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)：
水缺乏是對人類和農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大束縛。約70%的淡水消費被用于與農(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， 對于淡水的需求隨之增加，人們需要對水進(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)原材料方面對于淡水的需求也在增加。因此，人們越來越需要更好地且更加有效地利用淡水。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，會逐漸形成斥水土壤。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)性土壤中也可能會發(fā)生優(yōu)先流動，這種優(yōu)先流動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，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)從土壤中臨時除去任何植物，從而完成高吸水性材料的掩埋。然而，對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土壤顆?；蛲寥李w粒的表面具有親和性的第一部分，和對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。在另一個實施方案中，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。在另一個實施方案中，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。在另一個實施方案中，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。在另一個實施方案中，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。在另一個實施方案中，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。在另一個實施方案中，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。在一個實施方案中，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。在一個實施方案中，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。在另一個實施方案中，該聚合物選自陽離子瓜爾膠或陽離子淀粉。在另一個實施方案中，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)，在一個實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A01G9/10GK102480922SQ201080038698
公開日2012年5月30日 申請日期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 申請人:羅地亞管理公司