于全波，王美艳*，田育天，史学正，徐灵颖，徐胜祥，史艺杰，李湘伟，谢新乔

(1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中国科学院大学， 北京 100049；3 红塔烟草(集团)有限责任公司，云南玉溪 653100)

近几十年来，基质栽培在设施产业中得到广泛应用[1-3]。物料混合是基质生产过程中的必要环节，其混合的均匀程度直接影响基质的性能[4]。基质的物料组成多样[5-7]，这些物料往往在尺寸大小、状态和密度等方面存在差异，容易造成基质混合不均匀[8-11]，进而降低基质的性能，影响种苗生长状况。

在设施园艺中，目前关于基质的研究主要集中在不同物料配比对作物育苗、生长以及基质性能的影响[7,12-13]，但对于基质混合均匀性的研究很少。物料混合在化工、建材和制药等行业中也是非常重要的步骤[14-15]。降低物料之间属性差异和改善混合方式是提高物料混合均匀性常用的方法。苏丽娜等[16]分析集料组成及其粒径分布对沥青混合料均匀性的影响，发现去掉混合料中≥9.5 mm 及≤2.36 mm 粒径级配可以提高混合均匀性；钱达兴等[17]在研究粒度分布变化对玻璃配合料混合均匀性的影响时，发现200目以下和40 目以上的粒子可提高配合料的均匀性；庾正伟等[18]选取形状和密度(容重)差异大的两组元颗粒——不锈钢微球和铝粉研究物料混合度的影响因素，发现颗粒湿润剂用量对混合均匀性影响最大。当物料的容重、大小等属性无法改变时，改变物料粗糙度、含水量也是常用的方法。许东来等[19]采用一种混合装置将聚苯颗粒最大程度地粗糙化，提高了容重相差悬殊材料间混合的均匀度；胡俊生等[4]将椰糠含水率调整为75%，将泥炭含水率调低，混合后基质成分均匀程度达最优标准。混合方式也是影响混合均匀性的因素之一。Li 等[20]在研究混合方法对传统水泥和嵌锁密实型水泥混凝土属性的影响时发现，双阶段混合提高了两种混凝土混合的均匀性，并且对于传统水泥，用糊状物包裹更合适，而对于嵌锁密实型水泥混凝土用灰泥先结合更适合。虽然减小物料粒径差异能够提高混合的均匀性，但势必也会降低物料性能，进而影响基质的性能。

泡沫砂是一种轻质材料，质地较轻，通气性好，通常在粒径＞2 mm 改善土壤通气性效果较好[11,21]。土壤也是基质常用物料[22]，但粒径组成复杂，容重较大[23-24]，因此，物料混合时容易出现混合不均匀的现象，影响基质性能。＜200 目的土壤颗粒是土壤重要的组成部分，在实际应用中也不可能去掉。因此，如何在保持粒径不变的情况下提高容重差异大的两种物料的混合均匀性急需解决。为此，本研究以土壤和泡沫砂为例，从改善混合方法角度出发，研究提高粒径和容重差异大的物料混合均匀性的方法，为提高基质性能提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本研究供试材料分为土壤和泡沫砂。供试土壤采集于南京市江宁区谷里镇设施菜地大棚，土壤类型为水稻土，质地为粉砂质黏壤土，容重为1.3 g/cm3。土壤样品采集后，去除碎石、植物残茬后风干，研磨过2 mm 筛备用。泡沫砂是一种经高温煅烧而成的无机改良剂，本研究选择2 ～ 7 mm 粒径泡沫砂用于改良土壤板结，泡沫砂pH 8.64，风干状态泡沫砂的松散容重为0.2 g/cm3。

1.2 试验设计

本试验设计了5 个处理(表1)，即3 种泡沫砂形态和2 种混合方法的组合。3 种泡沫砂形态分别为风干态、水浸态和泥浆态。风干态泡沫砂为未经过处理的泡沫砂；水浸态泡沫砂为用水浸泡24 h 后的泡沫砂；泥浆态泡沫砂为用泥浆包裹后的泡沫砂，本试验泥浆由500 g 过2 mm 筛的风干土和500 ml 水混合而成。2 种混合方式分别是常规混合和分层混合。常规混合即将不同形态泡沫砂和风干土一次性人工混合；分层混合即将不同形态泡沫砂和风干土分别分成若干份，每份泡沫砂和风干土人工混合后再集中，本试验泡沫砂和土壤分别分成10 份进行混合。

表1 泡沫砂和土壤混合试验设计Table 1 Mixing test design of porous clay ceramic (PLC) and soil

1.3 物料装填与培养

采用E2 号聚丙烯花盆装填土壤和泡沫砂混合物，花盆尺寸：长×宽×高=35.5 cm×26.5 cm×21 cm。计算物料用量时，装填深度按照20 cm、土壤容重按照1.3 g/cm3、泡沫砂容重按照0.2 g/cm3计算，因此，土壤和泡沫砂混合容重理论值为1.14 g/cm3。根据表1 试验设计进行装填，每个处理装填3 个盆(3 个重复)。装盆时，每个处理混合约2 min。装盆后，在中国科学院南京土壤研究所温室内进行培养，根据土壤干湿程度进行浇水。2 个月后进行采样分析。

1.4 样品采集与分析

表征固体混合均匀性通常采用混合物中某一组分含量的相对误差[20]、标准差[15]、变异系数[25]和混合均匀度[26]等。在物料混合时通常不需要考虑混合物的孔隙，甚至要降低孔隙。但对于设施栽培基质，孔隙对基质物理性能具有重要影响[27-28]。土壤容重是土壤质地和孔隙状况的综合反映，决定着土壤的物理条件和多项生态、环境功能[29]。因此，本研究采用容重的标准差和变异系数评价泡沫砂和土壤混合的均匀性。

容重采用环刀法测定[30]。每盆(0 ～ 20 cm 土层)按照0 ～ 10、10 ～ 20 cm 两层采集土壤环刀样品，每层采集3 个。采集完成后将样品在烘箱中105℃烘48 h，测定容重(BD)。

式中：n=3 或者6，当土层为0 ～ 10 cm 和10 ～ 20 cm时n=3，当土层为0 ～ 20 cm 时，n=6。

1.5 数据分析

采用SPSS 19.0 分析数据，采用LSD 法对容重的均值、标准差和变异系数进行单因素方差分析，P＜0.05 代表存在显著性差异。采用单变量分析法确定影响泡沫砂与土壤混合均匀性的主要因素，P＜0.05 表明影响显著。采用Excel 2013 绘图。

2 结果与讨论

2.1 泡沫砂形态对混合均匀性的影响

常规混合方式下，3 种泡沫砂形态(风干态、水浸态和泥浆态泡沫砂)对泡沫砂与土壤混合后容重的均值、标准差和变异系数的影响分别见图1、表2 和图2 中的CK、1T 和2T 处理。泡沫砂形态对不同土层混合均匀性有显著影响。与风干态泡沫砂相比，水浸态泡沫砂显著降低了0 ～ 10 cm 土层容重的均值、标准差和变异系数，分别比风干态泡沫砂降低8.43%、188% 和62.1%；泥浆态泡沫砂对0 ～ 10 cm 土层容重的均值、标准差和变异系数无显著影响，但泥浆态泡沫砂显著降低了10 ～20 cm 土层容重的均值、标准差和变异系数，分别比风干态泡沫砂降低了 8.53%、30.2% 和19.0%。采用水浸态泡沫砂与土壤混合显著提升了0 ～ 10 cm 土层泡沫砂与土壤混合的均匀性，而泥浆态泡沫砂则提升了10 ～ 20 cm 土层泡沫砂与土壤混合的均匀性。

泡沫砂形态对泡沫砂和土壤混合物内部的均匀性有显著影响。风干态泡沫砂和水浸态泡沫砂两处理，各处理混合物内部0 ～ 10 cm 土层容重的均值、标准差和变异系数与10 ～ 20 cm 土层无显著性差异。而泥浆态泡沫砂处理，混合物内部0 ～ 10 cm土层容重的均值、标准差和变异系数与10 ～ 20 cm土层存在显著性差异。泥浆态泡沫砂处理，0 ～10 cm 土层容重的均值、标准差和变异系数分别比0 ～ 20 cm 显著增加了11.4%、68.1% 和50.8%。采用泥浆态泡沫砂与土壤混合显著降低了混合物内部的均匀性。

泡沫砂形态对泡沫砂和土壤混合物整体均匀性有显著影响。与风干态泡沫砂相比，水浸态泡沫砂显著降低了容重的标准差和变异系数，而泥浆态泡沫砂则显著增加了容重的标准差和变异系数。水浸态泡沫砂显著降低了0 ～ 20 cm 土层容重的均值、标准差和变异系数，分别比风干态泡沫砂降低了6.98%、53.9% 和50.2%。虽然采用泥浆态泡沫砂与土壤混合容重的均值比风干态泡沫砂降低了3.88%，但容重的标准差和变异系数比风干态泡沫砂分别增加了52.6% 和58.5%。水浸态泡沫砂显著提升了泡沫砂与土壤混合物料整体的均匀性。

图1 不同处理0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土层容重的均值Fig.1 Average of soil bulk densities of layers in 0-10,10-20 and 0-20 cm under different treatments

表2 不同处理容重的标准差Table 2 Standard deviations of bulk densities under different treatments

图2 不同处理土壤容重的变异系数Fig. 2 Variation coefficients of soil bulk densities under different treatments

水浸态泡沫砂显著降低了土壤容重。这可能与土壤的黏结性和流动性有关。风干态泡沫砂在混合时，细小的土壤颗粒会进入到泡沫砂中，减少了泡沫砂中的孔隙。相比风干态泡沫砂，水浸态泡沫砂由于经过浸水处理，一方面增加了自身的重量，另一方可以将土壤颗粒吸附在泡沫砂周围，通过团聚形成以泡沫砂为核心的大团粒[27-29,31]，减少了土壤颗粒进入泡沫砂中。泥浆态泡沫砂，由于泥浆中水分含量高，增加了土壤的流动性[32-33]，在泡沫砂包裹泥浆的过程中泥浆便会进入泡沫砂中，占据一部分孔隙。因此，与泥浆态泡沫砂相比，水浸态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。水浸态泡沫砂在混合过程中形成的大团粒相当于增加了泡沫砂的密度，进而降低了与土壤容重之间的差异，提升了混合均匀性[17]。

2.2 混合方式对混合均匀性的影响

为了研究混合方式对泡沫砂与土壤混合均匀性的影响，选择了风干态泡沫砂和水浸态泡沫砂，分析了分层混合对泡沫砂与土壤混合容重的均值、容重的标准差和变异系数的影响，分别见图1、表2 和图2 的3T 和4T 处理。分层混合对泡沫砂与土壤混合均匀性的影响与泡沫砂形态有关。对于风干态泡沫砂，分层混合提升了泡沫砂与土壤混合的均匀性。分层混合0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm土层容重的均值与常规混合相差很小，0 ～ 10 cm和0 ～ 20 cm 土层分别比常规混合增加0.01 g/cm3，而10 ～ 20 cm 土层比常规混合降低了0.02 g/cm3。分层混合0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土层容重的标准差分别比常规混合降低了4.08%、21.6%和17.1%，容重的变异系数分别降低了4.73%、21.0% 和17.8%。分层混合0 ～ 10 cm 和10 ～ 20 cm变异系数相差0.13%，小于常规混合(0.77%)，分层混合使0 ～ 10 cm 和10 ～ 20 cm 更加均匀。

分层混合降低了水浸态泡沫砂与土壤混合的均匀性。采用水浸态泡沫砂与土壤混合，虽然分层混合0 ～ 10、10 ～ 20 cm 土层容重分别比常规混合降低了3.45% 和 2.59%，但容重的标准差和变异系数大幅增加，容重的标准差分别比常规混合增加了113% 和52.4%，容重的变异系数分别增加了119% 和57.7%。分层混合虽然降低了0 ～ 10 cm和10 ～ 20 cm 之间容重的标准差和变异系数差异，但分层混合同时降低了水浸态泡沫砂与土壤混合的整体均匀性，0 ～ 20 cm 土层容重的标准差和变异系数，分别比常规混合增加了51.9%和56.6%。

虽然混合方式对混合均匀性无显著影响，但分层混合方式降低了水浸态泡沫砂容重和土壤混合的均匀性(图1、表2 和图2)。可能是因为分层混合降低了物料之间的挤压力。分层混合方式每个批次混合物为常规混合的1/10，因此底部物料受到的压力小于常规混合。在压力作用下，泡沫砂和周围的土壤颗粒形成的大团粒被压实，团粒的密度增加，容重也增加(图1)，同时大团粒粒径下降，但却提高了混合均匀性[34]。因此相比常规混合，分层混合反而降低了湿态泡沫砂混合均匀性。

2.3 混合方式与泡沫砂形态交互效应对混合均匀性的影响

为了分析影响泡沫砂和土壤混合均匀性的主要因素，采用单变量法分析了混合方式与泡沫砂形态交互效应对混合均匀性的影响(表3)。混合方式对混合均匀性无显著影响。混合方式对0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土层容重均值、标准差和变异系数的F值在0.17 ～ 2.24，P＞0.05。

泡沫砂形态对泡沫砂与土壤混合的均匀性有显著影响。泡沫砂形态对0 ～ 10 cm 和0 ～ 20 cm混合均匀性影响显著，0 ～ 10 cm 土层容重均值、标准差和变异系数的F值分别为54.80、11.50 和5.25，0 ～ 20 cm 土层容重均值、标准差和变异系数的F值分别为38.17、11.30、11.86，10 ～ 20 cm 土层容重均值、标准差和变异系数的F值分别为21.96、1.68 和0.83。混合方式和泡沫砂形态互作效应对泡沫砂和土壤混合的均匀性无显著影响，0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土层容重均值、标准差、变异系数的F值在0.31 ～ 3.32，P＞0.05。因此，泡沫砂形态是影响泡沫砂和土壤混合均匀性的主要因素。

混合方式对泡沫砂和土壤混合的均匀性无显著影响，而泡沫砂形态对混合均匀性有显著影响，并且两个因素之间无交互效应。这可能与物料物理特性的变化有关。物料物理特性是影响混合均匀度的因素之一，包括粒度、容重、颗粒表面粗糙度、流动特性和水分含量等。混合物料的物理特性越接近，其分离度越低，越容易被混合，混合效果越好[35]。在本研究中，将泡沫砂浸水处理和裹泥浆处理增加了泡沫砂含水量和重量，间接改变了泡沫砂的物理特性，而分层混合只是改变了单次混合的量和混合过程中物料受到的挤压力，并未改变泡沫砂的物理特性。

表3 混合方式与泡沫砂形态交互效应对混合均匀性的影响Table 3 Influence of mixing methods and forms of PLC interaction on mixing uniformity

3 结论

为提高基质中容重差异大的两种物料——泡沫砂和土壤混合的均匀性，研究了5 种混合方法对泡沫砂和土壤混合均匀性的影响，结果表明，泡沫砂形态对混合均匀性影响显著。常规混合条件下，水浸态泡沫砂0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm 土层容重分别比风干态泡沫砂降低8.43%、6.09% 和6.98%，容重的标准差降低了 188%、30.2% 和53.9%，容重的变异系数降低了62.1%、42.9% 和50.1%。混合方式对混合均匀性无显著影响，但分层混合降低了水浸态泡沫砂与土壤混合的均匀性，分层混合条件下，0 ～ 10、10 ～ 20 cm 和0 ～ 20 cm土层容重的标准差比常规混合增加113%、119%和51.9%，容重的变异系数比常规混合增加52.4%、57.7% 和56.6%。因此，混合方式选择常规混合，泡沫砂形态选择水浸态时，泡沫砂和土壤混合均匀性最好。