一种保水保肥型人工种植土及其制备方法与流程

本发明涉及人工栽培基质的，尤其是涉及一种保水保肥型人工种植土及其制备方法。

背景技术：

1、人工种植土是以有机物料、无机矿物颗粒及养分调节物质为主要组成，经人为配制形成的栽培介质，常用于设施栽培、园艺育苗、盆栽花卉、屋顶绿化、景观种植及土壤替代型种植场景。与天然土壤相比，人工种植土的原料组成、容重、孔隙状态和养分水平更容易调控，能够根据不同栽培对象和使用环境建立相对稳定的根际生长基础。

2、人工种植土在使用过程中需要同时承担植物固定、水分暂存、空气交换和养分供给等作用。其性能并不只取决于单一组分的吸水量或肥料含量，还与各类颗粒之间的空隙状态、水分在基质中的停留方式以及可溶性养分在浇水过程中的迁移状态有关。在连续浇水、蒸发和根系吸收条件下，人工种植土若不能维持适当的水分滞留和养分缓冲能力，容易出现前期盐分释放偏快、后期养分不足或根际水分波动较大的情况。

3、目前，为改善人工种植土的使用性能，通常会在基质中加入椰糠、泥炭、堆肥等有机物料以提高基础持水能力，加入珍珠岩、蛭石、沸石等矿物颗粒以调节孔隙和吸附能力，并配合吸水树脂、腐殖酸类物质、有机肥或缓释肥以改善水分保持和养分供应。这些措施能够在一定程度上提高人工种植土的综合性能，但由于不同组分在吸水、膨胀、吸附和释放过程中的作用方式不同，实际应用中仍容易出现保水性能、通气状态和养分保持之间难以兼顾的问题。

4、特别是在反复浇水和干湿交替环境下，水分在基质中的迁移会同时带动部分可溶性养分迁移。若基质对水分的滞留能力不足，养分随水流失的问题会更加明显；若单纯提高吸水性组分的比例，又可能使局部区域吸水膨胀过强，影响颗粒间孔隙和根际空气交换，并使养分在局部区域释放不均。由此，人工种植土在长期使用中的水分保持与养分保持稳定性仍有进一步提升的需求。

5、由此可见，人工种植土在长期使用过程中，仍需要在水分滞留、养分缓冲和根际适宜性之间形成更加稳定的匹配关系，以适应浇水频繁、干湿交替明显以及植物持续吸收养分的栽培环境。

技术实现思路

1、本发明提供一种保水保肥型人工种植土及其制备方法，通过对多孔矿物骨架、有机基质、保水调节组分和养分组分的复配及制备过程进行控制，使人工种植土在浇水和干湿交替条件下保持较好的水分滞留能力和养分缓冲能力。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种保水保肥型人工种植土的制备方法，包括如下步骤：

3、s1：将膨胀珍珠岩、蛭石和沸石颗粒混合，得到多孔矿物骨架；

4、s2：将腐殖酸钾调湿液喷施至所述多孔矿物骨架中，使所述多孔矿物骨架的含水率达到10％～18％，混合后得到低湿腐殖酸预附着矿物骨架；

5、s3：将半水化纤维素保水调节组分分次加入所述低湿腐殖酸预附着矿物骨架中，并在加入过程中进行雾化补水，使物料含水率由10％～18％升至18％～26％，得到半水化保水矿物骨架；

6、s4：将钙镁轻固定液喷施至所述半水化保水矿物骨架中，使物料含水率达到22％～30％，混合后得到水膜固定矿物骨架；

7、s5：将所述水膜固定矿物骨架与椰糠纤维和腐熟有机质混合，得到保水型种植土基料；

8、s6：将缓释养分组分和微生物有机肥加入所述保水型种植土基料中，混合后调节最终含水率为26％～36％，并在15～30℃条件下静置平衡18～48h，得到保水保肥型人工种植土；

9、其中，所述半水化纤维素保水调节组分包括羧甲基纤维素钠、海藻酸钠和交联聚丙烯酸钾。

10、通过上述步骤，膨胀珍珠岩、蛭石和沸石颗粒先形成具有支撑孔隙和吸附位点的多孔矿物骨架，使后续水分、腐殖酸钾和保水调节组分优先作用于矿物颗粒表面，而不是直接被椰糠纤维和腐熟有机质大量吸收。这样一来，人工种植土中承担保水和保肥作用的活性区域先在矿物骨架上建立起来，后续再与有机基质复合时，整体结构会更均匀，也更容易保持疏松性。

11、步骤s2中，将腐殖酸钾调湿液喷施至多孔矿物骨架，并将含水率控制在10％～18％，使腐殖酸钾在较低湿度下附着于膨胀珍珠岩、蛭石和沸石颗粒的表面及孔口位置。这个阶段的水分不是为了让体系充分润湿，而是为了让腐殖酸钾先有一个比较稳定的落点。腐殖酸钾预先分布在矿物骨架表面后，可以为后续半水化纤维素保水调节组分提供润湿基础和吸附环境，使保水调节组分更容易在矿物颗粒表面形成薄层状态。

12、步骤s3中，半水化纤维素保水调节组分在雾化补水条件下逐步进入低湿腐殖酸预附着矿物骨架，使物料含水率由10％～18％升至18％～26％。在该含水率区间内，羧甲基纤维素钠和海藻酸钠能够形成具有一定连续性的湿润薄层，交联聚丙烯酸钾则处于部分吸水状态，不会直接转变为明显的凝胶团。这个过程的好处在于，保水组分不是简单留在体系中等待吸水，而是在矿物颗粒表面先形成一种适度水化的含水层，为后续水分保持和养分缓冲打下基础。

13、步骤s4中，钙镁轻固定液进入半水化保水矿物骨架后，钙离子和镁离子能够与羧甲基纤维素钠、海藻酸钠以及腐殖酸钾中的含氧官能团形成轻度结合，使已经形成的半水化含水薄层得到稳定。由于钙镁轻固定液是在半水化保水矿物骨架形成之后再加入，其作用重点落在已经铺展的水膜区域，而不是让体系产生局部硬化或集中絮凝。这样可以使水膜固定矿物骨架在保持持水能力的同时，继续保留颗粒间通气孔隙。

14、步骤s5中，水膜固定矿物骨架再与椰糠纤维和腐熟有机质混合，能够使矿物骨架承担结构支撑和局部保水保肥作用，椰糠纤维和腐熟有机质承担柔性持水、根系接触和有机质供应作用。两类基质在这个阶段复合后，人工种植土既有较好的水分缓冲能力，也有适合根系伸展的疏松空间。

15、步骤s6中，缓释养分组分和微生物有机肥在水膜固定矿物骨架形成后再加入，并在26％～36％含水率下静置平衡18～48h，使缓释养分组分表面的可溶性养分能够先与水膜固定矿物骨架接触。水膜固定矿物骨架中的含水薄层可以对初期释放的可溶性盐分进行暂时滞留，沸石颗粒和腐殖酸钾进一步对铵态氮、钾离子及部分养分离子进行吸附和缓冲。通过这种后置接触和平衡过程，人工种植土的初期电导率释放更加平稳，养分在浇水过程中的流失倾向也能得到控制。

16、优选的，以所述保水保肥型人工种植土的干基质量100份计，所述膨胀珍珠岩为8～18份，所述蛭石为5～14份，所述沸石颗粒为5～13份，所述椰糠纤维为25～40份，所述腐熟有机质为15～28份，所述腐殖酸钾为1.0～4.0份，所述半水化纤维素保水调节组分为0.6～2.2份，所述钙镁固定组分为0.4～2.0份，其中一部分钙镁固定组分用于配制钙镁轻固定液，所述缓释养分组分为2.5～7.0份，所述微生物有机肥为3～10份。

17、上述配比使矿物骨架、有机基质、保水调节组分和养分组分之间形成相对均衡的质量关系。膨胀珍珠岩、蛭石和沸石颗粒的用量能够提供足够的颗粒支撑和吸附空间；椰糠纤维和腐熟有机质的用量能够保证根系接触环境和有机质基础；半水化纤维素保水调节组分的用量处于较低水平，能够形成含水薄层而不会过度占据孔隙；钙镁固定组分的用量能够对含水薄层进行轻度稳定；缓释养分组分和微生物有机肥的用量则能够满足植物生长初期和持续生长期的养分需求。整体上，该配比能够让保水、通气、养分缓冲和基质稳定性处于较协调的状态。

18、优选的，步骤s1中，所述膨胀珍珠岩、所述蛭石和所述沸石颗粒的质量比为100∶35～75∶30～70；所述膨胀珍珠岩的粒径为1～4mm，所述蛭石的粒径为0.5～3mm，所述沸石颗粒的粒径为0.3～2mm。

19、通过限定膨胀珍珠岩、蛭石和沸石颗粒的比例及粒径，可以使多孔矿物骨架同时具有大孔支撑、层状持水和离子吸附三类作用。膨胀珍珠岩粒径较大，主要维持颗粒间通气孔隙；蛭石具有较好的层间持水能力，可以提高水分缓冲；沸石颗粒粒径较小且具有离子交换能力，可以参与养分保持。三者以该比例混合后，水分和养分不只停留在单一材料中，而是在不同粒径和不同吸附能力的矿物颗粒之间形成分布梯度，有利于提高人工种植土的结构稳定性和水肥保持能力。

20、优选的，步骤s1中，所述沸石颗粒为斜发沸石颗粒，所述斜发沸石颗粒的阳离子交换量为80～160cmol/kg；步骤s2中，所述腐殖酸钾调湿液中腐殖酸钾的质量浓度为1.0％～4.0％，ph为7.5～9.0。

21、斜发沸石颗粒具有较稳定的阳离子交换能力，其阳离子交换量控制在80～160cmol/kg时，能够为铵态氮、钾离子及部分中量元素提供较合适的交换吸附空间。腐殖酸钾调湿液的浓度和ph控制在上述范围内，可以使腐殖酸钾保持较好的分散状态，并在喷施过程中均匀附着于矿物颗粒表面。ph处于7.5～9.0时，腐殖酸钾中的羧基和酚羟基更容易表现出络合和吸附能力，后续与钙镁离子以及纤维素类保水调节组分配合时，能够形成更稳定的水膜固定基础。

22、优选的，步骤s3中，所述羧甲基纤维素钠、所述海藻酸钠和所述交联聚丙烯酸钾的质量比为100∶15～45∶20～70。

23、该比例下，羧甲基纤维素钠作为主要成膜和增稠组分，可以在矿物颗粒表面形成连续性较好的湿润薄层；海藻酸钠作为可与钙镁离子发生轻度结合的组分，可以增强后续固定稳定性；交联聚丙烯酸钾作为吸水组分，可以提高含水薄层的持水能力。三者的比例经过上述控制后，保水调节组分更倾向于形成半水化薄层，而不是单纯依靠高吸水树脂的自由膨胀来提高持水量。这样能够使人工种植土在持水能力提升的同时，继续保持较好的颗粒间孔隙。

24、优选的，步骤s3中，将所述半水化纤维素保水调节组分分三段加入所述低湿腐殖酸预附着矿物骨架中，并在三段加入过程中分别进行雾化补水；

25、第一段加入所述半水化纤维素保水调节组分总质量的30％～45％，并加入雾化补水总质量的25％～38％，混合3～6min，得到第一阶段半水化矿物骨架；

26、第二段加入所述半水化纤维素保水调节组分总质量的35％～50％，并加入雾化补水总质量的35％～48％，混合4～8min，得到第二阶段半水化矿物骨架；

27、第三段加入所述半水化纤维素保水调节组分总质量的15％～30％，并加入雾化补水总质量的18％～32％，混合6～12min，得到所述半水化保水矿物骨架。

28、三段加入和三段雾化补水使半水化纤维素保水调节组分的水化过程不再表现为一次性吸水膨胀，而是沿着启动附着、连续扩展和收敛均化的路径逐步进行。第一段中，部分半水化纤维素保水调节组分与部分雾化水首先接触低湿腐殖酸预附着矿物骨架，使羧甲基纤维素钠和海藻酸钠在腐殖酸钾已经附着的矿物颗粒表面产生初始润湿和黏附，交联聚丙烯酸钾则仅处于初步吸水状态。该阶段的作用不是追求最大吸水量，而是使保水调节组分先获得稳定的表面附着位置。

29、第二段中，保水调节组分和雾化水的加入比例相对提高，使第一段已经形成的初始湿润区域继续向矿物颗粒表面、孔口区域以及颗粒接触位置铺展。该阶段使半水化区域由点状或局部附着状态转变为更连续的薄层状态，为后续钙镁离子的均匀作用提供可接触的水膜基础。由于水分仍以雾化方式进入，且物料含水率被控制在18％～26％以内，保水调节组分的水化过程受到矿物骨架表面和腐殖酸钾附着层的共同限制，不容易形成大体积自由凝胶。

30、第三段中，保水调节组分和雾化水的加入量相对降低，同时混合时间延长，使半水化区域从继续快速吸水转向均化和收敛。该阶段的重点在于整理前两段形成的含水薄层，使其在矿物颗粒表面分布更稳定，而不是继续提高局部吸水膨胀程度。通过这种后段收敛处理，交联聚丙烯酸钾的吸水作用被限制在半水化薄层内部，羧甲基纤维素钠和海藻酸钠则发挥连续水膜和后续离子固定承接作用。

31、因此，步骤s3中的三段加入和三段雾化补水并不是简单的分批混合，而是通过水分供给量、保水调节组分加入量和混合时间的阶段性变化，使保水调节组分经历表面启动、薄层扩展和增量收敛三个过程。这样形成的半水化保水矿物骨架中，保水调节组分更倾向于以含水薄层形式分布在矿物颗粒表面及颗粒间接触区域，而不是形成局部凝胶团。该状态为步骤s4中的钙镁轻固定提供了较稳定、较分散的作用对象，使钙镁离子能够主要固定已经铺展的半水化薄层，而不易诱发局部胶化或孔隙堵塞。

32、优选的，步骤s3中的持水增量满足如下关系：

33、

34、

35、其中，w0为步骤s3开始前取样测得的所述低湿腐殖酸预附着矿物骨架经饱和吸水并自由排水30min后的持水质量，单位为kg；w1为所述第一阶段半水化矿物骨架经饱和吸水并自由排水30min后的持水质量，单位为kg；w2为所述第二阶段半水化矿物骨架经饱和吸水并自由排水30min后的持水质量，单位为kg；w3为所述半水化保水矿物骨架经饱和吸水并自由排水30min后的持水质量，单位为kg。

36、上述持水增量关系用于限定步骤s3中半水化水膜的形成路径，而不是单纯限定最终持水量。w1－w0反映第一段加入后相对于低湿腐殖酸预附着矿物骨架产生的初始持水增量，该增量对应保水调节组分在矿物颗粒表面的启动附着程度。w2－w1反映第二段加入后产生的继续持水增量，该增量对应半水化水膜在矿物颗粒表面和颗粒间接触区域的扩展程度。w3－w2反映第三段加入后产生的末段持水增量，该增量对应后段继续水化和均化过程中新增持水能力的变化状态。

37、第一项关系通过将第二段持水增量平方后，与第一段持水增量和第三段持水增量的乘积进行比较，能够同时约束三段水化过程之间的相对关系。该数值处于1.1～3.2时，说明第二段持水增量相对于第一段启动增量具有足够延续性，同时相对于第三段末段增量又表现出适度优势。由此可以表明，步骤s3的主要水膜扩展发生在第二段，而第三段已经由继续膨胀逐步转入收敛均化。该关系避免了两种不利状态：一是第一段和第二段水化不足，导致半水化薄层不连续；二是第三段仍然保持较强增量，导致保水调节组分持续吸水膨胀并产生局部凝胶化倾向。

38、第二项关系将w3相对于w0的整体持水变化率限定为0.18～0.65，用于保证步骤s3完成后的半水化保水矿物骨架既具有必要的持水提升，又不会出现总体吸水过强。若整体持水变化不足，说明半水化纤维素保水调节组分没有充分参与水膜形成，后续钙镁轻固定缺少稳定承接对象；若整体持水变化过大，则说明保水调节组分已经由半水化薄层状态向自由膨胀状态偏移，容易占据矿物颗粒之间的通气孔隙。将该整体变化率限定在上述范围内，可以使步骤s3最终状态停留在适度半水化区间。

39、通过上述两项关系，步骤s3形成的是具有过程特征的半水化保水矿物骨架。其持水能力不是在某一阶段突然增加，也不是在后段继续无序膨胀，而是按照启动、扩展和收敛的顺序逐步建立。该过程使羧甲基纤维素钠和海藻酸钠形成的含水薄层具备较好的连续性和可固定性，使交联聚丙烯酸钾的高吸水性被限制在矿物骨架表面薄层范围内。这样，步骤s4中的钙镁轻固定液进入后，可以主要与已经处于收敛状态的含水薄层发生轻度离子结合，使该薄层稳定在矿物颗粒表面及孔口附近，而不是使保水调节组分继续集中胶化。

40、进一步地，经过上述路径形成的水膜固定区域在步骤s6中对缓释养分组分具有承接作用。缓释养分组分加入并静置平衡时，其表面初期释放的可溶性养分先进入水膜固定区域，再受到沸石颗粒的离子交换作用和腐殖酸钾的络合吸附作用调节。由此，人工种植土中的水分保持区域与养分缓冲区域在空间上形成较高重合度，使初始浸提液电导率更加平稳，氮钾等养分在浇水过程中的释放更加缓和，同时仍能保留膨胀珍珠岩、蛭石和沸石颗粒形成的通气孔隙。该效果来自步骤s3阶段性持水增量关系、步骤s4钙镁轻固定以及步骤s6养分后置平衡之间的连续配合。

41、优选的，步骤s4中，所述钙镁轻固定液由乳酸钙、硫酸镁和水配制而成，所述乳酸钙和所述硫酸镁的质量比为100∶20～80，所述钙镁轻固定液中钙离子和镁离子的总浓度为0.03～0.18mol/l；所述钙镁轻固定液以雾化方式喷施至所述半水化保水矿物骨架中，喷施时间为6～18min，喷施过程中混合转速为25～50r/min，喷施完成后继续混合10～25min。

42、乳酸钙和硫酸镁配制的钙镁轻固定液能够提供温和的钙镁离子来源。钙离子有利于与海藻酸钠和腐殖酸钾形成较稳定的结合点，镁离子有利于参与水膜区域的离子桥联和养分缓冲。钙离子和镁离子的总浓度控制在0.03～0.18mol/l，使固定作用保持在轻度范围内，既能够增强半水化含水薄层的稳定性，又不会显著增加体系盐分负担。采用雾化喷施和持续混合，可以使钙镁离子均匀进入半水化保水矿物骨架，减少局部浓度过高，使水膜固定矿物骨架的稳定性和孔隙保持性更容易兼顾。

43、优选的，步骤s5中，所述椰糠纤维在混合前的含水率为12％～22％，所述腐熟有机质在混合前的含水率为18％～32％；步骤s6中，所述缓释养分组分包括包膜复合肥、腐殖酸铵和硫酸钾镁。

44、椰糠纤维和腐熟有机质在进入混合前分别控制含水率，可以使它们与水膜固定矿物骨架混合时不发生明显抢水，也不因过湿而形成团聚。椰糠纤维在12％～22％含水率下具有较好的柔性和分散性，腐熟有机质在18％～32％含水率下可以较好地嵌入矿物颗粒之间，形成适合根系接触的基质环境。缓释养分组分采用包膜复合肥、腐殖酸铵和硫酸钾镁，可以同时提供基础氮磷钾、有机态缓冲氮源以及钾镁元素；这些养分组分在水膜固定矿物骨架形成之后加入，能够经过含水静置平衡实现初期释放的缓冲和后续供肥的衔接。

45、本发明第二方面提供了如上所述的制备方法制备得到的一种保水保肥型人工种植土，所述保水保肥型人工种植土的饱和持水量为自身干基质量的85％～150％，10次干湿循环后饱和持水量保持率不低于82％，通气孔隙率为18％～32％，初始浸提液电导率为0.6～1.6ms/cm。

46、由上述制备方法得到的保水保肥型人工种植土中，矿物骨架、有机基质、半水化保水调节组分和养分组分之间形成了较稳定的复合关系。饱和持水量达到自身干基质量的85％～150％，说明人工种植土具有较好的吸水和蓄水能力；10次干湿循环后饱和持水量保持率不低于82％，说明半水化水膜经钙镁轻固定后具有较好的循环稳定性；通气孔隙率保持在18％～32％，说明保水能力的提升没有使颗粒间气体通道失去应有作用；初始浸提液电导率为0.6～1.6ms/cm，说明养分组分在初期释放阶段处于较平稳状态，有利于种子萌发和幼苗根系生长。整体来看，该人工种植土能够在水分保持、通气环境和养分缓冲之间形成较好的综合适配。

47、本发明采用上述技术方案具有以下有益效果：

48、1、本发明通过先构建多孔矿物骨架，再进行低湿腐殖酸预附着，使人工种植土中的保水保肥作用位点优先建立在膨胀珍珠岩、蛭石和沸石颗粒表面。膨胀珍珠岩提供颗粒间支撑孔隙，蛭石提供层间持水空间，沸石颗粒提供离子交换位点；腐殖酸钾在10％～18％含水率下预先附着于矿物颗粒表面和孔口区域后，可以为后续半水化纤维素保水调节组分提供更稳定的润湿基础和吸附环境。由此，人工种植土中的水分保持区域和养分缓冲区域不再单纯依赖有机基质吸水，而是依托矿物骨架形成较稳定的空间分布，有利于提高基质结构稳定性和水肥保持基础。

49、2、本发明通过三段加入半水化纤维素保水调节组分和三段雾化补水，并限定步骤s3中的持水增量关系，使保水调节组分按照启动、扩展和收敛的路径形成半水化含水薄层。该过程使羧甲基纤维素钠和海藻酸钠在矿物颗粒表面形成较连续的湿润薄层，使交联聚丙烯酸钾的吸水膨胀被限制在薄层范围内，减少局部凝胶团形成。进一步通过钙镁轻固定液对该半水化含水薄层进行轻度固定，可以增强水膜固定矿物骨架的稳定性，同时保留颗粒间通气孔隙，使人工种植土兼具较高饱和持水量、较好的干湿循环后持水保持率和适宜的通气孔隙率。

50、3、本发明将缓释养分组分和微生物有机肥设置在水膜固定矿物骨架形成后加入，并在26％～36％含水率下静置平衡18～48h，使保水结构进一步参与养分初期释放缓冲。缓释养分组分表面初期释放的可溶性养分先进入水膜固定区域，再受到沸石颗粒的离子交换作用和腐殖酸钾的络合吸附作用调节，从而使人工种植土的初始浸提液电导率保持在较平稳范围内，并降低浇水过程中的养分快速迁移倾向。由此，人工种植土能够在保水、通气、保肥和根系生长安全性之间形成较好的综合适配。