混合方式對(duì)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(xué)正，徐靈穎，徐勝祥，史藝杰，李湘?zhèn)?，謝新喬

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；3 紅塔煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司，云南玉溪 653100)

近幾十年來(lái)，基質(zhì)栽培在設(shè)施產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。物料混合是基質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程中的必要環(huán)節(jié)，其混合的均勻程度直接影響基質(zhì)的性能[4]?；|(zhì)的物料組成多樣[5-7]，這些物料往往在尺寸大小、狀態(tài)和密度等方面存在差異，容易造成基質(zhì)混合不均勻[8-11]，進(jìn)而降低基質(zhì)的性能，影響種苗生長(zhǎng)狀況。

在設(shè)施園藝中，目前關(guān)于基質(zhì)的研究主要集中在不同物料配比對(duì)作物育苗、生長(zhǎng)以及基質(zhì)性能的影響[7,12-13]，但對(duì)于基質(zhì)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(yè)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(duì)瀝青混合料均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)去掉混合料中≥9.5 mm 及≤2.36 mm 粒徑級(jí)配可以提高混合均勻性；錢達(dá)興等[17]在研究粒度分布變化對(duì)玻璃配合料混合均勻性的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)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?！讳P鋼微球和鋁粉研究物料混合度的影響因素，發(fā)現(xiàn)顆粒濕潤(rùn)劑用量對(duì)混合均勻性影響最大。當(dāng)物料的容重、大小等屬性無(wú)法改變時(shí)，改變物料粗糙度、含水量也是常用的方法。許東來(lái)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(diào)整為75%，將泥炭含水率調(diào)低，混合后基質(zhì)成分均勻程度達(dá)最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)。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(duì)傳統(tǒng)水泥和嵌鎖密實(shí)型水泥混凝土屬性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，雙階段混合提高了兩種混凝土混合的均勻性，并且對(duì)于傳統(tǒng)水泥，用糊狀物包裹更合適，而對(duì)于嵌鎖密實(shí)型水泥混凝土用灰泥先結(jié)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(shì)必也會(huì)降低物料性能，進(jìn)而影響基質(zhì)的性能。

泡沫砂是一種輕質(zhì)材料，質(zhì)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(zhì)常用物料[22]，但粒徑組成復(fù)雜，容重較大[23-24]，因此，物料混合時(shí)容易出現(xiàn)混合不均勻的現(xiàn)象，影響基質(zhì)性能。＜200 目的土壤顆粒是土壤重要的組成部分，在實(shí)際應(yīng)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(fā)，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(zhì)性能提供科學(xué)依據(jù)。

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(qū)谷里鎮(zhèn)設(shè)施菜地大棚，土壤類型為水稻土，質(zhì)地為粉砂質(zhì)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(fēng)干，研磨過(guò)2 mm 篩備用。泡沫砂是一種經(jīng)高溫煅燒而成的無(wú)機(jī)改良劑，本研究選擇2 ～ 7 mm 粒徑泡沫砂用于改良土壤板結(jié)，泡沫砂pH 8.64，風(fēng)干狀態(tài)泡沫砂的松散容重為0.2 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了5 個(gè)處理(表1)，即3 種泡沫砂形態(tài)和2 種混合方法的組合。3 種泡沫砂形態(tài)分別為風(fēng)干態(tài)、水浸態(tài)和泥漿態(tài)。風(fēng)干態(tài)泡沫砂為未經(jīng)過(guò)處理的泡沫砂；水浸態(tài)泡沫砂為用水浸泡24 h 后的泡沫砂；泥漿態(tài)泡沫砂為用泥漿包裹后的泡沫砂，本試驗(yàn)?zāi)酀{由500 g 過(guò)2 mm 篩的風(fēng)干土和500 ml 水混合而成。2 種混合方式分別是常規(guī)混合和分層混合。常規(guī)混合即將不同形態(tài)泡沫砂和風(fēng)干土一次性人工混合；分層混合即將不同形態(tài)泡沫砂和風(fēng)干土分別分成若干份，每份泡沫砂和風(fēng)干土人工混合后再集中，本試驗(yàn)泡沫砂和土壤分別分成10 份進(jìn)行混合。

表1 泡沫砂和土壤混合試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Mixing test design of porous clay ceramic (PLC) and soil

1.3 物料裝填與培養(yǎng)

采用E2 號(hào)聚丙烯花盆裝填土壤和泡沫砂混合物，花盆尺寸：長(zhǎng)×寬×高=35.5 cm×26.5 cm×21 cm。計(jì)算物料用量時(shí)，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(jì)算，因此，土壤和泡沫砂混合容重理論值為1.14 g/cm3。根據(jù)表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行裝填，每個(gè)處理裝填3 個(gè)盆(3 個(gè)重復(fù))。裝盆時(shí)，每個(gè)處理混合約2 min。裝盆后，在中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所溫室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，根據(jù)土壤干濕程度進(jìn)行澆水。2 個(gè)月后進(jìn)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(duì)誤差[20]、標(biāo)準(zhǔn)差[15]、變異系數(shù)[25]和混合均勻度[26]等。在物料混合時(shí)通常不需要考慮混合物的孔隙，甚至要降低孔隙。但對(duì)于設(shè)施栽培基質(zhì)，孔隙對(duì)基質(zhì)物理性能具有重要影響[27-28]。土壤容重是土壤質(zhì)地和孔隙狀況的綜合反映，決定著土壤的物理?xiàng)l件和多項(xiàng)生態(tài)、環(huán)境功能[29]。因此，本研究采用容重的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)評(píng)價(jià)泡沫砂和土壤混合的均勻性。

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

式中：n=3 或者6，當(dāng)土層為0 ～ 10 cm 和10 ～ 20 cm時(shí)n=3，當(dāng)土層為0 ～ 20 cm 時(shí)，n=6。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0 分析數(shù)據(jù)，采用LSD 法對(duì)容重的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)進(jìn)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(jié)果與討論

2.1 泡沫砂形態(tài)對(duì)混合均勻性的影響

常規(guī)混合方式下，3 種泡沫砂形態(tài)(風(fēng)干態(tài)、水浸態(tài)和泥漿態(tài)泡沫砂)對(duì)泡沫砂與土壤混合后容重的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)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(tài)對(duì)不同土層混合均勻性有顯著影響。與風(fēng)干態(tài)泡沫砂相比，水浸態(tài)泡沫砂顯著降低了0 ～ 10 cm 土層容重的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，分別比風(fēng)干態(tài)泡沫砂降低8.43%、188% 和62.1%；泥漿態(tài)泡沫砂對(duì)0 ～ 10 cm 土層容重的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)無(wú)顯著影響，但泥漿態(tài)泡沫砂顯著降低了10 ～20 cm 土層容重的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，分別比風(fēng)干態(tài)泡沫砂降低了 8.53%、30.2% 和19.0%。采用水浸態(tài)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(tài)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(tài)對(duì)泡沫砂和土壤混合物內(nèi)部的均勻性有顯著影響。風(fēng)干態(tài)泡沫砂和水浸態(tài)泡沫砂兩處理，各處理混合物內(nèi)部0 ～ 10 cm 土層容重的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)與10 ～ 20 cm 土層無(wú)顯著性差異。而泥漿態(tài)泡沫砂處理，混合物內(nèi)部0 ～ 10 cm土層容重的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)與10 ～ 20 cm土層存在顯著性差異。泥漿態(tài)泡沫砂處理，0 ～10 cm 土層容重的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別比0 ～ 20 cm 顯著增加了11.4%、68.1% 和50.8%。采用泥漿態(tài)泡沫砂與土壤混合顯著降低了混合物內(nèi)部的均勻性。

泡沫砂形態(tài)對(duì)泡沫砂和土壤混合物整體均勻性有顯著影響。與風(fēng)干態(tài)泡沫砂相比，水浸態(tài)泡沫砂顯著降低了容重的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，而泥漿態(tài)泡沫砂則顯著增加了容重的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。水浸態(tài)泡沫砂顯著降低了0 ～ 20 cm 土層容重的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，分別比風(fēng)干態(tài)泡沫砂降低了6.98%、53.9% 和50.2%。雖然采用泥漿態(tài)泡沫砂與土壤混合容重的均值比風(fēng)干態(tài)泡沫砂降低了3.88%，但容重的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)比風(fēng)干態(tài)泡沫砂分別增加了52.6% 和58.5%。水浸態(tài)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)Fig. 2 Variation coefficients of soil bulk densities under different treatments

水浸態(tài)泡沫砂顯著降低了土壤容重。這可能與土壤的黏結(jié)性和流動(dòng)性有關(guān)。風(fēng)干態(tài)泡沫砂在混合時(shí)，細(xì)小的土壤顆粒會(huì)進(jìn)入到泡沫砂中，減少了泡沫砂中的孔隙。相比風(fēng)干態(tài)泡沫砂，水浸態(tài)泡沫砂由于經(jīng)過(guò)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(guò)團(tuán)聚形成以泡沫砂為核心的大團(tuán)粒[27-29,31]，減少了土壤顆粒進(jìn)入泡沫砂中。泥漿態(tài)泡沫砂，由于泥漿中水分含量高，增加了土壤的流動(dòng)性[32-33]，在泡沫砂包裹泥漿的過(guò)程中泥漿便會(huì)進(jìn)入泡沫砂中，占據(jù)一部分孔隙。因此，與泥漿態(tài)泡沫砂相比，水浸態(tài)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(tài)泡沫砂在混合過(guò)程中形成的大團(tuán)粒相當(dāng)于增加了泡沫砂的密度，進(jìn)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(duì)混合均勻性的影響

為了研究混合方式對(duì)泡沫砂與土壤混合均勻性的影響，選擇了風(fēng)干態(tài)泡沫砂和水浸態(tài)泡沫砂，分析了分層混合對(duì)泡沫砂與土壤混合容重的均值、容重的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的影響，分別見圖1、表2 和圖2 的3T 和4T 處理。分層混合對(duì)泡沫砂與土壤混合均勻性的影響與泡沫砂形態(tài)有關(guān)。對(duì)于風(fēng)干態(tài)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(guī)混合相差很小，0 ～ 10 cm和0 ～ 20 cm 土層分別比常規(guī)混合增加0.01 g/cm3，而10 ～ 20 cm 土層比常規(guī)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(biāo)準(zhǔn)差分別比常規(guī)混合降低了4.08%、21.6%和17.1%，容重的變異系數(shù)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(shù)相差0.13%，小于常規(guī)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(tài)泡沫砂與土壤混合的均勻性。采用水浸態(tài)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(guī)混合降低了3.45% 和 2.59%，但容重的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)大幅增加，容重的標(biāo)準(zhǔn)差分別比常規(guī)混合增加了113% 和52.4%，容重的變異系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)差異，但分層混合同時(shí)降低了水浸態(tài)泡沫砂與土壤混合的整體均勻性，0 ～ 20 cm 土層容重的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，分別比常規(guī)混合增加了51.9%和56.6%。

雖然混合方式對(duì)混合均勻性無(wú)顯著影響，但分層混合方式降低了水浸態(tài)泡沫砂容重和土壤混合的均勻性(圖1、表2 和圖2)?？赡苁且?yàn)榉謱踊旌辖档土宋锪现g的擠壓力。分層混合方式每個(gè)批次混合物為常規(guī)混合的1/10，因此底部物料受到的壓力小于常規(guī)混合。在壓力作用下，泡沫砂和周圍的土壤顆粒形成的大團(tuán)粒被壓實(shí)，團(tuán)粒的密度增加，容重也增加(圖1)，同時(shí)大團(tuán)粒粒徑下降，但卻提高了混合均勻性[34]。因此相比常規(guī)混合，分層混合反而降低了濕態(tài)泡沫砂混合均勻性。

2.3 混合方式與泡沫砂形態(tài)交互效應(yīng)對(duì)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(tài)交互效應(yīng)對(duì)混合均勻性的影響(表3)?；旌戏绞綄?duì)混合均勻性無(wú)顯著影響?；旌戏绞綄?duì)0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土層容重均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的F值在0.17 ～ 2.24，P＞0.05。

泡沫砂形態(tài)對(duì)泡沫砂與土壤混合的均勻性有顯著影響。泡沫砂形態(tài)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的F值分別為54.80、11.50 和5.25，0 ～ 20 cm 土層容重均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的F值分別為38.17、11.30、11.86，10 ～ 20 cm 土層容重均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的F值分別為21.96、1.68 和0.83?；旌戏绞胶团菽靶螒B(tài)互作效應(yīng)對(duì)泡沫砂和土壤混合的均勻性無(wú)顯著影響，0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土層容重均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)的F值在0.31 ～ 3.32，P＞0.05。因此，泡沫砂形態(tài)是影響泡沫砂和土壤混合均勻性的主要因素。

混合方式對(duì)泡沫砂和土壤混合的均勻性無(wú)顯著影響，而泡沫砂形態(tài)對(duì)混合均勻性有顯著影響，并且兩個(gè)因素之間無(wú)交互效應(yīng)。這可能與物料物理特性的變化有關(guān)。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(dòng)特性和水分含量等?；旌衔锪系奈锢硖匦栽浇咏?，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(guò)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(tài)交互效應(yīng)對(duì)混合均勻性的影響Table 3 Influence of mixing methods and forms of PLC interaction on mixing uniformity

3 結(jié)論

為提高基質(zhì)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(duì)泡沫砂和土壤混合均勻性的影響，結(jié)果表明，泡沫砂形態(tài)對(duì)混合均勻性影響顯著。常規(guī)混合條件下，水浸態(tài)泡沫砂0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土層容重分別比風(fēng)干態(tài)泡沫砂降低8.43%、6.09% 和6.98%，容重的標(biāo)準(zhǔn)差降低了 188%、30.2% 和53.9%，容重的變異系數(shù)降低了62.1%、42.9% 和50.1%?；旌戏绞綄?duì)混合均勻性無(wú)顯著影響，但分層混合降低了水浸態(tài)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(biāo)準(zhǔn)差比常規(guī)混合增加113%、119%和51.9%，容重的變異系數(shù)比常規(guī)混合增加52.4%、57.7% 和56.6%。因此，混合方式選擇常規(guī)混合，泡沫砂形態(tài)選擇水浸態(tài)時(shí)，泡沫砂和土壤混合均勻性最好。