CN101662929B - 流体和养分传送系统及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于有效地传送水溶液到植物的系统和方法，包括：涂敷有亲水聚合物的多微孔疏水管，该管的末端部邻近植物的根系统，和内腔，该内腔用于将水溶液从入口引导到该末端部。该管沿着该末端部具有孔隙，当受到由于水压而由根产生的表面活性剂的根释放物的作用时，该孔隙适合于允许水溶液从中流过。压力调节设备位于管入口的上游，适合于在其中容纳水溶液的存储器与压力调节设备的上游端流体连接。另外的管可以提供用于引导养分溶液到植物根部。

Description

流体和养分传送系统及相关方法

技术领域

本发明大致涉及用于浇水和提供养分到植物的系统和方法，特别涉及这样的系统和方法，其通过“按需”传送水和养分而使水的使用最少化并使可能的农作物密度最大化。

背景技术

对于植物自浇水系统的需求是相当确定的，由于农业中使用了世界淡水资源的约70％，许多产品已经设计和建造出以在不同程度上满足该需求。一些系统供应少量连续的水，通常提到的有滴灌，其供应水到根区域而不顾植物的需求。其他系统依赖于土中的潮湿水平而指示对水的需求。还有其他的采用毛细管，其基于表面张力和毛细上升效应而将水带给植物。

滴灌是很好地建立起来的用于在干旱地区生长植物的方法。宣称其水利用的效率为90％，相比于洒水系统的75-85％。基本的滴灌系统通常包括地面管，其上安装有小滴管/喷射器，以将水从供应管送到在供应管任一侧上的植物的根部。该滴管/喷射器限制水到根部一滴一滴的流动，这基于发射器/滴管内对水流的粘滞阻力。滴速基于对专门植物、土条件、预期的降雨和土壤水分蒸发蒸腾损失率进行计算后的需求而定，并可以在1至4L/hr每植物之间变动。

估计农作物水需求的需要或者提供到水中的养分量很少确切和不变，这导致水的浪费。已经示出，植物根部可以控制水的释放，该水存储在薄的多孔渗水的亲水膜后面，该膜相信由于吸收水中的有机杂质而变得疏水性。该机制还没有被完全理解，尽管推测在根释放物中有表面活性剂，其打开由于吸收水中的有机杂质而变为疏水性的膜的孔。该疏水膜抑制了水到植物的流动。然而，植物的根部流出多种化学物，其中包括表面活性剂，其通过使膜亲水而打开膜孔。这样水现在可以流到根部，而当植物已经具有足够水时，膜变为疏水性。

还示出的是，当两个带膜的存储器(一个存水，另一个包含养分溶液)提供给植物时，植物能够区分这两个源，并取得所需的水和所需的养分。水对养分的比率可以在2-5比1的范围内变动，这依赖于养分溶液的浓度。

已经开发了许多地面下的系统，其包括管，该管是多孔渗水的或打孔的，以允许水连续缓慢的释放。然而，这样疏水管，其要求达到两个大气压的水压力，不能在植物已经具有足够水或者例如下雨时自动停止水的传送。

没有采用膜系统的商业灌溉系统的一个理由可能在于获得膜的困难性，其能够为新植物或秧苗，还能够为萌发的、生产水果和产品的完全长成的和成熟的植物提供必要的水量。另一个可能的理由是对水中恒定的微量有机溶液的依赖，其将吸收在膜的亲水孔通道的出口壁上，将该膜转化为疏水系统，进而阻止或大大地减少通过膜的水流。另一个理由可能是获得具有合适壁厚和直径的亲水管的困难性，该管具有足够的耐久性，以使该过程是经济的。

俄罗斯的SVET太空种植生长系统包括具有1000cm²生长面积的盒式温室，其具有房间用于直至40cm高的植物。根部生长在天然多孔渗水的沸石上，高纯洁水保持根处于所需的潮湿水平。NASA使用的零重力生长腔包括多微孔陶瓷或不锈钢管，带有养分的水从中通过，提供用于灌溉温室植物。采用多孔渗水陶瓷、不锈钢或疏水膜传送水和/或养分到植物的系统基本上是滴灌的形式，其中水/养分总是在传送而不管植物是否需要。本领域技术人员显而易见的是，陶瓷或不锈钢管比较厚，有机成分吸收在通道的整个长度上而不能通过植物的释放物除去。

图7表示对于单个植物，水和养分溶液的流动。特别地，图7是通过安装于两个285mL相同尺寸和形状的存储器(1号用于水，2号用于养分溶液)底部的12cm²的多微孔Amerace A-10的水流量(单位为Ml/day)的日常记录，所述存储器嵌入在很好建立的Ficusindica的盆栽土中(插入)，表示水流方式的效果，当(i)建立根与膜的接触，和(ii)总流量不再大于吸水速率时(24天后)。通常，水的流量大约比养分溶液大约大三倍。已经示出的，养分浓度的改变将改变来自两个存储器的流率。在图7中，植物根部的释放物将图8中的步骤3改回到步骤1。这已经在一个通过允许膜在专门的水量通过Amerace-10膜后闭合的实验中示出。然后，膜的出口侧用酒精清洗，流过膜的水再继续，当所有酒精清洗掉后最终停止，有机杂质允许吸附在孔的出口壁上，如图8所示。

再次参见图8，在步骤1，当水离开膜的孔时，其在亲水的膜表面上伸展开。大滴形成并离开表面。当表面通过吸附水中的疏水杂质而被涂敷时，离开膜的毛细孔的水不能在表面上展开，较小的液滴可以形成(步骤2)。当继续涂敷时，没有空间留给水在表面上展开了，需要更大的力推动水通过疏水区域，如步骤3所示。这是通过吸附水和/或养分溶液中的有机杂质而变为疏水性。这闭塞了孔，并防止水在通常的压力条件下离开膜。如果增加压力，液体能够再次流动，因为水的表面张力不再能够防止水突破孔。

发明内容

本发明一方面致力于有效传送水溶液到植物的系统。该系统包括亲水装置，其末端部放置于邻近植物根系统处。该亲水装置具有从中通过的内腔，用于将水溶液从入口引导到该末端部。该亲水装置还具有围绕内腔的壁。至少部分沿着末端部的壁具有孔隙，当受到由植物根部实验水压力产生的表面活性剂的根释放物的作用时，该孔隙适合于允许水溶液从中流过。

该系统还包括存储器，该存储器适合于在其中容纳水溶液。该存储器设置为与亲水装置入口流体连通。在一个实施例中，放置于存储器和亲水装置之间的是压力调节设备，该设备用于提供至少一个最小的压力值以允许流体流过该亲水装置，和至多一个最大的压力值，在该最大的压力值之上时，即使没有表面活性剂的根释放物，流体也将流过该亲水装置。

本发明另一方面还致力于用于有效传送水溶液到植物的方法。本发明的该方面包括放置亲水装置的末端部于邻近植物根系统处的步骤，如上述系统中所述的。该水溶液导入到亲水装置的入口，且该水溶液从亲水装置入口引导到该末端部。在专门的实施例中，水溶液的压力在亲水装置入口的上游被调节。

本发明另一方面还致力于建立用于传送水溶液到植物的有效系统的方法。本方法的该方面包括放置亲水装置的末端部于邻近植物根系统处的步骤，如上所述。

水溶液的压力在亲水装置入口的上游被调节，在压力调节器上游提供有用于在其中容纳水溶液的存储器。还提供用于建立水溶液从存储器到亲水装置入口的流动的通道。

本发明的特征，包括组织和运行方法，以及其他目的和优点，将通过下面结合附图的描述而得到更好的理解。可以清楚理解的是，附图只用于示例和描述而不旨在限定本发明的范围。通过本发明获得的这些和其他目的及提供的优点将通过阅读下面结合附图的描述后变得完全的显而易见。

附图说明

图1A和1B分别以顶视图和横截面图的方式示出了用于供应水和养分到植物根部的双浇灌管。

图2是用于浇灌草的系统的横截面图。

图3示出了用于种植植物的示例系统，该系统可在无重力下运行。

图4是具有覆盖有亲水膜的孔的管的实施例的侧视图。

图5A和5B分别以顶视图和横截面图的方式示出了包括表面和地下部的种植系统。

图6是多羟基苯乙烯的化学图。

图7(现有技术)图示了用于单个植物的水和养分溶液的流动。(·)从1号存储器吸水；

从2号存储器吸养分。(来自：L.A.Errede，Ann.Botany 52，22-29，1983.)

图8A-8L(现有技术；共同地表示为图8)示意地表示水流过多微孔膜的微毛细管路径，作为围绕微毛细管出口的亲水区域长度的函数，并表示水中的有机杂质如何更可能地粘附于毛细管的出口端。在步骤1(图8A-8D)中示出了围绕微毛细管出口的区域的最初亲水状态。D₁是亲水区域的直径，而R₁是从出口冒出的水滴的半径，其远远大于微毛细管出口的半径r。步骤2(图8E-8H)发生在疏水溶液在亲水区域的外周包围微毛细管出口的一些累积之后。这里D₁＞D₂＞2r，且R＞R₂。步骤3(图8I-8L)处在最终端状态，其中围绕出口的亲水区域的直径D_f收缩为出口半径r的两倍。当ΔP＝2γ/R_f大于采用的压力P_f时，给定出口上的水流停止。(来自L.A.Errede，J.Colloid Interface Sci.100，414-22，1984.)

图9是系统的示意图，其中结合有压力调节设备。

图10是用于图9系统中的示例的压力调节设备的示意图。

具体实施方式

现在将参考图1-10描述本发明的优选实施例。

如同这里使用的，词“管”指用于提供水和/或养分的管路。如同本领域技术人员所理解的，这样的“管”不是必需为圆柱形的，而是可以具有任何合适的形状，通过使用这些词不旨在带来任何限制。

这里描述的是供应水和/或养分到生长植物根部的系统和方法，其中将单个植物所需的水和/或养分释放给植物。这里术语“植物”应进行广义地解释，可以包括例如草。尽管不旨在作为本发明的限制，可以相信的是，当在水压下时，植物根部能够排出释放物或表面活性剂，这促进了在下面所述条件下存储的水和/或养分的释放。特别地，植物从供应管路或浇管得到水和/或养分的供应，其中至少部分是亲水的。

在一些实施例中，管可以包括多个由亲水膜覆盖的孔；在其他实施例中，整个管、地下部分或绝大部分是亲水的。在另外的实施例中，系统可以包括表面管，其不能渗水或疏水，该管可以连接到多个亲水管，这些亲水管可以插入到支撑介质内供应根部。

一个或多个亲水管可以插入到一些支撑介质中，使得管至少部分地位于支撑介质的表面下。支撑介质可以选自任何合适的适于支撑生长植物和根部的介质或介质的混合物。例如但不限于，这样的支撑介质可以包括沙、土、Rockwool、聚氨酯类泡沫、Fleximat^TM、SRI纤维素基生长介质等。其他现有技术所知的合适的介质，例如连续纤维生长介质，也可以采用。

在专门实施例中，植物种植在支撑介质中，各个管连接到含有水、养分或它们的混合物的存储器中。在一些实施例中，二个管可以供应一排植物：水管和养分管。如上所述，先前已经表示，植物能够在这些管之间进行区分。可选地，养分可以添加到水存储器中以通过一个管进行分配。

薄壁多微孔亲水管在商业上获得以用作灌溉管，这在当前是未知的。在专门的实施例中，亲水材料，包括Cell-Force^TM和Flexi-Sil^TM，可以制造为亲水管。可选地，一些现有的疏水薄壁管可以通过采用不溶水的亲水聚合物(例如多羟基苯乙烯，美国专利第6045869号，通过参考结合于此；结构如图6所示)作为表面涂层的过程而成为亲水性。作为涂层进行涂敷并渗入多微孔疏水塑料管的这些溶体已经表明多年不堵塞孔并保持亲水性。这样，半径为5-10mm的Tyvek^R(一种多微孔聚乙烯材料，由非常精细、高密度的聚乙烯纤维制成，DuPont，Richmond，VA)的连续管(Irrigro-International Irrigation Systems)在变为亲水性后被使用，并已经表明用作膜，其在地下灌溉系统中响应于植物的根部。

Tyvek^R可以获得许多类型，每种具有不同属性。尽管不旨在限定，两种类型发现最有利于在本发明中采用：1059B和1073B。

如上所述，已经表明随着时间推移，由于水中的有机杂质吸收到膜上，亲水膜可以变得疏水性。由于水中杂质的可变性，我们向水中添加了有机物质，其能够吸收在出口孔壁上，使得膜疏水，从而减小了通过膜的水或养分溶液的流动。合适的有机物质的例子包括但是不限于，腐殖酸、煤油、松脂、蒎烯、石蜡和十六烷。在其他实施例中，可以采用其他合适的C8-C16饱和碳氢化合物。添加到灌溉介质的量从10ppb到10ppm。本领域技术人员可以理解的是，在一些实施例中，有机物质的添加不是必要的，这依赖于水的质量。

当在土中生长农作物时，养分在连续基上的添加不是必需的；然而，当在沙、Fleximat或者Rockwool中生长农作物时，养分溶液，例如本领域已知的任何合适的养分溶液，如那些在疏水系统中普遍采用的，例如Hoegland Solution、Peter’s Solution、Miracle-Gro，或者其他较少着色的化肥，例如Schultz Export，可以添加到供水中，或者可以在不同管中直接供应给植物，如同上面所述，从而植物根部可以允许根据需要获得水和养分。然而，对于在人工介质中的生长，包含养分和微养分是重要的。

图1A和1B示出了系统10，其采用双灌溉管11、12传送水和养分溶液到在生长介质14中生长的植物13。在本实施例10中，管11、12通过植物13的根系统15。实验中已经发现，在沙和盆栽图中，采用的养分的浓度越高，释放到根部15的养分溶液的容量就越小，这是本发明获得的水保持的示例。

本领域技术人员可以理解的是，管11、12可以是单个复合双腔管而不脱离本发明的精神。两个部分的直径可以与植物对水和养分的需求而比例相称，例如使水管尺寸成倍，尽管这不旨在作为限制。

在一些实施例中，由于在施加有足够压力的情况下地下薄壁多微孔管可能塌陷，例如包含塑料的螺旋60可以置入到例如管11或12中，以形成更抗塌陷的管61(图1C)。

图2示出了用于灌溉草21的系统20，其中地下管22间隔1-2英尺，并在低的恒压下大致地持续供水，需要时往水溶液中添加养分。

这里描述的灌溉系统和方法相信要优于当前采用的任何其他浇水系统，而且独立于大气压力，使得它们同其他的一样能够用于航天培育或微重力条件。在本发明的一个实施例30中(图3)，例如，连续纤维生长介质31，例如Rockwool或像海绵的Feximat(来自Grow-Tech)，可以用于支撑植物32和它们的根部33。在本实施例30中，二个存储器34都包括容器35，其具有内部空间36，用于容纳水和养分溶液。容器35形成为类似于膜盒，并在含有溶液的膨胀状态和溶液被移除的回收状态之间可以运动。

容器35还包括填充入口37，其与容器的内部空间36流体连通，以向其中添加溶液。分配管38也与容器的内部空间36和亲水管40的入口39流体连通。分配管38还具有单向阀41，用以防止来自管40的溶液回流到容器的内部空间36。

在本系统中，在零重力下可以提供对植物及它们根部的支撑，例如通过采用单块连接材料，例如Rockwool或Fleximat、Grow-Tech生产的像海绵的亲水多孔材料或者新开发的人工海绵，例如Agri-LITE(SRI Enviro-Grow)。通过采用这些材料包围双多微孔亲水灌溉管，其中一个供应水而另一个供应养分溶液，能够实现供应到生长植物的水和养分的完全保持。这样的系统还可以用于需要水保持的酸性或沙漠环境。

先前的实验室测试表明，采用在水中的养分，通过将AmeraceA10膜42(聚乙烯中50％二氧化硅凝胶体)胶合到地下PVC管44的孔43中(图4)，能够在沙中生长西红柿。PVC管44的孔43的直径为12mm，间隔10cm，钻在17mm内径的坚硬的PVC管中。孔43认为具有有限的水和养分量以用于生长植物，当植物开始结果并需要更多膜区域以提供植物需要时，该系统证明是不充分的。通过钻进并覆盖更多的孔以增加膜的总表面积改进了该系统。然而，当前实现本发明的最好模式支持连续管的使用。由于Amerace易碎的特性，该材料制成的膜管倾向于破裂和泄漏。

管状的Tyvek^R(DuPont)已经用于在升高的水压下花园和成排农作物的灌溉目的。然而，聚乙烯材料疏水的特性允许其用作植物的滴水源而没有通过植物根部的释放物的任何控制。疏水表面到亲水的转变已经被描述(美国专利第6045869号)，并可以用于使Tyvek^R管亲水并响应于植物对水和/或养分的需要。当通过涂敷并注入多羟基苯乙烯的酒精溶液而使管亲水时，管被发现在很低的压力下可渗水，并显示当水中的有机化合物吸附在出口孔壁上时渗水性下降。这可以认为是“调节阶段”，在该过程中，通过将碳氢化合物添加到自来水中，渗透性可以下降80％。

首先确信的是，本发明提供多个供应管，布置用于在支撑介质表面之下延伸，以供给多个植物或一排植物。而且，含有亲水材料的管的清楚的优点在于：比起单个水平膜，有更大面积的支撑介质被供给以水和养分。

现在本发明将通过例子进行描述；然而，本发明不旨在通过这些例子进行限定。

实例1。4英尺长的Tyvek^R管(#1053D)通过多羟基苯乙烯的酒精溶液而变得亲水性，并埋没在4.5英尺乘以13cm宽乘以10cm深的植物中，覆盖以土，并连接到处于35cm恒常水压头的养分溶液的恒常供应。十个樱桃西红柿(Lycopersicon sp.)种子以均匀的距离贴近提供水和养分的管种植。荧光照明每天18小时地提供给植物。当植物为15cm高时，平均耗水75±10Ml/hr，当植物为25cm高时，平均耗水125±20Ml/hr。当通过在床上喷洒100mL水以模拟降水时，有2个小时的耗水量降到零，并通过接下来的3个小时缓慢地回复到正常速率。植物生长到二英尺高，大量的西红柿得到丰收。

在实验的末尾，系统被测量，以确定是否植物之间对膜上空间存在任何竞争。根部系统的测量指示根只在离茎约1-2英寸的范围内围绕膜。这表示能够增加植物生长的密度到一个程度，使其只受到可得到的光化学流量和互相干涉的限制。

当双管系统用于分别供应水和养分时，对于沙中的8颗樱桃西红柿植物，消耗的水对于消耗的养分溶液的比率约为2.5至1。再次地，当植物尺寸达到35cm高时，很少或没有波动被观察到。

实例2。连续灌溉管对于诸如葡萄藤或猕猴桃藤这样互相间隔开20至40cm的植物来说不是必需的。在这些情形50下，更实用的是采用20-30mm内径的主柔软表面分配管51，从中抽出卫星管52，供应从10至30cm的短的长度，该长度依赖于藤、薄壁多微孔亲水灌溉管53的尺寸，该灌溉管53在其端部54上闭合，围绕着藤或灌木的根部55，如图5A和5B所示。

实例3。西红柿植物种植在盆栽土中，其中也放置有两个半径为1cm、长度为20cm的多微孔亲水管。该管连接到充满水和养分的存储器上。土保持干燥而植物生长以生成许多西红柿。

实例4。另一个实施例采用了1.25m长和1cm半径的Tyvek^R管。该管在一端上密封，通过乙醇中3％的多羟基苯乙烯溶液(来自TriQuest的酚醛清漆级)制成。该管埋没在1.4m的种植器中，覆盖以土，并连接到处于35cm恒定水压头的养分溶液供应上。十个樱桃西红柿(Lycopersicon sp)种子以等间距种植在管边上，水和养分通过该管供应。植物在调节阶段生长，同时暴露于16小时/天的荧光照明下。当植物为15cm高时，平均耗水75±10Ml/hr，当植物为25cm高时，平均耗水125±20Ml/hr。

当通过在床上喷洒100mL水以模拟降水时，有2个小时的耗水量降为零，并通过接下来的3个小时缓慢地回复到正常速率。

植物生长到60cm高，大量的西红柿得到丰收。在实验完成时，系统被测量，以确定是否植物之间对膜上空间存在任何竞争。根部系统的测量指示根只在离茎约2.5-5cm的范围内围绕膜。该发现将指示能够增加植物生长的密度到一个程度，使其只受到可得到的光流量和互相干涉的限制。

还表明的是，要求不同水和养分比率的不同植物可以一起生长，每个各自得到满足而没有监控。

实例5。当双膜系统用于分别供应水和养分时，对于8颗沙中的樱桃西红柿植物，消耗的水对消耗的养分溶液的比率约为2.5至1。再次地，当西红柿植物尺寸达到35cm高时，很少或没有波动被观察到。

长115cm、宽13cm、深10cm的种植器建立在温室中，用于水和养分的双供应膜管通过床的中央，该床包括50cm的Flexmat和50cm的rockwool，通过15cm的聚亚安酯泡沫体分开。Canola(Brassicasp)、豆(Phaseolus sp)、玉米(Zea Mays sp)和西红柿(Lycopersiconsp)的种子或秧苗种植在它们各自的介质和它们的生长模中。偏爱在Fleximat中的生长正常地进行着，除了聚亚安酯泡沫体，每个农作物以其自身的速率在50-60Mw/cm²的光流量下生长。根农作物，例如胡萝卜(Saucus carota var sativa sp)、萝卜(Raphanus sativussp)、甜菜根(Beta vulgaris sp)和洋葱(Allium sp)在土和泥煤中生长，而土豆(Solanum tuberosum sp)、欧洲防风草(Pastinacasativa sp)和欧芹(Petroselinum sativum var tuberosum sp)在蛭石中成功地生长。纤维素材料(SRI Petrochemical Co.)也可以用作人工生长介质。

确定的是，草(Gramineae sp)可以连续3年被灌溉，其中埋没的管形膜间隔40-50cm。

实例6。在另外一个例子中，两个疏水种植器(30×30×30cm)装备用于水/养分溶液的膜管，离底部约7cm。该介质允许根农作物生产直的主根，这是消费者在购买蔬菜时所关注的。一个种植器种以欧洲防风草(Saucus carota var sativa sp)种子。其他种植器种以欧芹(Petroselinum sativum var.tuberosum var.tuberosumsp)，一种叶子和根状茎的双目的农作物。植物竞争控制着每个种植器的越种发出(over-seeding issue)。植物只接收天然阳光，减小了“筛分(bolting)”的风险。极端温暖的温度是植物健康的关注点。

欧洲防风草根直着生长，产出总重38.9g。质地和味道都很好。欧芹生成直的主根，总重为38.3g。生成的叶比通常购买的具有更长的叶柄，总重为58.9g。

本领域技术人员将理解的是，具有不同水需求的植物可以通过本发明的实施例满足，其中采用一个持续多孔亲水灌溉管，以允许每个植物独立于其他植物获得其所需的水。这样的需求通常在温室中需要，其中许多不同的植物在一个屋顶下培育。

还示出的是，具有两个通道--个用于水，另一个用于养分--的亲水灌溉管完全能够满足植物的需要，并增加了植物的密度，而只受到可得到的光照的限制。

还示出的是，商业上可得到的薄壁多微孔疏水管可以转化为亲水管，从而对植物及它们的根作出响应。这样的管可以包括，但是不限于，高压灌溉管，尽管它们在本发明中的使用不需要用高压。

还示出的是，双膜管如何能够为一个或多个植物连接到容器中，从而植物能够根据需要从各个存储器得到水和养分的供应，进而无需注意或检测，只要在管存储器中可以得到水。在专门的实施例中，水管对养分管的直径比率为3∶1是最佳的，尽管这不旨在限制，而且显然依赖于养分浓度和植物类型。

还示出的是，免除了污染的有机物质并对灌溉系统无响应的水系统可以通过添加微量的一种或多种碳氢化合物到水供应中而变得响应于灌溉系统。

还示出的是，本发明的灌溉系统可以用于替换滴灌系统中的发射器，从而使水和/或养分的释放响应于根部。在专门的实施例中，已经发现，在已知的滴灌系统和本发明的系统之间，使用的水量差100至500个因子。

在另一个实施例70(图9)中，压力调节设备，例如浮动流量控制阀71(图10)置入到存储器72、73和管74、75之间。此外，入口过滤器76可以添加用于过滤特殊物质。在专门的实施例中，浮动控制器71可操作用于在1和3psi之间调节压力，尽管这些值不旨在作为限制。压力值是可调的，例如通过将浮动流量控制阀设置于管74、75上特定水平，例如对于专门的管材料和系统，28英寸。

图10示例的浮动控制阀71，水入口77进入腔79的顶端78，并附于浮子80上，该浮子浮动在维持水位81上。水经由腔79底部83上的出口82流出，且空气通孔84提供用于维持大气压力。该灌溉管74、75示出为位于地平面之下。管水平面之上的高度85可以调节，腔的容积可以例如根据想要的通过系统70的流速而选择。

已经发现，浮动流量控制阀71的加入允许最小的运行压力得以维持，且不超出最大的压力。不管管74、75相同还是不同，需要最小的压力以使流体通过。如果提供太大的压力，流体将流过管74、75的孔而不管表面活性剂根释放物的存在或不存在。

该系统70允许压力的维持而无需采用其他更昂贵类型的压力调节器、电子阀或流量调节器。该系统70在景观应用中容易隐藏，并且足够坚固以用于农业应用。

草部分已知地在基本隔离的情况下生长，例如在高尔夫球场，其中绿地形成在地面充满土的洼地上，并持续地或以预定的间隔供应水和养分。在这样的布置中，本发明的系统可以基于需要理想地提供水和养分到草的根部，从而节省了水和养分，并确保了绿地最佳的营养物。

下面的表1-4包括在室内(表1)和室外(表2)进行的实验的数据，和水和养分的流速(表3)，及系列的和单个植物的给水结果(图4)。

a两个分开的用于水和养分的供应管。

b甜菜没有成熟，尽管叶子是充足的。

c豆根显现为在整个种植器中爬下，并遍及整个生长介质。

d该系统是用于在国际空间站中植物生长的模型。

a玉米、西瓜没有采用和生长。

b 1、1.5和2ft的灌溉管的间隔(40-50cm，10ft长)。

a具有两个管的种植器，一个用于水(W)，另一个用于养分溶液(N)。存储器周期地相互交换以消除任何膜效应。流速单位Ml/hr；实验时间3月18日至7月16日。

a实验时间：2月19日至6月6日。

本发明另一方面在于制造用于“按需供水”系统的管。在一种方法中，低孔隙率物质的薄片涂敷以上述多羟基苯乙烯，并通过例如热、超声或脉冲方式形成为圆柱形。

尽管不旨在限定，下面将提供对多羟基苯乙烯聚合物(图6)运作的可能的解释。首先，多羟基苯乙烯如何附于膜上：多羟基苯乙烯具有两个团：羟基(OH)，其亲水并能够与水氢结合，和苯乙烯团，其包括苯环(-C₆H₄-)，附于乙烯团(＝CH-CH₂-)，两个都是疏水的，并可以粘附于疏水的聚乙烯膜，留下亲水(OH)团，其与水形成弱的氢结合。

如上所述，聚合物可以用作通过膜的毛细管。已经示出，水中的有机杂质10⁵-10⁶倍地更容易粘附于毛细管的出口端，其中有一个气-液-固平衡(也即空气-水-膜)。有机杂质沿着毛细管壁保持平衡，其中该平衡只在液体和固体之间。这样，出口孔表面由于对水和/或养分溶液中微量有机杂质的吸收而变为疏水性。

当植物需要水时，其释放出称为释放物的化学物质，其可以包括表面活性剂，该表面活性剂移除出口壁处粘附的有机化合物，来自灌溉管的流体现在允许流动了。这在现有技术中表示为两个不同的膜，如上面结合图7-8L的讨论。

高纯净水没有有机杂质。一些家庭水供应经常被净化到这样的程度，使得只有非常少的有机杂质保留着。这将导致只有在大量的、通常没有必要的水通过膜之后孔的闭合。由于有机物的移除和它们在膜上的沉积之间的时间延迟和孔的闭合，该结果将是不合适的。另一方面，因为通过根部释放的表面活性剂的数量有限，水中太多的有机容量能够导致闭合孔打开的延迟。

已经发现的是，通常植物所需的膜的面积最好通过这样的管获得，该管直径约等于1cm半径，最大厚度为0.5mm，孔尺寸从0.1到5um，优选平均值为0.4um，尽管这不旨在作为限定，其他孔隙值也可以采用。膜的该部分将与植物的根接触。膜管的短的部分可以通过小直径管供应水和/或养分，但是必须注意防止管中空气的锁止。1cm内径的管不认为是太大。由于供应管路暴露于光线(阳光或人工光线)下，有必要采用不透明管，否则太阳激活光将导致藻类的生成，这将最终堵塞孔。可以相信的是，疏水膜的涂层主要地允许导致的亲水表面变为疏水性并闭合孔。让内孔保持不涂敷将限制通过膜的水流。

在前面的描述中，某些术语出于简洁、清楚和易于理解的目的而采用，但是没有意味着超出现有技术需要的不必要的限定，因为这样的词语用作描述的目的，并旨在广泛地解释。而且，这里示例和描述的装置的实施例只是例子，本发明的范围不限于结构的确切细节。

至此描述了本发明，优选实施例的结构、运行和使用，和取得的有利的新的和有用的结果。新的和有用的结构，及对于本领域技术人员显而易见的合理的机械等同物，在后面的权利要求中阐明。

Claims (9)

1.用于传送水和养分到植物的系统，包括：

多微孔管，该多微孔管包含亲水聚合物，该管的末端部邻近植物的根系统安置，该管具有从中通过的内腔，用于将水溶液从入口引导到该末端部，该管具有孔隙，当受到含有表面活性剂的根释放物的作用时，该孔隙允许水溶液从中流过；

存储器，该存储器适合于在其中容纳水溶液；和

压力调节设备，该设备在上游端与该存储器、在下游端与该管的入口流体连通，以提供至少一个最小的压力值以允许流体流过该管，和至多一个最大的压力值，在该最大的压力值之上时，即使没有含有表面活性剂的根释放物，流体也将流过该管。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述压力调节设备提供在1至3psi范围内的压力值。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述压力调节设备包括浮动流量控制阀。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述压力调节设备可调节，以获得多个运行压力。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述的亲水性聚合物为多羟基苯乙烯。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述多微孔管包括第一多微孔管，所述存储器包括第一存储器，用以容纳至少水，还包括：

第二多微孔管，该第二多微孔管涂敷和渗入有亲水聚合物，并具有位于邻近所述植物根系统的末端部，该第二管具有从中通过的内腔，用于将养分溶液从入口引导到该末端部，该第二多微孔管具有孔隙，当受到含有表面活性剂的根释放物的作用时，该孔隙适合于允许养分溶液从中流过，该第二多微孔管在该入口与所述压力调节设备的下游端流体连接；和

第二存储器，该第二存储器用于在其中容纳养分溶液，该第二存储器与所述压力调节设备的上游端流体连通。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述存储器包括：

容器，该容器具有用于在其中容纳水溶液的内部空间，该容器在当容纳有溶液的扩张状态和当溶液已经移除的收缩状态之间运动；

填充入口，该填充入口与该容器的内部空间流体连通以向其中添加溶液；和

分配管，该分配管与该容器的内部空间和该管入口流体连通，用以经由该压力调节设备提供溶液到亲水装置的内腔，该分配管中具有单向阀，用以防止来自管内腔的溶液回流到该容器的内部空间。

8.用于为植物建立权利要求1所述系统的方法，包括步骤：

将包含亲水聚合物的亲水薄片的侧面端连接起来以形成管；

将该管的末端部放置于人工植物生长介质中；

将植物种植在该生长介质中，该植物的根系统邻近该管末端部；

将该管的入口放置在最接近端以与适合于容纳水溶液的存储器流体连通；和

调节该管入口上游的水溶液的压力。

9.用于为植物建立权利要求1所述系统的方法，包括步骤：

将亲水聚合物涂敷于多微孔疏水薄片；

将该薄片的侧面端连接起来以形成管；

将该管的末端部放置于人工植物生长介质中；

将植物种植在该生长介质中，该植物的根系统邻近该管末端部；

将该管的入口放置在最接近端以与适合于容纳水溶液的存储器流体连通；和

调节该管入口上游的水溶液的压力。

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