），B8（10-70-20）和W4（10-60-30）具有最高的TP 值，P8（10-70-20），B1（20-50-30）和W8（10-70-20）则具有最高的WAR 值。V 和P 基质的平均TP 显著高于B 和W 基质。

（4）基质水分的吸附上升速度随 ＜1 mm 粒径基质的占比增加而增加。P3（50-50-0），B3（50-50-0）和W7（40-60-0）分别具有最高吸水速率，P3（50-50-0），B3（50-50-0）和W3（50-50-0）具有最高吸附水量。基质的吸水高度和吸水量大小顺序为V＞B＞P＞W 和V＞P＞B＞W。综合比较，P3（50-50-0）基质和B7（40-60-0）基质具有适中的容重、良好的孔性和较高的水吸力，适合用于空间植物栽培。