现代基质水气调制原理与技术

吴剑锋（浙江嘉兴新竹机械制造有限公司，浙江桐乡 314502）

基质是由多种物料按一定技术指标配制组合而成的，能为种子萌发和植物生长创造适宜条件的人造土壤。理想基质在物理性状上，应结构稳定、水气比优良、吸水快速；在化学性状上，应酸碱适宜、缓冲能力强、营养平衡、盐分影响微小；在生物性状上，应没有活体植物器官组织、没有病菌、虫卵和草籽，不传播病虫草害[1]。要获得这样的理想基质，基质企业一要掌握基质调制原理，二要采用专用设备和配套工艺。

在基质诸多指标中，水气构型调制是基质制备的核心和关键。只有掌握基质水气构型调制原理，采用专业设备和工艺手段，才能调制出水气协调的理想基质，掌握基质制备的主动权。

图1 基质中不同水势的水分有效性

基质水气调制原理

任何植物根系生长都需要适宜的根际环境，根际环境中最重要的功能是为植物根系提供水分和氧气。但是，植物根系吸收水分难易与基质含水量多少无关，而是与基质溶液渗透压和基质颗粒对水的吸附力（即水分阻力）有直接关系[2]。基质水分阻力越小，基质水分对植物根系的有效性越高。当植物根系吸水力大于基质水分阻力，植物才能吸收到所需的水分；植物根系吸水力小于基质水分阻力，基质中水分含量再高对植物根系也没有意义，植物根系根本无法吸收到必要的水分，反而造成植物缺水萎蔫。由于植物根系吸水力和基质溶液渗透压无法改变，所以要提高植物根系对水分的吸力，就必须降低基质颗粒对水分的吸附力。

基质颗粒对水的吸附力大小，关系到植物根系吸水的难易。基质颗粒对水的吸附力也称水势，代表着植物根系要从基质中吸取水分所需要付出的能量。基质水势不同，则水分有效性不同，植物吸水难易程度也不同，基质调制就是有目的构建不同比例的基质水势，从而构建理想基质的水气构型[3]。

由图1可见，在基质水势0～-1 kPa时，基质颗粒对水分的吸附力小于水分重力，这种水分会受地心引力渗出基质，无法存留在基质中。当水分渗出基质后，留下空间马上会被空气占用，成为基质的空气空间。也就是说，基质的气体容积在0～-1 kPa吸力范围内所含水是自由水体积。

在基质水势-1～-5 kPa时，基质颗粒可以吸附水分，但吸附力又小于植物根系的吸水力，所以基质对这部分水分的束缚力较小，植物根系很容易吸收利用到这部分水分，因此称之为基质有效水。基质有效水有时也称毛管松束缚水，是固持在基质孔隙中不能自由排出但又能被植物根系吸收的水分。

在基质水势-5～-10 kPa时，基质颗粒对水分的吸附力增大，植物根系对基质中水分利用虽然困难，但在干旱条件下也可以吸收利用，所以称为缓效水。基质缓效水也称毛管紧束缚水，是基质在水势-5～-10 kPa所吸持的水量。这部分水量是植物生理可以适应、不会萎蔫的最低水量。

水势大于-10 kPa后，植物根系渗透压无论如何也不能克服基质溶液渗透压和基质颗粒对水的吸附力，无法从基质中吸收水分，这部分水分称为无效水。即使基质中含水量再高，对植物根系也没有意义。换句话说，基质无效水就是基质水吸力大于-10 kPa的水量，植物根系完全不能吸收，所以称为无效水。

从以上分析可以发现，自由水能自行渗出基质，所腾出的空间就是基质的空气容积。一个基质可能同时存在自由水、有效水、缓效水和无效水，基质调制就是要找到基质水分形态变化的控制机制，采取对应手段，实现对基质空气容积、有效水容积、缓效水和无效水容积的主动控制，从而掌握基质水气构型调制的钥匙，实现基质制备从必然王国走向自由王国目标。

从图2可以看出，基质颗粒越小，形成的孔隙越细，颗粒总表面积越大，基质表面和颗粒间毛细作用对水分的吸力越强，对植物的有效性越低。基质原料颗粒粒径在0～1 mm时，基质水分容量可达70%～85%，空气容量仅有4%～25%。由于细颗粒表面能大，颗粒间毛细作用强烈，所以这些水分很难被植物吸收；当基质颗粒粒径从1 mm增长到2 mm时，基质中水容量从70%降到62%，空气容量从24%增长到35%；由于颗粒粒径增大，颗粒间毛细作用对水分束缚力逐渐降低，基质水分有效性增加；当基质颗粒从2 mm增加到4 mm以后，基质水容量从62%降低到52%，基质颗粒对水分的吸附作用进一步降低，水分有效性明显提高。空气容量从35%增长到44%，达到极限，此后随着基质颗粒粒径继续增加，水体积和空气体积已经不再变化了。

图2 不同粒级对基质空气和水分空间的影响

从以上分析可见，控制基质水分有效性和空气体积大小的决定性因素是基质原料的颗粒粒径大小。基质初级颗粒粒径和由初级颗粒聚合而成的复合颗粒彼此排列组合方式和比例，就是基质调制的技术核心。基质调制就是使用包括泥炭在内的多种基质原料，采用专用设备进行一系列加工处理，合理分选不同粒径的基质原料，然后科学搭配不同粒径的组合比例，从而达到理想基质的水气构型[4]。

基质水气调制的专用设备和工艺技术

由于中国基质产业起步晚，基础弱，与国外基质产业发展脱节，所以基质制备技术仍沿用传统的配合基质制备设备和工艺手段，处于国际基质制备技术发展的初级阶段。由于基质原料未能进行颗粒分选，甚至很少有企业进行粒度分布分析，所以多数基质企业在基质制备时，只是将泥炭、珍珠岩、蛭石等原料按照既定的比例混合到一起，然后包装出厂，推广使用。由于没有经过颗粒分选过程，不知道泥炭、珍珠岩或蛭石等原料的粒度分布，企业不能对基质产品的预期水气构型实现有效控制，也不能确保自己基质产品有确定的水气构型。经常发生使用同样的泥炭、珍珠岩和蛭石原料，按照同样的比例配制，但不同批次之间的基质质量差异巨大。当出现用户索赔时，企业根本拿不出科学证据为自己辩护，只能被动认罚。

造成中国基质产品水气构型不佳和质量不稳的根本原因是中国现行基质制备工艺中不对基质原料进行颗粒分选。基质原料颗粒分布不清楚，使用原料的粒径变化不定，就无法根据用户需求生产出指定水气构型的产品，也无法确保自己产品水气指标的恒定。要获得预期基质水气构型和恒定产品质量，就必须选用专业颗粒分选设备和配套工艺技术，将基质原料筛分不同粒径，分别储备，然后在计算机控制下，将不同粒径原料颗粒按比例调配到一起，才能获得满足预定水气构型和质量恒定的专业基质。

粒度分选的关键设备是齿轮筛，齿轮筛是颗粒分选机械的一项重大发明，是基质制备技术从配合基质走向定制基质的关键设备[5]，齿轮筛彻底改变了传统筛分机械依靠网眼大小分离颗粒的落后方式。齿轮筛利用串在一根转动轴上的多个齿轮与串在另一根转动轴上的齿轮间隙实现颗粒分选，齿轮间间隙越小，过筛的原料颗粒越小；齿轮间隙越大，过筛物料的颗粒越大。不同粒径齿轮筛的组合方式和内部结构见图3。齿轮筛的突出特点是产量极高，一条宽100 cm的齿轮筛筛分生产线，每小时可筛分200 m3原料，需要一条宽度1000 mm的皮带机不间断供料。齿轮筛既可以筛分泥炭，也可以筛分珍珠岩、蛭石、堆肥、椰糠等，物料适应面广，水分要求低。将几个不同间隙的齿轮筛组合起来，一次物料流过就可以分选出不同粒径的物料，为颗粒组配制备定制基质奠定了坚实基础。

图3 不同粒径齿轮筛组合方式和内部构造

不同间隙齿轮筛筛分的物料具有不同的物料粒径组合，对应着不同的利用方向。采用40 mm齿轮筛，筛下物属于超粗颗粒，其中15～40 mm占25%，10～15 mm 占 10%，5～10 mm 占 20%，1～5 mm占20%，＜1 mm占25%，主要用于高通气性的盆栽基质制备；采用20 mm齿轮筛，筛下物10～15 mm占20%，5～10 mm占15%，1～5 mm占18%，＜1 mm占40%，主要用于栽培基质的制备；采用10 mm齿轮筛，筛下物中5～10 mm 占 20%，1～5 mm 占 30%，＜1 mm 占50%，主要用于种苗基质的制备。

根据目标产品需求，选择相应物料和相应粒径，通过计算机控制的配料系统定量进料，这是粒径分选、颗粒组配的现代基质制备技术。由于基质原料对水分和环境湿度敏感，原料水分含量不同直接影响基质重量，所以国外基质配料系统全部采用体积计量方式，以避免因为水分变化影响配料精度。由计算机控制不同粒径的料斗进料量，进入输料主皮带机，再配加适量辅料和助剂，最后混合包装[6]。

配方是专业基质制备的核心，配方不仅包括不同粒径的组配，也包括主料和辅料的组配。定制基质必须根据目标作物根系对基质水气构型、养分平衡、酸碱平衡、缓冲平衡、吸水湿润、结构稳定的需求，选择不同的基质主料和辅料，用不同粒径和不同比例原料进行科学调制，最终达到特定作物需要的水气构型。配方中需要加入的辅料多种多样，不仅包括植物需要的大量元素、中量元素和微量元素，这些元素还需要进行适当的缓释化处理，既能满足植物对不同营养的横向平衡需求，又能满足作物对前后期营养纵向供应的需求，最大限度地减少用户劳动，提高产品的技术附加值。为了调节基质的酸碱度，配料中还需要加入石灰等材料；为了改善基质的吸水性能，需要加入润湿剂；为了改善基质的保肥性能，需要加入某种特殊的粘土矿物；为了提高基质的防病抗病能力，需要适量加入针对性微生物菌剂；为了提高基质结构稳定性，需要加入某些耐分解基质物料。但是对一个基质来说，最重要的基质指标还是理想水气构型的实现。没有理想的水气构型，其他辅助材料的加入再多也无济于事。

基质物料的混合可以使用多种机械，但最佳混合机械是滚筒混合器。滚筒混合器不破坏原料纤维，保障基质粒度，确保基质水气构型和结构强度。此外，盘式混合器可因物料流动带动旋转，从而产生对物料混合。盘式混合器对基质纤维损伤小，无需动力，成本低廉。但搅拌盘硬度要求高，磨损快，需要频繁更换。物料混合器最忌使用单绞龙混合器和双绞龙混合器，搅龙混合对基质物料结构损伤大，纤维破坏作用强，应该尽快弃用。

物料混合均匀后，就可以通过定量包装，检验出厂了。对大客户可以采用装入封闭运输车直接向用户供应散装基质方式，可节省大量包装费用，有利于降低用户成本，提高产品竞争力。散装运输要求用户运到即用，卸车场地和储备场地必须有硬化地面，地面必须彻底清理，防止混入病菌、虫卵和草籽。

现代基质制备技术的核心是粒径分选、粒度组配[7-8]。所有作物根系需要的水气需求，都可以通过粒径分选、颗粒组配予以实现。采用这项技术和成套设备，基质制备就不再是技术门槛低、技术含量低、产品利润低的三低产业，企业可以根据自己的客户需求，开发适合自己客户的专用基质，脱离传统基质的红海竞争，打开自己的蓝海市场。