专利名称：土壤床的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用水灌溉的方法、使用灌溉繁殖植物的系统、再循环废弃有机物质 以改善土壤质量用于将碳埋置到土壤中并减少大气碳的方法、再利用废水的方法和用于辅 助构建所述系统的全套器材。
背景技术：
在常规的灌溉水中，靠近表面的任何水将迅速蒸发，从而一定比例的灌溉水将因 蒸发损失，尤其仅施加少量灌溉时。这可以通过施加更大灌溉加以减少，然而穿过根区的任 何水将相对植物损失并且可以造成地下水和河流系统污染。如果存在地下防渗粘土层，则渗透性水穿过土壤沉降并形成滞留性富营养水的地 下池塘。这种池塘会变成厌氧的并且仍是抑制植物生长的的腐败性污物。根部需要空气以 及水，最好的结果是水在渗透期间占据土壤中的空气空间并且在水排入较低位置时该空间 再灌满空气。
发明内容
地下灌溉的方法，包括挖掘沟槽，用防水衬层衬砌沟槽，用产生孔隙的原生有机废 弃物至少部分地填充加衬的沟槽，用意图支撑植物的土壤覆盖该废弃物和添加水至该地下 有机废弃物。通过光合作用产生并且因而已经含有捕获的大气二氧化碳的有机废弃物被水 覆盖，并在半厌氧条件下用厌氧细菌和真菌缓慢地分解以与土壤掺合，因而形成从大气捕 获碳的方法。因而，原生有机废弃物中的木质素被抑制进入碳循环的快速部分，相反其被真 菌利用以生长锁定碳的广泛菌丝。木质素中的某些缓慢地堆合成长链纤维素衍生物。植物、 细菌和真菌以约30倍于人工排放物中碳量的量截获大气碳。若将要构建凸起土壤床，则沟槽可以深200-300mm，若需要用于果园或商业运营的 地平床，则沟槽可以深600-800mm。沟槽的尺度取决于预期用途。如果衬里仅沿沟槽侧面向 上部分地延伸，则在沟槽两侧面上的土壤将因芯吸作用而润湿。废弃物可以如来自城郊覆盖物和工厂废弃木屑的枝杈和杂草那样是原生的，其中 所述的城郊覆盖物和工厂废弃木屑具有不规则形状，因而不堆积在一起，从而产生巨大孔 隙含量。这种饱和的原生集料可以提高持水量直至达5倍于具有处于田间持水量的圆形粒 子的常规土壤的持水量。有机基质引起水向上芯吸至被覆土壤。也可以使用无机材料如砂 子或砾石集料，但是在其芯吸作用方面不如有机基质那样有效。如果灌溉在降雨稀少地区进行，若该衬层延伸超出沟槽作为仅低于地平线的倾斜 沟缘，则可以借助这种方法捕获额外的水。以这种方式，雨水向下渗透直至它接触衬层延伸 物并因重力进入沟槽。以这种方式可以利用沟槽周围的全部沟缘，但是这需要准备现场和 检验水平方面的更多工作，以确保水会收集于沟槽中。结果是通常因旱季而死亡的植物在 沟槽上方的范围内不会死亡。它们接受来自地下贮存处的水并且更有可能渡过间断旱季活 下来。
在有一些但不充足的水可用于灌溉的商业运营中，可以通过在添加原生有机废弃 物之前在沟槽中铺设管子而给予沟槽定期贮存的水。具有多个穿孔的柔性结构的农用管是 合适的，然而仅在基部具有窄缝的管子堵塞的可能性更小。有用的是基本上水平地铺设这 种管子，同时抬高末端，止于或刚高于地平线，从而当给予衬层大量水时，可以检查水位。水 被衬层约束不动并且形成地下池塘，其大部分容积被浸泡的有机废弃物占据。如果该床已 经通过水喷洒或漫灌润湿，则来自该床的蒸发占据本要蒸发的一小部分。如果要求快速生长(如用于培育蔬菜)并且夜晚根部温度是重要的，则灌溉方法 可能包括在原生废物层上建起土壤层以形成高于周围土壤水平面的凸起床。凸起床在易遭 遇潮湿条件或洪水的地区是特别有益的。作为在土地里制造芯吸床的替代，整个系统可以 封闭于箱子或其他合适容器中。可以通过添加合适类型的蚯蚓改善升高或处于地平线的土壤层的孔隙率。作为大 型深处采食蠕虫的Amyuthus物种蠕虫将在该床中挖洞并产生海绵状组织。这改善渗透性 并有助于CO2捕获。真菌也可以通过形成充气结构改善土壤质量，并且真菌分解物质排放的二氧化碳 比好氧菌排放的更少。表面张力引起土壤对抗重力拉伸保持一定量的水分。较大孔中的水被重力拉下 来，而其中表面张力较高的小孔中的水可以抵抗重力。土壤中保留的水的平衡量叫做田间持水量，其根据孔径大幅度变化。孔径越小，可 以保留越多的水；因而粘土保留的水远比砂子多。另一方面，植物不得不从土壤抽取水并且再次地，孔径越小，植物越难以抽取水。 萎蔫湿度决定这个下限，并且田间持水量与萎蔫湿度(随时可用的水)之间的差异一般在 土壤类型间不会这样大地变化并通常是10%数量级。芯吸床使用防渗水屏障来形成地下池塘或蓄水池。在该池塘中，土壤是饱和的，例 如全部孔均充满水。尽管大孔通常是没有水的，然而它们现在充满水。这些大孔中具有弱 表面张力的这种水现在可以轻易地因表面张力的作用向上芯吸以湿润池塘上方的土壤。这里的土壤不是饱和的，但是潮湿的，同时池塘上方的水分含量逐步减小。水一般 将向上芯吸约300mm，此后表面张力不能再进一步提升水。植物需要土壤中空气和水的组 合，从而总是存在这样一个度其正好具有适于最大生长的空气与水的正确组合。如果池塘中具有大孔径的介质是原生的，则芯吸床运转最好，常常使用废弃有机 物质，因为当其饱和时，它可以容纳大量水，但允许水向上芯吸穿过该有机物质。芯吸床可 以具有两个区带，具有大孔的池塘本身和具有更小孔的上方层。必须并入排水系统以排去任何多余的水，从而该床上方的土壤不会饱和任意长的 时间。确保排水的特别有效方法是将上部生长区封闭于多孔介质如窗帘布中。这提供了大 雨时水从中离开的巨大面积，并且还允许空气在正常条件下渗入土壤。用来封闭土壤的渗 透膜可以是高于正常地平线的凸起床的形式或如附图中所示芯吸箱的上部分。在一种形式中，将多孔介质安置在沟槽底部以允许水沿沟槽流动，这种多孔介质 可以是常规排水管(农用管)，但等同地可以是石头、岩石棍子、或任何多孔土壤或甚至随 时可用的本地材料如竹子或气泡膜，以在需要时使水遍及芯吸材料分布。当使用石头时，建 议用塑料薄片覆盖石头以防止土壤淤塞空间。运输水并增加持水容量的一种最有效方法是使用任意形式的具有开口底部的容器，如附图中所示沿其长度开缝或打孔的管子。沟槽用 土壤回填，所述土壤优选含有高有机物含量和蚓粪(蠕虫排泄物加卵)。沟槽随后部分或完 全地用穿过多孔介质的水填充。沟槽可以由小隔板分成水平部分，从而水仅在第一部分充满后才溢流入下一个部 分。这产生确保逐槽注满水的级联效应以产生最大冲洗作用。在第二替代形式中，作为使用多孔介质的替代形式，将使用具有规则隔开的孔或 表面凹痕的表面管以确保水沿沟槽分布。表面张力或芯吸力将使水向上和水平地吸入周围土壤，从而灌溉附近任何植物。 这种芯吸作用因在土壤中使用有机物质和蠕虫排泄物显著增强。芯吸床的常见构造是土地中某种形式的能够贮存水的容器或防水膜。也可以通过 压紧沟槽基部内的重粘土或将小百分数的水泥与土壤混合而形成防水地下容器。输入管会递送水至该容器，优选地至容器底部，从而水位在填充期间从底部上升。该容器的顶部将一般地位于土壤正常表面以下，该表面以下的深度通常可以是 100mm，但是对不同大小的植物可以更小或更大。将容器安置于表面下方的一个目的是提供 排走水的手段，使得根部不会在水中浸泡任何时间段。更有效的排水可以通过升高上部层 高于地平线以形成可以由多孔介质如窗帘布封闭的凸起床而获得。作为替代形式，可以将排出管安装入容器的侧面，从而多余水可以排走而使根部 不会在水中浸泡任何时间长度。常见应用是级联芯吸床，从而来自一个床的排出管形成下一个床的输入管。在正常用途中，植物将通过从下方蓄水池向上芯吸的水和向下生长至水位的根部 的组合而接近水。优选的操作是表面土壤干燥以防止水的蒸发。对于幼龄植物或小籽苗而言，期望的是在它们的根部系统发育时靠近表面提供 水。尽管可以通过常规的顶灌法提供这种水，但改良方法是暂时关闭排出管，同时用水灌满 该床，从而淹没整个土壤深度。一旦漫灌完成，则可以开启排出管以排走多余的水。除了繁殖种子和极幼小植物外，这种漫灌和排出过程可以具有明显的园艺好处。 例如，土壤的漫灌排出全部空气和气体，而水的排出将新鲜空气吸至土壤中。已知植物需要向根部系统供给氧并且一般在土壤中出现的某些气体如二氧化碳 和乙烯充当植物生长的抑制剂。这种漫灌和排出过程用氧替代此类气体。还发现某些作物，尤其具有球形块茎的根用作物(如萝卜、芜青等)将因这种定期 漫灌和排出而受益并显示额外的生长。本发明的另一个方法方面提出了以如下方式提高土壤持水容量的方法，即通过在 土地中的植物下方配置水容器，从而使土壤饱和并且以至于水可以向上芯吸至植物的根部 并且该容器可以由管子填充，其中所述管子引导水至容器底部，从而该容器自下方填充并 且可以从该容器排走多余的水，因而仅饱和土壤剖面的一部分。水可以从一株植物下方的饱和层排出以通过重力供给第二株植物下方的土壤。可 以通过改变排出管的深度调整饱和层的厚度。将水携带至更低水平的排出管可以是开口或封闭的，旨在使灌满的土壤厚度临时 饱和，随后排出至所需水平。以这种方式，可能冲洗土壤，随后空气流入正在干燥的土壤。
一旦建立植物下方的饱和层，水将向上芯吸至上方的根部。在许多地区，灌溉水不足。可以通过简单地添加捕获水的翼形物或延伸物至芯吸 床而修改该芯吸床系统以捕获和放大降雨。例如，如果翼形物的面积与该床的面积相等，这 有效使降雨加倍。放大比这种情况大得多，因为落在土壤上的小雨仅润湿表面并且水会迅速蒸发。 翼状物由防渗材料如塑料薄片制成，覆以石头。水不再被吸收，转而向下流至蓄水池基部， 在这里它受到保护。这利用了否则浪费的小雨和露水并且水的收获是重要部分。
现在参考附图描述本发明的一个实施方案，所述附图中图1显示用于成行蔬菜的级联系统。图2a_2d显示构建芯吸床的阶段。图3是芯吸床上凸起床的示意图剖面。图4是具有透性袋子和袋内防水衬层的地上箱子的分解图。图5是用于捕获降雨的芯吸床。
具体实施例方式向台地2挖出土槽，所述台地由沟槽4排水。塑料容器6、8、10紧贴台阶铺设以稳 定土槽并用土壤12填充。供水管14滴流入容器10，使所示的层饱和，随后它经过排出管 16排出至容器8。容器8转而排入容器6。阀门18、20、22允许操作人员浸透任意容器的完 整深度。现在参阅图2a_2d，如所示准备内床。通过在花园地中挖掘1500宽度X 3000长 度X400深度的沟槽30确定床的大小。裁剪一张黑色聚乙烯薄膜以作为衬层32安置在沟 槽中，高度为300mm。将薄膜角折叠成三角形封盖以在该衬层灌满雨水时产生防水池。4. 5mm 长的农用管34斜对角地沿沟槽安置，末端如所示直立。作为替代形式，可以由制造的塑料 衬层制成蓄水池。沟槽的下部用甘蔗废弃物36回填至300mm的高度并且随后又添加一批蚯蚓、其卵 和排泄物。蠕虫食物以餐厨废弃物的形式提供并且用土壤覆盖蠕虫。向管子供水并且水在 管内是可见的。当灌溉继续直至衬层充满时，多余水将漫过衬层的边缘并进入周围土地。如果该床用砌块或木材构建高于地面作为凸起床，则可以在合适高度插入溢流 管。图3显示在顶部具有蠕虫室38的这种复合床。图4显示在存在空间但无花园的情况下如在城市景观中含有芯吸床的箱子。框架 40由管和管接头制成并立在阳光充分的位置，如阳台。折叠一片矩形窗帘布42以形成卡在立方体框架内部的袋子并且将该袋的边缘铺 在框架边缘上，切出窄缝44以接受包围框架管的塑料扎线带46。塑料衬层48位于该袋内 部，但是伸展至该袋的约一半高度。带泄水孔52的U形塑料水管50斜对角地横过该衬层 插入，从而被框架支撑。该衬层以原生有机废弃物填充并且用干燥土壤覆盖该废弃物。将 水倾入管的立脚，从而使废弃物中的孔隙充满。多余水将溢出衬层的边缘。衬层上方的土壤将润湿并变得适合作为繁殖床。顶部表面将仍保持干燥，并且蒸发会最小化。这种类型的床在用水上是经济的，并 且当衬层中的水位下降时，空气被吸入废弃物中的孔隙。额外水的添加替换了空气，并且这个循环显示二氧化碳返回大气，同时创造了通 过光合作用快速捕获碳的条件。在使用中，多种纤维物质足以满足底层。它们以不同速率分解并且逐渐需要替换。 出于此原因，借助花园工具通过用保护垫如废弃毯子覆盖衬层底面而保护衬层免遭穿漏是 有益的。该床比受到顶部向下浇灌的床消耗更少的水。检查时可观察到芯吸效应并且产量 高于平均值。不妨碍添加液体或固体堆肥和肥料。益处如下不存在水渗漏到下面的土壤并且实际上不存在通过从土壤表面蒸发的水损失，原 因在于在土壤表面形成的干壳，所述干壳保护水和有机物质免于从下方潮湿的生物活跃区 域损失。因而当直接引入到表面下层时，将浪费较少的降雨和灌溉水，从而产生每单位水明 显更高的生产。表面下水容器容纳了大量的水，从而仅需要以不频繁的间隔实施灌溉。如表面下容器中的水位可以通过土地里的小洞或管容易地检查或由水传感器如 浮阀容易地检测，容易决定何时表面下容器需要再灌满，并且因而仅施加精确量的水以满 足植物需要，而不需要复杂的灌溉计划和灌溉自动化。由于不存在水渗漏到土壤并且存在生物活跃的潮湿表面下层，其尤其适用于废弃 有机物质如废弃或污染的水(灰色水和污水)的再循环。由于存在持续的水供给，其产生 了用于繁殖蠕虫和微生物和真菌适宜物种的理想湿润条件，其中所述的适宜物种可以加工 被再循环以改善土壤质量的有机废弃物，并可以捕获否则本会进入大气的碳，从而产生从 大气除去温室气体而非在大气中贡献温室气体的农用系统。由芯吸作用滋养的潮湿表面下层是生物学活跃的，提供空气、水和养分的平衡，这 种平衡改善植物生产力。构建和运行此类床提供了这样的方法，借此可以有益地再循环可能造成处置问题 的废弃有机物质。可能含有污染物或病原体的废水如污水可以更安全地用于灌溉，因为水 可以直接输送至下表面并且与植物不直接接触。图5的该床变体用于半干旱地区，在那里牧草在降雨后萌发但是随后凋萎并可能 被白蚁吃掉。沟槽60由拖拉机开挖并且通过刨去表面土壤将沟槽侧面的沟缘62挖成斜面。 将成条的交叠塑料薄片64铺设在沟缘上并用石头66稳定斜面。最后，沟缘用回填土壤覆 盖并将沟槽填充至沟缘高度。沟缘将渗透的雨水排入沟槽。牧草在条带68中发育并充当 防风物。已经发现筛网型床的优点是1.蒸发减少。2.养分并不如同常规培育那样被冲走。3. 土壤的含水量从正常田间持水量提高达2至3倍。4.原生有机废弃物是廉价的。5.提供通过产生有机废弃物的光合作用捕获大气碳的方法，其中所述有机废弃物
8在半厌氧条件下、经常在水下分解，从而有机物质分解非常缓慢，并且因微生物作用(尤其 是真菌和蠕虫)掺入土壤结构中。6.提供了有益地处置固体废弃有机物质的手段。7.提供了有益地处置污染废水如污水并利用任意养分的手段。应当理解如本说明书通篇使用的词“包含”将以其包括形式解释，即词“包含”的 用途不排除添加其他要素。应当理解可以对本发明进行各种修改和/或添加而不脱离本发明的基本特征。这 些修改和/或添加因而视为落入本发明的范围内。
权利要求
一种构建用于培育植物的床的方法，包括形成培育用凹进部分，用防渗水层至少部分地衬砌所述凹进部分以创建蓄水池，通过将原生颗粒状芯吸介质置于所述衬里上至少部分地填充所述凹进部分，将培养介质置于所述芯吸介质顶部或所述芯吸介质附近，以及将水导入所述芯吸介质。
2.如权利要求1中所述的方法，其中所述凹进部分是土地中的空穴，并且所述衬里是 柔性材料片、压紧粘土层或水泥与土壤混合的层或混凝土层。
3.如权利要求1中所述的方法，其中所述凹进部分是箱子或沟槽的内部。
4.如权利要求1中所述的方法，其中所述凹进部分是受框架支撑的袋子的内部。
5.如权利要求2中所述的方法，包括将所述培养介质安置于土壤中与周围土壤接触。
6.如权利要求3或4中所述的方法，包括当所述培养介质是土壤时，避免所述周围土壤 与所述培养介质之间接触。
7.如权利要求1-6任一项中所述的方法，包括在所述蓄水池中排列管子以便需要时将 水导入所述芯吸介质。
8.运行通过权利要求1的方法构建的床的方法，包括添加蚯蚓和含有真菌或土壤细菌 的有机物质至所述培养介质。
9.如权利要求8中所述的方法，包括在所述培养介质中种植深根豆科植物。
10.如权利要求8或9中所述的方法，包括添加从污水获得的水。
11.如权利要求8-10任一项中所述的方法，包括在防止所述培养介质达到饱和的水平 处安装排水管。
12.如权利要求8-11任一项中所述的方法，包括限制水供给，从而保持所述培养介质 的暴露表面干燥，以便使蒸发最小化。
13.如权利要求8-12任一项中所述的方法，其中以所述蓄水池的最低水平或接近其最 低水平向所述蓄水池供给水，以便使滞留最小化。
14.如权利要求8-13任一项中所述的方法，其中定期补给所述蓄水池中的水位以维持 在根区的所述培养介质潮湿但不饱和。
15.如权利要求1-6任一项中所述的方法，包括用气泡垫覆盖所述衬层，借此所述气泡 接触所述垫子并限定所导入水的水流通道。
16.一种用于培育植物的芯吸床，包含置于土壤中地下形成蓄水池的防水衬层、在所述 衬层顶部的原生颗粒状芯吸介质层和在所述芯吸介质顶部的培养介质层。
17.如权利要求16中所述的芯吸床，其中所述衬层延伸超出所述蓄水池作为低于地平 线的用于把雨水排入所述蓄水池的倾斜边缘。
18.如权利要求16或17中所述的芯吸床，其中所述衬层表面对于凸起床而言是 200-300mm厚并且对于地下床而言是600-800mm厚。
19.如权利要求16-18任一项中所述的芯吸床，其中所述芯吸床延伸以形成一个或多 个级联的相邻床，借此较高芯吸床的蓄水池排水到较低芯吸床的蓄水池。
20.如权利要求16中所述的芯吸床，其中将所述芯吸床抬高超过地平线并且将所述衬 层置于多孔敞顶袋内部，所述衬层至少部分地用原生颗粒状芯吸介质填充，所述袋子在所 述衬层上方的体积用培养介质填充。
21.—种构建用于培育植物的床的方法，包括形成培育用凹进部分，衬砌所述凹进部分以创建蓄水池、在所述衬里上安置培养介质，所述培养介质将所述介质的含水量从田间持 水量提高至饱和。
22. 一种通过在地下空穴中贮存有机废弃物减少大气碳的方法，所述地下空穴加衬以 创建蓄水池并浸泡所述物质，从而厌氧性或间断厌氧性分解作用延长了碳捕获，并防止了 快速转变成二氧化碳。
全文摘要
通过如下方式在土地中建立芯吸床，即挖掘沟槽，在沟槽中安置防水层，用原生有机废弃物填充该沟槽从而保留孔隙，用土壤覆盖有机废弃物并导入水以在衬层或防水层上创建蓄水池。芯吸床可以处于地平线上或抬高超过地平线。如果构建多个芯吸床，则所述芯吸床可以级联，从而来自一个蓄水池的溢流可以导入下一个较低的芯吸床。可以在无土的阳台和庭院容器中建起芯吸床。在蓄水池的底部铺设打孔管，末端升高以形成U型。蠕虫和含有真菌的土壤有助于碳捕获。在干燥地区的芯吸床可以具有相对于衬层的倾斜延伸物，所述延伸物超出沟槽以将渗透的雨水排入沟槽。
文档编号A01G9/00GK101919341SQ201010184690
公开日2010年12月22日 申请日期2010年5月27日 优先权日2009年6月10日
发明者科林·奥斯汀 申请人:科林·奥斯汀