用于表面和表面下保水的方法和系统的制作方法
【专利摘要】一种农业保水系统，包括在低于一株或多株植物根区的土壤中放置的表面下保水屏障；其中表面下保水屏障由以松散填充方式成层的多个疏水性珠子组成；和其中所述表面下保水屏障是透气的。可选地，还包括放置在土壤表面附近的表面蒸发屏障，使得表面蒸发屏障包括至少一层疏水性珠子。
【专利说明】用于表面和表面下保水的方法和系统 发明领域
[0001] 本发明总地涉及液体保持和保存的领域，并且更特别地涉及用于在低于表面区域 或低于表面下区域的预定区中保留液体的方法和系统。
[0002] 发明背景
[0003] 目前全球使用淡水用于农业目的平均约70%，并且在如中东的干旱地区，该量达 到85%。由于砂质土和边缘砂质土的保水性差，农业以及食物和纤维生产中占用的大量水 被浪费。已经估算计砂质土区域需要比实际用于产生最大食物和纤维产量高约7至17倍的 水。相似地，已经估算砂质土区域在土壤表面和土壤表面下60-70cm( Cm)之间的根区中保留 低于10%的降雨，剩余的水越过大部分根构造排出，滤取大部分植物营养素和杀虫剂至超 过食物和饲料作物的根的深度。
[0004] 土壤质地可以提供对地下水质量和数量的控制影响。例如，因为在再充填地下水 或露出表面水体之前，降水通过土壤移动，水质与土壤质量相关。相似地，许多涉及用水和 保水的问题与发展中世界的农业中的用水效率和新出现的工业活动有关。
[0005] 大面积的土地，包括超过230亿英亩的强透水土壤，位于世界的干旱和半干旱区 域。由于土壤的多孔性，在大部分植物的根区保留不足量的水和/或营养素来维持持续的农 业和草场地貌。这些水和营养素缺陷可以由各种条件引起，如粗质土质地、贫瘠的土壤结 构、缺少降水或有限的可利的灌溉。水缺乏降低了农业效率和食物生产，并且可能具有有害 的结果，尤其是影响世界的不发达部分时。例如，非洲撒哈拉沙漠下面，经历了一些最不利 的气候不一致性和不足的土壤水利用性，缩短了生长季和限制了农业生产。
[0006] 因为世界人口持续增长，使用这种边缘土地用于农业目的的需求变得更加迫切。 在许多区域中，良好的农业土地变得非常缺乏，使得形成了对再生砂质土和其他多孔土壤 的经济和易于使用的方法的需求，否则将对持续的农业缺乏充分的保水性。正在增长的世 界人口还面临耗尽高质量水供应的问题。雨水通过土壤的快速排出需要大量的水用于维持 农业生产并引起水循环的不规则性。此外，食物供应在供养增长人口中变得不太足够，对作 物生长需要的水形成更大的竞争。
[0007] 目前提供表面下屏障的尝试未能解决这些问题。例如，研发了沥青屏障来消除水 渗透至低于根区的深度。然而，这些屏障也限制了根通过和低于表面土壤的生长。另外，在 过量降雨的过程中，根区的较低区域可以变得饱和，导致根病和死亡。另外，由于沥青屏障 限制低于屏障的根生长，植物在降雨和/或补充灌溉活动之间的延长时间段期间容易变成 水胁迫的。
[0008] 再另一种系统需要在不同的土壤深度安放塑料条，在低于表面(如土壤表面)的任 何所需深度安放膜或成膜液体、非生物弹性膜。
[0009]相同相关领域中的一种现有技术解决方法公开于Smucker的美国公开号2013/ 0209172中，2013年8月15日公开。这种解决方法面临本文中所述的一些挑战，以及本领域技 术人员显而易见的其他挑战。
[0010]在露天环境中或在不能通过待储存液体密封的储存罐环境中的水或有机化学品 的储存中出现了其他液体保持问题。将水或有机化学品保留在低于表面区域以减轻蒸发损 耗也将是有益的。关于有机化学品，现有技术的解决方法主要聚焦于以防止必不可少的通 风的方式来设计储存罐。
[0011]通常，现有技术的这些和其他问题涉及在低于表面的预定区域中维持液体或在预 定表面下区域内维持液体以减少由于蒸发或水排出预定表面下区域引起的液体损耗的问 题。
[0012] 发明概述
[0013]本发明的一个目的是提供一种用于农业使用的保水系统。本发明的另一个目的是 提供一种可用于其他应用中的液体保持系统。
[0014]因此，根据本发明的一个实施方案，提供了一种农业保水系统，其包括放置在低于 一株或多株植物根区的土壤中的表面下保水屏障;其中所述表面下保水屏障由多个以松散 填充方式成层的疏水性珠子(beads)组成;并且其中所述表面下保水屏障是透气的。
[0015] 根据这个实施方案的一个方面，所述疏水性珠子包括选自包括有机共聚物、氯丁 橡胶、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡胶和塑料的组的材料。
[0016] 根据这个实施方案的另一个方面，所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。
[0017]根据这个实施方案的另一个方面，所述表面下保水屏障为20-50mm厚。
[0018]根据这个实施方案的另一个方面，所述松散填充方式在单独的珠子之间提供了间 隙，使得土壤中达到足够的水压时，在间隙之间进行排水。
[0019] 根据这个实施方案的另一个方面，进一步提供了一种放置在土壤表面附近的表面 蒸发屏障;其中所述表面蒸发屏障包括至少一层疏水性珠子。
[0020] 根据这个实施方案的另一个方面，所述表面蒸发屏障放置在低于土壤上表面的 20_75mm 处。
[0021] 根据这个实施方案的另一个方面，所述表面蒸发屏障和表面下保水屏障之间的距 离至少为待栽培植物的理想根长的长度。
[0022] 根据本发明的第二个实施方案，提供了一种农业系统，其具有放置在其中至少栽 培植物的土壤表面附近的表面蒸发屏障;其中所述表面蒸发屏障由至少一层的多个疏水性 珠子组成。
[0023]根据第二个实施方案的一个方面，进一步提供了一种放置在一株或多株植物的根 区下的土壤中的表面下保水屏障;其中所述表面下保水屏障由多个以松散填充方式成层的 疏水性珠子组成;并且其中所述表面下保水屏障是透气的。
[0024] 根据第二个实施方案的另一个方面，所述疏水性珠子包括选自包括有机共聚物、 氯丁橡胶、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡胶和塑料的组的材料。
[0025] 根据第二个实施方案的另一个方面，所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。
[0026]根据第二个实施方案的另一个方面，所述表面下保水屏障为20-50mm厚。
[0027]根据第二个实施方案的另一个方面，所述松散填充方式在单独的珠子之间提供了 间隙，使得土壤中达到足够的水压时，在间隙之间进行排水。
[0028]根据本发明的第三个实施方案，提供了一种用于形成农业保水系统的方法，包括 以下步骤:取出土壤至预定深度;放置至少一层疏水性珠子，以形成表面下保水屏障；和回 填土壤。
[0029] 根据第三个实施方案的一个方面，所述疏水性珠子包括选自包括有机共聚物、氯 丁橡胶、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡胶和塑料的组的材料。
[0030] 根据第三个实施方案的另一个方面，所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。
[0031]根据第三个实施方案的另一个方面，所述表面下保水屏障为20-50mm厚。
[0032]根据第三个实施方案的另一个方面，在放置步骤后，部分回填土壤至接近土壤表 面的位置;和
[0033]放置第二层疏水性珠子，以形成表面蒸发屏障。
[0034]根据第三个实施方案的另一个方面，所述表面蒸发屏障放置在低于土壤上表面的 20_75mm 处。
[0035] 根据本发明的第四个实施方案，提供了一种用于减少液体从液体主体蒸发的系 统，其包括放置以漂浮在液体顶面的多个疏水性珠子。
[0036] 根据第四个实施方案的一个方面，所述疏水性珠子包括选自包括有机共聚物、氯 丁橡胶、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡胶和塑料的组的材料。
[0037] 根据第四个实施方案的另一个方面，所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。
[0038] 根据第四个实施方案的另一个方面，所述疏水性珠子可以插入多孔信封或袋子 中。可选地，在安放顶部液体表面形成蒸发屏障时，这些袋子随后可以连接在一起。
[0039]将在以下详述中描述优选的实施方案、实施的详细内容和各种测试结果。
[0040] 附图简述
[0041] 现在将通过仅是举例的方式来描述实施方案，参照附图，其中：
[0042]图1是显示了本发明一个实施方案的农田的示意图。
[0043]图2是显示了本发明另一个实施方案的水体的示意图。
[0044]图3显示了 IOcm深度的表面下保水屏障的实验性实施。
[0045] 图4说明了用于测试表面下保水屏障下面的水分含量的实验安排。
[0046] 图5说明了用于测试表面下保水屏障上面的水分含量的实验安排。
[0047]图6是测试环境中根生长的照片。
[0048] 图8-11是测试环境中番茄和黄瓜植物生长的照片。
[0049] 图12是按照本发明另一个实施方案的水蒸发测试环境的照片。
[0050] 详述
[00511介绍和定义
[0052]宽泛地，本发明涉及多个疏水性珠子在表面上形成松散填充的颗粒层或替换地在 表面下区域中形成其中保持液体的区域的用途。这些疏水性珠子优选从有机共聚物制得， 如2013年5月14日授予Thomas Gradek的美国专利No. 8，440，727中所述的那些，将其内容按 引用并入本文中。珠子可以是固体、中空的，或具有多孔核心构造，所述构造具有固体表面。 可以用于这些疏水性珠子制造中的合适材料的实例是氯丁橡胶、尿烷、聚丙烯、塑料和人造 橡胶。
【申请人】已经发现了'727专利中所述的疏水性珠子令人惊讶的用途和应用，现在将遵 循其详细内容。然而，注意到本文中所述的发明不限于'727中所述的特定珠子，并且还考虑 了具有如文本中所述的疏水性特性的其他珠子。当这些疏水性珠子形成松散填充层时，它 们提供水和其他有机液体的保持能力，同时仍然允许空气通过珠子层。应当注意到如本文 中使用的术语"保持"不是指防水性密封，相反保持是用于表示保持用于计划的目的的足够 或合适含量的液体。
[0053]整个说明书中描述的疏水性珠子优选具有约0.15-0.25的比重，并且因此浮力相 当大。这允许浸没在水体中时，可以从土壤分离。至少一种从土壤分离珠子的合适方法将是 取出土壤和珠子层，将土壤和珠子放入含有足量水的容器中，所述足量水将允许珠子漂浮 而土壤沉淀。珠子因此可以从土壤分离，并且可以从水表面撇出，并重新使用，例如，用于不 同类型的土壤中。
[0054]为了容易理解本发明的各种实施方案，以下的定义可能是有帮助的。
[0055] 如本文中使用的术语"表面"是指介质的最上面，所述介质可以是液体或固体。液 体介质的表面可以是固体、液体或其组合。固体介质的表面可以是固体或液体，或其组合。 固体表面可以是，例如，原位土壤表面或原位土壤基质表面。
[0056] 如本文中使用的术语"表面下"是指在表面下方（即低于表面)的任何位置。如果表 面是位于行星表面上的原位土壤表面或原位土壤基质表面，即在"地面"上，则认为这样的 位置是"浅地下的"，其在计划的植物根区下方深度的表层土内，即使没有深至"下层土"，即 在农业表层土下的土壤层。换句话说，表面可以是两个邻接介质之间的界面，而表面下是介 质之一内的区域。
[0057]如本文中使用的术语"土壤"是指固体介质，即，包括生物活性多孔介质的颗粒材 料。土壤在地球外壳的最上表面被发现或作为地球外壳的最上表面的一部分，并且通过固 体材料的风化发展，所述固体材料如固结岩、沉积物、冰磧物、火山灰、风和水沉积的矿物质 和有机物。这样的土壤可以包括高度多孔和渗透性的矿质土，包括，但不限于，氧化土、淋溶 土(Alfasols)和砂质土（ 即，"砂"）。砂质土进一步通过高度渗透性的"粗糙"质地来表征，该 术语是本领域理解的。
[0058]如本文中使用的术语"土壤基质"是指任何植物生长基质，其可以包括材料的组合 物。
[0059] 如本文中使用的术语"根区"是指可以被植物根渗透的介质部分。计划的根区是对 于给定的植物类型预期的最大根区。
[0060] 术语"表面下保水屏障"是指放置在表面下的屏障，如土壤或土壤基质的地下。安 放在行星表面上时，屏障位于计划的根区下面和附近。特别提及本申请，表面下保水屏障是 指如本文中所述的疏水性珠子层。
[0061] 术语"表面蒸发屏障"是指放置在表面或就在表面下的屏障，在低于上表面大约 20-75mm处，如土壤或土壤基质的地下。在液体表面的情况中，术语"表面蒸发屏障"还指放 置或漂浮在表面上的屏障。
[0062]现在将描述本发明的优选实施方案，并以特定的标题开始。所列标题只是为了帮 助阅读申请，并且不是用于解释落入特定标题内的描述的任何含义。例如，关于本发明的不 同方面或实施方案的信息可以从不同标题拼凑在一起，并且在其最相关的标题下描述本发 明的一些部分，但也适用于其他标题下描述的部分。
[0063]表面下保水中的应用
[0064]在本发明的一个实施方案中，特别适于具有土壤并且特别是砂质土区域中的农业 应用，在深度略高于给定的植物的根将达到的深度的表面下放置疏水性珠子，作为表面下 保水屏障。这个实施方案显示于图1中。注意到只有图1中说明的珠子10形成表面下保水屏 障。以下进一步讨论珠子20的层。作为表面下保水屏障放置的珠子10通常是多个珠子，形成 松散填充的颗粒层，约20_50mm厚。术语松散填充用于表示珠子没有相对彼此挤压，使得在 表面下保水屏障中存在完全密封。
[0065] 因为珠子层是疏水性质的，它们将不吸水。这确保了珠子的物理特征没有由于吸 收而改变，例如，通过膨胀。珠子层，结合土壤周围并分散在珠子之间，导致珠子层上方土壤 中存在的大部分水保持在其中。因此，从表面往下至表面下保水屏障的土壤区域中的水更 容易被表面层下存在的植物根利用。
[0066] 如本领域技术人员所知的，安放珠子层是相对直接的方法，如珠子可以简单倾倒 或另外放入沟渠中或另外沉降在土壤中。依赖于膜或连续固体屏障的现有技术装置在这点 上有更多问题，因为需要更多人工劳动在合适位置放置膜或连续固体屏障。此外，这些现有 技术屏障在屏障上的土壤和屏障下的土壤之间形成了完整的隔离，其他原因也将是本领域 技术人员已知的。
[0067] 此外，提供如上所述的珠子层将允许过量降雨期间饱和土壤的内部排放，因为设 定珠子层上方的土壤中存在足够的压力，一些水将通过珠子间的间隙排出。当其中生长特 定植物的土壤的保水能力变得过度饱和时，达到这种压力。因此，关于给定植物的根区内的 土壤的保水能力，表面下保水屏障适于保持合适量的水。以下进一步提供实验结果。
[0068]还已经发现了珠子层受控的表面下保水能力在指定的深度以及砂质土内提供了 改变水文土壤(hydropedological)水文状况的保水性。因此表面下屏障可以提高砂质土中 种植的食物和纤维素生物质作物的水利用效率，结果是更有效地将砂质土用于高产的天然 土地，以节约水、杀虫剂和肥料成本。
[0069] 减少表面蒸发中的应用
[0070] 表面下保水的另一个方面，如用于干旱气候情况中的砂质土，是使用第二层珠子 10,以进一步降低水的蒸发损耗。在这个实施方案中，在本文中称为表面蒸发屏障的顶层珠 子就放置在表面下，在土壤表面下大约20_75mm。表面下屏障和表面蒸发屏障之间的土壤形 成高水分区。这两层之间（即，表面下珠子层和珠子的顶层之间）是高水分区内的保水性和 水分分布是土壤水分剖面决定性的，并且通过表面下层上方的水量来控制。天然降雨和/或 补充灌溉将土壤的含水量提高至接近饱和。表面下层上方的土壤剖面内分布的植物可利用 水的梯度受到砂内和表面下层上方的孔的渗透性和毛细管上升能力的控制。表面下层和表 面蒸发屏障层之间的整体距离将优选折合成略大于植物的理想根深度。
[0071] 还将认识到表面蒸发屏障可以是单层珠子厚，但可以多达基层珠子厚。表面蒸发 屏障没有防止水进入土壤，因为一旦在珠子上存在足够的水累积，水将滴入土壤中。任选， 表面蒸发屏障没有覆盖整个顶面，在这种情况中，只会产生部分蒸发减轻。尽管这种选择不 是优选的，但在现有技术安排的基础仍然有提高。
[0072] 表面下和表面屏障的组合
[0073]更具体地，对于一般农业目的，将表面下保水层放置得足够深，以允许土壤表面栽 培，而没有破坏形成表面下保水层的珠子。然而，表面下保水层不应当如此深以致在这层珠 子上捕获或保持的水不滋养植物的根。表面下层的深度将随着根区中生长的植物类型而改 变，但这种深度将是本领域技术人员鉴于本发明的教导而显而易见的。将珠子的表面蒸发 层放置在表面下，如上所述，使得表面蒸发层上方存在最小量的土壤，以防止或减轻环境力 (如风和雨）对珠子的移置。出于这种考虑，注意到本发明的这个方面不限于具有放置在表 面下的表面蒸发层，并且将珠子放置在表面或表面上在本发明的教导和范围的领域内。例 如，在其中可以移置珠子的环境力不是问题的条件下，珠子可以毫无疑问地放置在表面或 表面上。
[0074]为了形成对照，表面蒸发层具有其降低土壤表面蒸发损耗的主要目的，而表面下 保水层具有在土壤中保持预定水分含量的主要目的，次要目的是消除土壤中水淹的可能。 一旦珠子上已经达到极限压力，进行水淹的消除，使得珠子之间的空间中的水分聚集并且 最终滴入表面下层的下面。
【申请人】已经观察到这种现象，并且在实验中，似乎在延长的时间 段中充分起到作用。一旦水淹或饱和不再是问题，依靠上述的滴落，转向维持土壤中含水量 的稳态。
[0075]在土壤中给需氧生物降解细菌维持合适的氧含量也是有利的，使得土壤将维持其 健康状态。已知从根系统除去氧将导致细菌的增加，以及疾病的扩散，而如果土壤氧扩散率 高于可测定的阈值，植物健康并且因此植物生长速率将处于合适且可持续的水平。
[0076]优选，表面下保水层在土壤中放置得足够深，以允许表面土壤栽培而没有破坏表 面下保水屏障，然而表面下保水屏障也不应当太深，以致植物的根不能受到保持的水分的 滋养。即，表面下保水屏障必须不能太深以致由于表面和表面下保水屏障之间的土壤含量 而损失所需的含水量。特定的深度将根据根区生长的植物而改变。土壤剖面部分内的保水 性和水分分布受到表面下屏障的表面的水量控制。在理想的情况中，天然降雨和/或补充灌 溉将土壤含水量提高至接近饱和。表面下屏障上方的砂质土剖面内分布的植物可利用水的 梯度受到表面下屏障上方的砂内的孔的毛细管上升能力的控制。
[0077] 在特定实施方案中，表面下保水屏障以改变水文土壤水文状况的模式提供了砂质 土剖面内的保水性。如本文中所述安放的表面下屏障可以将水利用效率提高高达20倍，如 用于食物和纤维素生物质作物。在其他应用中，表面下保水屏障适用于将边缘砂质土变成 高产天然土地，实质性地节约了水和肥料成本。
[0078] 本领域技术人员现在将清楚如本文中所述的本发明一种节水系统，其包括多孔屏 障，以提供从砂质土生长的植物根区的水和营养损失的长期逆转。
[0079]本文中所述的表面下保水屏障通过允许水更均等地分布至较大量的土地，由此减 缓沙漠化进程，因此还具有降低用于农业目的的水资源的过度使用的潜能。所述系统还可 以通过提高根区的土壤含水量来减轻营养浸出。通过防止水通过土壤的快速排出，本文中 所述的新系统提高了根吸收容易利用的水体积。因为具有更高的土壤含水量，因此植物需 要较少数量的根来获得和适量的水，因此较少的植物能量用于根生长，并且更多能量可以 用于地上植物生长。另外可以获得营养的保持。
[0080]将表面下保水屏障放置在适当位置时，表面介质下面，首先取出土壤至特定深度， 例如，通过挖掘取出土壤，并放置一层本文中所述的珠子，形成表面下保水屏障。然后用表 面介质土壤回填挖掘区域。表面蒸发层也可以以相似方式安置。
[0081 ] 其他应用
[0082]如图2中所示，还涉及如本文中所述的珠子形成的保水层可以用于限制或消除储 存在露天环境或其中关注蒸发的其他环境中的水体或液体(如有机液体)的蒸发。在这些实 施中，可以放置一层珠子30,漂浮在液体表面上。在需要在露天环境中储存液体的情况中， 本发明的表面蒸发屏障特别有用。这种应用还适用于其他不认为是露天环境的大罐中的存 储。
[0083]在这种实施的一种变化中，替代直接漂浮在水体上，多个珠子包含在多孔网状材 料封套内，以保持珠子形成多孔介质。这些多孔网状封套或袋子中的每一种随后可以连接 在一起，形成漂浮蒸发屏障。这具有允许更容易地运输和安放这个实施方案的蒸发屏障的 优势。形成封套或袋子的多孔网状材料可以是许多材料，尽管封套的优选形式显示于 Thomas Gradek于1994年10月25日提交的加拿大专利申请No. 2，175，088中。
[0084]实施例和测试数据
[0085] 测试概述
[0086]进行了实验来评价如本文中所述的珠子用作砂质土中特定深度的土壤保水屏障 时保护、调节和节约植物灌溉水的作用。通过蔬菜植物生长，包括不同时间段(〇_72h)内灌 溉后的植物高度，干重和鲜重，以及土壤含水量，来评价植物生长和保水性。实验涉及种植 两种类型的植物（西红柿和黄瓜）5周。珠子层分别在灌溉24和72小时后引起约50%水和约 30%水的保护。使用珠子还提供了蔬菜植物部分，植物高度提高>20%，根群降低约30%。珠 子还将水蒸发降低>50%，以及防止储水容器中霉菌和藻类的生长。
[0087] 介绍
[0088]热气候和土壤特征，如砂质土和水蒸发，以及与不同土壤中的水分布结合的降雨 可变性，导致对土壤含水量以及对植物生长很大的影响。在这样的环境中，用于植物生长的 保水性和土壤水可利用率连同生长季一起显示出认为蓄积多少水或从土壤释放多少水是 生长季期间土地种植的关键因素。土壤的保水性取决于土壤特性、区域性气候、生物群和区 域地形，并且受到制备、持水材料和土壤深度的控制。中东和海湾国家是干旱和半干旱国家 并且认为面对最大的饮用和农业目的的水短缺。地形对干旱和半干旱环境中的保水性具有 很小影响。这些国家总地依赖于地下水、水库和水脱盐植物作为主要的水供给源。
[0089] 此外，对饮用水和农业水需求的增加，需要使用可持续的水管理办法，特别是在砂 质土区域中。在这些条件下，这些国家寻求环境可持续方法，以高度可控的水使用来管理和 使用用于农业、景观美化和种植绿树带的水。
[0090] 因此，本发明的目的是评价在农业和景观美化使用中的水管理中使用珠子的作 用，评价使用珠子对植物生长参数的作用，如植物生长性能，包括植物高度，干重和鲜重，评 价使用珠子床(bead bed)的灌溉方法对西红柿和黄瓜以及苜蓿作物的作用，以及评价珠子 顶层对降低水蒸发过程的作用。
[0091] 材料和方法
[0092] 在2013年4月至5月间，在穆塔大学农学院，Karak-Jordan进行了实验。西红柿和黄 瓜植物的秧苗，塑料植物罐的顶端直径为20cm，深度为20cm。塑料罐从顶端开始3、6、10和 13cm深度的直径分别为18.5、17.0、16.0和15. Ocm。每3天，给植物灌溉500ml水。监控、测量 和评价土壤的含水量和生长参数，用于在5周的实验期间以及实验结束时，通过测量植物高 度，干重和鲜重来控制和处理。在实验期间和结束时，使用具有ML2X型Theta-Probe的AI-Moisture计(Detta-T设备，剑桥，英国）测量土壤含水量（图3，4，5，6)。
[0093]统计分析
[0094]使用完全随机块设计(CRBD)评价获得的结果，使用三个重复，使用LSD计算两种作 物的水消耗和植物参数的显著差异。
[0095] 结果
[0096]从测定本研究的保水性(WR)和植物特征获得的数据呈现于表1，2,3和4以及图3至 11中。从表1和2可以注意到与没有珠子床的对照处理相比，WR受到土壤中10或13cm深度放 置的珠子床的高度影响。在西红柿或黄瓜植物的生长中，两种植物的测量数据遵循相同的 趋势。如表2中所示，珠子床的深度高度影响了 WR，随着点不同而改变。
[0097] 表1 =Gradek珠子对砂质土保水性的作用
[0099] 1TBl:在IOcm深度具有珠子的西红柿植物;TB2:具有在15cm深度放置的珠子的西 红柿植物;TC:没有珠子的西红柿植物作为对照处理;CBl:在IOcm深度具有珠子的黄瓜植 物;CB2:具有在15cm深度放置的珠子的黄瓜植物;CC:没有珠子的黄瓜对照处理 [01 00] 2SMCJ):时间零点的土壤含水量;SMCAIJ):时间零点灌溉后的土壤含水量;SMCAI_ 6:灌溉12小时后的土壤含水量;SMCAI-24:灌溉24小时后的土壤含水量;SMCAI-48:灌溉48 小时后的土壤含水量;SMCAI-72:灌溉72小时后的土壤含水量;SMCAI-96:灌溉96小时后的 土壤含水量;HTS:种植时间时以cm计的植物高度;和THE:四周后以cm计的植物高度 [0101] 表2:在灌溉48小时后在Giadek珠子下方和上方的两个水平测量的砂质土的保水 性
[0103] 1TdS:灌溉后48小时的西红柿对照土壤含水量;TB1-48:灌溉48小时-在时间零 点时灌溉后测量的含有珠子的西红柿土壤含水量;TB2-48:具有在13cm深度放置的珠子的 西红柿土壤含水量;CC-48:具有珠子不具有珠子的黄瓜土壤含水量;CBI-48:灌溉后48小时 后具有在IOcm放置的珠子的黄瓜土壤含水量;CB2-0:在灌溉后1小时测量的具有在IOcm放 置的珠子的黄瓜土壤含水量。 26cm:在深度6cm测量的含水量;和14cm:在15cm深度测量的含 水量
[0104] 表3:使用Gradek珠子对西红柿和黄瓜植物的保水性和生长的作用
Lm。6」丄TC:在小1?、秌于的土壤中生长的四红柿桓物开用作对照处埋;TBl:在具有IOcm深 度放置的珠子的土壤中生长的西红柿植物;TB2:在具有15 cm深度放置的珠子的土壤中生长 的西红柿植物;CC:在不含珠子的土壤中生长的黄瓜植物并用作对照处理;CBl:在具有IOcm 深度放置的珠子的土壤中生长的黄瓜植物;CB2:在具有15cm深度放置的珠子的土壤中生长 的黄瓜植物
[0107]表4:使用Gradek珠子对西红柿和番茄植物的保水性以及根和芽的干重的作用
Luiuv」 1丨1；:仕个甘;1；木壤屮王长的四2丄忡恒籾升用忭对照处埋；Wi :仕共仴IUcm沐 度放置的珠子的土壤中生长的西红柿植物;ΤΒ2:在具有15 cm深度放置的珠子的土壤中生长 的西红柿植物;CC:在不含珠子的土壤中生长的黄瓜植物并用作对照处理;CBl:在具有IOcm 深度放置的珠子的土壤中生长的黄瓜植物;CB2:在具有15cm深度放置的珠子的土壤中生长 的黄瓜植物 [0110] 讨论 Com]这个数据的结果表明在砂质土的不同水平作为床的珠子的存在有效地支持了西 红柿和黄瓜植物整个生长期间的生长和WR。这在土壤通气以及对抗任何虫害和植物疾病分 布的保护中也引起了积极作用。实际上，表明了用珠子处理土壤可以用作WR支持材料，以节 约通常作为热气候条件结果而损耗的大量水。水、含水量和灌溉时间之间的关系是积极的， 与对照处理相比，节约了超过30 %的水。例如，灌溉500mL水后并且在12小时后测量的砂质 土中的含水量为19.4%，与对照15.8%水分相比，表明灌溉时间24小时后>18%和50%的WR 读1)。
[0112] 灌溉后48h处理TBl的土壤的含水量比对照处理高6% (表2)。这可以通过10或13cm 深度的珠子的存在来解释，其提供了保护以免于低于珠子床水平释放水。另外，珠子床深度 的水平，保护和防止水释放至不高于40%的水平。根或芽长度和重量(gm)的生长参数，显示 出与对照处理相比时，使用珠子床提高了植物高度并降低了根重量和长度。处理TBl的根深 度和芽植物高度为12.3cm和40.3cm，分别与对照组植物根和芽的18.3cm和31.3cm相比（表 3)。这可以解释为植物根附近的用于植物生长的水利用率，支持植物生长并且如所预期的 提高生产。干重还受到珠子床存在的影响(表4)。例如，发现对照植物根的干重为1.35gm，芽 为1 · 12，而TBl的根重为0 · 6gm，植物芽为3 · 6gm。
[0113] 测试了水蒸发，并发现了与对照处理相比，节约了大约60%蒸发的水(图12)。
[0114] 结论
[0115] 如本文中所述的珠子层提高了保水性并降低了水蒸发，这意味着与含有珠子的罐 相比，水更快地通过没有珠子的生长罐。降低了水蒸发，因此对于农业目的，与没有使用珠 子的那些相比，节约了水。两层珠子表明比1至2cm床厚度的一层更好地提高了保水性。此 外，在具有珠子床的开阔场地中的植物生长将比受控的罐环境中的生长更好地提高植物的 生长。初步实验还证实了在较大规模的农业实施中也可预期这些结果，因为水、土壤和植物 的物理和化学特征以及相互作用在测试和真实世界环境中是一致的。
[0116] 得出结论
[0117] 已经参照提交本申请那天
【申请人】可获得的特定实施例和测试数据描述了本发明。 然而，本发明只受以下的权利要求限制，各种改变和变化是可能的。例如，本文中所述的珠 子的特征可以不同于给定的特定实施例，只要结果和成果是相同的。此外，基于植物生长、 理想的根深和特定类型的植物需要的水的知识，本领域技术人员能够容易地应用本发明的 特定实施。在这点上，示例性的表面下保水层深度或表面蒸发层的放置可以由本领域技术 人员容易地改变。在另一个实例中，本发明可应用于温室环境、家庭和公共花园中，表面蒸 发层在那也提供了阻止杂草和其他不想要的植物生长。
[0118] 权利要求的范围不应当受到优选实施方案的描述中或实施例中所列的优选实施 方案的显示，而是应当给出与整体描述一致的最宽解释。
【主权项】
1. 一种农业保水系统，包括低于一株或多株植物根区土壤中放置的表面下保水屏障； 其中所述表面下保水屏障由多个以松散填充方式成层的多个疏水性珠子组成;并且其中所 述表面下保水屏障是透气的。2. 根据权利要求1所述的农业保水系统，其中所述疏水性珠子包括选自包括有机共聚 物、氯丁橡胶、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡胶和塑料的组的材料。3. 根据权利要求1所述的农业保水系统，其中所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。4. 根据权利要求1所述的农业保水系统，其中所述表面下保水屏障为20-50nm厚。5. 根据权利要求1所述的农业保水系统，其中所述松散填充方式在单独珠子之间提供 间隙，使得土壤中达到足够的水压时，在所述间隙之间进行排水。6. 根据权利要求1所述的农业保水系统，进一步包括放置在土壤表面附近的表面蒸发 屏障;其中所述表面蒸发屏障包括至少一层疏水性珠子。7. 根据权利要求6所述的农业保水系统，其中所述表面蒸发屏障放置在土壤上表面下 20_75mm 处。8. 根据权利要求6所述的农业保水系统，其中所述表面蒸发屏障和所述表面下保水屏 障之间的距离至少为待栽培植物的理想根长的长度。9. 一种农业保水系统，包括放置在其中至少栽培植物的土壤表面附近的表面蒸发屏 障;其中所述表面蒸发屏障由至少一层的多个疏水性珠子组成。10. 根据权利要求9所述的农业保水系统，进一步包括低于一株或多株植物根区的土壤 中放置的表面下保水屏障;其中所述表面下保水屏障由以松散填充方式成层的多个疏水性 珠子组成;并且其中所述表面下保水屏障是透气的。11. 根据权利要求9所述的农业保水系统，其中所述疏水性珠子包括选自包括有机共聚 物、氯丁橡胶、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡胶和塑料的组的材料。12. 根据权利要求9所述的农业保水系统，其中所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。13. 根据权利要求10所述的农业保水系统，其中所述表面下保水屏障为20-50_厚。14. 根据权利要去10所述的农业保水系统，其中所述松散填充方式在单独珠子之间提 供间隙，使得土壤中达到足够的水压时，在所述间隙之间进行排水。15. -种用于形成农业保水系统的方法，其包括 取出土壤至预定深度； 放置至少一层疏水性珠子，形成表面下保水屏障;和 回填所述土壤。16. 根据权利要求15所述的方法，其中所述疏水性珠子包括选自包括有机共聚物、氯丁 橡胶、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡胶和塑料的组的材料。17. 根据权利要求15所述的方法，其中所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。18. 根据权利要求15所述的方法，其中所述表面下保水屏障为20-50mm厚。19. 根据权利要求15所述的方法，进一步包括，所述放置步骤后，部分回填所述土壤至 接近土壤表面的位置;和，放置第二层疏水性珠子，形成表面蒸发屏障。20. 根据权利要求19所述的方法，其中将所述表面蒸发屏障放置在低于土壤上表面下 20_75mm 处。21. -种用于减少液体主体的液体蒸发的系统，其包括放置于漂浮在所述液体的顶面 的多个疏水性珠子。22. 根据权利要求21所述的系统，其中所述疏水性珠子包括选自包括有机共聚物、氯丁 橡胶、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡胶和塑料的组的材料。23. 根据权利要求21所述的系统，其中所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。24. 根据权利要求21所述的系统，其中所述疏水性珠子包含在多孔网状封套中，以保持 所述珠子，使得形成多空介质。25. 根据权利要求24所述的系统，其中两个或多个所述封条连接在一起形成漂浮蒸发 屏障。
【文档编号】A01G25/00GK105960163SQ201380081665
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2013年12月4日
【发明人】托马斯·格拉戴克
【申请人】托马斯·格拉戴克