用于表面和表面下保水的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，包括在低于一株或多株植物根區(qū)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層的多個疏水性珠子組成；和其中所述表面下保水屏障是透氣的?？蛇x地，還包括放置在土壤表面附近的表面蒸發(fā)屏障，使得表面蒸發(fā)屏障包括至少一層疏水性珠子。
【專利說明】用于表面和表面下保水的方法和系統(tǒng) 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明總地涉及液體保持和保存的領(lǐng)域，并且更特別地涉及用于在低于表面區(qū)域 或低于表面下區(qū)域的預(yù)定區(qū)中保留液體的方法和系統(tǒng)。
[0002] 發(fā)明背景
[0003] 目前全球使用淡水用于農(nóng)業(yè)目的平均約70%，并且在如中東的干旱地區(qū)，該量達 到85%。由于砂質(zhì)土和邊緣砂質(zhì)土的保水性差，農(nóng)業(yè)以及食物和纖維生產(chǎn)中占用的大量水 被浪費。已經(jīng)估算計砂質(zhì)土區(qū)域需要比實際用于產(chǎn)生最大食物和纖維產(chǎn)量高約7至17倍的 水。相似地，已經(jīng)估算砂質(zhì)土區(qū)域在土壤表面和土壤表面下60-70cm( Cm)之間的根區(qū)中保留 低于10%的降雨，剩余的水越過大部分根構(gòu)造排出，濾取大部分植物營養(yǎng)素和殺蟲劑至超 過食物和飼料作物的根的深度。
[0004] 土壤質(zhì)地可以提供對地下水質(zhì)量和數(shù)量的控制影響。例如，因為在再充填地下水 或露出表面水體之前，降水通過土壤移動，水質(zhì)與土壤質(zhì)量相關(guān)。相似地，許多涉及用水和 保水的問題與發(fā)展中世界的農(nóng)業(yè)中的用水效率和新出現(xiàn)的工業(yè)活動有關(guān)。
[0005] 大面積的土地，包括超過230億英畝的強透水土壤，位于世界的干旱和半干旱區(qū) 域。由于土壤的多孔性，在大部分植物的根區(qū)保留不足量的水和/或營養(yǎng)素來維持持續(xù)的農(nóng) 業(yè)和草場地貌。這些水和營養(yǎng)素缺陷可以由各種條件引起，如粗質(zhì)土質(zhì)地、貧瘠的土壤結(jié) 構(gòu)、缺少降水或有限的可利的灌溉。水缺乏降低了農(nóng)業(yè)效率和食物生產(chǎn)，并且可能具有有害 的結(jié)果，尤其是影響世界的不發(fā)達部分時。例如，非洲撒哈拉沙漠下面，經(jīng)歷了一些最不利 的氣候不一致性和不足的土壤水利用性，縮短了生長季和限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
[0006] 因為世界人口持續(xù)增長，使用這種邊緣土地用于農(nóng)業(yè)目的的需求變得更加迫切。 在許多區(qū)域中，良好的農(nóng)業(yè)土地變得非常缺乏，使得形成了對再生砂質(zhì)土和其他多孔土壤 的經(jīng)濟和易于使用的方法的需求，否則將對持續(xù)的農(nóng)業(yè)缺乏充分的保水性。正在增長的世 界人口還面臨耗盡高質(zhì)量水供應(yīng)的問題。雨水通過土壤的快速排出需要大量的水用于維持 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并引起水循環(huán)的不規(guī)則性。此外，食物供應(yīng)在供養(yǎng)增長人口中變得不太足夠，對作 物生長需要的水形成更大的競爭。
[0007] 目前提供表面下屏障的嘗試未能解決這些問題。例如，研發(fā)了瀝青屏障來消除水 滲透至低于根區(qū)的深度。然而，這些屏障也限制了根通過和低于表面土壤的生長。另外，在 過量降雨的過程中，根區(qū)的較低區(qū)域可以變得飽和，導(dǎo)致根病和死亡。另外，由于瀝青屏障 限制低于屏障的根生長，植物在降雨和/或補充灌溉活動之間的延長時間段期間容易變成 水脅迫的。
[0008] 再另一種系統(tǒng)需要在不同的土壤深度安放塑料條，在低于表面(如土壤表面)的任 何所需深度安放膜或成膜液體、非生物彈性膜。
[0009]相同相關(guān)領(lǐng)域中的一種現(xiàn)有技術(shù)解決方法公開于Smucker的美國公開號2013/ 0209172中，2013年8月15日公開。這種解決方法面臨本文中所述的一些挑戰(zhàn)，以及本領(lǐng)域技 術(shù)人員顯而易見的其他挑戰(zhàn)。
[0010]在露天環(huán)境中或在不能通過待儲存液體密封的儲存罐環(huán)境中的水或有機化學(xué)品 的儲存中出現(xiàn)了其他液體保持問題。將水或有機化學(xué)品保留在低于表面區(qū)域以減輕蒸發(fā)損 耗也將是有益的。關(guān)于有機化學(xué)品，現(xiàn)有技術(shù)的解決方法主要聚焦于以防止必不可少的通 風(fēng)的方式來設(shè)計儲存罐。
[0011]通常，現(xiàn)有技術(shù)的這些和其他問題涉及在低于表面的預(yù)定區(qū)域中維持液體或在預(yù) 定表面下區(qū)域內(nèi)維持液體以減少由于蒸發(fā)或水排出預(yù)定表面下區(qū)域引起的液體損耗的問 題。
[0012] 發(fā)明概述
[0013]本發(fā)明的一個目的是提供一種用于農(nóng)業(yè)使用的保水系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個目的是 提供一種可用于其他應(yīng)用中的液體保持系統(tǒng)。
[0014]因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供了一種農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，其包括放置在低于 一株或多株植物根區(qū)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個以松散 填充方式成層的疏水性珠子(beads)組成;并且其中所述表面下保水屏障是透氣的。
[0015] 根據(jù)這個實施方案的一個方面，所述疏水性珠子包括選自包括有機共聚物、氯丁 橡膠、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡膠和塑料的組的材料。
[0016] 根據(jù)這個實施方案的另一個方面，所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。
[0017]根據(jù)這個實施方案的另一個方面，所述表面下保水屏障為20-50mm厚。
[0018]根據(jù)這個實施方案的另一個方面，所述松散填充方式在單獨的珠子之間提供了間 隙，使得土壤中達到足夠的水壓時，在間隙之間進行排水。
[0019] 根據(jù)這個實施方案的另一個方面，進一步提供了一種放置在土壤表面附近的表面 蒸發(fā)屏障;其中所述表面蒸發(fā)屏障包括至少一層疏水性珠子。
[0020] 根據(jù)這個實施方案的另一個方面，所述表面蒸發(fā)屏障放置在低于土壤上表面的 20_75mm 處。
[0021] 根據(jù)這個實施方案的另一個方面，所述表面蒸發(fā)屏障和表面下保水屏障之間的距 離至少為待栽培植物的理想根長的長度。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的第二個實施方案，提供了一種農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，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發(fā)屏障;其中所述表面蒸發(fā)屏障由至少一層的多個疏水性 珠子組成。
[0023]根據(jù)第二個實施方案的一個方面，進一步提供了一種放置在一株或多株植物的根 區(qū)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個以松散填充方式成層的 疏水性珠子組成;并且其中所述表面下保水屏障是透氣的。
[0024] 根據(jù)第二個實施方案的另一個方面，所述疏水性珠子包括選自包括有機共聚物、 氯丁橡膠、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡膠和塑料的組的材料。
[0025] 根據(jù)第二個實施方案的另一個方面，所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。
[0026]根據(jù)第二個實施方案的另一個方面，所述表面下保水屏障為20-50mm厚。
[0027]根據(jù)第二個實施方案的另一個方面，所述松散填充方式在單獨的珠子之間提供了 間隙，使得土壤中達到足夠的水壓時，在間隙之間進行排水。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的第三個實施方案，提供了一種用于形成農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)的方法，包括 以下步驟:取出土壤至預(yù)定深度;放置至少一層疏水性珠子，以形成表面下保水屏障；和回 填土壤。
[0029] 根據(jù)第三個實施方案的一個方面，所述疏水性珠子包括選自包括有機共聚物、氯 丁橡膠、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡膠和塑料的組的材料。
[0030] 根據(jù)第三個實施方案的另一個方面，所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。
[0031]根據(jù)第三個實施方案的另一個方面，所述表面下保水屏障為20-50mm厚。
[0032]根據(jù)第三個實施方案的另一個方面，在放置步驟后，部分回填土壤至接近土壤表 面的位置;和
[0033]放置第二層疏水性珠子，以形成表面蒸發(fā)屏障。
[0034]根據(jù)第三個實施方案的另一個方面，所述表面蒸發(fā)屏障放置在低于土壤上表面的 20_75mm 處。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明的第四個實施方案，提供了一種用于減少液體從液體主體蒸發(fā)的系 統(tǒng)，其包括放置以漂浮在液體頂面的多個疏水性珠子。
[0036] 根據(jù)第四個實施方案的一個方面，所述疏水性珠子包括選自包括有機共聚物、氯 丁橡膠、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡膠和塑料的組的材料。
[0037] 根據(jù)第四個實施方案的另一個方面，所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。
[0038] 根據(jù)第四個實施方案的另一個方面，所述疏水性珠子可以插入多孔信封或袋子 中?？蛇x地，在安放頂部液體表面形成蒸發(fā)屏障時，這些袋子隨后可以連接在一起。
[0039]將在以下詳述中描述優(yōu)選的實施方案、實施的詳細內(nèi)容和各種測試結(jié)果。
[0040] 附圖簡述
[0041] 現(xiàn)在將通過僅是舉例的方式來描述實施方案，參照附圖，其中：
[0042]圖1是顯示了本發(fā)明一個實施方案的農(nóng)田的示意圖。
[0043]圖2是顯示了本發(fā)明另一個實施方案的水體的示意圖。
[0044]圖3顯示了 IOcm深度的表面下保水屏障的實驗性實施。
[0045] 圖4說明了用于測試表面下保水屏障下面的水分含量的實驗安排。
[0046] 圖5說明了用于測試表面下保水屏障上面的水分含量的實驗安排。
[0047]圖6是測試環(huán)境中根生長的照片。
[0048] 圖8-11是測試環(huán)境中番茄和黃瓜植物生長的照片。
[0049] 圖12是按照本發(fā)明另一個實施方案的水蒸發(fā)測試環(huán)境的照片。
[0050] 詳述
[00511介紹和定義
[0052]寬泛地，本發(fā)明涉及多個疏水性珠子在表面上形成松散填充的顆粒層或替換地在 表面下區(qū)域中形成其中保持液體的區(qū)域的用途。這些疏水性珠子優(yōu)選從有機共聚物制得， 如2013年5月14日授予Thomas Gradek的美國專利No. 8，440，727中所述的那些，將其內(nèi)容按 引用并入本文中。珠子可以是固體、中空的，或具有多孔核心構(gòu)造，所述構(gòu)造具有固體表面。 可以用于這些疏水性珠子制造中的合適材料的實例是氯丁橡膠、尿烷、聚丙烯、塑料和人造 橡膠。
【申請人】已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了'727專利中所述的疏水性珠子令人驚訝的用途和應(yīng)用，現(xiàn)在將遵 循其詳細內(nèi)容。然而，注意到本文中所述的發(fā)明不限于'727中所述的特定珠子，并且還考慮 了具有如文本中所述的疏水性特性的其他珠子。當(dāng)這些疏水性珠子形成松散填充層時，它 們提供水和其他有機液體的保持能力，同時仍然允許空氣通過珠子層。應(yīng)當(dāng)注意到如本文 中使用的術(shù)語"保持"不是指防水性密封，相反保持是用于表示保持用于計劃的目的的足夠 或合適含量的液體。
[0053]整個說明書中描述的疏水性珠子優(yōu)選具有約0.15-0.25的比重，并且因此浮力相 當(dāng)大。這允許浸沒在水體中時，可以從土壤分離。至少一種從土壤分離珠子的合適方法將是 取出土壤和珠子層，將土壤和珠子放入含有足量水的容器中，所述足量水將允許珠子漂浮 而土壤沉淀。珠子因此可以從土壤分離，并且可以從水表面撇出，并重新使用，例如，用于不 同類型的土壤中。
[0054]為了容易理解本發(fā)明的各種實施方案，以下的定義可能是有幫助的。
[0055] 如本文中使用的術(shù)語"表面"是指介質(zhì)的最上面，所述介質(zhì)可以是液體或固體。液 體介質(zhì)的表面可以是固體、液體或其組合。固體介質(zhì)的表面可以是固體或液體，或其組合。 固體表面可以是，例如，原位土壤表面或原位土壤基質(zhì)表面。
[0056] 如本文中使用的術(shù)語"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質(zhì)表面，即在"地面"上，則認為這樣的 位置是"淺地下的"，其在計劃的植物根區(qū)下方深度的表層土內(nèi)，即使沒有深至"下層土"，即 在農(nóng)業(yè)表層土下的土壤層。換句話說，表面可以是兩個鄰接介質(zhì)之間的界面，而表面下是介 質(zhì)之一內(nèi)的區(qū)域。
[0057]如本文中使用的術(shù)語"土壤"是指固體介質(zhì)，即，包括生物活性多孔介質(zhì)的顆粒材 料。土壤在地球外殼的最上表面被發(fā)現(xiàn)或作為地球外殼的最上表面的一部分，并且通過固 體材料的風(fēng)化發(fā)展，所述固體材料如固結(jié)巖、沉積物、冰磧物、火山灰、風(fēng)和水沉積的礦物質(zhì) 和有機物。這樣的土壤可以包括高度多孔和滲透性的礦質(zhì)土，包括，但不限于，氧化土、淋溶 土(Alfasols)和砂質(zhì)土（ 即，"砂"）。砂質(zhì)土進一步通過高度滲透性的"粗糙"質(zhì)地來表征，該 術(shù)語是本領(lǐng)域理解的。
[0058]如本文中使用的術(shù)語"土壤基質(zhì)"是指任何植物生長基質(zhì)，其可以包括材料的組合 物。
[0059] 如本文中使用的術(shù)語"根區(qū)"是指可以被植物根滲透的介質(zhì)部分。計劃的根區(qū)是對 于給定的植物類型預(yù)期的最大根區(qū)。
[0060] 術(shù)語"表面下保水屏障"是指放置在表面下的屏障，如土壤或土壤基質(zhì)的地下。安 放在行星表面上時，屏障位于計劃的根區(qū)下面和附近。特別提及本申請，表面下保水屏障是 指如本文中所述的疏水性珠子層。
[0061] 術(shù)語"表面蒸發(fā)屏障"是指放置在表面或就在表面下的屏障，在低于上表面大約 20-75mm處，如土壤或土壤基質(zhì)的地下。在液體表面的情況中，術(shù)語"表面蒸發(fā)屏障"還指放 置或漂浮在表面上的屏障。
[0062]現(xiàn)在將描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，并以特定的標(biāo)題開始。所列標(biāo)題只是為了幫 助閱讀申請，并且不是用于解釋落入特定標(biāo)題內(nèi)的描述的任何含義。例如，關(guān)于本發(fā)明的不 同方面或?qū)嵤┓桨傅男畔⒖梢詮牟煌瑯?biāo)題拼湊在一起，并且在其最相關(guān)的標(biāo)題下描述本發(fā) 明的一些部分，但也適用于其他標(biāo)題下描述的部分。
[0063]表面下保水中的應(yīng)用
[0064]在本發(fā)明的一個實施方案中，特別適于具有土壤并且特別是砂質(zhì)土區(qū)域中的農(nóng)業(yè) 應(yīng)用，在深度略高于給定的植物的根將達到的深度的表面下放置疏水性珠子，作為表面下 保水屏障。這個實施方案顯示于圖1中。注意到只有圖1中說明的珠子10形成表面下保水屏 障。以下進一步討論珠子20的層。作為表面下保水屏障放置的珠子10通常是多個珠子，形成 松散填充的顆粒層，約20_50mm厚。術(shù)語松散填充用于表示珠子沒有相對彼此擠壓，使得在 表面下保水屏障中存在完全密封。
[0065] 因為珠子層是疏水性質(zhì)的，它們將不吸水。這確保了珠子的物理特征沒有由于吸 收而改變，例如，通過膨脹。珠子層，結(jié)合土壤周圍并分散在珠子之間，導(dǎo)致珠子層上方土壤 中存在的大部分水保持在其中。因此，從表面往下至表面下保水屏障的土壤區(qū)域中的水更 容易被表面層下存在的植物根利用。
[0066] 如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的，安放珠子層是相對直接的方法，如珠子可以簡單傾倒 或另外放入溝渠中或另外沉降在土壤中。依賴于膜或連續(xù)固體屏障的現(xiàn)有技術(shù)裝置在這點 上有更多問題，因為需要更多人工勞動在合適位置放置膜或連續(xù)固體屏障。此外，這些現(xiàn)有 技術(shù)屏障在屏障上的土壤和屏障下的土壤之間形成了完整的隔離，其他原因也將是本領(lǐng)域 技術(shù)人員已知的。
[0067] 此外，提供如上所述的珠子層將允許過量降雨期間飽和土壤的內(nèi)部排放，因為設(shè) 定珠子層上方的土壤中存在足夠的壓力，一些水將通過珠子間的間隙排出。當(dāng)其中生長特 定植物的土壤的保水能力變得過度飽和時，達到這種壓力。因此，關(guān)于給定植物的根區(qū)內(nèi)的 土壤的保水能力，表面下保水屏障適于保持合適量的水。以下進一步提供實驗結(jié)果。
[0068]還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了珠子層受控的表面下保水能力在指定的深度以及砂質(zhì)土內(nèi)提供了 改變水文土壤(hydropedological)水文狀況的保水性。因此表面下屏障可以提高砂質(zhì)土中 種植的食物和纖維素生物質(zhì)作物的水利用效率，結(jié)果是更有效地將砂質(zhì)土用于高產(chǎn)的天然 土地，以節(jié)約水、殺蟲劑和肥料成本。
[0069] 減少表面蒸發(fā)中的應(yīng)用
[0070] 表面下保水的另一個方面，如用于干旱氣候情況中的砂質(zhì)土，是使用第二層珠子 10,以進一步降低水的蒸發(fā)損耗。在這個實施方案中，在本文中稱為表面蒸發(fā)屏障的頂層珠 子就放置在表面下，在土壤表面下大約20_75mm。表面下屏障和表面蒸發(fā)屏障之間的土壤形 成高水分區(qū)。這兩層之間（即，表面下珠子層和珠子的頂層之間）是高水分區(qū)內(nèi)的保水性和 水分分布是土壤水分剖面決定性的，并且通過表面下層上方的水量來控制。天然降雨和/或 補充灌溉將土壤的含水量提高至接近飽和。表面下層上方的土壤剖面內(nèi)分布的植物可利用 水的梯度受到砂內(nèi)和表面下層上方的孔的滲透性和毛細管上升能力的控制。表面下層和表 面蒸發(fā)屏障層之間的整體距離將優(yōu)選折合成略大于植物的理想根深度。
[0071] 還將認識到表面蒸發(fā)屏障可以是單層珠子厚，但可以多達基層珠子厚。表面蒸發(fā) 屏障沒有防止水進入土壤，因為一旦在珠子上存在足夠的水累積，水將滴入土壤中。任選， 表面蒸發(fā)屏障沒有覆蓋整個頂面，在這種情況中，只會產(chǎn)生部分蒸發(fā)減輕。盡管這種選擇不 是優(yōu)選的，但在現(xiàn)有技術(shù)安排的基礎(chǔ)仍然有提高。
[0072] 表面下和表面屏障的組合
[0073]更具體地，對于一般農(nóng)業(yè)目的，將表面下保水層放置得足夠深，以允許土壤表面栽 培，而沒有破壞形成表面下保水層的珠子。然而，表面下保水層不應(yīng)當(dāng)如此深以致在這層珠 子上捕獲或保持的水不滋養(yǎng)植物的根。表面下層的深度將隨著根區(qū)中生長的植物類型而改 變，但這種深度將是本領(lǐng)域技術(shù)人員鑒于本發(fā)明的教導(dǎo)而顯而易見的。將珠子的表面蒸發(fā) 層放置在表面下，如上所述，使得表面蒸發(fā)層上方存在最小量的土壤，以防止或減輕環(huán)境力 (如風(fēng)和雨）對珠子的移置。出于這種考慮，注意到本發(fā)明的這個方面不限于具有放置在表 面下的表面蒸發(fā)層，并且將珠子放置在表面或表面上在本發(fā)明的教導(dǎo)和范圍的領(lǐng)域內(nèi)。例 如，在其中可以移置珠子的環(huán)境力不是問題的條件下，珠子可以毫無疑問地放置在表面或 表面上。
[0074]為了形成對照，表面蒸發(fā)層具有其降低土壤表面蒸發(fā)損耗的主要目的，而表面下 保水層具有在土壤中保持預(yù)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。 一旦珠子上已經(jīng)達到極限壓力，進行水淹的消除，使得珠子之間的空間中的水分聚集并且 最終滴入表面下層的下面。
【申請人】已經(jīng)觀察到這種現(xiàn)象，并且在實驗中，似乎在延長的時間 段中充分起到作用。一旦水淹或飽和不再是問題，依靠上述的滴落，轉(zhuǎn)向維持土壤中含水量 的穩(wěn)態(tài)。
[0075]在土壤中給需氧生物降解細菌維持合適的氧含量也是有利的，使得土壤將維持其 健康狀態(tài)。已知從根系統(tǒng)除去氧將導(dǎo)致細菌的增加，以及疾病的擴散，而如果土壤氧擴散率 高于可測定的閾值，植物健康并且因此植物生長速率將處于合適且可持續(xù)的水平。
[0076]優(yōu)選，表面下保水層在土壤中放置得足夠深，以允許表面土壤栽培而沒有破壞表 面下保水屏障，然而表面下保水屏障也不應(yīng)當(dāng)太深，以致植物的根不能受到保持的水分的 滋養(yǎng)。即，表面下保水屏障必須不能太深以致由于表面和表面下保水屏障之間的土壤含量 而損失所需的含水量。特定的深度將根據(jù)根區(qū)生長的植物而改變。土壤剖面部分內(nèi)的保水 性和水分分布受到表面下屏障的表面的水量控制。在理想的情況中，天然降雨和/或補充灌 溉將土壤含水量提高至接近飽和。表面下屏障上方的砂質(zhì)土剖面內(nèi)分布的植物可利用水的 梯度受到表面下屏障上方的砂內(nèi)的孔的毛細管上升能力的控制。
[0077] 在特定實施方案中，表面下保水屏障以改變水文土壤水文狀況的模式提供了砂質(zhì) 土剖面內(nèi)的保水性。如本文中所述安放的表面下屏障可以將水利用效率提高高達20倍，如 用于食物和纖維素生物質(zhì)作物。在其他應(yīng)用中，表面下保水屏障適用于將邊緣砂質(zhì)土變成 高產(chǎn)天然土地，實質(zhì)性地節(jié)約了水和肥料成本。
[0078] 本領(lǐng)域技術(shù)人員現(xiàn)在將清楚如本文中所述的本發(fā)明一種節(jié)水系統(tǒng)，其包括多孔屏 障，以提供從砂質(zhì)土生長的植物根區(qū)的水和營養(yǎng)損失的長期逆轉(zhuǎn)。
[0079]本文中所述的表面下保水屏障通過允許水更均等地分布至較大量的土地，由此減 緩沙漠化進程，因此還具有降低用于農(nóng)業(yè)目的的水資源的過度使用的潛能。所述系統(tǒng)還可 以通過提高根區(qū)的土壤含水量來減輕營養(yǎng)浸出。通過防止水通過土壤的快速排出，本文中 所述的新系統(tǒng)提高了根吸收容易利用的水體積。因為具有更高的土壤含水量，因此植物需 要較少數(shù)量的根來獲得和適量的水，因此較少的植物能量用于根生長，并且更多能量可以 用于地上植物生長。另外可以獲得營養(yǎng)的保持。
[0080]將表面下保水屏障放置在適當(dāng)位置時，表面介質(zhì)下面，首先取出土壤至特定深度， 例如，通過挖掘取出土壤，并放置一層本文中所述的珠子，形成表面下保水屏障。然后用表 面介質(zhì)土壤回填挖掘區(qū)域。表面蒸發(fā)層也可以以相似方式安置。
[0081 ] 其他應(yīng)用
[0082]如圖2中所示，還涉及如本文中所述的珠子形成的保水層可以用于限制或消除儲 存在露天環(huán)境或其中關(guān)注蒸發(fā)的其他環(huán)境中的水體或液體(如有機液體)的蒸發(fā)。在這些實 施中，可以放置一層珠子30,漂浮在液體表面上。在需要在露天環(huán)境中儲存液體的情況中， 本發(fā)明的表面蒸發(fā)屏障特別有用。這種應(yīng)用還適用于其他不認為是露天環(huán)境的大罐中的存 儲。
[0083]在這種實施的一種變化中，替代直接漂浮在水體上，多個珠子包含在多孔網(wǎng)狀材 料封套內(nèi)，以保持珠子形成多孔介質(zhì)。這些多孔網(wǎng)狀封套或袋子中的每一種隨后可以連接 在一起，形成漂浮蒸發(fā)屏障。這具有允許更容易地運輸和安放這個實施方案的蒸發(fā)屏障的 優(yōu)勢。形成封套或袋子的多孔網(wǎng)狀材料可以是許多材料，盡管封套的優(yōu)選形式顯示于 Thomas Gradek于1994年10月25日提交的加拿大專利申請No. 2，175，088中。
[0084]實施例和測試數(shù)據(jù)
[0085] 測試概述
[0086]進行了實驗來評價如本文中所述的珠子用作砂質(zhì)土中特定深度的土壤保水屏障 時保護、調(diào)節(jié)和節(jié)約植物灌溉水的作用。通過蔬菜植物生長，包括不同時間段(〇_72h)內(nèi)灌 溉后的植物高度，干重和鮮重，以及土壤含水量，來評價植物生長和保水性。實驗涉及種植 兩種類型的植物（西紅柿和黃瓜）5周。珠子層分別在灌溉24和72小時后引起約50%水和約 30%水的保護。使用珠子還提供了蔬菜植物部分，植物高度提高>20%，根群降低約30%。珠 子還將水蒸發(fā)降低>50%，以及防止儲水容器中霉菌和藻類的生長。
[0087] 介紹
[0088]熱氣候和土壤特征，如砂質(zhì)土和水蒸發(fā)，以及與不同土壤中的水分布結(jié)合的降雨 可變性，導(dǎo)致對土壤含水量以及對植物生長很大的影響。在這樣的環(huán)境中，用于植物生長的 保水性和土壤水可利用率連同生長季一起顯示出認為蓄積多少水或從土壤釋放多少水是 生長季期間土地種植的關(guān)鍵因素。土壤的保水性取決于土壤特性、區(qū)域性氣候、生物群和區(qū) 域地形，并且受到制備、持水材料和土壤深度的控制。中東和海灣國家是干旱和半干旱國家 并且認為面對最大的飲用和農(nóng)業(yè)目的的水短缺。地形對干旱和半干旱環(huán)境中的保水性具有 很小影響。這些國家總地依賴于地下水、水庫和水脫鹽植物作為主要的水供給源。
[0089] 此外，對飲用水和農(nóng)業(yè)水需求的增加，需要使用可持續(xù)的水管理辦法，特別是在砂 質(zhì)土區(qū)域中。在這些條件下，這些國家尋求環(huán)境可持續(xù)方法，以高度可控的水使用來管理和 使用用于農(nóng)業(yè)、景觀美化和種植綠樹帶的水。
[0090] 因此，本發(fā)明的目的是評價在農(nóng)業(yè)和景觀美化使用中的水管理中使用珠子的作 用，評價使用珠子對植物生長參數(shù)的作用，如植物生長性能，包括植物高度，干重和鮮重，評 價使用珠子床(bead bed)的灌溉方法對西紅柿和黃瓜以及苜蓿作物的作用，以及評價珠子 頂層對降低水蒸發(fā)過程的作用。
[0091] 材料和方法
[0092] 在2013年4月至5月間，在穆塔大學(xué)農(nóng)學(xué)院，Karak-Jordan進行了實驗。西紅柿和黃 瓜植物的秧苗，塑料植物罐的頂端直徑為20cm，深度為20cm。塑料罐從頂端開始3、6、10和 13cm深度的直徑分別為18.5、17.0、16.0和15. Ocm。每3天，給植物灌溉500ml水。監(jiān)控、測量 和評價土壤的含水量和生長參數(shù)，用于在5周的實驗期間以及實驗結(jié)束時，通過測量植物高 度，干重和鮮重來控制和處理。在實驗期間和結(jié)束時，使用具有ML2X型Theta-Probe的AI-Moisture計(Detta-T設(shè)備，劍橋，英國）測量土壤含水量（圖3，4，5，6)。
[0093]統(tǒng)計分析
[0094]使用完全隨機塊設(shè)計(CRBD)評價獲得的結(jié)果，使用三個重復(fù)，使用LSD計算兩種作 物的水消耗和植物參數(shù)的顯著差異。
[0095] 結(jié)果
[0096]從測定本研究的保水性(WR)和植物特征獲得的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)于表1，2,3和4以及圖3至 11中。從表1和2可以注意到與沒有珠子床的對照處理相比，WR受到土壤中10或13cm深度放 置的珠子床的高度影響。在西紅柿或黃瓜植物的生長中，兩種植物的測量數(shù)據(jù)遵循相同的 趨勢。如表2中所示，珠子床的深度高度影響了 WR，隨著點不同而改變。
[0097] 表1 =Gradek珠子對砂質(zhì)土保水性的作用
[0099] 1TBl:在IOcm深度具有珠子的西紅柿植物;TB2:具有在15cm深度放置的珠子的西 紅柿植物;TC:沒有珠子的西紅柿植物作為對照處理;CBl:在IOcm深度具有珠子的黃瓜植 物;CB2:具有在15cm深度放置的珠子的黃瓜植物;CC:沒有珠子的黃瓜對照處理 [01 00] 2SMCJ):時間零點的土壤含水量;SMCAIJ):時間零點灌溉后的土壤含水量;SMCAI_ 6:灌溉12小時后的土壤含水量;SMCAI-24:灌溉24小時后的土壤含水量;SMCAI-48:灌溉48 小時后的土壤含水量;SMCAI-72:灌溉72小時后的土壤含水量;SMCAI-96:灌溉96小時后的 土壤含水量;HTS:種植時間時以cm計的植物高度;和THE:四周后以cm計的植物高度 [0101] 表2:在灌溉48小時后在Giadek珠子下方和上方的兩個水平測量的砂質(zhì)土的保水 性
[0103] 1TdS:灌溉后48小時的西紅柿對照土壤含水量;TB1-48:灌溉48小時-在時間零 點時灌溉后測量的含有珠子的西紅柿土壤含水量;TB2-48:具有在13cm深度放置的珠子的 西紅柿土壤含水量;CC-48:具有珠子不具有珠子的黃瓜土壤含水量;CBI-48:灌溉后48小時 后具有在IOcm放置的珠子的黃瓜土壤含水量;CB2-0:在灌溉后1小時測量的具有在IOcm放 置的珠子的黃瓜土壤含水量。 26cm:在深度6cm測量的含水量;和14cm:在15cm深度測量的含 水量
[0104] 表3:使用Gradek珠子對西紅柿和黃瓜植物的保水性和生長的作用
Lm。6」丄TC:在小1?、秌于的土壤中生長的四紅柿桓物開用作對照處埋;TBl:在具有IOcm深 度放置的珠子的土壤中生長的西紅柿植物;TB2:在具有15 cm深度放置的珠子的土壤中生長 的西紅柿植物;CC:在不含珠子的土壤中生長的黃瓜植物并用作對照處理;CBl:在具有IOcm 深度放置的珠子的土壤中生長的黃瓜植物;CB2:在具有15cm深度放置的珠子的土壤中生長 的黃瓜植物
[0107]表4:使用Gradek珠子對西紅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；:仕個甘;1；木壤屮王長的四2丄忡恒籾升用忭對照處埋；Wi :仕共仴IUcm沐 度放置的珠子的土壤中生長的西紅柿植物;ΤΒ2:在具有15 cm深度放置的珠子的土壤中生長 的西紅柿植物;CC:在不含珠子的土壤中生長的黃瓜植物并用作對照處理;CBl:在具有IOcm 深度放置的珠子的土壤中生長的黃瓜植物;CB2:在具有15cm深度放置的珠子的土壤中生長 的黃瓜植物 [0110] 討論 Com]這個數(shù)據(jù)的結(jié)果表明在砂質(zhì)土的不同水平作為床的珠子的存在有效地支持了西 紅柿和黃瓜植物整個生長期間的生長和WR。這在土壤通氣以及對抗任何蟲害和植物疾病分 布的保護中也引起了積極作用。實際上，表明了用珠子處理土壤可以用作WR支持材料，以節(jié) 約通常作為熱氣候條件結(jié)果而損耗的大量水。水、含水量和灌溉時間之間的關(guān)系是積極的， 與對照處理相比，節(jié)約了超過30 %的水。例如，灌溉500mL水后并且在12小時后測量的砂質(zhì) 土中的含水量為19.4%，與對照15.8%水分相比，表明灌溉時間24小時后>18%和50%的WR 讀1)。
[0112] 灌溉后48h處理TBl的土壤的含水量比對照處理高6% (表2)。這可以通過10或13cm 深度的珠子的存在來解釋，其提供了保護以免于低于珠子床水平釋放水。另外，珠子床深度 的水平，保護和防止水釋放至不高于40%的水平。根或芽長度和重量(gm)的生長參數(shù)，顯示 出與對照處理相比時，使用珠子床提高了植物高度并降低了根重量和長度。處理TBl的根深 度和芽植物高度為12.3cm和40.3cm，分別與對照組植物根和芽的18.3cm和31.3cm相比（表 3)。這可以解釋為植物根附近的用于植物生長的水利用率，支持植物生長并且如所預(yù)期的 提高生產(chǎn)。干重還受到珠子床存在的影響(表4)。例如，發(fā)現(xiàn)對照植物根的干重為1.35gm，芽 為1 · 12，而TBl的根重為0 · 6gm，植物芽為3 · 6gm。
[0113] 測試了水蒸發(fā)，并發(fā)現(xiàn)了與對照處理相比，節(jié)約了大約60%蒸發(fā)的水(圖12)。
[0114] 結(jié)論
[0115] 如本文中所述的珠子層提高了保水性并降低了水蒸發(fā)，這意味著與含有珠子的罐 相比，水更快地通過沒有珠子的生長罐。降低了水蒸發(fā)，因此對于農(nóng)業(yè)目的，與沒有使用珠 子的那些相比，節(jié)約了水。兩層珠子表明比1至2cm床厚度的一層更好地提高了保水性。此 外，在具有珠子床的開闊場地中的植物生長將比受控的罐環(huán)境中的生長更好地提高植物的 生長。初步實驗還證實了在較大規(guī)模的農(nóng)業(yè)實施中也可預(yù)期這些結(jié)果，因為水、土壤和植物 的物理和化學(xué)特征以及相互作用在測試和真實世界環(huán)境中是一致的。
[0116] 得出結(jié)論
[0117] 已經(jīng)參照提交本申請那天
【申請人】可獲得的特定實施例和測試數(shù)據(jù)描述了本發(fā)明。 然而，本發(fā)明只受以下的權(quán)利要求限制，各種改變和變化是可能的。例如，本文中所述的珠 子的特征可以不同于給定的特定實施例，只要結(jié)果和成果是相同的。此外，基于植物生長、 理想的根深和特定類型的植物需要的水的知識，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易地應(yīng)用本發(fā)明的 特定實施。在這點上，示例性的表面下保水層深度或表面蒸發(fā)層的放置可以由本領(lǐng)域技術(shù) 人員容易地改變。在另一個實例中，本發(fā)明可應(yīng)用于溫室環(huán)境、家庭和公共花園中，表面蒸 發(fā)層在那也提供了阻止雜草和其他不想要的植物生長。
[0118] 權(quán)利要求的范圍不應(yīng)當(dāng)受到優(yōu)選實施方案的描述中或?qū)嵤├兴械膬?yōu)選實施 方案的顯示，而是應(yīng)當(dāng)給出與整體描述一致的最寬解釋。
【主權(quán)項】
1. 一種農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，包括低于一株或多株植物根區(qū)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個以松散填充方式成層的多個疏水性珠子組成;并且其中所 述表面下保水屏障是透氣的。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，其中所述疏水性珠子包括選自包括有機共聚 物、氯丁橡膠、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡膠和塑料的組的材料。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，其中所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，其中所述表面下保水屏障為20-50nm厚。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，其中所述松散填充方式在單獨珠子之間提供 間隙，使得土壤中達到足夠的水壓時，在所述間隙之間進行排水。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，進一步包括放置在土壤表面附近的表面蒸發(fā) 屏障;其中所述表面蒸發(fā)屏障包括至少一層疏水性珠子。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，其中所述表面蒸發(fā)屏障放置在土壤上表面下 20_75mm 處。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，其中所述表面蒸發(fā)屏障和所述表面下保水屏 障之間的距離至少為待栽培植物的理想根長的長度。9. 一種農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，包括放置在其中至少栽培植物的土壤表面附近的表面蒸發(fā)屏 障;其中所述表面蒸發(fā)屏障由至少一層的多個疏水性珠子組成。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，進一步包括低于一株或多株植物根區(qū)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層的多個疏水性 珠子組成;并且其中所述表面下保水屏障是透氣的。11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，其中所述疏水性珠子包括選自包括有機共聚 物、氯丁橡膠、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡膠和塑料的組的材料。12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，其中所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，其中所述表面下保水屏障為20-50_厚。14. 根據(jù)權(quán)利要去10所述的農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)，其中所述松散填充方式在單獨珠子之間提 供間隙，使得土壤中達到足夠的水壓時，在所述間隙之間進行排水。15. -種用于形成農(nóng)業(yè)保水系統(tǒng)的方法，其包括 取出土壤至預(yù)定深度； 放置至少一層疏水性珠子，形成表面下保水屏障;和 回填所述土壤。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述疏水性珠子包括選自包括有機共聚物、氯丁 橡膠、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡膠和塑料的組的材料。17. 根據(jù)權(quán)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. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述表面下保水屏障為20-50mm厚。19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進一步包括，所述放置步驟后，部分回填所述土壤至 接近土壤表面的位置;和，放置第二層疏水性珠子，形成表面蒸發(fā)屏障。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中將所述表面蒸發(fā)屏障放置在低于土壤上表面下 20_75mm 處。21. -種用于減少液體主體的液體蒸發(fā)的系統(tǒng)，其包括放置于漂浮在所述液體的頂面 的多個疏水性珠子。22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述疏水性珠子包括選自包括有機共聚物、氯丁 橡膠、尿烷、脲、聚丙烯、人造橡膠和塑料的組的材料。23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述疏水性珠子具有0.15-0.25的比重。24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述疏水性珠子包含在多孔網(wǎng)狀封套中，以保持 所述珠子，使得形成多空介質(zhì)。25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中兩個或多個所述封條連接在一起形成漂浮蒸發(fā) 屏障。
【文檔編號】A01G25/00GK105960163SQ201380081665
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2013年12月4日
【發(fā)明人】托馬斯·格拉戴克
【申請人】托馬斯·格拉戴克