专利名称：一种营养型土壤保湿剂及其配制方法
技术领域：
本发明涉及土壤保湿剂，具体为一种营养型土壤保湿剂及其制备方法。
背景技术：
我国干旱半干旱地区总面积为455万hm2，占国土总面积的47％，随着我国战略重点逐步向西部转移，水资源越来越成为国民经济发展的重要制约因素之一。我国农业用水占总用水量的73.4％，每年农业缺水约300亿m3，由于缺水和水分生产效率低，农业用水危机不断加剧。发展以充分利用自然降水为中心的节水灌溉和旱地农业节水保水技术已成为农业可持续发展的必然选择，其中利用土壤保湿剂达到节水增产是现代农业节水的一种有效途径和方法。土壤保湿剂又称土壤保水剂、高吸水剂，是利用强吸水性树脂制成的一种具有高吸水保水能力的高分子聚合物，它能吸收比自身重数百倍甚至上千倍的水分，并缓慢释放供作物吸收利用，从而增强土壤保水性，减少水的深层渗漏及土壤养分流失，提高水分利用率。土壤保湿剂既可以从潮湿空气中吸收水分，也可以吸收土壤深层向上运动的水汽，增强土壤的持水能力。
世界上首先应用保水剂的国家是美国，1969年美国农业部北部研究中心(NRRC)首先研制出保水剂并于70年代中期将其应用于玉米和大豆种子涂层、树苗移栽等方面。随后，美国农业部森林服务部和一些大学采用Terra-sorb(TAB)进行了一系列试验，发现TAB用于地面撒施可节约用水50％～85％。1974年，保水剂在美国Grainprocessingo公司实现了工业化生产。但日本随后重金购买了其专利，并在此基础上迅速赶上并超过了美国，相继开发了聚丙烯酸盐高吸水性树脂。80年代初，法国里昂沙菲姆化学公司研制成功保水剂，并将其应用于沙特阿拉伯干旱地区的土壤改良。韩国也开发出了吸水5000倍的“IKR3010”高分子材料。1998年，世界保水剂需求总量在70万吨左右，并且近两年以8％幅度递增。另外，发展中国家如墨西哥、东南亚及中东地区也开始推广应用。可见，世界各国对保水剂研发、应用非常重视。
保水剂的开发与应用研究在我国开始于80年代初期，但发展速度较快。80年代初，北京化学纤维研究所研制成功SA型保水剂，中科院兰州化学物理研究所研制成功LPA型保水剂，中科院化学研究所、长春应用化学研究所也分别研制了KH841型和IAC-13型保水剂，并陆续应用于农林生产领域，但均未进行批量化生产和产业化开发。90年代以来，一批新型的保湿剂产品陆续问世。如唐山博亚高效抗旱保水剂、“永泰田”保水剂等新型保水剂产品进行了工业化生产，陕西杨凌惠中科技开发公司也研制出吸水率达1500倍的保水剂并投入生产。90年代末我国将土壤保湿剂应用列为重大科技推广项目在农业方面应用如吉林省将其用于移植苗木，新疆、河南和甘肃等省用其改良土壤。研究人员先后对淀粉系、纤维素系、合成系的吸水剂的合成进行了研究，制成了淀粉接枝丙烯腈水解物、淀粉接枝丙烯酸盐、淀粉与丙烯酸及丙烯酰胺、顺酐等四元接枝共聚物、纤维素接枝丙烯酸盐、聚乙烯醇变性物、聚丙烯酸盐交联物等8个品种。但由于目前高吸水性树脂的价格较高，它们的用料昂贵、材料合成复杂，常常需要大型的合成设备以及复杂工艺，因此很难在我国农业中加以推广应用。另外，在我国有关保水剂产品的应用研究中，也存在许多层次较低的产品，如申请号为98113801的专利产品提供了一种掺合保水剂等原料的复合肥料的制作方法，它是由多种化学肥料如尿素、磷酸二铵、硝酸铵颗粒状原料和经造粒加工形成的粒状原料掺混并经磁处理而成。这样的含有保水剂的复混肥虽然在一定程度上具有耐旱保墒、改良土壤的作用，但其保水的作用是相当有限的。因此开发出适合我国农民能够接受的、合成工艺简单、保水释水能力强的生态型保水剂是我国保水剂研发的一项复杂而艰巨的任务。本发明正是基于上述情况而发展起来的。
发明内容
本发明的目的是提供一种营养型土壤保湿剂及其配制方法，它能简化合成过程，选择易取原料，降低生产成本，在其能够良好地保持土壤水分供作物需求和对环境无污染的前提下，使原料中含有的养分供给作物生长发育的需要。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下营养型土壤保湿剂，按重量份数计，其成分为由10～15高分子聚合物、5～10 FeSO4、2～5 ZnSO4及1000～1500 H2O组成的溶液1，由4～10浓H2SO4、15～30酰胺态有机成分、2～5 CuSO4，2～5 MnSO4及1000～1500 H2O组成的溶液2，以及由20～100 CaCl2及1000～1500 H2O组成的溶液3；其中溶液1、溶液2和溶液3之间的比例为1～2∶1～3∶1～3；所述CuSO4、MnSO4、CaCl2、FeSO4、ZnSO4均为工业纯级或化学纯级，浓H2SO4为工业纯级或化学纯级；酰胺态有机成分为尿素，高分子聚合物为聚乙烯醇(PVA)，尿素、聚乙烯醇可为工业级或化学纯级；所述H2O为普通自来水或蒸馏水；其配制方法可按如下步骤操作①制备溶液1取10～15份高分子聚合物放入1000～1500份水中，同时向其中加入FeSO45～10份，ZnSO42～5份，搅拌至溶液充分混合；②配制溶液2取4～10份浓H2SO4放入1000～1500份水中，同时加入酰胺态有机成分15～30份，CuSO42～5份，MnSO42～5份，搅拌至溶液充分混合；③配制溶液3取20～100份的CaCl2加入到1000～1500份的水中充分搅拌；④将溶液1、溶液2和溶液3按1～2∶1～3∶1～3比例均匀混合；溶液1、2、3的混合方式为将溶液1、2、3直接混合，搅拌均匀，形成稠状液体(施入土壤后与土壤结构体结合形成半透膜)或先将溶液1、2均匀混合后施入土壤，再以0.2～0.5升/平方米的量喷洒溶液3至施用溶液1、2的土壤中，(用于调控，形成半透膜)；所述搅拌可以用500～3000r/min电动搅拌器搅拌；所述酰胺态有机成分为尿素，高分子聚合物为聚乙烯醇；所述CuSO4、MnSO4、CaCl2、FeSO4、ZnSO4均为工业纯级或化学纯级，浓H2SO4为工业纯级或化学纯级；尿素、聚乙烯醇为工业级或化学纯级；尿素占总液体浓度在0.39～0.98％(w％)之间，聚乙烯醇(PVA)占总液体浓度控制在0.1～0.5％(w％)之间，CaCl2占总液体浓度的0.54～3.3％(w％)。
本发明的机理是本发明是一种液体水合的混合物，当它在土壤中与带有氢氧根的化学官能团物质结合时，就转变成一种凝胶体；而土壤几乎都由二氧化硅组成，当二氧化硅水合时，一个硅原子被凝胶体上的四个氢氧根官能团所包围(这是本发明营养型土壤保湿剂发生反应的理想状态)，凝胶体上的四个氢氧根集团与二氧化硅结合成一种液体凝胶。这种液体凝胶能保持水分，同时充当土壤湿汽(水分)和空气中水汽的液体传输膜。当空气的相对湿度高于25％时，液体凝胶能够吸收空气中的水分并传给土壤。水合金属氧化物的营养型土壤保湿剂凝胶能够形成像筛一样的水化膜层(具有半透膜的性状)，它能阻止土壤中水汽的蒸发，保持土壤水对植物的长期性和有效性。像所有的膜一样，这种液体凝胶在一段时间后变干。然而，当潮湿的空气在8～12小时内与之再次接触膜时，这种液体凝胶又会重新复原保持土壤中的水分。当这种凝胶老化时，它的分解物和其中加入的营养元素可作为植物的营养元素而被植物吸收利用。营养型土壤保湿剂可以应用于各种作物的栽培，而且不会污染环境。
本发明的原理为以尿素和高分子化合物PVA以及多种无机盐为原材料，在常温、常压下按所述比例配合而成，它在土壤中与带有氢氧根的化学官能团物质结合时，能转变成一种凝胶体保水剂，同时释放出植物生长中所必需的部分大量营养元素及微量元素如氮、钙、硫、氯和铁、锌、锰等供植物吸收利用。
施用方法根据作物对氮肥、微量元素的需要程度，可适当增加保湿剂的用量，40、80、120、160毫升/平方米。
本发明与现有技术中同类的土壤保湿剂相比具有如下优点1.易于生产和应用。本发明生产工艺较简单，不需要大型的仪器设备，只需在普通的实验室即可完成，有利于产品的开发、推广和应用。
2.价格便宜。本发明所需原材料如尿素、FeSO4盐，方便易得，成本低廉，在各处均可买到。
3.本发明采用CaCl2调控制成的营养型半透膜产品，使本发明营养型土壤保湿剂在土壤中保水范围增加，不仅能吸收大量的液态水，而且能吸收土壤中硅酸盐的吸附水。
4.保湿性好。本发明以酰胺态有机物和高分子化合物PVA以及多种无机盐为原材料在土壤中与带有氢氧根的化学官能团物质结合时，能转变成一种凝胶体保水剂，同时释放出植物生长中所必需的部分大量营养元素及微量元素(如氮、钙、硫、氯和铁、锌、锰等)供植物吸收、利用，在起到很好蓄水、释水的功能同时能够供给作物生长过程中所需的养分，改良土壤的物理性质(如促进土壤团粒结构的形成)，改善土壤的生物学环境。例如实施本发明与未施用相比，土壤有效的氮、磷、钾、微量元素含量提高20～30％。在产量相同的条件下，用营养型土壤保湿剂处理疏菜区域的蔬菜作物需水量较不用营养型土壤保湿剂处理区域的作物需水量减少了20～30％。
5.环境安全。由于本发明采用土壤分解的浓度适宜的无机物和低浓度的高分子聚合物，在施入土壤一年后完全分解，不污染土壤，属于安全的环保形产品。
6.应用范围广泛。本发明能简化土壤保湿剂的合成过程，在其能够良好地保持土壤水分供作物需求和对环境无污染的前提下，使原料中含有的养分供给作物生长发育的需要，它可以用于大田土、菜园土，质地差的纯沙土、粘土，以及盐渍土和各种退化的土壤。
具体实施例方式
实施例1本发明土壤营养型保湿剂，按重量份数计，其成分为由12克聚乙烯醇(PVA)、8克FeSO4、3克ZnSO4、1000克水组成的溶液1，由8克浓H2SO4、15克尿素、3克CuSO4、3克MnSO4、1000克水组成的溶液2，以及由50克的CaCl2、1000克水组成的溶液3。其中，溶液1、溶液2、溶液3的比例为1∶3∶2。
所述CuSO4、MnSO4、CaCl2、FeSO4、ZnSO4、浓H2SO4均为工业纯级，水为普通的自来水，尿素和PVA均为工业级。
其配制方法，可按如下步骤操作①制备溶液1取12克PVA放入1000毫升水中，同时向其中加入8克FeSO4，加入3克ZnSO4，用3000r/min电动搅拌机搅拌使溶液充分混合；②制备溶液2取4.4毫升浓H2SO4放入1000毫升水，同时加入15克尿素，3克CuSO4，3克MnSO4，用3000r/min电动搅拌机搅拌使溶液充分混合；③制备溶液3取50克CaCl2加入到1000水中充分搅拌。④溶液1、溶液2之间先按1∶3经搅拌均匀混合后施入土壤，再用固定的地面装置(如喷灌的塑料喷头)均匀喷洒，也可通过飞机喷施。均匀施用是十分重要的，为了使其发挥最大的效益，使用后在地面之上喷洒0.5升/平方米(即按1∶3∶2比例)的该保湿剂的调控剂。
尿素占总液体浓度在0.73％(w％)之间，聚乙烯醇(PVA)占总液体浓度控制在0.19％(w％)之间，CaCl2占总液体浓度的1.61％(w％)。
其实施结果如下经济作物及大田作物实施方法每平方米土壤上施用40毫升。
疏菜在产量相同的条件下，用营养型土壤保湿剂处理区域的蔬菜作物需水量较不用营养型土壤保湿剂处理区域的作物需水量减少了20～30％。这意味着降低生产成本，节约用水，同时给农民带来了更多的利润。
玉米试验结果表明，施用本发明营养型土壤保湿剂后，土壤的田间持水量增加了20～30％，玉米的出苗率可达90％以上，而对照(未施土壤改良剂)只有约77.8％；经过保湿剂处理的玉米株高明显高于对照。玉米植株生长健壮，根系粗大；而对照的根系瘦小，植株瘦弱。
水稻施用本发明营养型土壤保湿剂后，水稻的分蘖能力提高约一倍，生物量也有大幅度的提高。
实施例2与实施例1不同之处在于本发明土壤营养型保湿剂，按重量份数计，其成分为由10克聚乙烯醇(PVA)、10克FeSO4、4克ZnSO4、1000克水组成的溶液1，由9克浓H2SO4、20克尿素、2克CuSO4、2克MnSO4、1000克水组成的溶液2，以及由80克的CaCl2、1000克水组成的溶液3；其中，溶液1、溶液2、溶液3的比例为1∶2∶2。
所述CuSO4、MnSO4、CaCl2、FeSO4、ZnSO4、浓H2SO4均为化学纯级，水为普通的自来水，尿素和PVA均为化学纯级。
其配制方法，可按如下步骤操作①制备溶液1取10克PVA放入1000毫升水中，同时向其中加入10克FeSO4，加入4克ZnSO4，用3000r/min电动搅拌机搅拌使溶液充分混合；②制备溶液2取4.9毫升浓H2SO4放入1000毫升水，同时加入20克尿素，2克CuSO4，2克MnSO4，用3000r/min电动搅拌机搅拌使溶液充分混合；③制备溶液3取80克CaCl2加入到1000水中充分搅拌。④溶液1、溶液2、溶液3之间按1∶2∶2比例，先将溶液1和2均匀混合，施入土壤，然后再以0.2升/平方米的量喷洒溶液3，其中溶液3用于调控，促进半透膜的形成。
尿素占总液体浓度在0.76％(w％)之间，聚乙烯醇(PVA)占总液体浓度控制在0.19％(w％)之间，CaCl2占总液体浓度的3.0％(w％)。
其实施结果如下实施方法对中、低产田土壤每平方米施用120毫升；菜园土菜园土(包括温室、大棚)是目前我国灌水量和施肥量最高的土壤之一。由于灌溉频繁、灌溉水质差、施肥量过高和施肥不当等原因所造成的土壤次生盐渍化是目前我国蔬菜生产中遇到的突出问题。经本发明营养型土壤保湿剂处理的菜园土，由于灌水量和灌溉频率减少，减轻了菜园土的次生盐渍化，同时土质松软，土壤养分的活性大幅度地提高。具体表现为1.土壤水土壤中的毛管水是植物水分的来源，也是植物吸收养分的必需载体。通过本发明营养型土壤保湿剂处理土壤的持水特性大大加强，毛管水含量比对照(未施土壤保剂)高出15～20％。
2.土壤温度和通气性菜园土的温度是影响作物生长的主要限制因子。施用本发明营养型土壤保湿剂后，由于水分含量的增加，土壤热通量和土壤结构得到了改善，同时也改善了土壤的通气性，昼夜间大气与土壤间的温差比对照(未施土壤保剂)变小约2～3度。
3.土壤微生物通过影响土壤水、土壤温度和通气性，土壤有益微生物的活动范围和活动量加强。土壤微生物本身，例如真菌、放线菌，，也是土壤可以团聚的基本物质。通过改善土壤环境，本发明营养型土壤保湿剂为土壤微生物营造了一个生长发育的良好氛围。
4.土壤营养元素通过改善土壤环境，本发明营养型土壤保湿剂有利于将植物难以利用的土壤有机态营养物质矿化，从而成为植物可吸收利用的有效态的营养物质。同时还可以将闭蓄态的矿质营养元素如处于碳酸盐包被状态下的磷，释放出来供作物吸收。同时，本发明营养型土壤保湿剂含有酰胺态氮，施用后可直接被作物吸收，所含的锌、铁、锰等微量元素的活性提高，更增加了对作物的有效性。
实施例3与实施例1和例2的不同之处在于本发明土壤营养保湿剂，按重量份数计，其成分为由15克聚乙烯醇(PVA)、6克FeSO4、2克ZnSO4、1300克水组成的溶液1，由4克浓H2SO4、22克尿素、5克CuSO4、5克MnSO4、1300克水组成的溶液2，以及由60克的CaCl2、1300克水组成的溶液3。其中，溶液1、溶液2、溶液3的比例为2∶3∶2。
所述CuSO4、MnSO4、CaCl2、FeSO4、ZnSO4、浓H2SO4均为工业纯级，水为普通的自来水，尿素和PVA均为工业级。
其配制方法，可按如下步骤操作①制备溶液1取15克PVA放入1300毫升水中，同时向其中加入6克FeSO4，加入2克ZnSO4，用1000r/min电动搅拌机搅拌使溶液充分混合；②制备溶液2取2.2毫升浓H2SO4放入1300毫升水，同时加入22克尿素，5克CuSO4，5克MnSO4，用1500r/min电动搅拌机搅拌使溶液充分混合；③制备溶液3取60克CaCl2加入到1300水中充分搅拌。□溶液1、溶液2、溶液3之间按2∶3∶2比例直接均匀混合、形成稠状液体施入土壤(施入土壤后与土壤结构体结合形成半透膜)。
尿素占总液体浓度在0.70％(w％)之间，聚乙烯醇(PVA)占总液体浓度控制在0.32％(w％)之间，CaCl2占总液体浓度的1.28％(w％)。
实施方法对中、低产田土壤每平方米施用160毫升；质地差的沙、粘土许多沙质的土壤含有不到2％的腐殖质，几乎由二氧化硅组成，它对土壤有效水的保持度很低，铁、钙、镁、锰、锌等几种中、微量营养元素也因土壤含水量低而以氧化物形式存在于这种土壤中。施入本发明营养型土壤保湿剂后，土壤有效水的含量较对照(未施土壤改良剂)提高20％左右，同时土壤保湿剂中的酸性物质能与以氧化物形式存在的营养物质结合变为作物可利用的营养元素，通过实验施土壤保湿剂比对照(未施土壤保湿剂)土壤有效的氮、磷、钾、微量元素含量提高20～30％。
粘粒含量高的粘土土质因强烈地保水、蓄肥而不发小苗，最终因出苗率低而产量下降。本发明营养型土壤保湿剂湿入粘土后，能够吸水膨胀，变成不规则形态，扩大了种子与土壤的接触面，促进周围的水分向种子附近的聚集，提高了种子周围的水分含量，加快种子吸水膨胀和物质转化过程，使种子比对照(未施土壤保湿剂)提前1～2天出苗，最终产量也提高约10％左右。
盐渍土盐渍土的表面都会有一层1～2厘米的“结皮”，它能阻止雨水和灌溉水入渗，使其大部分成为地表径流而损失，同时又因土体通透性差、毛管水不易上升造成土体有效水含量低、可溶性钠和重碳酸根等盐分含量过高等问题，既影响作物的出苗率，又影响其以后的生长发育。因此盐渍土的改良首先应打破表层的结皮，提高土壤的通透性及降低土壤的pH等。用本发明营养型土壤保湿剂处理土壤与对照相比(未施土壤保水剂)，“结皮”减少或消失，在灌水量相同的情况下，可溶性盐的淋洗速度可以成几倍甚至几十倍地增加。具体表现是1、处理效应可以深达20厘米，也就是说，整个土壤耕作层的结构都得到了改善。2、处理后地表土壤不再因降雨或灌溉而发生结皮，渗入土壤的水分又可以顺利到达作物根区而被作物吸收利用，可以在施肥的同时将土壤中的交换性钠置换出来。3、土壤透性的改善促进了矿物营养在土壤中的运移，大幅度地提高了水和肥的利用率。4、用本发明营养型土壤保湿剂处理过的盐渍土，pH值可降到7.3左右。
权利要求
1.一种营养型土壤保湿剂，其特征在于按重量份数计，其成分为由10～15高分子聚合物、5～10 FeSO4、2～5 ZnSO4及1000～1500 H2O组成的溶液1，由4～10浓H2SO4、15～30酰胺态有机成分、2～5 CuSO4、2～5 MnSO4及1000～1500 H2O组成的溶液2，以及由20～100 CaCl2及1000～1500 H2O组成的溶液3；其中溶液1、溶液2和溶液3之间的比例为1～2∶1～3∶1～3。
2.按照权利要求1所述的土壤营养型保湿剂，其特征在于所述CuSO4、MnSO4、CaCl2、FeSO4、ZnSO4均为工业纯级或化学纯级，浓H2SO4为工业纯级或化学纯级；酰胺态有机成分为尿素，高分子聚合物为聚乙烯醇，尿素、聚乙烯醇可为工业级或化学纯级；所述H2O为普通自来水或蒸馏水。
3.一种营养型土壤保湿剂的配制方法，其特征在于其配制可按如下步骤操作①制备溶液1取10～15份高分子聚合物放入1000～1500份水中，同时向其中加入FeSO45～10份，ZnSO42～5份，搅拌至溶液充分混合；②配制溶液2取4～10份浓H2SO4放入1000～1500份水中，同时加入酰胺态有机成分15～30份，CuSO42～5份，MnSO42～5份，搅拌至溶液充分混合；③配制溶液3取20～100份的CaCl2加入到1000～1500份的水中充分搅拌；④将溶液1、溶液2和溶液3按1～2∶1～3∶1～3比例均匀混合。
4.按权利要求3所述配制方法，其特征在于溶液1、2、3的混合方式为将溶液1、2、3直接混合，搅拌均匀，形成稠状液体或先将溶液1、2均匀混合后施入土壤，再以0.2～0.5升/平方米的量喷洒溶液3至施用溶液1、2的土壤中，用于调控，形成半透膜。
5.按权利要求3所述配制方法，其特征在于所述搅拌可以用500～3000r/min电动搅拌器搅拌。
6.按照权利要求3所述的土壤营养型保湿剂，其特征在于所述酰胺态有机成分为尿素，高分子聚合物为聚乙烯醇。
7.按照权利要求3所述的营养型土壤保湿剂，其特征在于所述CuSO4、MnSO4、CaCl2、FeSO4、ZnSO4均为工业纯级或化学纯级，浓H2SO4为工业纯级或化学纯级；尿素、聚乙烯醇为工业纯级或化学纯级。
8.按照权利要求3所述的营养型土壤保湿剂的配制方法，其特征在于尿素占总液体浓度在0.39～0.98％(w％)之间，聚乙烯醇(PVA)占总液体浓度控制在0.1～0.5％(w％)之间，CaCl2占总液体浓度的0.54～3.3％(w％)。
全文摘要
本发明涉及土壤保湿剂，具体为一种营养型土壤保湿剂及其制备方法。按重量份数计，其成分为由10～15高分子聚合物、5～10 FeSO
文档编号C09K17/40GK1532261SQ03111198
公开日2004年9月29日 申请日期2003年3月19日 优先权日2003年3月19日
发明者刘作新, 王振营, 赵京考, 王志玉, 蔡崇光, 李桂芳, 尹光华 申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所