專利名稱：水和營養(yǎng)物的穩(wěn)定膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于減少農(nóng)業(yè)中水和植物培養(yǎng)用其它活性物質(zhì)消耗量的制品和方法，并且其同時有助于減少富含養(yǎng)分、飽和了肥料的水向地下水的滲流。更具體的說，本發(fā)明涉及一種電負性且抗氧化的粉末混合物，在被施加于土壤上層時，其能夠在土壤上層中形成可生物降解的膜，所述土壤上層優(yōu)選包括土壤表面以及形成根和植物的生物活性區(qū)，其中所述膜具有聯(lián)合效應，因為其增加了水和營養(yǎng)物在根區(qū)的保持時間，對環(huán)境具有抗氧化效果以便抵抗誘發(fā)植物損害的臭氧和其它自由基，并且調(diào)節(jié)了表土層的反射率以使根區(qū)的溫度保持在植物旺盛生長的溫度范圍內(nèi)。
本發(fā)明是對挪威申請NO 20031167中的發(fā)明的進一步改進，該申請在國際階段被登記為PCT/NO04/00071。在此二者的全部內(nèi)容均被引入作為參考。
背景技術(shù)：
地球人口已經(jīng)從1960年的約30億增長到2002年的約62億，并且預計在2050年左右增加到約110億的峰值，然后緩慢下降，也就是說，在僅僅90年中世界人口將幾乎變?yōu)?倍。人口爆炸已經(jīng)是，并且仍將是，對增加用于直接消耗及食品生產(chǎn)的清潔飲用水的獲取和滿足對更多食物的更加迅速增長的需求二者的重大挑戰(zhàn)。
迄今為止，食物需求增長的問題已經(jīng)通過由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向以知識為基礎(chǔ)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變而得到解決，所述轉(zhuǎn)變伴隨著機械生產(chǎn)力和如何最高效率地耕作土地的科學知識的廣泛應用。重要的因素是使用人工灌溉、合成肥料、雜草和害蟲的化學控制、以及產(chǎn)量較高并且抗害蟲能力較強的新型基因改性植物。顯示現(xiàn)代農(nóng)業(yè)重要性的一個例子是1940年美國3100萬公頃的玉米產(chǎn)量是5600萬噸，而1999年其2900萬公頃的玉米產(chǎn)量是2億4000萬噸，也就是說，每單位面積耕地的產(chǎn)量變成了4倍。1998年世界食物產(chǎn)量是50億3400萬噸(來源于FAOSTAT，1999)，其中99％來自農(nóng)業(yè)，而漁獵僅占1％。如果將這些量的食物平均分配，可以為比現(xiàn)有人口多9億的人口提供每天2,350千卡的健康飲食。目前，世界上的食物剛剛足夠，自1960年以來，食物生產(chǎn)增加了但總耕地面積并沒有明顯的增加。但是，戰(zhàn)斗還遠沒有取得勝利。在下一個50年里，預計世界人口還要翻倍，這意味著如果想要避免世界上大范圍的饑荒，我們必須設(shè)法使目前農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)率近乎翻倍。
然而，也存在與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有關(guān)的問題。一個嚴重的問題是世界上大部分地區(qū)可獲得的淡水正變得缺乏，該問題可能是獲得所需的雙倍生產(chǎn)能力的主要障礙。根據(jù)世界氣象組織(World MeteorologicalOrganization)，1997年世界上70％的淡水消耗是用于農(nóng)業(yè)地區(qū)的灌溉。并且這些量的水僅被用在了17％的世界農(nóng)業(yè)地區(qū)，其只占當年食物生產(chǎn)總數(shù)的40％。1997年，聯(lián)合國估計世界人口的1/3生活在在水供應上具有中等到高等壓力水平的地區(qū)，并且預計在2025年多達2/3的世界人口將經(jīng)受同樣的情況。由于現(xiàn)在經(jīng)常不適當?shù)挠盟?，如對泄漏和蒸發(fā)因素沒有任何形式控制地向農(nóng)業(yè)地區(qū)供水，這一問題被加重了。一些研究已經(jīng)表明，干燥炎熱地區(qū)的植物所利用的水僅占供給土壤的水的2％。
因此顯然，淡水資源的最佳利用將是在未來農(nóng)業(yè)中實現(xiàn)生產(chǎn)力目標的非常重要的因素，并且我們需要一種能夠從根本上提高供給農(nóng)業(yè)地區(qū)水的利用水平的方法和手段。
現(xiàn)有技術(shù)為了獲得植物生長的特定條件，已知在農(nóng)業(yè)中使用了許多不同的薄膜和涂層作為表面的覆蓋物，所述表面例如農(nóng)田和植物床。眾所周知的是鋪置在農(nóng)田上的不同類型的薄膜。這種技術(shù)的實例能通過例如US 6 029 395、US 5 729 929、US 4 794 726和US 3 77 147獲知。由于顯而易見的原因，鋪置在地表的技術(shù)方案對土壤的持水特性沒有任何明顯的作用，因此與本發(fā)明的相關(guān)性很小。
與本申請相同的發(fā)明人的在先挪威申請NO 20003587中公開了一種成膜粉末混合物，為了在土壤上層固化成膜，要將該粉末混合物溶于溶劑中，然后以液態(tài)施加到土壤中。所述粉末混合物應該包括-蛋白質(zhì)粘合劑；
-纖維材料例如纖維素、紙纖維、植物纖維等；-溶劑例如水或漿汁；-至少一種暗色和一種亮色顏料；-動物或植物油；和-銨化合物。
有利地，該混合物還可以具有另外加入的發(fā)泡劑和/或pH調(diào)節(jié)劑，并且混合物應該優(yōu)選由本身是有機廢物的原料制成，從而使其非常廉價、完全可生物降解并且有助于解決來自其它工業(yè)的廢物問題。另外，該膜本身是植物的營養(yǎng)物。根據(jù)NO 20003587的發(fā)明與本發(fā)明具有很大程度上相同的目標，但是兩種膜是由不同的物質(zhì)組成的，并且盡管前者組成更為復雜，但其在效率和應用領(lǐng)域兩方面決不會顯示出與本發(fā)明相同的特性。
TILCO生物化學有限公司(TILCO Biochemie GmbH)已經(jīng)將用作土壤增強劑的基于海藻酸鹽的產(chǎn)品市場化了。根據(jù)它們的主頁http//www.tilco-biochemie.de/produkte.htm，它們從二十世紀六十年代就已經(jīng)開始從海生褐藻的細胞壁中提取海藻酸，并將其轉(zhuǎn)化為低分子海藻酸鹽用于許多非特定的粒狀產(chǎn)品。據(jù)說這些顆粒是在土壤中結(jié)合營養(yǎng)物和水以使植物能夠利用它們的有效制劑。
發(fā)明目的本發(fā)明的主要目的是提供一種特別有效的制品，其能夠從根本上改變土壤保持水和鹽類營養(yǎng)物的能力，并且對環(huán)境具有抗氧化效果，所述制品能夠改變土壤的反射率。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種制品，其能夠以如此簡單并且廉價的方式增產(chǎn)作物，以至于世界上最貧困地區(qū)的農(nóng)民也能夠負擔得起。
又一個目的是提供一種制品，其能以高效并且廉價的方式將炎熱、貧瘠干旱的地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榱继铩?br> 發(fā)明概述本發(fā)明的目的是通過以下闡述的發(fā)明說明書和所附的權(quán)利要求實現(xiàn)的。
本發(fā)明是對挪威專利申請NO 20031167中記載的膜的進一步改進，所述申請在國際階段被登記為PCT/NO04/00071。上述兩個申請均被與本申請相同的申請人所擁有，在此它們的全部內(nèi)容均被引入作為參考。更具體地說，本發(fā)明是一種比參考申請中記載的成膜粉末組成更簡單的成膜粉末混合物，并且雖然其組成簡單，但作為一種植物生長促進劑其顯示出驚人的強效和長效效果。水和營養(yǎng)物保持、抗氧化和溫度調(diào)節(jié)特性的結(jié)合，使得根據(jù)本發(fā)明的粉末混合物特別能夠?qū)⒏珊档貐^(qū)例如沙漠地區(qū)轉(zhuǎn)變成肥沃的農(nóng)業(yè)地區(qū)。然而，本發(fā)明當然也可以通過調(diào)節(jié)所用海藻酸鹽和顏料種類之間的比例而被采用，從而使其實際上在所有的其它氣候條件下均能夠促進植物的發(fā)育。
本發(fā)明是基于認識到下列事實，由海生褐藻制備的海藻酸鹽非常適于在土壤中形成具有優(yōu)秀的長期縛水特性的凝膠，并且當海藻酸鹽單體中的羧酸被離解時，海藻酸鹽本身對土壤中的臭氧和其它自由基具有抗氧化效果。如果將這些特性與顏料的反射率調(diào)節(jié)作用結(jié)合，就能夠形成一種在溶于水時能夠形成凝膠的粉末，所述凝膠在被施加到土壤中時將向下滲透一定距離并且形成潛在的水和營養(yǎng)物保持膜，而染料被阻止并與某些海藻酸鹽化合物一起在土壤表面形成反射率調(diào)節(jié)顏料層。因此，對于炎熱、干燥地區(qū)生長的植物來說下述兩個嚴重的問題可以得到解決表土層的溫度高于植物旺盛生長的溫度；以及通常干燥土壤的縛水能力不足，導致所供給的水非常迅速地流入土壤而使植物根部無法觸及。
根據(jù)本發(fā)明的膜的一個非常重要的特性是，其對表土層中和剛好位于表土層上部的臭氧和其它自由基具有強烈并且長效的抗氧化作用。這一特性非常重要，因為本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)臭氧對植被的損害并不是像傳統(tǒng)理論認為的那樣主要由空氣輸送的臭氧所致，而是由當被UV-B射線(含有該UV部分的日光)照射時在濕潤的土壤或沙土中就地形成的臭氧所致。因此，臭氧損害植被問題的最佳解決方案并不是許多傳統(tǒng)解決方案所關(guān)注的對植物進行灌溉，因為根部和植物新生長的部分(在灌溉后)還會暴露于臭氧中。因此，本解決方案是在地下阻止臭氧的產(chǎn)生。這對炎熱、干燥地區(qū)來說特別重要，因為這些地區(qū)最大地暴露于日光中并且近地臭氧的產(chǎn)生相對較強。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過在將所述粉末混合物溶于水形成凝膠之前用電子至少將其飽和能夠增強根據(jù)本發(fā)明的膜的臭氧破壞作用并且能夠使其更加長效。有利地，還可以使用足夠強烈的能用電子將粉末混合物過飽和的離子發(fā)生器，所述過飽和即能夠給予粉末過量的電子。該特性已經(jīng)在使用根據(jù)參考申請NO 20031167和PCT/NO4/00071的膜的現(xiàn)場研究中得到了證實，其中所述膜的電離產(chǎn)生了既更長效又更強烈的抗氧化效果處理過的膜(由E-場處理過的粉末混合物形成)在第一個五天中給出的O3濃度是在2-8ppb之間，接著呈每天約1ppb的緩慢增長趨勢，而未處理的膜(由未處理的粉末制備)在第一個五天中顯示為12-23ppb，接著呈每天約4ppb的快速增長趨勢。空氣中O3的濃度約為40ppb。在化學方面，根據(jù)本發(fā)明的膜有些類似于根據(jù)參考申請的膜，因此能夠預期根據(jù)本發(fā)明的膜將會從電離過程/電子飽和中獲得相似的效果。
用電子飽和根據(jù)本發(fā)明的粉末混合物，即使產(chǎn)生的膜的表面為電負性，的另一個優(yōu)點是，其有助于增加植物對營養(yǎng)物的吸收?！半娯撔浴钡囊馑际侵赣眠^量的電子飽和膜并且因此使膜與大氣中的氣體分子、氣載顆粒等具有最大的電勢差。本發(fā)明人進行的測試表明花粉顆粒和其它有機氣載顆粒主要具有正的電物理特性(缺少電子)，并且因此被具有過量電荷的表面所吸引。這一發(fā)現(xiàn)與對可見種子例如蒲公英種子的漂浮模式的觀察一致，觀察中可以清楚地看到它們傾向于漂浮在電正性表面例如瀝青、混凝土、密集種植的草地表面等的上方，以便然后能夠落在陸地電中性和電負性的表面上。因此，通過確保根據(jù)本發(fā)明的膜帶負電荷，就可獲得能主動抵抗地面成為電正性的趨勢的膜。這意味著覆蓋了根據(jù)本發(fā)明的膜的土壤，將在較大程度上比未覆蓋的土壤，更能從緊在地面上方的空氣中吸引顆粒例如灰塵、花粉和水蒸汽，并且通過這種方式空氣中的營養(yǎng)物將會主動地提供給土壤。本發(fā)明人進行的測試表明根據(jù)本發(fā)明的帶負電荷的膜上的粒子密度比帶正電荷膜的高三倍。而且，已經(jīng)顯示根據(jù)本發(fā)明的膜在其pH＞7時是電負性的，在pH＜7時是電正性的。為了確保pH足夠高，對于一些土壤來說加入pH調(diào)節(jié)劑可能是有利的，所述pH調(diào)節(jié)劑是例如堿金屬(鈉、鉀、鈣等)的鹽、植物體的汁液、灰分、堿性礦物質(zhì)等。這些pH調(diào)節(jié)添加劑還是植物的營養(yǎng)物因而其是環(huán)境友好并可生物降解的，所以就此而言這些pH調(diào)節(jié)添加劑也是有利的。
在本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于增加膜材料的含水效果使其超過單純的海藻酸鹽混合物的方法和制品。該方法是基于利用了來自自然存在于地球上極干燥、干旱地區(qū)的一些植物中的物質(zhì)，其中即使其余的自然環(huán)境已經(jīng)干涸這些植物也能獲得水。就此而論，這種物質(zhì)是干燥的、粉碎的琥珀。從巖石地面聚集干燥的琥珀材料并將其粉碎或粉化。用混合裝置例如超級Turax混合器并且在10份琥珀比90份海藻酸鹽的混合比例下將粉狀混合物混入膜混合物中。當混合物被溶于水然后施加到干燥沙土物質(zhì)中時，由于粉碎的琥珀的加入，形成了一種海綿樣物體，與原海藻酸鹽混合物相比其具有高約30％的蓄水能力。在加入10％精細研磨的(均勻粉末)干燥的liver moss型和鹿角苔(riccia fluitans)型蘚類以后，獲得了相似的效果。不考慮原理，認為這些類型的植被在干燥、磨碎的狀態(tài)下通過增加膠凝作用均能給予海藻酸鹽更大的含水效果。
簡而言之，根據(jù)本發(fā)明的粉末混合物的特征在于，它僅含有加入了顏料的干燥并且磨碎的海褐藻，所述顏料具有足夠的粗粒度以允許當凝膠向下滲入土壤中時所述顏料仍保留在土壤上部，并且所述粉末混合物通過施加電負性的電離電勢被用電子至少飽和。因此，像參考申請中的粉末混合物一樣，根據(jù)本發(fā)明的粉末混合物也是電負性的、抗氧化的、環(huán)境友好的并且可生物降解的有機材料混合物，其可以作為干燥物質(zhì)施加并且混入濕潤的土壤中，或者以液態(tài)的形式進入干燥的土壤中。堿性混合物的所有組分都應該是電負性的并且對環(huán)境具有抗氧化作用，這是一個為選擇可能的顏料提供了指導的必要條件。
考慮到所述粉末混合物相對簡單的組成，令人驚訝的是當將其混入水中并且噴灑到土壤上時，非常少量的粉末就能夠恰好在土壤頂層的下面形成耐久并且長期有效的膜。已經(jīng)在科威特和埃及進行了應用測試，所述測試表明即使以象每m2沙土表面0.5g干粉這樣小的量建立的膜也能夠使水的保持時間增加到足以令測試地區(qū)的需水量下降超過50％。我們所要指出的是這種效果是如此巨大以至于其將治理大量的地區(qū)變成了現(xiàn)實。0.5g/m2的量意味著每十公畝僅消耗0.5kg，半噸粉末就足夠覆蓋1000km2。如果目標僅是粘結(jié)表土層，則已經(jīng)獲得了長期有效的頂部膜，組成該膜的干燥物質(zhì)的量僅為約0.3g/m2，所述膜有效地粘結(jié)了沙土頂層，并防止了由強大的風載荷所引起的沙流。即使以象0.1g/m2這樣少的量也能夠獲得本發(fā)明預期的目的。這非常清楚地表明根據(jù)本發(fā)明的粉末是一種在沙漠地區(qū)建立植被、培養(yǎng)作物和/或阻止侵蝕和沙流的異乎尋常地經(jīng)濟的手段。由于本發(fā)明可以通過溶于水然后噴灑到土壤或沙地中這樣簡單的方法來使用，并且由于根據(jù)本發(fā)明的粉末混合物中的所有必要成分對于將獲得的制造者而言都是易于加工并且廉價的，因此顯然與市場上已知的類似產(chǎn)品相比，本發(fā)明對于將獲得和使用的最終使用者來說是異乎尋常的廉價的。因此，能夠達到即使貧困的農(nóng)民也能用得起本發(fā)明的目標。
像參考申請中出現(xiàn)的粉末混合物一樣，優(yōu)選該粉末混合物也應當是可生物降解的并且其本身能夠充當植物的養(yǎng)料，并且優(yōu)選其應該產(chǎn)自于天然的、工業(yè)的和/或家庭的有機廢物。這樣產(chǎn)生了一種環(huán)境友好的助劑/土壤增強劑，其對使用本發(fā)明的生態(tài)系統(tǒng)具有很小的或者沒有不良影響，此外其還有助于減少某些浪費問題。而且，使用廢物將會使原料購買非常的便宜，如果收集，有些將是免費的，而有些將僅包括付給運輸它們的人的費用，因此本發(fā)明代表了一種非常廉價的抗氧化的土壤和生長增強劑。由于想要使其在購買力非常低的世界上最貧困的地區(qū)也能夠被使用，所以本發(fā)明的一個重要特點就是原料廉價并且粉末混合物的效果強勁從而使其使用特別經(jīng)濟的事實。這是將本發(fā)明從已知的、類似的方案中區(qū)別出來的一個特征，并且這也是幫助世界上最貧困和人口最密集的地區(qū)改善食品供應狀況的絕對必要條件。
并且像參考申請的粉末混合物一樣，可以向根據(jù)本發(fā)明的粉末混合物中加入同樣受控量的添加劑，從而使產(chǎn)生的膜具有進一步的特性以滿足除堿性粉末特性以外的一種或更多的需求。這些額外的需求和必要的特性在參考申請中有詳細的描述，因此這里僅給出關(guān)鍵的摘要。
可能的添加劑粘合劑/強化材料、防腐劑、pH調(diào)節(jié)劑、抗氧化劑、營養(yǎng)物和用于調(diào)節(jié)膜的電導率的試劑等。
可能增加的特性機械性能(強度、彈性)、液體滲透性、光反射特性、電導率、耐久性/降解速率等，因此在土壤的最上層獲得了調(diào)節(jié)機械質(zhì)量、溫度、營養(yǎng)物吸收的可能性，獲得了減少近地自由基的產(chǎn)生、水分流失、蒸發(fā)率、可燃性、侵蝕速率的可能性，并且獲得了控制不需要的雜草物種萌芽和生長的可能性等。此外，通過有意識的選取原料，可能賦予所述膜驅(qū)蟲特性。這種具有驅(qū)蟲特性的添加劑的例子是薰衣草液、冷杉液(balsam pine sap)等。
總之，根據(jù)本發(fā)明的薄膜或膜是具有廣泛用途的高度靈活的土壤、生長和環(huán)境增強手段。
雖然本發(fā)明是作為一種將干燥、炎熱的土壤轉(zhuǎn)化變?yōu)榉饰滞寥赖氖侄味_發(fā)的，但本發(fā)明可以在幾乎所有的其它氣候帶中用于所有希望節(jié)約水和營養(yǎng)物并且希望調(diào)節(jié)植物生長條件的地區(qū)，例如在農(nóng)業(yè)、園藝、綠地、運動場、路旁等。
發(fā)明詳述現(xiàn)在更詳細地描述本發(fā)明，并且給出本發(fā)明優(yōu)選實施方案和用途的實例。
為了使本發(fā)明容易獲得并且實用，預計將其以干粉混合物的形式投放市場，所述混合物包含干燥并磨碎的海草和海藻物種，并且具有至少一種另外加入的粉末形式的顏料，其中所述粉末混合物已經(jīng)用紫外光和電負性電離電勢處理過。在使用中，一般將0.3-2.0g/m2的粉末混合物溶于1.0升的水或其它適當極性溶劑中，以便隨后將其鋪展到約1m2的將以適當方式處理的土壤表面。噴灑是一種顯而易見的方法。從0.1到10.0g/m2的粉末量均證明了本發(fā)明的預期效果。當在適量的水中被充分攪拌時，所述粉末容易溶解并形成適當粘性的凝膠或液體，所述凝膠或液體會滲入到其被施加的土壤頂層下面一定距離。不久后，所述凝膠或液體將硬化成固體膜，而顏料和一些凝膠則保留在土壤頂部，并將與一些成膜溶液一起形成固體顏料表層，所述表層以預期的方向改變土壤的反射率。顏料的選擇將決定顏色并因此決定所述層將具有的反射率，并且顏料的種類和數(shù)量二者都能夠自然地適應當?shù)氐臏囟葪l件和想要在其中使用膜的土壤?；蛘撸梢詫⒎勰┪镔|(zhì)以每100g沙土1-5g粉末的比例混入干沙中，然后可以加入水(約1.0升水)，并鋪展到約1m2的土壤表面。
原料的選擇海草和海藻物種中的海藻酸鹽是根據(jù)本發(fā)明的粉末混合物中的有效成膜組分。海藻酸鹽是代表由(1→4)-連接的β-D-甘露糖醛酸(β-D-mannuron acid)和α-L-guluron acid組成的線型聚合物族的通用術(shù)語。因此理論上說，可以用純海藻酸鹽以及加入的顏料制備根據(jù)本發(fā)明的粉末。但是由于海生褐藻中可能含有占海藻干重多達40％的海藻酸鹽，還沒有發(fā)現(xiàn)從藻類物質(zhì)中提取純式的海藻酸鹽對本發(fā)明是有利的。應用測試已經(jīng)表明海生褐藻含有的量已經(jīng)足以形成超過足夠強度的膜，這意味著簡單地通過干燥和磨碎褐藻來制備粉末混合物更加廉價和容易。褐藻中的其它物質(zhì)將會組成天然肥料，并因此有助于促進植物的生長。因此，優(yōu)選使用磨碎并且干燥的海生褐藻作為本發(fā)明的原料。
海藻酸鹽的聚合物序列可以被描述為由三種不同類型的嵌段組成的嵌段聚合物G嵌段(均聚guluron acid嵌段)、M嵌段(均聚甘露糖醛酸嵌段)和具有兩個單體單元長度或更長的MG嵌段(交替的M和G)。通過隨機序列(...MMGMGMMG...)，所述序列能夠在從幾乎純交替聚合物(...MGMGM...)到由純嵌段聚合物組成的序列(...GMMMMGGGGGMMMGGG…)之間變化。嵌段類型之間具有可區(qū)別的結(jié)構(gòu)差異。MG嵌段形成了最有柔性的鏈并且在低pH下比另外兩個嵌段類型更可溶。G嵌段形成剛性鏈，并且兩個G嵌段，每一個由超過六個的殘基組成，可以與多價陽離子交聯(lián)，這導致了膠凝。因此G嵌段是海藻酸鹽分子序列選擇性結(jié)合多價陽離子并因此導致溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變的部分。有時在不同種類的海藻之間，以及相同海藻的不同部分之間，兩種單體的數(shù)量和序列的變化很大。收獲時間和生長條件也能對海藻酸鹽的單體序列產(chǎn)生影響。一般說來，海藻的莖或桿與葉組織之間存在差別。所述莖比葉組織具有更高比例的G嵌段。
本發(fā)明尤其合適并因此優(yōu)選的褐藻種類是極北海帶(極北海帶)，其沿著挪威西海岸大量生長。此類褐藻具有含有高比例β-D-甘露糖醛酸(高比例的M-嵌段)的堅實葉片，同時其莖具有相對較高含量的α-L-guluron acid(高比例的G嵌段)。以本發(fā)明人的名義進行的測試已經(jīng)表明β-D-甘露糖醛酸使根據(jù)本發(fā)明的膜具有柔性和彈性，而α-L-guluron acid提供如上所述的機械強度和膠凝化作用。為了能夠向使用者提供最靈活的產(chǎn)品，能夠控制所產(chǎn)生膜中的凝膠形成和縛水特性是有意義的。當使用極北海帶時，通過分別處理莖和葉組織，這可以容易地得到實現(xiàn)。然后可以將來自兩種海藻酸鹽類型的粉末混合至想要的比例，從而提供所述的最佳使用產(chǎn)品。所述粉末混合物既可以是為了許多不同的用途而制備好并出售的，也可以允許使用者自己將兩種海藻酸鹽成分混合。通常，事實是高比例的根據(jù)本發(fā)明的葉粉末會產(chǎn)生具有高持水能力的相對柔軟的膜，其將向土壤中滲透很長的距離。高比例的根據(jù)本發(fā)明的莖粉末會產(chǎn)生具有較大機械強度的相對堅硬的膜，但其持水性相對較差，并且其不會如此好地滲入到土壤中。在將部分來自琥珀、蘚類等的粉末混入褐藻粉末的情況下，如果希望，其可以減少來自藻類莖組織的粉末的比例(減少海藻酸鹽物質(zhì)中G嵌段的比例)。
對膜的形成具有影響的另一個因素是海藻酸鹽的濃度。這歸因于海藻酸鹽的凝膠形成特性。膠凝過程可以被描述為溶液中線型聚合物片斷與其它片斷反應并因此形成支鏈。這將會增加分子量并因此增加了交聯(lián)位點的數(shù)目。隨著越來越多的單元反應，分子量會接近無限大。在所謂的凝膠點，最大的單個分子將完全充滿它所存在的容器。此時混合物不再像聚合物溶液那樣流動，而會具有與其環(huán)境相平衡的固態(tài)物質(zhì)的特性。該膠凝的定義暗示較高的海藻酸鹽濃度將導致較迅速并且較強的膠凝。為本發(fā)明人進行的測試報道在較低的濃度下膜的厚度會增加。這是由于較低濃度下的海藻酸鹽溶液需要較長的時間來交聯(lián)其G嵌段的事實。所述測試是用來自極北海帶的葉海藻酸鹽溶液在與埃及的沙漠相當?shù)纳车厣?在那里進行了全面試驗)并且在35℃的表面溫度下進行的。據(jù)報道在35℃膜的厚度為1.9cm(海藻酸鹽濃度1/2g/Lm2)和0.8cm(海藻酸鹽濃度2g/L m2)。
對最終的膜的特性具有影響的第三個因素是與多價陽離子，優(yōu)選鈣離子的結(jié)合。二價陽離子會導致在兩個聚合物鏈上的四個g-單元之間的配位結(jié)合，其中g(shù)-單元對位于同一鏈上彼此相鄰的位置上。由于立體化學的原因，所述的G嵌段將形成之字形，并且當兩個聚合物鏈結(jié)合在一起時，所述鏈將呈現(xiàn)位于蛋盒內(nèi)的外觀。鈣離子的加入會導致立刻膠凝。所述膠凝是熱穩(wěn)定且不可逆的。向土壤中加入受控量的鈣離子，例如在施加膜之前用鈣鹽預處理土壤，將促使海藻酸鹽溶液迅速地形成穩(wěn)定的凝膠。這一特性也可以用于改進膜的特性。由于鈣離子主要與G嵌段結(jié)合，可以通過這些G嵌段和游離鈣離子之間1∶1的摩爾比計算出最佳量。這將給出一種其中要素可完全控制的膠凝，所述要素是例如持水能力、凝膠的凝結(jié)時間和膜的深度。如果想要使上述目的成為可能，M、MG和G嵌段之間的比例必須是已知的，并且平均分子量和特性粘度也必須是已知的。通過如下所述的NMR分析和計算能夠做到這一點。
粉末中所使用的顏料可以從所有已知顏料中自由選擇，只要它們不具有電正性作用(是氧化劑)并且只要它們是可生物降解的/對植物有用的。顏料的顏色毫無疑問地決定了涂層的反射率，如果想要降低土壤中的溫度應當選擇亮色顏料，而當想要增加溫度時應選擇暗色顏料。適合的顏料的例子詳細地記載于參考申請NO 20031167和PCT/NO04/00071中。其中提到的所有顏料也都可以用于本發(fā)明。適合并優(yōu)選的纖維的例子是來自磨木紙漿、樹皮、紙板、紙和大麻等的纖維素纖維，來自草葉、谷穗、稻草、燈心草、地衣、蘚類、泥煤和根等的磨細植物纖維，來自織物例如羊毛、棉花、粘較絲、絲和亞麻等的纖維，以及動物纖維例如頭發(fā)、鬃毛和粉碎的羽毛等。
為了提高薄膜或膜的反射度，優(yōu)選使用一種或多種下列材料的干粉形式作為顏料石頭，石灰，砂子，粘土，白堊，貝殼，地禽羽毛及類似物，白色礦物顏料例如TiO2，白色植物染料和/或白色植物纖維例如棉花、沼澤棉或具有亮色特征的基于藻類的成分等。
為了降低薄膜或膜的反射度，即增加吸收度，優(yōu)選使用一種或多種下列材料的干粉形式作為顏料灰分，煤，煙灰，炭黑，石墨和其它形式的元素碳，天然顏料例如赭石、骨頭、植物的殼、貝殼、魚鱗、礦物顏料、植物染料、植物顏料、具有暗色特征的基于藻類的成分等。
微藻類也可以用作顏料。它們可能具有寬的顏色范圍，因此其既可以用于提高也可以用于降低薄膜或膜的反射度。
當然，加入顏料的量將根據(jù)期望獲得的反射率調(diào)節(jié)效果和所選擇的顏料而變化，但其通常在每升溶液0.1-25g的范圍內(nèi)。
粉末的制備將來自極北海帶的葉和莖組織機械地分離。然后在濕或干的狀態(tài)下將葉組織和莖組織分別進行磨碎。磨碎和干燥過程產(chǎn)生了顆粒均勻的精細研磨的干粉。用于磨碎海生褐藻的任何常規(guī)方法均可以使用，只要其不損害組織中的海藻酸鹽成分。一般地，10克新鮮的褐藻會產(chǎn)生約3克的干粉。
磨碎粉末后，應通過將粉末暴露于電負性電離電勢中而將其用電子飽和到至少電中性。磨碎和干燥過程不可避免地意味著電子被從粉末物質(zhì)中分離，這給予粉末以電正性特性。必須至少將此狀態(tài)扭轉(zhuǎn)(再填滿所有電子空穴)以防止膜具有與預期特性恰好相反的特性，但是超出了上述范圍而給予粉末混合物過量的電子是有利的。然后加入想要的顏料和任何其它想要的添加劑。
如果需要，可以進行使用NMR的常規(guī)測試來確定聚合物的組成，以便檢查原料是否含有想要比例的M或G嵌段(其會隨著時間而變化)。然后將富含G嵌段的海藻酸鹽和富含M嵌段的海藻酸鹽部分以受控的方式混合以在最終粉末產(chǎn)品中給出想要的比例。或者，可以將粉末作為G和M部分分別銷售，顧客可以自己將它們混合。
膜的應用使用中，可以將粉末很容易地溶于水中并均勻地噴灑到將要處理的地區(qū)。通常，使用0.3-10克干物質(zhì)每升水每m2，但是在已經(jīng)進行的測試中，僅用0.1g干物質(zhì)每升也能獲得充分的效果。通常應將一升液體施加到1m2的土壤表面。
如果需要，在形成膜之前可以直接將種子加入到液體或干物質(zhì)混合物中。因此種子在萌芽時期能獲得水分、機械穩(wěn)定性和較低的溫度，所述萌芽時期通常在三到七天的范圍內(nèi)。然后所述膜能夠通過自然的降解機制而分解并在微生物循環(huán)中作為營養(yǎng)物被吸收。
計劃用于沙漠區(qū)域的粉末混合物在沙漠區(qū)域建立植被，包括植物所遇到的問題通常是下列事實的結(jié)合，所述事實是沙土的頂層結(jié)合松散并因此容易遭受風蝕的損害，沙土幾乎不包含營養(yǎng)物，沙土的持水能力不足，以及沙土在白天由于強烈的日照而變得過于炎熱(已經(jīng)測到了超過100℃的沙地溫度)。
顯然必須大幅度地降低沙漠地區(qū)日間的沙土溫度以使植物具有最佳條件。因此，應該鋪置具有亮色表面的膜以使大部分的日光從地面被反射。通常，具有微紅色沙土的沙漠地區(qū)具有15％左右的反射率，而白色沙漠沙土在太陽位于其最高點時具有約25％的反射率。本發(fā)明人在太陽位于其最高點時對上述沙土表面的表面溫度進行的測量表明，反射率為15％的紅色沙土表面具有140℃的溫度，而反射率為25％的白色沙土具有94℃的溫度。白色沙土的粒徑相當于紅色沙土的1/6，因此白色地區(qū)上對日光的吸收面積小于紅色地區(qū)上的。
因此，在熱帶地區(qū)在白天太陽輻射最強烈的時候使根據(jù)本發(fā)明的膜具有最大的反射是非常有利的。因此，重要的是得到具有特有的動力學反射的混合物，所述的動力學反射意指變得最熱的膜表面部分也是最反光的，而溫度最低的部分最暗。對于本發(fā)明在夜間溫度低日間溫度高的地理區(qū)中的使用來說，這是一個重要特征。
根據(jù)本發(fā)明，這能夠通過使用具有定向反射表面的顏料以及通過在大體上相同的平面內(nèi)排列顏料的反射表面而實現(xiàn)，通過上述排列方式，當太陽位于其最高點時它們具有最強的反射效果。實現(xiàn)上述過程簡單并且非?？煽康姆椒ㄊ鞘褂镁哂刑貏e扁平或細長的幾何形態(tài)特征的顏料，所述形態(tài)例如桿形、圓柱形、圓盤形、平碟形等。這種顏料的扁平或細長的幾何形態(tài)特征意味著它們易于在土壤頂部放倒從而使朝向上方的長邊易于在水平面上排列。對于該目的非常合適的顏料材料的例子是粉碎的白色禽羽，既因為它們提供了非常合適的長的、桿形或圓柱形的顏料，也因為目前禽羽是一種廢料，因而是一種非常廉價的原料。顏料的效果可以通過加入礦物顏料例如TiO2組分得到加強。一種替代方法是使用感溫顏料，所述感溫顏料在相對較高的溫度下顏色較亮，在較低溫度下顏色較暗。
在這方面，一個重要的因素是使真正的凝膠或堿性混合物透明或至少盡可能地淺色，以便盡可能地通過加入顏料來決定膜的顏色或反射率。這可以通過在加入所需的一種或多種顏料之前漂白由磨碎并干燥海草和海藻物種產(chǎn)生的粉末物質(zhì)而實現(xiàn)。也就是說，應該將海草或海藻物種中的顏料從粉末物質(zhì)中除去。粉末的漂白可以在磨碎過程后通過加入常規(guī)的漂白劑并同時將混合物暴露于紫外光(315-250nm)中進行。
為了將混合物用電子飽，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)同時用電負性電離電勢處理漂白的粉末混合物是可行的。這是因為電離作用產(chǎn)生了臭氧，其是一種有效的漂白劑。結(jié)果是產(chǎn)生了明亮的漂白粉末，所述粉末能形成幾乎透明的膜，但是通過加入亮色顏料其將形成能從根本上減小沙層頂部反射率的亮色的膜。這是對沙土溫度過高問題的一個解決方案。在這種情況下，尤其優(yōu)選的顏料是來自粉碎的禽羽的高反射顏料，其任選地與礦物顆?；旌?。粉碎的禽羽提供了桿形顏料，并且優(yōu)選它們具有最長為1-2mm的長度，優(yōu)選在0.1到0.5mm的范圍內(nèi)。本發(fā)明人進行的測量表明根據(jù)本發(fā)明的膜能使土壤表面的表面溫度降低2℃每百分點的土壤反射率降低。
對于持水能力不足的問題，可以通過使用高比例的葉粉末來解決，因為所述葉粉末將形成具有高持水能力的柔性膜，并且其能向沙土中滲入相對較長的距離。因此，植物的根部將能夠更好的獲得水。并且，降低沙土溫度的副效應是相應地降低了沙土中水的蒸發(fā)速率。這也將有助于改善植物的水供給。粉末混合物含有按重量計約60％的來自海生褐藻的剩余物質(zhì)，所以缺乏可獲得的營養(yǎng)物的問題也將得到補救。這些物質(zhì)將起到肥料的作用。然而，可以想象沙土將需要比膜所能提供的更多的肥料。在這種情況下，可以向粉末中混入標準的肥料，只要其不能夠作為氧化劑(許多合成肥料具有這樣的作用)。合適的肥料在參考申請NO 20031167和PCT/NO04/00071中有詳細地描述，在這里不再進一步討論。
如果所述地區(qū)嚴重地遭受侵蝕，增加來自莖組織的粉末的比例可能是必要的，因為其能給予膜更大的機械強度以及由此的土壤結(jié)合能力。缺點是這種膜不會滲入地面以下很深，并且其水分保持能力較差。這一問題可以通過先鋪置由葉粉末形成的不透水的根區(qū)膜，然后再鋪置由莖粉末制成的頂膜來解決。
發(fā)明的證實在本發(fā)明之后進行了超過三年的測試和應用研究。這些研究工作是在本發(fā)明人的指導下，在例如挪威農(nóng)作物研究所(Norwegian CropResearch Institute)(Planteforsk)、Srheim研究中心和挪威理工大學(Norwegian University of Science and Technology)的機構(gòu)中，以及在多個國家的許多試驗田中進行的，所述國家例如西班牙、科威特、埃及和阿拉伯聯(lián)合酋長國。
這些測試工作顯示，膜的形成和由此最終膜的反射率調(diào)節(jié)作用依賴于當?shù)氐臍夂驐l件和土壤性質(zhì)。為了獲得最佳結(jié)果，重要的是在施加了成膜凝膠或液體之后，其是足夠粘稠的從而能夠在土壤中向下滲透一定距離并形成“海綿樣”物體，該物體隨后硬化形成最終的膜。同時，應該阻止凝膠或液體中的顏料下滲并使其位于“海綿”的頂部，所述頂部應當位于表土層上。如上所述，海藻酸鹽的膠凝特別依賴于其所含嵌段的類型、溶液中海藻酸鹽的濃度和泥土中天然存在的凝膠產(chǎn)生物質(zhì)(多價礦物鹽)的量。這意味著為了獲得最好的結(jié)果，必須控制這些因素。
對于日照多可利用水少的地區(qū)，研究工作的目的是尋找最理想的粉末組合物以達到使表面上的水蒸汽壓(即蒸發(fā))減少40％，并且使供給水向地下水的滲流減少至少50％。
以下呈現(xiàn)的是對根據(jù)本發(fā)明的兩種膜的一些測試結(jié)果，所述膜均達到了上述目標(至少減少40％的蒸發(fā)和至少減少50％的滲流)。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的膜的結(jié)果測試的第一種膜是根據(jù)本發(fā)明第一方面的，僅由干燥、磨碎的褐藻和加入的顏料形成的膜。將來自極北海帶的干燥、磨碎的葉和莖組織用于混合物中，所述混合物提供了加入了高反射顏料材料的75％M嵌段和25％G嵌段，所述高反射顏料材料由來自家禽的粉碎禽羽與40重量份的TiO2混合組成。膜是由1.0g磨碎的褐藻粉末與1.0g另外加入的顏料形成的。表1中給出了地下的溫度和濕度結(jié)果。
表1根據(jù)本發(fā)明第一方面的膜的測試結(jié)果

*阿拉伯聯(lián)合酋長國此外通過測試，膜的以下作用得以證實
埃及證明了能夠從空氣向膜中汲取露水/濕氣。證明了能夠阻止沙流；風洞試驗的結(jié)果是在126天的測試后邊緣沙的損失是0.8克。證明了能夠?qū)⒎N子的發(fā)芽率從55％提高到99％。證明了能夠?qū)l(fā)芽時間從5天減少到2.5天。
西班牙證明了能夠使草的耗水量減少超過50％。證明了能夠增加草的根密度。證明了能夠改善草的生長條件。
挪威理工大學(NTNU)2003-2004證明了在膜物質(zhì)中能夠結(jié)合水。證明了在沙物質(zhì)中能夠形成膜。證明了在沙物質(zhì)中能夠形成副膜。
植物研究所，Srheim研究中心證明了在膜上方的微層中能夠減少O3的形成。證明了能夠使土壤溫度降低5℃(在Jren，挪威)。
根據(jù)本發(fā)明第二方面的膜的結(jié)果第二種膜是根據(jù)本發(fā)明的第二方面的，其中加入了干燥、磨碎的琥珀。該成膜物質(zhì)的組成是具有35％M嵌段和65％G嵌段的褐藻的海藻酸鹽混合物和10％的琥珀粉末，以及3％另外加入的礦物高反射率顏料材料(混有40重量份TiO2的家禽粉碎禽羽)。
這種情況下的測試結(jié)果是表2根據(jù)本發(fā)明第二方面的膜的測試結(jié)果

*阿拉伯聯(lián)合酋長國比較表1和表2中的結(jié)果顯示，所述膜在溫度的降低方面幾乎具有相同的效果，但根據(jù)方面2的膜(加入了琥珀粉末)使水結(jié)合能力增加了高達30％。
應當指出即使每平方米沙土表面用由1克干燥海生褐藻物質(zhì)和1克顏料物質(zhì)形成的膜也會導致15-25℃的溫度下降和達到眾多因素之一的非常顯著的沙土中水分的增加，。在這些試驗中已經(jīng)證實了本發(fā)明能夠為解決食物狀況作出重要的貢獻，因為它設(shè)法以非常簡單并且特別廉價的方式將沙漠地區(qū)轉(zhuǎn)變成肥沃的區(qū)域。
權(quán)利要求
1.一種用于處理土壤表面和/或土體的制品，其中將混合物鋪展在待處理的土壤表面和/或設(shè)置在待處理的土體中，鋪展和/或設(shè)置的方式是在待處理的土壤表面和/或土壤中的一定距離下形成反射率調(diào)節(jié)膜形式的層，其特征在于-所述制品包含下述粉末混合物，該粉末混合物由來自海生褐藻的水溶性、干燥且磨碎的有機原料和至少一種加入的顏料組成；和-將所述混合物暴露于具有負極性的E-場中以使所述材料至少被電子飽和。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其特征在于所述原料來自褐藻極北海帶的葉組織。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其特征在于所述原料來自褐藻極北海帶的莖組織。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項的制品，其特征在于所述制品由受控比例的粉末組成，所述粉末由褐藻極北海帶的莖組織和葉組織制備。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的制品，其特征在于由所用葉組織制備的粉末的比例使海藻酸鹽物質(zhì)中M嵌段的百分比，相對于粉末混合物中總海藻酸鹽物質(zhì)來說，按重量計在20-80％的范圍內(nèi)，優(yōu)選按重量計在35-65％的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選按重量計為約50％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項的制品，其特征在于所述粉末組合物通過加入漂白劑和隨后暴露于紫外光下而得到漂白。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項的制品，其特征在于向所述粉末混合物中加入了干燥并磨碎的琥珀和/或蘚類。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的制品，其特征在于所述蘚類的種類是livermoss或riccia fluitans。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項的制品，其特征在于向所述粉末混合物中加入了0.1-50克，優(yōu)選0.5-25克，并且最優(yōu)選1.0-10克的顏料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的制品，其特征在于所用的顏料具有扁平特性的幾何形態(tài)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的制品，其特征在于所述顏料具有桿形、圓柱形、圓盤形或碟樣的物理形狀。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11任一項的制品，其特征在于使用磨碎的禽羽作為顏料。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的制品，其特征在于所述羽毛來自白鶉雞類(gallinaceous birds)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的制品，其特征在于向磨碎的禽羽中加入TiO2微粒。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于減少農(nóng)業(yè)中水和植物培養(yǎng)用其它活性物質(zhì)的消耗量的制品和方法，并且其同時有助于減少富含養(yǎng)分、飽和了肥料的水向地下水的滲流。更具體的說，本發(fā)明涉及一種電負性、抗氧化的粉末混合物，在被施加于土壤上層時，其能夠在土壤上層中形成可生物降解的膜，所述土壤上層優(yōu)選包括土表以及形成根和植物的生物活性區(qū)，其中所述膜具有聯(lián)合效應，因為其增加了水和營養(yǎng)物在根區(qū)的保持時間，對環(huán)境具有抗氧化效果以便抵抗誘發(fā)植物損害的臭氧和其它自由基，并且調(diào)節(jié)了表土層的反射率以使根區(qū)的溫度保持在植物旺盛生長的溫度范圍內(nèi)。這將通過下述粉末混合物以及將所述混合物暴露于具有負極性的E－場中以使所述材料至少被電子飽和而實現(xiàn)，所述混合物包含來自海生褐藻的水溶性的、干燥且磨碎的有機原料和至少一種加入的顏料。
文檔編號C09K17/52GK101068463SQ200580038767
公開日2007年11月7日 申請日期2005年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月13日
發(fā)明者托芬·約翰遜 申請人:托芬·約翰遜