專利名稱：土壤親水化試劑以及使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及與土壤添加劑相關(guān)的方法和組合物，特別是，本發(fā)明涉及使土壤顆粒親水化和/或提高土壤中的有效水容量的土壤添加劑。
背景技術(shù)：
水缺乏是對(duì)人類和農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大束縛。約70%的淡水消費(fèi)被用于與農(nóng)業(yè)相關(guān)的用途，例如，用作灌溉水，而灌溉水幾乎占農(nóng)業(yè)用水量的90%。隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展以及人類發(fā)展， 對(duì)于淡水的需求隨之增加，人們需要對(duì)水進(jìn)行更加有效的利用。而淡水的缺乏愈加嚴(yán)重，使得這種需求變得更加顯著。除了上述用途之外，在食品生產(chǎn)和諸如生物燃料、生物質(zhì)和可再生生物材料之類的非食品相關(guān)原材料方面對(duì)于淡水的需求也在增加。因此，人們?cè)絹碓叫枰玫厍腋佑行У乩玫?。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，主要通過以下兩條途徑產(chǎn)生淡水損失(1)流失或蒸發(fā)，以及O) 從植物根部區(qū)域排出。關(guān)于流失，在特別是傾斜或成一定角度的土壤區(qū)域，水緩慢滲透到土壤中或滲透受阻將導(dǎo)致水的流失。另一影響是水在平坦/水平土壤表面的聚集會(huì)使得水因長期暴露在空氣中而蒸發(fā)。緩慢滲透是由多種機(jī)制導(dǎo)致的，例如土壤多孔結(jié)構(gòu)的破壞，其表現(xiàn)為土壤結(jié)皮的形成。當(dāng)土壤變得具有疏水性并且基本上或完全阻止水滲入其中時(shí)，會(huì)逐漸形成斥水土壤。關(guān)于排水，土壤持水能力差和/或水分布不均勻可能會(huì)導(dǎo)致水從根部區(qū)域排出。 土壤持水能力由土壤質(zhì)地和土壤中的有機(jī)質(zhì)的含量決定。例如，通常粗質(zhì)地的土壤(例如， 沙質(zhì)土壤)的持水能力遠(yuǎn)低于細(xì)質(zhì)地的土壤(例如，壤質(zhì)土)。水分布不均勻可能由灌溉水的施用方法(例如，溝灌)和土壤組分的異質(zhì)性而導(dǎo)致。異質(zhì)性土壤中也可能會(huì)發(fā)生優(yōu)先流動(dòng)，這種優(yōu)先流動(dòng)使供給水快速地通過并流出根部區(qū)域，從而導(dǎo)致水的低效利用。人們已使用若干種方法以試圖提高農(nóng)業(yè)中的農(nóng)業(yè)水利用率，其中一種方法是使用表面活性劑。眾所周知的，表面活性劑能降低灌溉水的表面張力，但也面臨一些問題，如在 Miller等人的美國專利No. 5，927，003等中公開的缺點(diǎn)，該文獻(xiàn)以引用方式并入本文。人們還知道，吸水性聚合物能有助于改善水分管理。這些吸水性聚合物也被稱作高吸水性材料，其被用于提高水的利用效率。高吸水性材料具有交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其能夠保持?jǐn)?shù)倍至數(shù)百倍于高吸水性材料原始體積的水。高吸水性材料包括淀粉-丙烯腈接枝聚合物、羧甲基纖維素、交聯(lián)聚丙烯酸酯、交聯(lián)聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈和聚環(huán)氧乙烷的水解產(chǎn)物。例如，下述的幾份美國專利公開了用于農(nóng)業(yè)上改善水分管理的多種聚合物。高吸水性材料被用作土壤添加劑，通常通過手工或機(jī)械的方式將其掩埋在根系區(qū)域的附近。這樣，這些高吸水性材料可以在用水灌溉時(shí)發(fā)生膨脹并保持水，并且在灌溉間隔期或干燥期中釋放水。通?？赏ㄟ^園藝式操作(gardening type application)從土壤中臨時(shí)除去任何植物，從而完成高吸水性材料的掩埋。然而，對(duì)于諸如大面積草皮和地下農(nóng)作物應(yīng)用之類的大規(guī)模任務(wù)來說，由于除去全部或大多數(shù)植物和/或土壤表層通常是不切實(shí)際的或在經(jīng)濟(jì)上是不可行的，因此這種做法存在明顯的缺陷。此外，對(duì)于這種應(yīng)用而言，為了達(dá)到足夠的性能，通常需要大量的高吸水性材料，從而使得成本相對(duì)較高。因此，需要一種改進(jìn)的土壤添加劑，其能通過植物和草改善水利用情況。還需要一種將聚合物施用于土壤中的改進(jìn)方法，其具有更高的效力(相對(duì)于聚合物的總用量)，能靶向到達(dá)土壤中最有利或最需要的位置，并且能改善植物和草的水利用效率。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面中，本發(fā)明涉及一種提高土壤中的保水作用的方法，該方法包括將土壤添加劑施用至土壤，從而提高土壤中的有效水容量。例如，可將該土壤添加劑施用至(例如)土壤的表面或表層表面附近、施加到土壤或土壤內(nèi)部的層中、施加到灌溉水中或施加到將施用于土壤的其他載體中等。在一方面中，本發(fā)明涉及一種用于提高土壤中有效水容量的土壤添加劑，該土壤添加劑包含具有親水部分和疏水部分的聚合物組合物，其中該聚合物組合物的親水部分可以與水結(jié)合。在另一方面中，本發(fā)明涉及一種用于提高土壤中有效水容量的土壤添加劑，該土壤添加劑包含一種聚合物組合物，該聚合物組合物包含對(duì)土壤顆?；蛲寥李w粒的表面具有親和性的第一部分，和對(duì)水具有親和性的第二部分。這兩部分可具有類似或相同的化學(xué)組成。在另一方面中，本發(fā)明涉及一種土壤添加劑，該土壤添加劑包含聚合物組合物，該聚合物組合物具有親水部分和對(duì)土壤顆粒的表面具有親和性的部分，其中該聚合物的親水部分可以與水結(jié)合，其中所述對(duì)土壤顆粒的表面具有親和性的部分可以是疏水性的。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的土壤添加劑為重均分子量在約5，000道爾頓和 500，000道爾頓之間的聚合物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的土壤添加劑為重均分子量在約200，000道爾頓和1，000, 000道爾頓之間的聚合物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的土壤添加劑為重均分子量最高達(dá)約5，000, 000道爾頓的聚合物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的土壤添加劑為重均分子量最高達(dá)約25，000，000道爾頓的聚合物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的土壤添加劑為重均分子量最高達(dá)約50，000, 000道爾頓的聚合物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的土壤添加劑為尺寸在50納米至5微米之間的水凝膠顆粒。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及一種能夠使土壤顆粒親水化的聚合物，其包含陰離子多糖、中性多糖或陽離子多糖。在一個(gè)實(shí)施方案中，該多糖選自或衍生自由下列物質(zhì)組成的組a.植物來源的多糖，包括但不限于i.半乳糖甘露聚糖、葫蘆巴膠(fenukreek gum)、牧豆樹膠、瓜爾膠、他拉膠、刺槐豆膠、肉桂膠、以及它們的衍生物，例如羥烷基瓜爾膠、羧烷基瓜爾膠、羧烷基羥烷基瓜爾膠、疏水改性的瓜爾膠、疏水改性的羥烷基瓜爾膠、疏水改性的羧烷基瓜爾膠、疏水改性的羧烷基羥烷基瓜爾膠，
ii淀粉和淀粉衍生物、支鏈淀粉和支鏈淀粉衍生物；iii.纖維素和纖維素衍生物(羥烷基纖維素、羧烷基羥烷基纖維素、羧烷基纖維素、纖維素的烷基醚、羥烷基甲基纖維素、疏水改性的羥烷基纖維素、疏水改性的羧烷基羥烷基纖維素、疏水改性的羧烷基纖維素、疏水改性的纖維素的烷基醚、疏水改性的羥烷基甲基纖維素等)；iv.木質(zhì)纖維素；v.木聚糖、阿拉伯木聚糖(arabinoxylan)、右旋糖酐、木糖葡聚糖、以及其他植物細(xì)胞壁半纖維素；vi.果膠、菊糖、魔芋膠；b.多糖包括但不限于藻類多糖，如角叉菜膠、瓊脂、藻酸鹽、石莼聚糖(ulvan)、殼多糖、脫乙酰殼多糖等；c.生物多糖黃原膠、韋蘭膠(welan gum)和琥珀酰聚糖、結(jié)冷膠(gellan)、果聚糖、支鏈淀粉、甘露聚糖、米蘭(mellan)、葡聚糖；以及它們的混合物。在另一個(gè)實(shí)施方案中，該聚合物選自陽離子瓜爾膠或陽離子淀粉。在另一個(gè)實(shí)施方案中，陽離子多糖選自羥丙基三甲基氯化銨瓜爾膠或淀粉。在另一方面中，該土壤添加劑為共聚物。該共聚物可包含羧酸酯基團(tuán)、酰胺基團(tuán)、 羥基基團(tuán)、兩性離子基團(tuán)或它們的任何組合。該共聚物可由包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、 丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、乙烯基醇、烯丙醇、乙酸乙烯酯、兩性離子單體和其他烯鍵式不飽和單體的至少一種單體制備。在另一方面中，本發(fā)明的土壤添加劑具有下式
權(quán)利要求
1.一種用于提高土壤中有效水容量的土壤添加劑，所述土壤添加劑包含聚合物，所述聚合物包含(i)對(duì)土壤顆粒的至少一部分表面積具有親和性的第一部分，以及(ii)對(duì)水具有親和性的第二部分。
2.權(quán)利要求1所述的土壤添加劑，其中所述第一部分是疏水性的，并且所述第二部分是親水性的。
3.權(quán)利要求1所述的土壤添加劑，其中所述聚合物的重均分子量在約100，000道爾頓和500,000道爾頓之間。
4.權(quán)利要求1所述的土壤添加劑，其中所述聚合物的重均分子量在約200，000道爾頓和50，000, 000道爾頓之間。
5.權(quán)利要求1所述的土壤添加劑，其中所述聚合物包含陽離子多糖。
6.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖選自由下列物質(zhì)組成的組中 衍生化的瓜爾膠、陽離子瓜爾膠、羥烷基瓜爾膠、羧烷基瓜爾膠、羧烷基羥烷基瓜爾膠、疏水改性的瓜爾膠、淀粉、疏水改性的羥烷基瓜爾膠、疏水改性的羧烷基瓜爾膠、疏水改性的羧烷基羥烷基瓜爾膠、果膠、藻酸鹽、刺槐豆膠、阿拉伯樹膠、茄替膠、金合歡膠、角叉菜膠、羥烷基纖維素、羧烷基羥烷基纖維素、羧烷基纖維素、纖維素的烷基醚、羥烷基甲基纖維素、疏水改性的羥烷基纖維素、疏水改性的羧烷基羥烷基纖維素、疏水改性的羧烷基纖維素、疏水改性的纖維素的烷基醚、疏水改性的羥烷基甲基纖維素、淀粉、黃芪膠、刺梧桐樹膠、他拉膠、羅望子果膠、黃原膠、韋蘭膠和琥珀酰聚糖、或它們的混合物。
7.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖包含下式的陽離子基團(tuán)
8.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖包含下式的陽離子基團(tuán)
9.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖包含下式的陽離子基團(tuán)
10.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖包含下式的陽離子基團(tuán)
11.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖包含下式的陽離子基團(tuán)
12.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖包含下式的陽離子基團(tuán)
13.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖包含下式的基團(tuán)
14.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖包含下式的陽離子基團(tuán)
15.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖包含下式的陽離子基團(tuán)
16.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖包含陽離子接枝均聚物單元或共聚物單元。
17.權(quán)利要求16所述的土壤添加劑，其中所述均聚物或所述共聚物中的一種組分具有下式
18.權(quán)利要求16所述的土壤添加劑，其中所述均聚物或所述共聚物中的一種組分具有下式
19.權(quán)利要求16所述的土壤添加劑，其中所述均聚物或所述共聚物中的一種組分具有下式
20.權(quán)利要求16所述的土壤添加劑，其中所述均聚物或所述共聚物的一種組分具有下式
21.權(quán)利要求16所述的土壤添加劑，其中所述均聚物或所述共聚物的一種組分具有下式
22.權(quán)利要求16所述的土壤添加劑，其中所述均聚物或所述共聚物的一種組分具有下式
23.權(quán)利要求16所述的土壤添加劑，其中所述均聚物或所述共聚物的一種組分具有下式
24.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖的取代度為在約0.001和約6 之間。
25.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖的取代度為在約0.01和約3 之間。
26.權(quán)利要求5所述的土壤添加劑，其中所述陽離子多糖包括陽離子瓜爾膠。
27.權(quán)利要求1所述的土壤添加劑，其中所述聚合物具有下式
28.權(quán)利要求27所述的土壤添加劑，其中η為25至100的整數(shù)；其中m為25至100的整數(shù)。
29.權(quán)利要求27所述的土壤添加劑，其中η為10至500的整數(shù)；其中m為10至500的整數(shù)。
30.權(quán)利要求27所述的土壤添加劑，其中η為15至75的整數(shù)；其中m為15至75的整數(shù)。
31.權(quán)利要求1所述的土壤添加劑，其中所述聚合物具有下式
32.權(quán)利要求1所述的土壤添加劑，其中所述聚合物具有下式
33.權(quán)利要求1所述的土壤添加劑，其中所述聚合物具有下式
34.一種提高土壤中的有效水容量的方法，包括(a)獲得權(quán)利要求1所述的聚合物；以及(b)將權(quán)利要求1所述的聚合物施加到土壤中。
35.一種對(duì)土壤顆粒的至少一部分表面積進(jìn)行改性的方法，包括(a)獲得具有下式的聚合物
36.一種對(duì)土壤顆粒的至少一部分表面積進(jìn)行改性的方法，包括 (a)獲得具有下式的聚合物
37.權(quán)利要求1所述的土壤添加劑，其中所述聚合物具有下式
38.權(quán)利要求1所述的土壤添加劑，其中所述聚合物具有下式
39.權(quán)利要求1所述的土壤添加劑，其中所述聚合物具有下式
全文摘要
本發(fā)明公開了土壤添加劑，該土壤添加劑能夠使土壤顆粒親水化和/或提高土壤中的有效水容量。該土壤添加劑能夠提高土壤中的有效水含量/容量(AWC)，在一個(gè)實(shí)施方案中該添加劑包含具有親水部分和疏水部分的聚合物組合物，其中共聚物的疏水部分與土壤顆粒表面結(jié)合，而共聚物的親水部分能夠與水結(jié)合。這能夠防止、抑制或減緩水從目標(biāo)區(qū)域(例如從植物根部區(qū)域)流失，從而使植物、草類、蔬菜等的水利用效率提高。
文檔編號(hào)A01G9/10GK102480922SQ201080038698
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者讓-克里斯托夫·卡斯坦, 陳志云, 馬里-皮埃爾·拉博 申請(qǐng)人:羅地亞管理公司