CN101466536A - 受毛细作用控制的浮性种植体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种浮性种植体及其应用。在一个实施方式中，本发明涉及浮性种植体，其包含：包含纤维的非织造基质体；多个被整合到所述非织造基质中以制成浮性主体的浮性泡沫单元，所述浮性泡沫单元由包封部分所述纤维以产生泡沫带的经膨胀、固化的聚合物树脂组成；和由所述非织造基质体支持的亲水性生长介质。在另一个实施方式中，本发明涉及浮性种植体，其包含：包含纤维的非织造基质体；多个在所述非织造基质体中的基本垂直的毛细通道，每一条所述基本垂直的毛细通道均具有上部末端；和设在所述非织造基质体上并与所述上部末端连通的草皮。

Description

受毛细作用控制的浮性种植体

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年6月11日提交的美国专利申请第60/804,438号的优先权。

背景技术

本发明涉及浮性种植体(buoyant planter)。具体而言，本发明涉及受毛细作用控制的浮性种植体。

在农学科学中，亚表层中的湿润的植物生长带被划分成“饱和带”和不饱和带或“渗流带”。饱和带是亚表层中位于或者低于水位的区域，该区域土壤中所有的孔隙空间都被水填充。渗流带是亚表层中在饱和带上面的部分，其含有一些水但不被水饱和。在渗流带中的土壤颗粒之间的孔隙空间含有水和气体的组合。“渗流带水”(或“渗流水”)通过吸湿力和毛细管力保持在适当位置。特定渗流带中能够保持的水的最大量取决于颗粒尺寸和形状。进入渗流带的多余的水(例如，来自降雨)通过重力穿过渗流带向下排到饱和带。陆生植物已经进化成能在渗流带中茂盛生长，因为它们需要它们的根部能够在里面吸收水和空气的生长介质。相反，水生植物已经进化成能在饱和带中茂盛生长；这些植物不需要它们的根部周围的填充有空气的孔隙空间。

背景技术的浮性种植体中的生长介质常常太过潮湿而不能种植许多想要的植物物种，因为这些产品没有为植物生长提供适合的渗流带。在背景技术的实施方式中，水从漂浮有种植体的池塘中供应给生长介质中的植物。水通过种植体外表面中的孔、筛网或者其它开口进入种植体。对于这种类型的供水系统，生长介质必须向下延伸到池塘里的水位线下以获得水分。生长介质的延伸到水位线下的部分变得被水饱和。这种饱和带适合支撑水生植物物种，但是不适合大多数陆生植物物种和滨水植物物种，这些陆生植物物种和滨水植物物种不能在水饱和条件中生存，除非向根部提供强制通气。常规的浮性种植体通常依靠强制通气来支持水培植物的生长；例如，Tepper在美国专利第6,086,755号中描述了他的用于“通氧的”(oxygenated)(即通气的)水中的发明。在某些情况中，随着植物长高，种植体被施加负向的浮力，生长介质被推入到更深的水中，使得随着植物的成熟而逐渐导致更多的饱和条件。因此，背景技术的漂浮种植体不能很好地适合种植高或者大的植物。

世界上有很多天然漂浮岛屿的例子。这些天然岛屿中的一些岛屿支持广泛的植物类型。这些岛屿的研究显示它们通过水培方式生长有水生植物，并且根部生长在死亡根和有机材料的水饱和的混合物中。另外，这些岛屿生长有需要恒定但不饱和的水分水平的滨水植物。最后，这些天然岛屿支持需要一些水分的大型陆生植物(例如松树)的生长，但它们不能持久地耐受饱和条件。坑木松树可能是这一规律的一个例外。坑木松常见于沿着阿拉斯加东南海岸存在的饱和的苔藓沼泽中。

通常，天然漂浮岛屿通过随时间变得更厚而生长。一个成熟的天然漂浮岛屿可能具有超过50英尺高的50年树龄的树。这些岛通过向岛体的顶部和内部增加有机腐质而变得更厚。岛的下部边缘由周期性脱落到水中的死亡材料组成。这些岛的垂直生长模式通常导致岛随着时间的推移而变得更厚，并伴有渗流带的相应增厚。通过这种方式，更大的天然岛屿趋向于支持更大的陆生植物(例如树)的生长，这些陆生植物因其根系较大而需要较厚的渗流带。

天然漂浮岛屿通过在岛屿体内持续产生气体而产生其厚的渗流带。这些气体是通过多种类型的天然存在的在构成岛体的材料上建立群落的细菌和其它微生物而产生的。产生的气体置换岛体内的水，从而降低它的重量并且产生向上的力或者浮力。如果岛体由渗透性相对较低的材料组成，则气体产生的速率可等于或超过气体从岛体泄漏的速率，导致自维持性浮力的产生。喜好湿润但不饱和条件的陆生植物和滨水植物在岛体的这种不饱和带中茂盛生长。适应了饱和条件的水生植物的根部在天然漂浮岛屿的饱和带中生长并穿过该饱和带。

背景技术在美国专利第5,224,292号、第5,528,856号、第5,766,474号、第5,980,738号、第6,086,755号和第6,555,219号和美国专利申请第2003/0051398号、第2003/0208954号、第2005/0183331号中有描述；所述专利和专利申请的公开内容通过参考而以如同在本文中充分阐述的方式引入。

发明内容

在一个优选的实施方式中，本发明涉及一种新型的浮性种植体，所述浮性种植体被构造成支持水生植物、滨水植物和陆生植物的组合的生长。这一实施方式通过调节和保持水分水平的宽范围而克服了现有漂浮种植体的水分水平的窄范围，从而提供适合于各种植物类型的多样生境。本发明利用新型的方法复制已经在天然漂浮岛屿的根生长带中观察到的宽范围的水分条件。

在一个优选的实施方式中，本发明涉及通过除了饱和带之外还创造出相对湿润但不饱和的带而解决生长介质条件过干或过湿的问题的人造岛屿。可通过下述方式创造大的不饱和带：将水向上芯吸到湖水位线以上、或者用气体置换此前已饱和的带里的水而使其不饱和、或者通过这些效应的组合。在本申请全文中，用术语“湖”表示任何水体，包括但不限于池塘、河流、溪流、或者甚至海洋。

多孔基质、毛细通道、亲水性生长介质、和/或良好的微生物生长生境的组合使得本发明的优选实施方式能提供相对较厚的双渗流带(bi-vadose zone)，所述双渗流带生物模拟天然漂浮岛屿的相对较厚的渗流带，但不是以常规漂浮种植体进行提供。在本发明的优选实施方式中，双渗流带和饱和带的存在提供了如下植物生长生境，即所述植物生长生境以生物方式模拟宽范围的已经在天然漂浮岛屿上观察到的生长条件，但不是以常规漂浮种植体进行提供。

本发明的优选实施方式提供了多种优势。优选实施方式保持优于背景技术的实施方式的潮湿的生长环境，所述背景技术的实施方式经常不是太干就是太湿。其它优选实施方式在遍及宽范围的岛屿出水高度(freeboard)的生长介质中保持相对恒定的潮湿度。例如，因为植物向上生长，岛屿由于附加的植物重量而向水中沉得更深，但是生长介质保持在水位线之上，从而处在一个相对恒定的潮湿度水平上。

在优选实施方式中，本发明为喜好潮湿而不饱和的条件的植物提供了理想的生长环境。这些植物，包括陆生物种和滨水物种，对于下述应用会比水生植物更优选，即在所述应用中，岛屿是为特殊应用(例如水处理)、或者为特殊的景观美化项目而设计的。

在其它一些优选实施方式中，本发明对于需要在生长介质的顶部表面处或该表面附近萌发的发芽种子是理想的。对于这些实施方式，生长介质的顶部是湿润的；在背景技术的实施方式中，生长介质的顶部趋向于饱和或者干燥。

在另外一些优选实施方式中，本发明为植物根部的生长提供了“安全带”。所述安全带是岛屿基质中根部在其中能够自由生长但是不被鱼类和其他水生食草动物食用的部分。通过这种方式，即使根部暴露的部分(超出岛屿基质的边缘)被食用，植物也能够茂盛生长。换而言之，本申请人的发明的优选实施方式允许植物茂盛生长并且允许鱼类食用。通过使岛屿变厚，可培育植物，并且通过使岛屿变薄而可增强鱼类牧饲。在一项试验(2004年在Fergus Falls，明尼苏达州进行)中，本申请人发现，在大量牧饲的鱼类的存在下，植物要茂盛生长，需要至少2英寸的基质。

本申请人已经发现，通常只要对饱和土壤和水进行良好的通气，并且只要植物的根茎(即根部和茎部的交界处)不被长时间淹没，陆生植物就能够在被淹没的土壤中茂盛生长。然而，毛细管，即本说明书所公开的双渗流带设计，消除了任何将植物暴露于任意潜在的不利条件的危险。通过将水向上芯吸到植物，植物的根部具有在可用的出水高度内的安全区，该安全区中的合适的间隙空间使得能够进行充分的通气。通过在7英寸范围内提供有效可用的出水高度和给岛屿提供可调控水平的储备浮力，优选实施方式保护植物的根茎不被淹没。

在另外一些实施方式中，本发明在自供水环境中培育陆生植物，而没有外部通气的要求。这一实施方式使种植明显更广泛多样、并且与湿地植物相比具有不同的性能和特征的陆生植物成为可能。因为陆生植物的数量多于水生植物，两者的比例为约9比1，所以本发明的优选实施方式提供了明显多于当前可用的多样性。

在一些优选的实施方式中，本发明的毛细管还表示种植通道。垂直毛细通道和水平毛细通道的组合允许进行策略性的种植。例如，使用本说明书公开的系统可容易地实现拼写出特定名字或推广标语的植物。

为了扩展这一实施方式的主体，同样可以再次策略性地使用与高度完整的基质片材相对应的基质修整料。一旦注入浮性粘性泡沫，泡沫和基质都变得更结实。本质上，本发明的优选实施方式使泡沫具有再循环聚酯基质的骨骼。通过这种方式，取得了低成本、高容积、可调节漂浮力、高表面积的岛屿结构材料。来自岛屿构建的修整料或者来自其它制造操作的废弃材料的使用为再利用废弃聚合物材料提供了一种途径，否则所述废弃聚合物材料将被送去进行垃圾填埋；因此，包含修整料或废料的岛屿产生了相对较低成本的产品，并且通过再循环废弃材料而提供了有益的环境影响。

本发明优选的实施方式可整合有可调节刚性的涂层，所述可调节刚性的涂层可选地作为紫外(UV)光阻挡层而结合到非织造基质的顶部表面，以保护非织造基质和聚氨酯泡沫。涂层可为有色的，并且它还提供粘附性选择，所述粘附性选择允许粒料(如砂砾或碾碎的胡桃壳)的附着。涂层还可以提供额外的阻挡层以阻止阻挡层下面产生的有浮力气体的逃逸，这为动态漂浮岛屿提供浮力。可调节刚性的涂层还可作为人和机器的人行道或车行道而发挥作用。

在优选的实施方式中，对在我们的垫层袋(bedding pocket)内部和下面的表面区域的量进行操控使得使用者能够针对微生物气体的生成进行设计，这进而能够提供自维持浮力。通过操控刚性涂层之下的表面区域的量，设计者能够帮助本发明的岛屿具有自维持浮力，同时提供了紫外线阻挡层，这进而保护聚合物泡沫(例如热固性或者热塑性泡沫)和非织造基质。

可从顶部向下对本发明优选实施方式中的渗流带供应水，例如利用降雨供应水。另外，可通过毛细作用从底部向上对渗流带供应水。因为根据本发明优选实施方式的漂浮岛屿的这种“双向”水供应能力不同于常规农业的渗流带中的“只从顶部向下”的水供应，所以本申请人设计了术语“双渗流”带来定义本说明书中公开的漂浮岛屿内的不饱和带。双渗流带包含岛体的湿润但不饱和的部分；也就是说，岛体的双渗流带中的孔隙空间含有气体和水的混合物。就本公开文本而言，即使渗流带的底部可能在湖水位线的周围平面的水平以下，双渗流带仍包含在底部的饱和基质和在顶部的通常是干燥的基质之间的区域。

本发明优选实施方式的双渗流带内的不饱和条件对许多适合采用漂浮种植体和漂浮岛屿的陆生植物物种和滨水植物物种都是理想的。在这些实施方式中，随着植物的生长和岛屿质量的增加，生长介质的水分含量保持相对稳定。优选的是，生长介质袋保持潮湿但处于水位线以上，以在根据本发明的漂浮岛屿上具有相对宽范围的出水高度条件。因为岛屿能够在同一个岛体内提供有氧带和无氧带，因此可将它们用于通过微生物纠正诸多污染问题；例如，氨去除需要有氧环境，而硝酸盐去除需要缺氧环境。这样，可用成品岛屿来提供需氧或者厌氧的水处理而不需要进行改造。

在一个优选实施方式中，本发明涉及浮性种植体，所述浮性种植体包含：包含纤维的非织造基质体；多个浮性泡沫单元，所述浮性泡沫单元被整合在所述非织造基质上以形成浮性主体，所述浮性泡沫单元包含经膨胀、固化的聚合物树脂，该聚合物树脂包封部分所述纤维，或者作为选择，机械地定位在所述纤维内或附着到所述纤维上，以产生泡沫带；和由所述非织造基质体支持的亲水性生长介质。优选的是，所述泡沫带在形状上为近似球形。优选的是，所述浮性单元包被有喷涂聚合物外层覆盖物(spray-on polymer outer covering)。优选的是，所述非织造基质体和所述亲水性生长介质能够让微生物性生物膜建立群落。

优选的是，所述浮性种植体还包含：具有所述亲水性生长介质的双渗流带和/或至少覆盖部分所述非织造基质体的低渗透性外壳和/或在所述非织造基质体内的毛细通道。优选的是，所述毛细通道选自由完全穿透的毛细管和部分穿透的毛细管组成的组。优选的是，所述毛细通道含有选自由下述物质组成的组的芯吸材料：亲水性生长介质、亲水性泡沫、纤维素海绵、棉和泥炭。优选的是，所述亲水性生长介质由泥炭、亲水性泡沫和粉碎树皮的混合物组成。

在另外一个优选实施方式中，本发明是浮性种植体，所述浮性种植体包含：包含纤维的非织造基质体；多个在所述非织造基质体中的基本垂直的毛细通道，每条所述基本垂直的毛细通道具有上部末端；设在所述非织造基质体上并与所述上部末端连通的草皮。优选的是，每条所述基本垂直的毛细通道选自由完全穿透的毛细管和部分穿透的毛细管组成的组。优选的是，每条所述基本垂直的毛细通道含有选自由下述物质组成的组的芯吸材料：亲水性生长介质、亲水性泡沫、纤维素海绵、棉、泥炭、浮石和硅土。

优选的是，所述浮性种植体还包含：在所述非织造基质体中的基本水平的毛细通道。优选的是，所述基本水平的毛细通道含有选自由下述物质组成的组的芯吸材料：亲水性生长介质、亲水性泡沫、纤维素海绵、棉、泥炭、浮石和硅土。

在另一个优选实施方式中，本发明是一种在湖中种植植物的方法，该方法包括：提供本说明书公开的浮性种植体；在所述亲水性生长介质中种植植物以产生浮性岛屿；和将所述浮性岛屿投放入(launch)湖中。优选的是，该方法还包括：在投放入所述浮性岛屿后，使所述亲水性生长介质暴露于溶解的硝酸盐，从而在所述亲水性生长介质中富集反硝化细菌。在另一个实施方式中，本发明涉及一种在湖中种植植物的方法，该方法包括：提供本说明书公开的浮性种植体；和将所述浮性岛屿投放入湖中。

在一个优选实施方式中，本发明涉及浮性种植体，所述浮性种植体包含：非织造基质纤维体；亲水性生长介质；和提供浮力的装置。在一个实施方式中，提供浮力的装置是多个浮性泡沫单元，所述浮性泡沫单元被整合到所述非织造基质纤维体中以制成浮性主体，并且所述浮性泡沫单元由经膨胀、固化的聚合物树脂组成，所述经膨胀、固化的聚合物树脂包封部分所述纤维以产生泡沫带。在一个替代性实施方式中，提供浮力的装置是由微生物产生的气体。在一个替代性实施方式中，提供浮力的装置是浮性纤维，该浮性纤维组成非织造基质纤维体，并且该纤维是由具有小于1.0的比重的热塑性树脂制造的。在一个替代性实施方式中，在制造过程中将气泡引入所述纤维的内部。

在另一个优选实施方式中，本发明涉及浮性种植体，所述浮性种植体包含：外部壳体；和内部填充物；其中该种植体包含底部和侧面；其中该外部壳体由非织造基质组成，其覆盖在所述种植体的底部和侧面上；并且其中所述内部填充物由亲水性生长介质组成。优选的是，水水平地通过所述侧面和垂直地通过所述底部而进入所述种植体，并且其中所述亲水性生长介质吸收并向上芯吸水。优选的是将所述种植体置于水体上，该水体具有水平面，并且水被向上芯吸到高于所述水体的水平面的位置，从而在所述种植体内产生渗流带。优选的是将所述种植体置于水体上，并且由于来自水体的静水压力和亲水性生长介质的芯吸作用的组合，水穿过所述亲水性生长介质而向内径向传送。

从本发明的图示和随后的优选实施方式描述可以明了本发明的其它方面。本领域的技术人员应认识到，本发明可以具有其它实施方式，并且可在许多方面修改本发明的细节而不背离其原理。所以随后的附图和描述应被视为本质上是阐述性的而非限制性的。

附图说明

通过参考阐述本发明的目前优选的实施方式的附图将更好地理解本发明的特征。

图1是天然漂浮岛屿的简化侧视截面图。

图2是本发明优选实施方式的示意性俯视图。

图3是刚投放入水中之后且在气体产生之前的浮性种植体的优选实施方式的示意性侧视截面图。

图4是如在图3中所示的浮性种植体在放入水中后数周时的示意性侧视截面图。

图5是本发明第二优选实施方式的示意性侧视截面图。

图6是图5的实施方式的一部分的放大图，该放大图显示向上移动的水滴通过完全穿透的毛细通道向上传送并且遍布亲水性生长介质的纤维。

图7是本发明第三优选实施方式的分解透视图。

图8是图7的侧视截面图，显示非织造基质、完全穿透的毛细通道、草皮和草根。

图9是本发明第四优选实施方式的俯视图。

图10是图9的实施方式的示意性侧视截面图，显示如何使用完全穿透的毛细管向水平毛细通道供应水。

下列数字标记用于在附图中指示本发明的部分和环境：

1 天然漂浮岛屿

2 饱和带

3 渗流带

4 干燥带

5 水饱和的岛屿平面，岛屿水平面

6 湖水平面，湖水位线

7 渗流带顶部

8 陆生植物和滨水植物

9 水生植物

10 非织造基质，基质

11 亲水性生长介质，生长介质

12 浮性聚氨酯泡沫单元，浮性泡沫单元，浮性泡沫部

13 氮气泡

14 双渗流带

15 可用的出水高度

16 向上移动的水滴

17 向下移动的水滴

18 草皮

19 草根，根部

20 水平毛细通道

22 浮性种植体，种植体，人造岛屿

24 岛体

26 完全穿透的毛细管，完全穿透的毛细通道

28 部分穿透的毛细管，部分穿透的毛细通道

30 底部表面

32 岛屿表面

具体实施方式

本发明的浮性种植体由非织造基质纤维体、亲水性生长介质和提供浮力的装置组成。在一个实施方式中，提供浮力的装置通过多个浮性泡沫单元提供，所述浮性泡沫单元被整合在所述非织造基质中以制成浮性主体，所述浮性泡沫单元由经膨胀、固化的聚合物树脂组成，所述经膨胀、固化的聚合物树脂包封部分所述纤维以产生泡沫带。

在另外一个实施方式中，提供浮力的装置通过由微生物产生的气体提供，所述气体由在种植体内部建立群落的固着生物生成。固着生物主要由从水体中摄取营养物和有机碳并产生气体(如二氧化碳、氮和氧)的细菌、蓝细菌和浮游植物组成。这些气体形成粘附到基质的被浸没的纤维上的气泡，从而向种植体提供升浮力。

在另外一个实施方式中，非织造纤维基质由在水中天然具有浮性的纤维制成，并且这些浮性纤维为种植体供应了提供浮力的装置。浮性纤维由具有小于1.0的比重的热塑性树脂制造。合适的热塑性树脂的例子包括聚乙烯和聚丙烯。气泡视需要可在制造过程中引入热塑性纤维的内部以进一步减少它们的比重，从而增加纤维能够提供的浮力。

在另外一个实施方式中，提供浮力的装置包括下列物质中的两种以上物质的组合：浮性泡沫单元、由微生物产生的气体、和浮性纤维。

参考图1，其中呈现了背景技术的天然漂浮岛屿的简化侧视截面图，该截面图示意性地显示三种主要水分带。天然漂浮岛屿1包括饱和带2、渗流带3和干燥带4。如在图1中所示，天然岛屿产生相对较厚的渗流带3，其中岛体5中水饱和的平面比湖水平面6低，且渗流带顶部7高于湖水位线6。还显示了陆生和滨水(即非水生)植物8和水生植物9。

2005年10月期间在威斯康星州Rainbow Flowage的一个1英亩漂浮岛屿上进行的一项研究中，岛屿体内的水平面比湖水位线低约33英寸。在这33英寸厚的带中，岛屿的材料湿润但不饱和。第二个湿润但不饱和带存在于岛屿内高于湖水位线的渗流带里。这一渗流带在湖水位线之上延伸约4英寸。因此，在这一岛屿上的、有数种非水生植物品种建立群落的该特定位置，这两个湿润而不饱和带的总厚度是约33英寸+4英寸＝37英寸。岛屿的边缘是水饱和的，并且有水生植物建立群落。

参考图2，其中呈现了本发明一个优选实施方式的俯视图。在这一实施方式中，浮性种植体或者人造岛屿22包含岛体24，所述岛体24进而包含非织造基质10，所述非织造基质10支持亲水性生长介质11、陆生或滨水植物8和水生植物9。

在一个优选实施方式中，为漂浮而用浮性泡沫注射非织造基质10以产生岛体24。优选的是，将特殊生长介质11的带设计成促进根生长，并可选地促进形成向生长介质输送水的毛细通道。基质10优选为由聚酯纤维组成，该聚酯纤维经缠绕而形成具有标准厚度和宽度的随机取向的网状物或者“毯状物”。合适的基质材料的一个制造商是乔治亚州Acworth的Americo Manufacturing Company，Inc。

优选的是通过并排且垂直地连接多片基质以形成岛体24，从而确立浮性种植体22的维度。在一个优选的实施方式中，基质10由200旦(denier)的聚酯纤维组成，所述聚酯纤维经缠绕而形成约1-3/4英寸厚×56英寸宽的毯状物。基质10优选以连续的条带生产并且被切割成约90英尺的长度以进行运输。毯状物的标称重量优选是每平方码41盎司。在一个优选实施方式中，毯状物中的聚酯纤维的标称重量是每平方码26盎司。优选的是，将水基胶乳粘合剂烘干在纤维上以增加毯状物的硬度和耐用性。可通过改变建筑材料和制造工序来调整基质10的特性。例如，纤维的直径可从约6旦到300旦变化。粗纤维得到具有相对较小的用于微生物建立群落的表面积的相对较硬的基质，而细纤维得到具有相对较大的用于微生物建立群落的表面积的相对较软的基质。

可相对较少地或相对较多地施用胶乳粘合剂以改变基质的耐用性和重量，可将染料或者颜料添加到粘合剂中以产生具有特定颜色的基质。胶乳包被的纤维为有益微生物建立群落提供了优异的生长基材。可使用现有的制造技术将毯状物的厚度从约1/4英寸调整到2英寸。可以预见的是，在未来可生产较厚的毯状物，如果可以获得这些较厚的毯状物(例如，3英寸～12英寸厚)，则优选这些较厚的毯状物。

图3和图4描述了本发明的第一优选实施方式，其中将气泡引入到岛体24的预先饱和的部分后，双渗流带延伸到湖水位线以下。图3是刚放入水中之后且在气体产生之前的浮性种植体22这一实施方式的侧视截面图。浮性种植体22由非织造基质10、亲水性生长介质11、和浮性聚氨酯泡沫单元12组成。如在图3中所示，最初岛屿5中的水饱和平面的位置与湖水平面6相同。

优选的是，通过在压力下将未固化的液态聚氨酯树脂注入多孔基质10中，从而将内部浮力引入到岛体24内。随后使聚氨酯树脂在基质10中原位膨胀并固化以形成浮性泡沫单元12。优选的是，选择注射压力、树脂温度和泡沫注射机器的注射物料量(shot)体积以提供所需终体积的经固化的浮性泡沫。可配置泡沫以提供遍及基质10的连续体，或者作为选择，可配置泡沫以提供在基质10内的被基质10的非泡沫区分隔的单独的浮性泡沫部12。根据种植体或者人造岛屿22的具体应用，可从岛体24的顶部、侧面或者底部，或者从这些表面的组合注射聚氨酯树脂。在一个优选的实施方式中，建造基质10以使其具有约8英寸的厚度。

优选的是，将具有2.5磅/立方英尺(pcf)的标称固化密度的未固化的泡沫树脂注射到基质10的底部中并穿透到基质10的顶部表面。优选的是，将四秒钟物料量的未固化的泡沫以约70磅/平方英寸的压力进行注射，得到在形状上近似球形的经固化的泡沫主体，所述主体具有约8英寸的直径。球体具有约5.8pcf的密度，由约2.5pcf的聚氨酯泡沫组成，所述聚氨酯泡沫以具有约3.3pcf的密度的基质加固。可通过改变树脂的化学配方或者通过改变应用参数(如温度和压力)来调整聚氨酯泡沫的密度。用于岛屿的泡沫的实用范围优选为约1.0pcf到25.0pcf。在重视高浮力和低成本的情况中(例如用于装饰性水上花园岛屿)，希望的是较轻的泡沫。在重视高强度和耐用性是情况中(例如在种植体22可能受到小船碰撞的情况中)，优选的是较重密度的泡沫。基质10中的泡沫单元12可选地包被有喷涂聚氨酯外层覆盖物以增加耐用性。作为选择，可使用固化成坚韧外罩的自覆壳泡沫以提供额外的耐用性。

图4显示放入水中数周后的如在图3中所示的同一浮性种植体。双渗流带14被绘成在岛体24中的虚线边界之内的区域。由于在生长介质11中水的向上芯吸作用，双渗流带14延伸到湖水位线6之上，并且由于气体的产生，双渗流带14延伸到湖水位线6之下。非织造基质10和亲水性生长介质11均优选以能够让微生物性生物膜建立群落的材料制成。如图所示，非织造基质10和亲水性生长介质11中的细菌已经产生氮气泡13，所述氮气泡13从基质10和生长介质11中置换了一些水，从而使种植体22更具浮性。该增加的浮力导致种植体22在水中漂浮得更高(如在图4中所示)。所产生的氮气泡13中的一些气泡附着到基质10中和生长介质11中的纤维上，并且氮气泡13中的一些气泡逃逸到大气和湖中(如方向向上的箭头所示)。同样，由于生长介质11的顶部暴露于大气，所以氧和其它气体从大气通入生长介质11中(如方向向下的箭头所示)。

在这一实施方式中，陆生或者滨水植物8得以建植，其中它的根生长到双渗流带14中，并且这一植物的根由来自大气的氧供养。水生植物9也在双渗流带中得以建植，但是它的根优先生长到种植体22的饱和部分和湖中。在这一例子中，氮气通过利用反硝化细菌将硝酸盐细菌转化成氮气而产生，这在废水处理中是一种熟知的方法。

在多次实验中，本申请人利用8英寸厚的岛屿测得了约为每天每平方英尺的岛屿表面10.61克硝酸盐和0.5克磷酸盐的转化速率。在许多湖中，有充足的溶解在湖水中的硝酸盐，从而可以产生足够的用于岛屿浮力的氮气。在硝酸盐浓度不足的湖中，可向种植体22施用硝酸盐肥料，在种植体22中，硝酸盐肥料将溶解到岛体24中并给细菌和植物的根提供硝酸盐。许多湖还含有能够在种植体22上建立群落并且产生气体的天然存在的细菌。如果想要或者需要，可将补充微生物加到种植体22以引发或增加气体的产生。有大量适合这种应用的商用微生物混合物可以利用。适合的微生物混合物的一个例子是由科罗拉多州Wellington的KeetonIndustries销售的AQUATRON。

随着浮性种植体22成熟，藻类和其它有机物聚集在种植体的外表面上。随着这种物质积聚，它趋向于形成围绕种植体22的低渗透性“外壳”，所述低渗透性外壳进而减缓气体从基质10和生长介质11中逃逸，导致种植体浮力随着时间的推移而增加。本申请人已经观察到，在这一有机外壳已经形成后，陆生植物继续在种植体22上茂盛生长，显示氧转移到种植体22中的速率保持在足以支持植物呼吸的水平。在一项采用具有25平方英尺的顶部表面面积的2英寸厚的种植体进行的试验中，在淡水池塘中衰老6个月之后，种植体在水中浮起约1/2英寸高。在这一种植体的顶部表面上可以见到有大量藻类积聚。

可选的是，将低渗透性外壳机械地安装在种植体22的边缘上。该外壳可由聚脲、聚氨酯、硅酮、或任何其它相似的低渗透性覆盖物形成。可选的是，可将外壳用于其它目的，例如人行道或者装载支持基地(loadsupport base)，例如风力发电站基地。

参考图5，其中呈现了本发明的第二优选实施方式的侧视截面图。在这一实施方式中，将特殊的毛细通道26、28用于使岛屿的双渗流带延伸到在湖水位线之上。这一实施方式由非织造基质10、亲水性生长介质11、陆生和滨水植物8、浮性聚氨酯泡沫单元12、完全穿透的毛细管26、和部分穿透的毛细管28组成。需要注意的是，亲水性生长介质11的底部表面的位置优选比岛体24中的岛屿水平面5高。在这一实施方式中，利用毛细作用将水通过毛细管26、28上拉并供应至亲水性生长介质11。因为亲水性生长介质11的定位高于周围的湖水平面6，所以湖水只能通过毛细管26、28进入生长介质11，这导致生长介质11保持潮湿但不被水饱和。当生长介质11潮湿而不饱和时，生长介质11中的孔隙空间的一些空间被水填充，并且孔隙空间的其余空间被空气填充。这一不饱和但潮湿的环境为非水生植物提供了理想的生长环境。

毛细管26、28可以以任何适合的芯吸材料例如亲水性生长介质、纤维素海绵、棉或者泥炭填充。当完全穿透的毛细管26的制造和装配成本较少时，可优选完全穿透的毛细管26(与部分穿透的毛细管28相比)。当毛细管的材料趋向于逸出开口管的底部时，可优选部分穿透的毛细管28(与完全穿透的毛细管26相比)。只要管的底部在岛屿水平面5之下，该管在水的芯吸方面就是等效的。

浮性种植体22的可用出水高度15是在湖水位线6和生长介质11的底部表面30之间的垂直高度。随着植物变得更高和更大，它们将上部重量施加到浮性种植体22上，这使得浮性种植体22在水中沉得更深，从而减少浮性种植体22的可用出水高度15。通过设计具有相对较大的初始可用出水高度15的岛屿，可以使生长介质11随着浮性种植体22增重并沉得更深而保持为湿润但不饱和的状态。

亲水性生长介质11优选由泥炭、亲水性泡沫和粉碎树皮的混合物组成。这种材料具有如下有益性质：轻质、芯吸水、利于有益微生物建立群落、以及与大多数植物的根兼容。

可选的毛细通道26、28优选通过切割、模压、或在基质10中形成垂直开口并以具有良好芯吸特性的材料装填这些开口而形成。泥炭和/或亲水性泡沫是用于形成毛细通道26、28的优选材料的两个例子。亲水性泡沫可由合成泡沫(如聚氨酯)或者天然材料(如纤维素)组成。这些亲水性泡沫有一部分孔隙空间由吸收水和转移水的开放小室组成，并且其余的空隙空间由不吸水的封闭小室组成。开放小室和封闭小室的这种组合导致芯吸水而同时保持相对轻质的材料的形成。实验表明，在以泥炭和亲水性聚氨酯泡沫的混合物填充的毛细通道26、28中可获得7英寸的芯吸高度。

参考图6，其中呈现了图5的一部分的放大图，该放大图显示向上移动的水滴16通过完全穿透的毛细通道26向上传送并且遍布亲水性生长介质11的纤维。还显示了通过降雨而被供应到生长介质11的向下移动的水滴17。水滴16、17在进入生长介质11后，通过生长介质11横向扩散(如弯曲的箭头所示)。因为在这幅图中的生长介质11的整个体积含有一些水但不足以饱和，所以生长介质11的这一体积可被描述为完全处于双渗流带。

参考图7，其中呈现了本发明第三优选实施方式的分解透视图。这一实施方式包含非织造基质10、完全穿透的毛细通道26和草皮18。图8是图7的侧视截面图，其中显示非织造基质10、完全穿透的毛细通道26、草皮18和草根19。如在图8中所示，草根19优先向毛细通道26生长并且生长到毛细通道26中。根19的向水生长的这种天然能力与穿过非织造基质10分布的毛细通道26的存在，提供了高于天然岛屿水平面5的高度上用于建立并维持草皮18的装置。本申请人已经在实验性试验中测定到，当毛细管26占非织造基质10的内部体积的约10％时，草皮将高出湖水位线6七英寸而茂盛生长。

参考图9，其中呈现了本发明第四优选实施方式的俯视图。在这一实施方式中，将水平毛细通道20用来在岛屿表面32上建造图案。水平毛细通道20能够支持植物生长，并且可种植与在生长介质11中所种植的植物不同种类的植物，从而创造由活的植物组成的图案。在这个例子中，图案表示字母“FII”，该图案是公司标志。图10是图9的实施方式的侧视截面图，其中显示完全穿透的毛细管26如何被用来向水平毛细通道20供应水。可将水平毛细通道20制造成具有与生长介质11的颜色形成对比的颜色，从而在植物在水平毛细通道20和生长介质11中长成之前提供原始的对比色图案。

在另外一个实施方式中，种植体由下列物质组成：由非织造基质组成的能够覆盖种植体底部和侧面的外部壳体；和由亲水性生长介质组成的内部填充物。外部壳体发挥容纳亲水性生长介质的作用，从而防止生长介质散开并逸入水体。具有渗透性的外部壳体还为水提供进入种植体的内部并与亲水性生长介质接触的手段。在这一实施方式中，水能够通过侧面水平地进入种植体内以及通过底部垂直地进入种植体内。在水穿透外部壳体后，它被亲水性生长介质吸收，并且通过生长介质的亲水性性质而被向上芯吸。水最后将被垂直芯吸到高于水体正常水平面的位置，从而在种植体中产生渗流带。同时，由于来自水体的静水压力和生长介质的芯吸作用的组合，水将穿过亲水性生长介质而向内径向传送。

在以上实施方式中描述的各种机构中的任何机构可以结合在单一的人造岛屿22中以进而扩大岛屿的双渗流带。本领域的技术人员会想到本发明的许多其它变化。某些变化包括水平的毛细管和/或垂直的毛细管。其它一些变化需要引入浮性泡沫单元和/或亲水性生长介质。所有这些变化都拟处在本发明的范围和实旨内。

虽然某些所示实施方式包括某些特征，本发明人明确考虑到，本说明书中公开的任何特征可一起采用或者以与本发明任何实施方式中的其它特征的结合而采用。同样想到的还有，任何特征都可能从本发明的任何实施方式予以明确排除。

Claims (30)

1.一种浮性种植体，所述浮性种植体包含：

包含纤维的非织造基质体；

多个浮性泡沫单元，所述浮性泡沫单元被整合到所述非织造基质中以制成浮性主体，所述浮性泡沫单元由经膨胀、固化的聚合物树脂组成，所述经膨胀、固化的聚合物树脂包封部分所述纤维以产生泡沫带；和

由所述非织造基质体支持的亲水性生长介质。

2.一种浮性种植体，所述浮性种植体包含：

包含纤维的非织造基质体；

多个浮性泡沫单元，所述浮性泡沫单元被整合到所述非织造基质中以制成浮性主体，所述浮性泡沫单元由经膨胀、固化的聚合物树脂组成，所述经膨胀、固化的聚合物树脂被机械地结合在所述纤维内或所述纤维上以产生泡沫带；和

由所述非织造基质体支持的亲水性生长介质。

3.如权利要求1所述的浮性种植体，其中所述泡沫带在形状上是近似球形。

4.如权利要求1所述的浮性植物，其中所述浮性单元包被有喷涂聚合物外部覆盖物。

5.如权利要求1所述的浮性种植体，其中所述非织造基质体和所述亲水性生长介质能够让微生物性生物膜建立群落。

6.如权利要求1所述的浮性种植体，所述浮性种植体还包含：

带有所述亲水性生长介质的双渗流带。

7.如权利要求1所述的浮性种植体，所述浮性种植体还包含：

至少覆盖部分所述非织造基质体的低渗透性外壳。

8.如权利要求1所述的浮性植物，所述浮性植物还包含：

在所述非织造基质体内的毛细通道。

9.如权利要求8所述的浮性种植体，其中所述毛细通道选自由下列毛细管组成的组：

完全穿透的毛细管；和

部分穿透的毛细管。

10.如权利要求8所述的浮性种植体，其中所述毛细通道含有选自由下列材料组成的组的芯吸材料：

亲水性生长介质；

亲水性泡沫；

纤维素海绵；

棉；

泥炭；

浮石；和

硅土。

11.如权利要求1所述的浮性种植体，其中所述亲水性生长介质由泥炭、亲水性泡沫和粉碎树皮的混合物组成。

12.一种浮性种植体，所述浮性种植体包含：

包含纤维的非织造基质体；

多个在所述非织造基质体中的基本垂直的毛细通道，每一条所述基本垂直的毛细通道都具有上部末端；和

设在所述非织造基质体上并且与所述上部末端连通的草皮。

13.如权利要求12所述的浮性种植体，其中每一条所述基本垂直的毛细通道都选自由下列毛细管组成的组：

完全穿透的毛细管；和

部分穿透的毛细管。

14.如权利要求12所述的浮性种植体，其中每一条所述基本垂直的毛细通道都含有选自由下列物质组成的组的芯吸材料：

亲水性生长介质；

亲水性泡沫；

纤维素海绵；

棉；

泥炭；

浮石；和

硅土。

15.如权利要求12所述的浮性种植体，所述浮性种植体还包含：

在所述非织造基质体中的基本水平的毛细通道。

16.如权利要求15所述的浮性种植体，其中所述基本水平的毛细通道含有选自由下列物质组成的组的芯吸材料：

亲水性生长介质；

亲水性泡沫；

纤维素海绵；

棉；

泥炭；

浮石；和

硅土。

17.一种在湖中种植植物的方法，所述方法包括：

提供权利要求1所述的浮性种植体；

在所述亲水性生长介质中栽培植物以产生浮性岛屿；和

将所述浮性岛屿放入所述湖中。

18.如权利要求17所述的方法，所述方法还包括：

在投放入所述浮性岛屿之后，将所述亲水性生长介质暴露于溶解的硝酸盐，从而在所述亲水性生长介质中富集反硝化细菌。

19.一种用于在湖中种植植物的方法，所述方法包括：

提供权利要求1所述的浮性种植体的步骤；

在所述亲水性生长介质中栽培植物以产生浮性岛屿的步骤；和

将所述浮性岛屿投放入所述湖中的步骤。

20.一种用于在湖中种植植物的方法，所述方法包括：

提供权利要求1或12所述的浮性种植体；和

将所述浮性岛屿投放入所述湖中。

21.一种用于在湖中种植植物的方法，所述方法包括：

提供权利要求1或12所述的浮性种植体的步骤；和

将所述浮性岛屿投放入所述湖中的步骤。

22.一种浮性种植体，所述浮性种植体包含：

(a)非织造基质纤维体；

(b)亲水性生长介质；和

(c)提供浮力的装置。

23.如权利要求22所述的浮性种植体，其中所述提供浮力的装置是多个浮性泡沫单元，所述浮性泡沫单元被整合到所述非织造基质纤维体中以制成浮性主体，并且其中所述浮性泡沫单元由经膨胀、固化的聚合物树脂组成，所述经膨胀、固化的聚合物树脂包封部分所述纤维以产生泡沫带。

24.如权利要求22所述的浮性种植体，其中所述提供浮力的装置是由微生物产生的气体。

25.如权利要求22所述的浮性种植体，其中所述提供浮力的装置是浮性纤维，其中所述浮性纤维组成所述非织造基质纤维体，并且其中所述纤维由具有小于1.0的比重的热塑性树脂制造。

26.如权利要求25所述的浮性种植体，其中在制造过程中将气泡引入到所述纤维的内部。

27.一种浮性种植体，所述浮性种植体包含：

(a)外部壳体；和

(b)内部填充物；

其中所述种植体包含底部和侧面；

其中所述外部壳体由非织造基质组成，所述非织造基质覆盖所述种植体的所述底部和侧面；并且

其中所述内部填充物由亲水性生长介质组成。

28.如权利要求27所述的浮性种植体，其中水水平地通过所述侧面并且垂直地通过所述底部而进入所述种植体，并且其中所述水被所述亲水性生长介质吸收和向上芯吸。

29.如权利要求28所述的浮性种植体，其中所述种植体被置于水体上，其中所述水体有水平面，并且其中所述水被向上芯吸到高于所述水体的所述水平面的位置，从而在所述种植体内产生渗流带。

30.如权利要求28所述的浮性种植体，其中所述种植体被置于水体上，并且其中由于来自所述水体的静水压力和所述亲水性生长介质的芯吸作用的组合，所述水穿过所述亲水性生长介质向内径向传送。

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