专利名称：土壤亲水化试剂以及使用方法
技术领域：
本发明涉及与土壤添加剂相关的方法和组合物，特别是，本发明涉及使土壤颗粒亲水化和/或提高土壤中的有效水容量的土壤添加剂。
背景技术：
水缺乏是对人类和农业发展的最大束缚。约70%的淡水消费被用于与农业相关的用途，例如，用作灌溉水，而灌溉水几乎占农业用水量的90%。随着农业发展以及人类发展， 对于淡水的需求随之增加，人们需要对水进行更加有效的利用。而淡水的缺乏愈加严重，使得这种需求变得更加显著。除了上述用途之外，在食品生产和诸如生物燃料、生物质和可再生生物材料之类的非食品相关原材料方面对于淡水的需求也在增加。因此，人们越来越需要更好地且更加有效地利用淡水。在农业应用中，主要通过以下两条途径产生淡水损失(1)流失或蒸发，以及O) 从植物根部区域排出。关于流失，在特别是倾斜或成一定角度的土壤区域，水缓慢渗透到土壤中或渗透受阻将导致水的流失。另一影响是水在平坦/水平土壤表面的聚集会使得水因长期暴露在空气中而蒸发。缓慢渗透是由多种机制导致的，例如土壤多孔结构的破坏，其表现为土壤结皮的形成。当土壤变得具有疏水性并且基本上或完全阻止水渗入其中时，会逐渐形成斥水土壤。关于排水，土壤持水能力差和/或水分布不均勻可能会导致水从根部区域排出。 土壤持水能力由土壤质地和土壤中的有机质的含量决定。例如，通常粗质地的土壤(例如， 沙质土壤)的持水能力远低于细质地的土壤(例如，壤质土)。水分布不均勻可能由灌溉水的施用方法(例如，沟灌)和土壤组分的异质性而导致。异质性土壤中也可能会发生优先流动，这种优先流动使供给水快速地通过并流出根部区域，从而导致水的低效利用。人们已使用若干种方法以试图提高农业中的农业水利用率，其中一种方法是使用表面活性剂。众所周知的，表面活性剂能降低灌溉水的表面张力，但也面临一些问题，如在 Miller等人的美国专利No. 5，927，003等中公开的缺点，该文献以引用方式并入本文。人们还知道，吸水性聚合物能有助于改善水分管理。这些吸水性聚合物也被称作高吸水性材料，其被用于提高水的利用效率。高吸水性材料具有交联聚合物网络结构，其能够保持数倍至数百倍于高吸水性材料原始体积的水。高吸水性材料包括淀粉-丙烯腈接枝聚合物、羧甲基纤维素、交联聚丙烯酸酯、交联聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈和聚环氧乙烷的水解产物。例如，下述的几份美国专利公开了用于农业上改善水分管理的多种聚合物。高吸水性材料被用作土壤添加剂，通常通过手工或机械的方式将其掩埋在根系区域的附近。这样，这些高吸水性材料可以在用水灌溉时发生膨胀并保持水，并且在灌溉间隔期或干燥期中释放水。通常可通过园艺式操作(gardening type application)从土壤中临时除去任何植物，从而完成高吸水性材料的掩埋。然而，对于诸如大面积草皮和地下农作物应用之类的大规模任务来说，由于除去全部或大多数植物和/或土壤表层通常是不切实际的或在经济上是不可行的，因此这种做法存在明显的缺陷。此外，对于这种应用而言，为了达到足够的性能，通常需要大量的高吸水性材料，从而使得成本相对较高。因此，需要一种改进的土壤添加剂，其能通过植物和草改善水利用情况。还需要一种将聚合物施用于土壤中的改进方法，其具有更高的效力(相对于聚合物的总用量)，能靶向到达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。
发明内容
在一方面中，本发明涉及一种提高土壤中的保水作用的方法，该方法包括将土壤添加剂施用至土壤，从而提高土壤中的有效水容量。例如，可将该土壤添加剂施用至(例如)土壤的表面或表层表面附近、施加到土壤或土壤内部的层中、施加到灌溉水中或施加到将施用于土壤的其他载体中等。在一方面中，本发明涉及一种用于提高土壤中有效水容量的土壤添加剂，该土壤添加剂包含具有亲水部分和疏水部分的聚合物组合物，其中该聚合物组合物的亲水部分可以与水结合。在另一方面中，本发明涉及一种用于提高土壤中有效水容量的土壤添加剂，该土壤添加剂包含一种聚合物组合物，该聚合物组合物包含对土壤颗粒或土壤颗粒的表面具有亲和性的第一部分，和对水具有亲和性的第二部分。这两部分可具有类似或相同的化学组成。在另一方面中，本发明涉及一种土壤添加剂，该土壤添加剂包含聚合物组合物，该聚合物组合物具有亲水部分和对土壤颗粒的表面具有亲和性的部分，其中该聚合物的亲水部分可以与水结合，其中所述对土壤颗粒的表面具有亲和性的部分可以是疏水性的。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量在约5，000道尔顿和 500，000道尔顿之间的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量在约200，000道尔顿和1，000, 000道尔顿之间的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量最高达约5，000, 000道尔顿的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量最高达约25，000，000道尔顿的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量最高达约50，000, 000道尔顿的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为尺寸在50纳米至5微米之间的水凝胶颗粒。在一个实施方案中，本发明涉及一种能够使土壤颗粒亲水化的聚合物，其包含阴离子多糖、中性多糖或阳离子多糖。在一个实施方案中，该多糖选自或衍生自由下列物质组成的组a.植物来源的多糖，包括但不限于i.半乳糖甘露聚糖、葫芦巴胶(fenukreek gum)、牧豆树胶、瓜尔胶、他拉胶、刺槐豆胶、肉桂胶、以及它们的衍生物，例如羟烷基瓜尔胶、羧烷基瓜尔胶、羧烷基羟烷基瓜尔胶、疏水改性的瓜尔胶、疏水改性的羟烷基瓜尔胶、疏水改性的羧烷基瓜尔胶、疏水改性的羧烷基羟烷基瓜尔胶，
ii淀粉和淀粉衍生物、支链淀粉和支链淀粉衍生物；iii.纤维素和纤维素衍生物(羟烷基纤维素、羧烷基羟烷基纤维素、羧烷基纤维素、纤维素的烷基醚、羟烷基甲基纤维素、疏水改性的羟烷基纤维素、疏水改性的羧烷基羟烷基纤维素、疏水改性的羧烷基纤维素、疏水改性的纤维素的烷基醚、疏水改性的羟烷基甲基纤维素等)；iv.木质纤维素；v.木聚糖、阿拉伯木聚糖(arabinoxylan)、右旋糖酐、木糖葡聚糖、以及其他植物细胞壁半纤维素；vi.果胶、菊糖、魔芋胶；b.多糖包括但不限于藻类多糖，如角叉菜胶、琼脂、藻酸盐、石莼聚糖(ulvan)、壳多糖、脱乙酰壳多糖等；c.生物多糖黄原胶、韦兰胶(welan gum)和琥珀酰聚糖、结冷胶(gellan)、果聚糖、支链淀粉、甘露聚糖、米兰(mellan)、葡聚糖；以及它们的混合物。在另一个实施方案中，该聚合物选自阳离子瓜尔胶或阳离子淀粉。在另一个实施方案中，阳离子多糖选自羟丙基三甲基氯化铵瓜尔胶或淀粉。在另一方面中，该土壤添加剂为共聚物。该共聚物可包含羧酸酯基团、酰胺基团、 羟基基团、两性离子基团或它们的任何组合。该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、两性离子单体和其他烯键式不饱和单体的至少一种单体制备。在另一方面中，本发明的土壤添加剂具有下式
权利要求
1.一种用于提高土壤中有效水容量的土壤添加剂，所述土壤添加剂包含聚合物，所述聚合物包含(i)对土壤颗粒的至少一部分表面积具有亲和性的第一部分，以及(ii)对水具有亲和性的第二部分。
2.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述第一部分是疏水性的，并且所述第二部分是亲水性的。
3.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物的重均分子量在约100，000道尔顿和500,000道尔顿之间。
4.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物的重均分子量在约200，000道尔顿和50，000, 000道尔顿之间。
5.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物包含阳离子多糖。
6.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖选自由下列物质组成的组中 衍生化的瓜尔胶、阳离子瓜尔胶、羟烷基瓜尔胶、羧烷基瓜尔胶、羧烷基羟烷基瓜尔胶、疏水改性的瓜尔胶、淀粉、疏水改性的羟烷基瓜尔胶、疏水改性的羧烷基瓜尔胶、疏水改性的羧烷基羟烷基瓜尔胶、果胶、藻酸盐、刺槐豆胶、阿拉伯树胶、茄替胶、金合欢胶、角叉菜胶、羟烷基纤维素、羧烷基羟烷基纤维素、羧烷基纤维素、纤维素的烷基醚、羟烷基甲基纤维素、疏水改性的羟烷基纤维素、疏水改性的羧烷基羟烷基纤维素、疏水改性的羧烷基纤维素、疏水改性的纤维素的烷基醚、疏水改性的羟烷基甲基纤维素、淀粉、黄芪胶、刺梧桐树胶、他拉胶、罗望子果胶、黄原胶、韦兰胶和琥珀酰聚糖、或它们的混合物。
7.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团
8.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团
9.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团
10.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团
11.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团
12.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团
13.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的基团
14.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团
15.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团
16.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含阳离子接枝均聚物单元或共聚物单元。
17.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物中的一种组分具有下式
18.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物中的一种组分具有下式
19.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物中的一种组分具有下式
20.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物的一种组分具有下式
21.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物的一种组分具有下式
22.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物的一种组分具有下式
23.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物的一种组分具有下式
24.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖的取代度为在约0.001和约6 之间。
25.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖的取代度为在约0.01和约3 之间。
26.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包括阳离子瓜尔胶。
27.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式
28.权利要求27所述的土壤添加剂，其中η为25至100的整数；其中m为25至100的整数。
29.权利要求27所述的土壤添加剂，其中η为10至500的整数；其中m为10至500的整数。
30.权利要求27所述的土壤添加剂，其中η为15至75的整数；其中m为15至75的整数。
31.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式
32.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式
33.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式
34.一种提高土壤中的有效水容量的方法，包括(a)获得权利要求1所述的聚合物；以及(b)将权利要求1所述的聚合物施加到土壤中。
35.一种对土壤颗粒的至少一部分表面积进行改性的方法，包括(a)获得具有下式的聚合物
36.一种对土壤颗粒的至少一部分表面积进行改性的方法，包括 (a)获得具有下式的聚合物
37.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式
38.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式
39.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式
全文摘要
本发明公开了土壤添加剂，该土壤添加剂能够使土壤颗粒亲水化和/或提高土壤中的有效水容量。该土壤添加剂能够提高土壤中的有效水含量/容量(AWC)，在一个实施方案中该添加剂包含具有亲水部分和疏水部分的聚合物组合物，其中共聚物的疏水部分与土壤颗粒表面结合，而共聚物的亲水部分能够与水结合。这能够防止、抑制或减缓水从目标区域(例如从植物根部区域)流失，从而使植物、草类、蔬菜等的水利用效率提高。
文档编号A01G9/10GK102480922SQ201080038698
公开日2012年5月30日 申请日期2010年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者让-克里斯托夫·卡斯坦, 陈志云, 马里-皮埃尔·拉博 申请人:罗地亚管理公司