在湿润-干燥循环条件下，无土栽培介质中氧气扩散率及通气指标的稳定性

《Agricultural Water Management》：Stability of oxygen diffusivity and aeration indicators in soilless growth media under wetting–drying cycles

土壤less栽培系统中14种基质的物理稳定性与氧气扩散特性研究表明，湿干循环显著降低有机基质孔隙连通性，导致氧气扩散系数（Dp/D0）下降。含岩棉（RW）与珍珠岩（P）的基质（如RW(0.1)-Perlite）稳定性最佳，Dp/D0保持较高水平（0.044-0.137）；而含农业残渣（Sawdust）的基质（如Sd-SCB300-V-Z）孔隙易坍塌且Dp/D0较低（0.005-0.025）。 Troeh模型比Millington-Quirk模型更适合作Dp/D0与空气孔隙率（AFP）的拟合，且孔隙连通性比单一AFP更能表征基质通气性。建议采用珍珠岩、岩棉与稳定生物炭的混合基质以兼顾机械支撑与氧气供应。

　　在无土栽培系统中，种植基质在植物生长过程中发挥着至关重要的作用。它不仅为植物根系提供物理支撑，还负责水分和氧气的供应。然而，基质的性能可能会随着时间的推移以及反复的湿润-干燥（W/D）循环而发生变化。本研究旨在评估十四种基质在经历10次W/D循环后，空气扩散系数（Dp/D0）和氧气扩散参数的稳定性。这些基质由矿物基质、生物炭和农业残渣混合而成，分别测试了其容重、质量损失、有机质变化、物理稳定性以及Dp/D0的变化。通过一个腔室方法，测定了在5、10、20、40、60和80 hPa的基质吸力下的Dp值，并使用Millington–Quirk和Troeh方程对Dp/D0与空气填充孔隙度（AFP）数据进行了建模分析。研究结果显示，W/D循环显著降低了基质的结构稳定性，增加了孔隙的曲折度，并在大多数基质中降低了Dp/D0值。然而，含有珍珠岩、岩棉和稳定生物炭的基质则保持了良好的通气性。Troeh模型更符合Dp/D0-AFP数据，因此被推荐使用。此外，研究发现仅凭AFP来评估通气性是不够的，还需要考虑孔隙的曲折度和连通性。在所测试的基质中，推荐使用岩棉（0.1）-珍珠岩（RW(0.1)-Perlite）、岩棉（0.2）-珍珠岩（RW(0.2)-Perlite）、小麦秸秆-蛭石（WS-V）以及锯末-甘蔗渣生物炭（300°C）-蛭石-沸石（Sd-SCB300-V-Z）作为稳定的种植基质，这些基质具有较高的Dp/D0值和再利用潜力。研究结果强调了在可持续温室生产中，选择合适的原材料并智能设计种植基质的重要性，以同时实现物理稳定性、氧气供应效率和经济可行性。

无土栽培作为一种现代农业技术，能够提高作物产量和资源利用效率，同时减少水和能源的消耗。它还有助于改善病虫害控制，实现可持续、全年生产，并降低对环境的影响。因此，这种系统在提升作物质量、经济可行性以及全球粮食安全方面具有重要价值。然而，为了确保作物的健康生长，种植基质的物理特性至关重要，包括其结构稳定性、孔隙度、水分保持能力和通气性。这些特性决定了基质能否在提供植物生长所需水分的同时，保持根系的氧气供应。因此，研究和选择合适的基质对于提高温室作物的生长性能具有重要意义。

研究中发现，种植基质的物理和化学特性在很大程度上影响了其结构稳定性和通气性。有机材料如椰糠、锯末和小麦秸秆通常具有较低的容重和较高的孔隙度，这有利于通气性和水分保持，但它们更容易受到微生物降解和物理塌陷的影响。相比之下，无机材料如珍珠岩、蛭石和岩棉提供了机械强度和抗压实性，有助于长期保持结构稳定性。因此，选择具有稳定性和良好通气性的基质材料，对于确保植物健康生长和温室生产的可持续性至关重要。

研究通过实验评估了不同基质在经历10次W/D循环后的性能变化。实验过程中，基质样品被放置在钢制圆柱体中，并通过控制吸力和压力来模拟湿润和干燥过程。结果表明，含有较高比例无机材料的基质在经历W/D循环后表现出较低的体积收缩和质量损失，而富含有机材料的基质则在重复的湿热和干燥过程中经历了更多的体积收缩和质量损失。例如，含有小麦秸秆的基质（如WS-V和PlmB300-WS-V）在W/D循环后出现了最大的体积收缩和质量损失。这表明，基质中有机材料的含量与其在W/D循环中的稳定性密切相关。有机材料的分解是导致质量损失和体积收缩的主要原因，而无机材料则相对稳定，其物理特性决定了基质的结构和通气性。

此外，研究还发现，基质的有机质含量在经历W/D循环后显著降低。这表明，基质中的有机成分容易受到环境因素的影响，如湿度变化和微生物活动。例如，含有高比例椰糠和日期棕榈果壳的基质表现出较高的有机质含量，而完全由无机材料组成的基质（如RW(0.1)-Perlite和RW(0.2)-Perlite）则几乎没有有机质。这种变化不仅影响基质的物理结构，还可能对植物的生长性能产生负面影响，因为有机质的减少可能导致基质的孔隙结构发生变化，从而影响其通气性和水分保持能力。

在氧气扩散特性方面，研究通过Troeh模型和Millington–Quirk模型对基质的Dp/D0与AFP关系进行了建模分析。结果表明，Troeh模型更准确地拟合了Dp/D0-AFP数据，并且在所有基质中表现出更好的适应性。同时，研究发现，基质的孔隙曲折度和连通性对氧气扩散具有显著影响。例如，在经历W/D循环后，大多数基质的Dp/D0值下降，表明其孔隙曲折度增加，导致氧气扩散能力降低。然而，含有珍珠岩、岩棉和稳定生物炭的基质则表现出较高的Dp/D0值，这可能与其较低的孔隙曲折度和较高的孔隙连通性有关。

研究还指出，尽管AFP是评估通气性的关键指标，但它不能全面反映基质中气体交换的动态过程。因此，除了关注AFP外，还需要考虑孔隙的曲折度和连通性。例如，在经历W/D循环后，某些基质的Dp/D0值虽然保持较高，但其孔隙曲折度却显著增加，这可能限制了氧气的供应效率。此外，基质的容重和孔隙度也对氧气扩散系数产生影响。容重较低的基质通常具有更高的氧气扩散能力，而容重较高的基质则可能影响气体和水分的流动。

为了评估基质的稳定性，研究还计算了不同参数的稳定性指数（Pratio）。该指数反映了基质在经历W/D循环后的性能变化。结果显示，含有较高比例无机材料的基质（如RW(0.1)-Perlite、RW(0.2)-Perlite和WS-V）在W/D循环后表现出较高的稳定性，而含有大量有机材料的基质（如PlmB300-WS-V和Sd-SCB300-V-Z）则在稳定性方面稍逊一筹。这表明，在选择基质时，需要综合考虑其物理特性、结构稳定性和通气性，以确保其在长期使用中的性能保持。

研究还指出，基质的物理特性变化可能与其成分的性质密切相关。例如，含有生物炭的基质在经历W/D循环后表现出较好的稳定性，这可能与其较高的机械强度和抗降解性有关。此外，某些基质如Sd-SCB300-V-Z在经历W/D循环后仍然保持了较高的Dp/D0值，表明其在通气性和氧气供应效率方面具有良好的表现。因此，这些基质可能成为可持续温室生产中的理想选择。

总体而言，本研究揭示了不同基质在经历W/D循环后的性能变化，强调了选择合适原材料和优化基质结构的重要性。通过综合考虑基质的物理特性、结构稳定性和通气性，可以提高温室作物的生长性能和经济效益。此外，研究还指出，未来的研究应进一步探索Dp/D0、根系发育和植物产量之间的动态关系，并利用X射线计算机断层扫描等技术，更直观地了解基质孔隙结构的变化。这些发现为无土栽培基质的优化设计和可持续利用提供了理论依据和实践指导。