高炉水渣用于无土栽培基质的可行性

安杰1 ，2，于丹2，孟义春3，张松1，汪琦1
( 1．辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁鞍山114051; 2．抚顺特殊钢股份有限公司第二炼钢厂，辽宁抚顺113001; 3．首钢长治钢铁有限公司，山西长治046031)

无土栽培是指不用天然土壤而用营养液或固体基质加营养液栽培作物的方法。包括水培、雾培和基质栽培等［1］。由于水硬性偏高，中国北方大部分地区均采用基质栽培，基质多为草炭、沙、蛭石、珍珠岩和岩棉等。为了弥补各固体基质之间物理化学性质的不足，就需要采用混合基质培养。实际上，目前已不存在单独使用某一种基质进行无土栽培的方式。其中，以草炭为主配加其他固体基质配制成的混合基质栽培方式最为理想。
高炉水渣是炼铁时热熔状态的炉渣置于水中急速冷却制得的高炉副产品。高炉水渣年产生量巨大，每吨生铁产渣0. 3 ～ 0. 5 t，按年产生铁6 亿t 计算，高炉水渣年排放量在2. 4 亿t 左右，且遍布全国各地，其综合利用一直是钢铁企业亟待解决的问题之一。目前，高炉水渣主要用于生产水泥［2］。在农业生产中，高炉水渣除用作水稻硅肥和无土育苗基质外，几乎没有得到更进一步的发展［3-4］。迄今为止，草炭是公认最好的一种无土栽培基质［5］，是一种宝贵的自然资源，已被大量使用。为了避免草炭的过度开采而造成的沼泽湿地生态环境破坏，人们一直努力寻找草炭的替代物。高炉水渣市场价为30 ～ 70 元/t，比草炭低得多。因此，高炉水渣与草炭制成无土栽培混合基质的研究，对扩大高炉水渣利用途径、寻找草炭的替代物和减少无土栽培的成本具有明显的经济效益和社会效益。本文通过高炉水渣物理化学性质的分析和高炉水渣与草炭配制成混合基质进行的番茄和花卉无土栽培的实验，研究高炉水渣用于无土栽培基质的可行性。

1 高炉水渣物理化学性质
无土栽培基质的物理化学性质主要包括化学成分、体积质量、pH 值、总孔隙度、通气空隙和持水孔隙等。实验用某公司高炉水渣化学成分: w ( CaO) = 40. 96%，w ( SiO2) = 34. 5%，w ( Al2O3) = 11. 2%，w( MgO) = 7. 78%，w ( TiO) = 0. 56%，w ( TFe) = 0. 47%，w ( CaS) = 1. 02%。高炉水渣的主要成分为CaO，MgO，SiO2，Al2O3和少量的硫化物等［6］，不含有对作物生长和人体健康造成危害的元素。其矿物多呈玻璃体状，粒度为1 ～ 3 mm，粒度分布均匀，物理化学性质极其稳定。经过实验测定的高炉水渣物理化学性质与其它几种常用固体基质的比较见表1。
表1 高炉水渣和几种常用固体基质的物理化学性质

( 1) 体积质量。体积质量是反映栽培基质的疏松和紧实程度的重要指标。理想栽培基质体积质量不大于0. 8 t /m3。高炉水渣的体积质量为1. 21 ～ 1. 34 t /m3，比沙的体积质量1. 5 ～ 1. 8 t /m3 低24% ～34%。，比理想基质体积质量高出34% ～ 40%。基质体积质量过大，过于紧实，其透气保水性能较差，易产生基质内渍水，操作不方便，不利于植物根系的生长。因此，从体积质量来看，高炉水渣比沙更适合作栽培基质。体积质量较高的高炉水渣与体积质量较低的草炭( 0. 21 t /m3 ) 混合能满足无土栽培基质对体积质量的要求。
( 2) pH 值。pH 值是栽培基质的重要化学性质指标，过酸( pH ＜ 5. 5) 或过碱( pH ＞ 7. 5) 时，均会对作物的生长发育造成危害。基质的pH 值以6. 5( 微酸性) ～ 7. 0( 中性) 为宜。固体基质的pH 值测定方法较多，实验研究采用国内土壤pH 值的测定标准［8］。沙的pH 值为6. 5 ～ 7. 8; 高炉水渣的pH 值为7. 29 ～ 8. 0，为偏碱性，一方面可能会影响植物根系的生长，另一方面还会影响到营养元素的平衡、稳定性和对作物的有效性，将其与pH 值为3. 0 ～ 6. 5 的草炭( 偏酸性) 配制成混合基质，能满足无土栽培基质对pH 值的要求。
( 3) 总孔隙度、通气孔隙和持水孔隙。总孔隙度反映基质中能够容纳水分和空气的空间总和，通气孔隙和持水孔隙分别反映基质中空气和水分各自能够容纳的空间，对作物的生长具有重要意义。一般来说，基质的总孔隙度应在54% ～ 96%。高炉水渣的总孔隙度较小，约为43. 2%，水和空气的容纳空间小，不利于植物根系的伸展，必须频繁供液以弥补此缺陷; 由通气孔隙和持水孔隙的数据同样可以看出，高炉水渣的透气、保水和保肥性能较差，易出现缺水缺肥等症状，这会加大水和营养液的使用量，同时就造成了水和营养的大量流失，增加了无土栽培的投资成本［8］。
通过体积质量、pH 值以及孔隙度的分析得出，高炉水渣能够与其他物质混配作为无土栽培基质使用。由于其体积质量过大，pH 显碱性，总孔隙度偏小等，高炉水渣不适宜直接单独作为固体基质使用，必须与其他固体基质配制成混合基质，才能达到理想的栽培效果。蛭石、珍珠岩和岩棉的体积质量都适合与高炉水渣配合，但其pH 值偏高，配合效果不佳。草炭体积质量小，pH 显酸性，孔隙度大，正好与高炉水渣形成互补，成为与高炉水渣配合较为理想的一种无土栽培基质。
2 无土栽培实验
2. 1 番茄无土栽培
2. 1. 1 营养液选取选用华南农业大学的番茄营养液配方［9］: 1 L 的营养液中含有硝酸钙590 mg，硝酸钾404 mg，磷酸二氢钾136 mg，硫酸镁246 mg，硫酸亚铁13. 9 mg，乙二胺四乙酸二钠18. 6 mg，硼酸2. 86 mg，硫酸锰2. 13 mg，硫酸锌0. 22 mg，硫酸铜0. 08 mg，钼酸铵0. 02 mg。
2. 1. 2 混合基质配置按高炉水渣与草炭体积比分别为1: 0，3: 1，2: 1，3: 2，1: 1，2: 3，1: 2，1: 3 以及0: 1 均匀混合配制成混合栽培基质( 后面涉及到的比例均为高炉水渣与草炭的体积比) 。实验以无土为前提，所以用纯草炭作为对照实验，而不用天然土壤。各不同体积比混合基质的物理化学性质见表2。
表2 不同体积比混合基质物理化学性质比较

由表2 可知，以草炭为主配加高炉水渣体积比为1: 1，2: 3，1: 2 以及1: 3 四组的体积质量小于0. 8t /m3，相应的pH 为6. 70 ～ 6. 14，总孔隙度为53. 3% ～ 66. 4%，满足作栽培基质物理性质的要求。
2. 1. 3 实验( 1) 定植。将番茄幼苗定植到各个不同比例混合基质中，补浇清水以尽快缓苗，然后按正常方式培养。( 2) 营养液使用。初期隔一天浇一次营养液，依基质的湿润程度，适量补浇清水;
结果期和成熟期应适当提高营养液浓度，加大营养液用量。
2. 1. 4 结果在营养液和水份用量相同条件下，不同体积比成熟期植株高度见图1。

图1 各体积比植株高度
由图1 可以看出，与纯草炭( CK) 相比，体积比为1: 0 和3: 1 两组植株过于矮小，虽然体积比2: 1 和3: 2 高于对照组，但茎部细长，叶片偏小，在水分充足营养不良的情况下会出现此症状。这四组果实均略显瘦小，易出现畸形果，不同程度地表现出了缺肥症状。高炉水渣与草炭体积比为1: 1，2: 3，1: 2以及1: 3 四组，番茄植株生长较快，根系发育健全，茎部粗壮，枝叶茂盛，且果实整齐肥大，色泽鲜艳，优于CK 的实验结果。番茄无土栽培各阶段果实生长情况见图2。

实验结果表明，高炉水渣与草炭体积比为2: 1，3: 2 两种混合基质虽然可以用于番茄无土栽培，但必须加大营养液的使用量，增加了无土栽培的成本; 以草炭为主配加高炉水渣配制成的混合基质营养液的使用量适中，番茄植株长势良好，果实生长正常，比较适合实际番茄无土栽培使用。
2. 2 观赏性花卉无土栽培
用高炉水渣与草炭体积比1: 1 配制成的混合基质，进行了几种观赏性花卉的无土栽培实验，同样得到了良好的效果，见图3。

3 结语
( 1) 高炉水渣中不含有毒物质，不会对植物生长和人体造成危害。( 2) 高炉水渣不适宜单独作为无土栽培的基质使用，必须与其他基质配合，草炭是目前与高炉水渣配合制成混合基质较为理想的材料。( 3) 番茄无土栽培实验中，高炉水渣与草炭体积比为1: 1，2: 3 ，1: 2 以及1: 3 四组比较适合番茄生长。( 4) 高炉水渣应用于观赏性花卉的培育效果良好。高炉水渣用做无土栽培基质，大大减少了无土栽培的投入，经济效益凸显，且较为实用，不会对环境造成二次污染，是目前较为环保的冶金废弃物再利用方式之一，同时也有利于中国现代农业的发展。