CN104394684A - 人工土壤及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了作为天然土壤的替代物的：(1)一种仅供应水(如自来水)植物便可生长的人工土壤，其通过包括一种保肥性填料的粒化物而具有卓越的肥料保持性，以及一种所述人工土壤的制造方法；(2)一种人工土壤，其通过使用一种具有高保肥性的材料而仅吸附特定的肥料组分；以及(3)一种粒状植物培养材料，其具有：卓越的保肥性，不但具有高阳离子交换能力而且具有高阴离子交换能力；对植物可容易吸收的水的卓越的保水性；以及卓越的透气性，即使在保持水直到达到饱和状态的情况下，短时间内也能回到高透气状态。

Description

人工土壤及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种人工土壤和一种该人工土壤的制造方法、以及一种用于人工土壤的粒状植物培养材料。具体而言，本发明涉及一种人工土壤，仅供应水(例如自来水)植物便可生长；以及一种该人工土壤的制造方法；一种基于阳离子或基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤；以及一种用于人工土壤的粒状植物培养材料，其通过在由藻酸盐和多价金属离子形成的粒状凝胶中包含阳离子交换填料和阴离子交换填料而形成，并且其具有卓越的保肥性、卓越的保水性和卓越的透气性。

背景技术

近年来，由于蔬菜价格飞涨和家庭菜园的繁荣，各种人工土壤已经商业化，但是它们的品质差异很大，因为它们大多使用天然材料，尤其是例如泥煤苔等天然有机材料，由于资源枯竭和环境破坏的问题等，获得一种具有高品质的材料是很困难的。

如上所述，从由多孔微孔结构导致的轻量、高透气性和保水性、由高的阳离子交换量导致的高保肥性以及低价格的角度来看，泥煤苔已被适宜地用作人工土壤材料之一，所述人工土壤可用于代替天然土壤。尽管泥煤苔因多孔微孔结构而具有卓越的保水性，但是当完全干燥时，其具有很强的疏水性，问题在于即便再向其中加入水，也很难保持水分。此外，当为了阻止泥煤苔干燥而供应大量的水时，问题在于保持过多的水，以及透气性差，这会造成根腐和病害。

为了解决这个问题，提出了许多天然土壤的替代品，例如藻酸凝胶和多孔无机材料等。

JP 6-209662A公开了一种无菌植物用人工土壤，其用于在无菌环境下培育植物种子或再生组织，其中人工土壤形成一种具有凝胶化支持材料的粒状或线形的成形体并且该成形体是聚集的。通过使用例如藻酸盐等作为凝胶化支持材料来形成粒状凝胶，从而同时保证保水量和透气性。然而，由于在专利文件1的人工土壤中粒状凝胶只通过离子交联藻酸盐来形成，所以不能获得足够的保肥性。

JP 2002-80284 A公开了一种阳离子交换量为50-400(cmol/kg)且中位孔径分布为0.01-15.00(μm)的无机多孔材料，其中沸石在外部边缘部分形成。然而，由于无机多孔材料的孔径很小，为15μm以下，因此植物很难吸收水分。另外，推测阴离子交换量低，因为虽然具体指明了阳离子交换量，但是未使用阴离子交换材料。此外，存在这样的问题：在制造过程中必须在高温(800℃)下烧制并且包含微量的有毒金属和有害化学品等，因为使用了作为来自铸造厂的灰尘回收器的粉尘废物而排出的废弃的铸造用砂作为原材料。

JP 11-70384 A公开了一种通过将0.1-10重量％的藻酸盐溶液滴入至多价阳离子溶液中以交联藻酸而制造的珠型藻酸凝胶水处理剂。然而，由于不包含离子吸附剂，因此存在阳离子吸附能力和阴离子吸附能力低的问题。

另外，存在各种市售肥料。由于它们通常和水一起时容易坍塌且洗脱出的肥料组分的浓度高，因此植物很难吸收。也存在一种具有受控的坍塌的肥料以使肥料组分缓慢地排出，但是在这种情况下，获得施肥效果之前会花费一些时间。此外，在使用市售肥料的情况下，因为它们包含作为肥料所需的所有组分，所以当仅例如钾和磷等的特定的肥料组分不足时，不能仅施用不足的组分，并且可仅施用含有不必要组分的肥料。

在上述现有技术(专利文件)的肥料中，不存在仅包含特定肥料组分的肥料，而且即使肥料中的一种组分不足，也必须使用含有所有组分的肥料。

现有技术文献

专利文件

专利文件1：JP 06-209662 A

专利文件2：JP 2002-80284 A

专利文件3：JP 11-70384 A

发明内容

发明要解决的课题

本发明解决如上所述的传统的天然土壤的替代品所具有的问题，目的是提供：

(1)一种仅供应水(例如自来水)植物便可生长的人工土壤，其在将具有高保肥性的材料粒化后负载肥料组分，由此具有高保肥性；以及一种所述人工土壤的制造方法；

(2)一种人工土壤，其通过使用具有高保肥性的材料，从而仅吸附特定的肥料组分；以及

(3)一种粒状植物培养材料，其具有：高保肥性，不仅具有高阳离子交换能力而且还具有高阴离子交换能力；对植物可容易吸收的水的卓越的保水性；以及卓越的透气性，即使在保持水直到达到饱和状态的情况下，短时间内也能回到高透气状态。

解决课题的方法

本发明人为了解决上述目的而反复深入研究，结果发现可提供下述内容，并因而完成了本发明：

(1)一种仅供应水植物便可生长的人工土壤及所述人工土壤的制造方法，所述人工土壤包括保肥性填料的粒化材料，其中粒化材料负载肥料组分且粒径为0.2-6mm；

(2)一种基于阳离子的肥料组分负载的人工土壤，其中植物生长必需的至少一种阳离子被吸附在粒化的阳离子吸附剂上；以及一种基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤，其中植物生长必需的至少一种阴离子被吸附在粒化的阴离子吸附剂上；

(3)一种粒状植物培养材料，其由包含阳离子交换填料和阴离子交换填料的藻酸凝胶构成，其通过调整粒径、阳离子交换量和阴离子交换量至特定的范围而具有卓越的保肥性、卓越的保水性和卓越的透气性。

(1)本发明提供一种仅供应水植物便可生长的人工土壤，其包括保肥性填料的粒化材料，其中粒化材料负载肥料组分且粒径为0.2-6mm。

此外，本发明提供一种仅供应水植物便可生长的人工土壤的制造方法，包括以下步骤：

粒化保肥性填料以形成粒径为0.2-6mm的粒化材料；以及

在粒化材料中负载肥料组分。

本发明提供一种仅供应水植物便可生长的人工土壤的制造方法，包括以下步骤：

粒化保肥性填料和保水性多孔填料以形成粒径为0.2-6mm的粒化材料；以及

在粒化材料中负载肥料组分。

关于人工土壤，为了适当地实施本发明，希望：

所述粒化材料是多孔的且具有阳离子交换量为5meq/100cc以上并且阴离子交换量为5meq/100cc以上的阳离子和阴离子的吸附能力；以及

所述人工土壤进一步含有保水性填料的粒化材料，保水性填料的粒化材料是多孔的且粒径为0.2-6mm。

此外，关于所述人工土壤的制造方法，为了适当地实施本发明，希望：

进行粒化的步骤以使粒化材料为多孔；

所述粒化步骤包括以下步骤：

粒化保水性填料以形成粒径为0.2-6mm的多孔粒化材料；以及

混合保水性填料的粒化材料和保肥性填料的粒化材料。

(2)本发明涉及一种基于阳离子的肥料组分负载的人工土壤，其中植物生长必需的至少一种阳离子被吸附在粒化阳离子吸附剂上。

此外，本发明涉及一种基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤，其中植物生长必需的至少一种阴离子被吸附在粒化阴离子吸附剂上。

而且，本发明涉及一种肥料组分负载的人工土壤，其包括所述基于阳离子的肥料组分负载的人工土壤和基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤。

关于基于阳离子的或基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤，为了适当地实施本发明，希望：

植物通过植物(根)酸可容易地吸附阳离子或阴离子；

所述阳离子吸附剂选自沸石、蒙脱石、云母、蛭石、滑石、阳离子交换树脂、腐殖质及其混合物；

所述阳离子选自K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Mo²⁺及其混合物；

所述阳离子是K⁺；

所述阴离子吸附剂选自双氢氧化物和双氢氧化物类、水铝英石、伊毛缟石、高岭土、阴离子交换树脂及其混合物；

所述阴离子选自NO₃ ^-、PO₄ ^3-、SO₄ ^2-、Cl^-及其混合物；以及

所述阴离子选自NO₃ ^-、PO₄ ^3-及其混合物。

(3)本发明涉及一种由藻酸凝胶构成的粒状植物培养材料，其中粒状植物培养材料的粒径为0.2-6mm，阳离子交换量为5meq/100mL以上且阴离子交换量为5meq/100mL以上。

为了适当地实施本发明，希望：

pF为1.7-2.7的保水量处于每100mL的粒状植物培养材料为5-50mL的范围内；

所述粒状植物培养材料的每100mL为5-50mL的pF为1.7-2.7的保水量通过结合具有连续气孔结构的多孔颗粒而实现；

所述粒状植物培养材料的每100mL为5-50mL的pF为1.7-2.7的保水量通过将粒状植物培养材料本身多孔化而实现；

所述粒状植物培养材料的多孔化通过在制备粒状植物培养材料时进行真空冷冻干燥而实现或通过在制备粒状植物培养材料时配合亲水性表面活性剂从而在发泡后引发凝胶化而实现。

所述粒状植物培养材料包括阳离子交换填料和阴离子交换填料；

所述阳离子交换填料选自沸石、基于蒙脱石的矿物、基于云母的矿物、阳离子交换树脂和腐殖质；所述阴离子交换填料选自水滑石、水镁铝石、磷镁铁矿、磷铜铁矿、铜绿、水铝英石、伊毛缟石、高岭土和阴离子交换树脂；

具有所述连续气孔结构的多孔颗粒选自泡沫玻璃和高分子多孔介质。

发明效果

根据本发明：

(1)(i)由于传统使用的土壤并非包含许多肥料组分，因此需要在以后追加肥料组分。然而，在本发明的人工土壤中，因为肥料组分预先被负载在人工土壤中，因此不需要投入肥料。

(ii)由于通常使用的土壤的保肥力小，因此即使引进大量肥料，可能在土壤中也只保持一部分肥料，而大多数肥料会流失。另一方面，由于本发明的人工土壤具有高的保肥能力，如果预先保持充足的肥料组分，就几乎不需要追加施肥。

(iii)因为天然土壤中不存在硝化细菌，所以人工土壤不能把作为氮源的NH₄ ⁺离子转变为许多植物容易吸收的NO₃ ^-离子。然而，本发明的人工土壤可以吸附作为阴离子的NO₃ ^-离子。

(iv)本发明的人工土壤中，人工土壤吸附的作为肥料组分的K⁺、NO₃ ^-离子等，被从根分布的根酸等洗脱并溶于水从而被植物的根吸收，因此植物可以生长。只有在根酸分泌即植物需要营养物而分泌根酸时，肥料组分才会被洗脱，因此不存在由于人工土壤中的离子浓度过大而造成的肥料烧伤以及由于离子浓度不足而造成的营养缺乏的问题。

(v)因为人工土壤本身具有保肥性，所以通过供应水例如灌溉等，粒化材料中的肥料组分不流失，从而可长期释放肥料组分。

(2)因为天然土壤的保肥性小，所以如果混合大量的无机肥料，大多数肥料通过雨等流失掉，所以必需混合成一种缓释肥料或有机肥料。问题是，通过使用上述肥料，施肥效果的表达延迟。此外，由于包含在例如堆肥等有机肥料中的详细组分不清楚，因此很难以需求的量只添加不足的肥料组分。问题在于，如果追加肥料，有时一部分肥料组分不足，或者，相反，特定的肥料组分过量。

由于市售的化学肥料也包含氮(N)、磷(P)和钾(K)组分，且在所说的单一肥料的肥料中，中性盐型的肥料既包含阳离子又包含阴离子，例如KCl、MgSO₄和Ca(NO₃)₂等，所以很难在土壤中追加分别的肥料组分，例如，只追加阳离子或只追加阴离子。

此外，尽管存在适于每种蔬菜等的肥料配方，但由于是否适于要在通用(general-purpose)的土壤或栽培土中栽培蔬菜且混合成分不清楚，因此自身不能补偿不足的肥料组分等，从而成为任由发展趋势的栽培。

(i)相反，由于本发明的人工土壤是用于一种肥料组分的人工土壤，例如只有钾、只有磷、只有氮，因此使用者可以自由地改变肥料的组分构成和肥料的混合比，并且也可以精确地给现存的土壤施肥。此外，也可以形成最适于蔬菜的精确的肥料配方。

(ii)可以进一步结合具有卓越的保水性的组分或具有卓越的排水性的组分，也可自由设计化学性能如肥料组分，以及自由设计物理性能如保水性、透气性。因此，可以根据对象植物设计最适的土壤。

(iii)此外，也可以获得所述(1-iv)和(1-v)的效果。

(3)在粒状藻酸凝胶中包含阳离子交换填料和阴离子交换填料的粒状植物培养材料中，通过调整粒径、阳离子交换量和阴离子交换量至特定的范围可以提供一种粒状植物培养材料，所述粒状植物培养材料具有：卓越的保肥性，具有高阳离子交换能力和阴离子交换能力；对可被植物容易地吸收的水的卓越的保水性；以及卓越的透气性，即使保持水直到饱和状态也能在短时间内回到高透气状态。

具体实施方式

【用于人工土壤的粒状植物培养材料】

K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子是植物生长中必需的元素。若植物没有能力保持这些营养物，则最初由例如化学肥料等供给的营养物直接与水一起流掉，因而植物不能利用这些营养物。天然土壤具有吸附这些营养物的能力，但是在使用高分子材料等的情况下，必须人工附加这些能力。此外，氮是在植物生长中必需的元素，但是根据种类不同，有一种类型的土壤不能吸收作为阳离子的铵态氮而只能吸收作为阴离子的硝态氮，因而除了阳离子吸收能力以外，也要求阴离子吸收能力。在土壤中，由于被吸附在阳离子交换剂上的铵态氮NH₄ ⁺也可通过土壤中的例如硝化细菌之类的微生物转变为NO₃ ^-，因此可具有低的阴离子吸附能力。然而，在没有硝化细菌的人工土壤中，为了直接吸附NO₃ ^-，必须具备大的阴离子吸附能力。

土壤水围绕土壤颗粒表面存在，并且从存在于土壤颗粒最里层的吸湿水到存在于土壤颗粒最外层的重力水连续存在。土壤水状态的不同本质上是由吸附力的不同而造成的，按吸附力减小的顺序排列为吸湿水、毛细水和重力水。

pF值意指一种分离吸附在土壤上的水的力(吸引压力)，其以水柱的高度表示，具体地，如以下的表达式所示：

pF＝log h

也就是说，pF的值是土壤水的吸引压力“h(cm)”的常用对数，所述吸引压力以水柱的高度表示。当水柱高度是1cm时，对应的力为98.07Pa。例如，pF2.0代表以与100(10²)cm高的水柱压力相对应的力吸附的水分状态。此外，pF0代表在土壤孔隙中充满水而完全没有空气的状态，以及pF 7代表在100℃下只存在与土壤结合的水的热干燥状态。

可从植物的根吸收的水分是指从在降雨或灌溉后通常24小时后(当由于重力作用而向下运动的水少时)土壤中残留的水分(通常，pF1.7)到植物开始枯萎的凋萎点的水分(pF3.8)。因此，当pF值小于1.7时，土壤中的空气不足，因而植物遭受湿害。另一方面，当pF值大于3.8时，植物不能吸收水分，因而植物枯死。

此外，在可从植物的根吸收的水分中，pF 1.7-pF2.7的水分称作易效水，植物可以容易地吸收水分，从而生长良好。具有其他pF值的水分称作难效水，植物很难吸收水分，这样植物虽不枯死，但是植物的生长会衰败。如上所述，通常植物可容易吸收pF值为1.7至2.7的水。因此，在本发明中，每100mL植物培养材料的体积含水率被用作pF1.7-pF2.7的范围中的保水量。

为实现所述保水性，不仅仅规定了植物培养材料的孔径和孔隙率等，而且也将可从植物的根容易吸收的水分的保持量规定在特定的范围。例如，即使假定充足的保水性并规定植物培养材料的孔径和孔隙率，当植物培养材料包含因重力而排出的水分、植物难以吸收的难效水、及进一步与土壤结合的水分时，作为植物可以利用的水分不足，由此作为植物培养材料的保水性不足。因此，本发明希望：作为植物实际可利用的水分的保持量(在pF1.7-2.7的范围的保水量)为：每100mL粒状植物培养材料为5-50mL，优选为7-40mL，更优选为10-40mL。当保水量小于5mL时，很难保持植物长时间可容易吸收的水分。另一方面，当保水量大于50mL时，则保水状态下的透气性减小，因而植物很难生长。

本发明的所述用于人工土壤的粒状植物培养材料要求在由多价金属离子和藻酸盐形成的粒状藻酸凝胶中，含有阳离子交换填料和阴离子交换填料。

用于人工土壤的粒状植物生长培养材料的制造方法包括以下步骤：

(a)用藻酸盐的水溶液混合阳离子交换填料和阴离子交换填料并搅拌以形成混合液的步骤，

(b)将所得的混合液滴加至多价金属离子的水溶液中以形成凝胶化颗粒的步骤，以及

(c)用水清洗所得的凝胶化颗粒并干燥的步骤。

用作本发明的粒状植物培养材料的阳离子交换填料的实例包括沸石、蒙脱石等基于蒙脱石的矿物、基于云母的矿物、蛭石、腐殖质、阳离子交换树脂等；并且所述阳离子交换树脂的实例包括弱酸性阳离子交换树脂、强酸性阳离子交换树脂等。

希望所述阳离子交换填料的配合量相对于100质量份藻酸盐水溶液为2-40质量份，优选为5-40质量份，更优选为5-30质量份。当所述阳离子交换填料的配合量小于2质量份时，不能显示足够的离子交换能力。另一方面，当阳离子交换填料的量大于40质量份时，很难形成粒状的藻酸凝胶。

用于本发明的粒状植物培养材料的阴离子交换填料的实例包括：具有双氢氧化物作为主链的天然的层状双氢氧化物例如水滑石、水镁铝石、鳞镁铁矿、水镁铁石、铜绿等；合成的水滑石及水滑石类物质；粘土矿物例如水铝英石、伊毛缟石、高岭土等；阴离子交换树脂等，所述阴离子交换树脂的实例包括弱酸性阴离子交换树脂、强酸性阴离子交换树脂等。

希望所述阴离子交换填料的量相对于100质量份藻酸盐水溶液，为2-40质量份，优选为5-40质量份，更优选为5-30质量份。当阴离子交换填料的量小于2质量份时，不能显示足够的离子交换能力。另一方面，当阴离子交换填料的量大于40质量份时，很难形成粒状的藻酸凝胶。

用于本发明的粒状植物培养材料的藻酸盐的水溶液的实例包括藻酸钠、藻酸钾、藻酸铵等。另外，希望所述藻酸盐水溶液的浓度范围为0.1-5％，优选为0.2-5％，更优选为0.5-3％。当浓度小于0.1％时，难以生成藻酸凝胶，另一方面，当浓度大于5％时，粘度过高，因而便很难搅拌离子交换填料和藻酸盐的水溶液并滴加该混合液。

在本发明的粒状植物培养材料的制造方法中，在所述步骤(a)中，用藻酸盐的水溶液将阳离子交换填料和阴离子交换填料混合并搅拌以形成混合液，然后在步骤(b)中将所得的混合液滴加至多价金属离子的水溶液中以形成凝胶化颗粒。

作为用于本发明的所述粒状植物培养材料的多价金属离子的水溶液的实例，基本上只要是与藻酸盐反应并引起凝胶化的二价以上的金属盐的水溶液就不特别限定。这些实例包括多价金属的氯化物水溶液，例如氯化钙、氯化钡、氯化锶、氯化镍、氯化铝、氯化铁、氯化钴等；多价金属的硝酸盐水溶液，例如硝酸钙、硝酸钡、硝酸铝、硝酸铁、硝酸铜、硝酸钴等；多价金属的乳酸盐水溶液，例如乳酸钙、乳酸钡、乳酸铝、乳酸锌等；多价金属的硫酸盐水溶液，例如硫酸铝、硫酸锌、硫酸钴等。希望所述多价金属离子水溶液的浓度范围为1-20％，优选为2-10％，更优选为5-10％。当浓度小于1％时，难以形成藻酸凝胶。另一方面，当浓度大于20％时，金属盐溶解需要时间，并且使用过量的材料是不经济的。

所述藻酸盐，例如，藻酸钠是一种藻酸的羧基与Na离子键合的形式的中性盐，是水溶性的，尽管藻酸不溶于水。当将多价金属离子，例如，将Ca离子添加至藻酸钠的水溶液中时，引起离子交联从而凝胶化。藻酸盐和多价金属离子的所述性质是众所周知的，因而利用上述性质，藻酸钠被广泛的用作物性改进剂，例如增稠剂、胶凝剂、稳定剂等。

如上所述获得的本发明的粒状植物培养材料的粒径为0.2-6mm，优选为0.5-5mm，更优选为1-5mm。当粒状植物培养材料的粒径小于0.2mm时，粒状植物培养材料之间的孔隙小，因为孔隙中保持的水分通过毛细力而强保持，因而植物很难吸收孔隙中的水分；或者排水性降低，因而植物的根很难吸收空气中的氧气。另一方面，当所述粒状植物培养材料的粒径大于6mm时，所述粒状植物培养材料之间的孔隙大，植物可容易吸收的水量降低，因而植物可利用的水分——其不能长期流出——减少，且防止植物倒伏等支撑性降低。

粒状植物培养材料的粒径可根据所述粒状植物培养材料的制造方法的步骤(b)中的滴加时的混合液的粘度、以及步骤(a)中的混合液中的阳离子交换填料和阴离子交换填料的配合量来调整。当所述混合液的粘度低时，所述粒径小。当所述填料的配合量少时，所述粒径小。本说明书中，所述粒状植物培养材料的粒径使用网筛等分级调整。

要求本发明的粒状植物培养材料的阳离子交换量为5meq/100mL以上，优选为7-50meq/100mL，更优选为10-50meq/100mL。当所述阳离子交换量小于5meq/100mL时，不能显示出足够的离子交换性，并且即使添加营养物，也会通过灌溉等早早地流掉。另一方面，当阳离子交换量大于50meq/100mL时，会混合多余的材料，因而是不经济的。

要求本发明的粒状植物培养材料的阴离子交换量为5meq/100mL以上，优选为7-50meq/100mL，更优选为10-50meq/100mL。当所述阴离子交换量小于5meq/100mL时，不能显示出足够的离子交换性，并且即使添加营养物，也会通过灌溉等早早地流掉。另一方面，当阴离子交换量大于50meq/100mL时，会混合多余的材料，因而是不经济的。

在本发明的粒状植物培养材料中，如上所述，通过调整粒状植物培养材料的粒径至上述范围来调整粒状植物培养材料之间的孔隙大小，可以控制作为可容易被植物吸收的水的保水量或者确保要求的透气性。在本发明的所述粒状植物培养材料中，如果进一步增加可保持pF 1.7-pF2.7的水的这种孔隙，则可以获得更大的保水量。达成这种保水量的方法包括：一种与具有孔隙的材料——即具有连续气孔结构的多孔颗粒——结合的方法；以及一种使粒状植物培养材料本身形成多孔粒状植物培养材料的方法。使粒状植物培养材料本身形成多孔粒状植物培养材料的方法包括：一种在制造粒状植物培养材料时进行真空冷冻干燥的方法；或者一种在制造粒状植物培养材料时配制亲水性表面活性剂以在发泡后引起凝胶化的方法。具体地，这些方法包括这样一种方法，即在本发明的所述粒状植物培养材料的制造方法的步骤(c)中用真空冷冻干燥；这样一种方法，即在本发明的粒状植物培养材料的制造方法的步骤(a)中进一步混合发泡剂；等等。另外，仅仅为了提高保水性以保持更大体积的pF为1.7-2.7的水，通过混合分别的粒状材料可以达到更高的保水性。

如果本发明的粒状植物培养材料包含具有连续气孔结构的多孔颗粒，在所述本发明的粒状植物培养材料的制造方法的步骤(a)中，除了阳离子交换填料和阴离子交换填料之外，也可添加具有所述连续气孔结构的多孔颗粒。用于本发明的所述粒状植物培养材料中的具有连续气孔结构的多孔颗粒的实例包括具有连续气孔结构的泡沫玻璃、金属多孔介质、陶瓷多孔介质、聚氨酯泡沫等高分子多孔介质等。希望具有所述连续气孔结构的多孔颗粒的孔径为15-150μm。当所述多孔颗粒的孔径小于15μm时，植物很难吸收孔中的水分，因为保持在孔中的水分是通过毛细力强力保持的。另一方面，当孔径大于150μm时，pF为1.7-2.7范围的毛细水的量下降，因而在长时期内不会流掉的植物可利用的水分减少。

在本发明的所述粒状植物培养材料的制造方法的步骤(c)中，通过使用真空冷冻干燥法可使粒状植物培养材料本身形成多孔粒状植物培养材料。由于真空冷冻干燥为使水分在真空冷冻的状态下蒸发(升华)从而干燥，因此可以形成多孔粒状植物培养材料。所述真空冷冻干燥在真空度为0.5-1.0Pa、温度为-5至-10℃的条件下进行24-48小时。

在本发明的所述粒状植物培养材料的制造方法的步骤(a)中进一步包含发泡剂的情况下，在所述制造方法的步骤(a)中，除了阳离子交换填料和阴离子交换填料之外，也可添加所述发泡剂。作为所述发泡剂，优选亲水性表面活性剂。通过使用具有表示亲水-亲油平衡的HLB值10以上的亲水性表面活性剂作为所述发泡剂，可在搅拌时使混合液发泡。另外，表面活性剂没有限制，但是阳离子型或阴离子型表面活性剂由于在水溶液中产生离子从而可能被离子交换填料吸附，因此不优选。所述亲水性表面活性剂的具体实例包括聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯(花王株式会社制，商品名为“Rheodol TW-L120”，HLB值为16.7)、聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯(花王株式会制，商品名为“Rheodol TW-S120V”，HLB值为14.9)、聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯(花王株式会制，商品名为“RheodolTW-O120V”，HLB值为15.0)、聚氧乙烯山梨醇酐三油酸酯(花王株式会社制，商品名为“Rheodol TW-O320V”，HLB值为11.0)等。

另外，如上所述，K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等阳离子是植物生长必需的元素。若植物没有能力保持这些营养物，则最初由例如化学肥料等供给的这些营养物直接与水一起流掉，因而植物不能利用这些营养物。天然土壤具有吸附这些营养物的能力，但是在使用高分子材料等的情况下，需要人工附加这些能力。另外，氮是植物生长的必需元素，但是根据种类不同，有一种类型的土壤不能吸附作为阳离子的铵态氮而只能吸附作为阴离子的硝态氮，因而除了阳离子吸附能力以外，也要求阴离子吸附能力。在土壤中，由于被吸附在阳离子交换剂上的铵态氮NH₄ ⁺也可通过土壤中的例如硝化细菌之类的微生物转变为NO₃ ^-，因此可具有低的阴离子吸附能力。然而，在没有硝化细菌的人工土壤中，为了直接吸附NO₃ ^-，必须具备大的阴离子吸附能力。因此，由于本发明的粒状植物培养材料既具有卓越的阳离子交换能力又具有卓越的阴离子交换能力，因此它可适合用于人工土壤。

仅仅出于保水性的目的，当混合具有连续气孔结构的分别的粒状材料和本发明的所述粒状植物培养材料时，希望保水专用的粒状材料的孔径的孔径分布的峰值范围为15-150μm。当所述孔径分布的峰值小于15μm时，植物很难吸收孔中的水分，因为保持在孔中的水分通过毛细力而强保持。另一方面，当孔径分布的峰值大于150μm时，pF为1.7-2.7的范围的毛细水的量下降，因而在很长时期内不会流掉的植物可利用的水分减少。

【人工土壤】

本发明的仅供应水植物便可生长的人工土壤通过粒化保肥性填料形成粒径为0.2-6mm的粒化材料，然后在粒化材料上负载肥料成分来制造。

保肥性填料具有能够以离子的形式负载植物生长必需元素种类的阳离子交换能力和阴离子交换能力，并且可以释放被植物(根)酸(具体为例如柠檬酸等多价羧酸)吸附的离子。

另外，本发明的基于阳离子或基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤大致分为如下两种类型：一种阳离子吸附剂吸附植物生长必需的阳离子的人工土壤；以及一种阴离子吸附剂吸附植物生长必需的阴离子的人工土壤，而每种离子可详细地分成阳离子和阴离子。作为本发明的人工土壤的市售形式，人工土壤可根据每种离子的类型出售或可以以一些离子种类的混合物的形式分销。

以离子形式表示的植物生长必需的阳离子种类的实例包括K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺和Mo²⁺，或它们的混合形式。作为三种主要营养物的重要的阳离子种类的实例包括K⁺。

以离子形式表示的植物生长必需的阴离子种类的实例包括NO₃ ^-、PO₄ ³、SO₄ ^2-以及Cl^-，或它们的混合形式。作为三种主要营养物的重要的阴离子种类的实例包括NO₃ ^-和PO₄ ^3-。

基于阳离子的保肥性填料或阳离子吸附剂包括沸石、蒙脱石类矿物、云母类矿物、蛭石、阳离子交换树脂、腐殖质等。所述阳离子交换树脂的实例包括弱酸性阳离子交换树脂、强酸性阳离子交换树脂等。

基于阴离子的保肥性填料或阴离子吸附剂包括水滑石等双氢氧化物和双氢氧化物类、水铝英石、伊毛缟石、高岭土以及阴离子交换树脂等。所述阴离子交换树脂的实例包括弱碱性阴离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂等。

将所述保肥性填料或离子吸附剂粒化至粒径为0.2-6mm。具体地，所述保肥性填料或离子吸附剂可以为作为单体的初级粒子的形式，也可为初级粒子结合从而二次团粒化的形式，粒化至粒径为0.2-6mm，优选为0.5-5.0mm。当保肥性填料或离子吸附剂的粒径小于0.2mm时，水保持状态下的透气性因灌溉而减小，因而很难从植物的根吸入空气。另一方面，当粒径大于6mm时，保水性显著降低或防止植物倒伏的功能下降。

认为粒化保肥性填料或离子吸附剂的方法为通过将市售的粒状沸石和膨润土分级成适当的粒径来实施或通过用造粒机将粉体状的离子吸附剂粒化为球形或颗粒形状来实施，但是使用下述两种组合物的方法被认为是优选的方法：

(1)藻酸盐、其交联剂(多价金属离子)以及保肥性填料或离子吸附剂

(2)粘合剂和保肥性填料或离子吸附剂。

所述(1)中使用的藻酸盐的实施例包括藻酸钠、藻酸钾、藻酸铵等。作为多价金属离子的实例，只要是基本上与藻酸盐反应而引起凝胶化的二价以上的金属盐就不特别限制，这些实例包括多价金属的氯化物，例如氯化钙、氯化钡、氯化锶、氯化镍、氯化铝、氯化铁、氯化钴等；多价金属的硝酸盐，例如硝酸钙、硝酸钡、硝酸铝、硝酸铁、硝酸铜、硝酸钴等；多价金属的乳酸盐，例如乳酸钙、乳酸钡、乳酸铝、乳酸锌等；多价金属的硫酸盐，例如硫酸铝、硫酸锌、硫酸钴等。

就使用藻酸凝胶的粒化而言，用藻酸盐的水溶液将保肥性填料或离子吸附剂混合并搅拌以形成混合液，然后将所得的混合液滴加至多价金属离子的水溶液中从而形成凝胶化颗粒。希望所述保肥性填料或离子吸附剂的量相对于每100质量份藻酸盐水溶液为1-60质量份，优选为5-50质量份，更优选为10-40质量份。希望所述藻酸盐水溶液中藻酸盐的浓度为0.1-5质量％，优选为0.2-5质量％，更优选为0.5-3质量％。希望所述多价金属离子水溶液中的金属离子浓度为1-20质量％，优选为2-10质量％，更优选为5-10质量％。

所述(2)中粘合剂的实例包括高分子树脂类(例如聚乙二醇、聚乙烯、乙酸乙烯酯、纤维素衍生物(例如羧甲基纤维素)、丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂等)、多糖类(例如角叉菜胶、琼脂等)及树胶类(例如黄原胶、瓜尔豆胶、结冷胶等)。

就使用粘合剂的粒化方法而言，考虑到多种方法。例如，可列举如下方法：在粘合剂融化的状态下将保肥性填料或离子吸附剂与粘合剂混合，混合后使该混合物固化然后粉碎成适当的大小的方法，或使用第JP2006-169064A号公报中记载的造粒机的方法等，但是不限定于此。

在本发明中，从保水性的角度来看优选粒状材料是多孔的。为了形成多孔粒化材料，考虑到几种方法。例如，考虑将粒化材料本身制造成多孔粒化材料的方法、以及将多孔保水性填料与保肥性填料或离子吸附剂一起使用并粒化的方法等。

多孔粒化材料例如可通过冷冻干燥粒化材料本身的方法来形成。

在使用多孔保水性填料的情况下，在制造时可将保水性填料与保肥性填料或离子吸附剂一起混入。从制造的角度看，优选保水性填料也和保肥性填料或离子吸附剂同样地，粒径为数十μm级以下。

保水性填料的实例包括各种具有亲水性的矿物质和无机材料，例如沸石和蒙脱石类矿物、云母类矿物、滑石和双氢氧化物类等；多孔粒状材料，例如泡沫玻璃、多孔金属、多孔陶瓷、高分子多孔材料(具体地，聚氨酯泡沫粉碎品、聚乙烯醇(PVA)泡沫粉碎品、亲水性聚乙烯烧结体粉碎品)、亲水性短纤维等。

本发明的人工土壤中，除了保肥性填料或离子吸附剂以及保水性填料之外，根据需要，还可配合其他填料。其他填料的实例包括二氧化硅、活性碳、纤维素粉、维尼纶短纤维等。它们用于增量、颜色调节、以及增强形状保持性等各种目的。这些其他填料可在粒化时以合适的量与保肥性填料或离子吸附剂以及保水性填料一起配合。

本发明的人工土壤中的保肥性填料或离子吸附剂的量的范围为总量(凝胶化并干燥后的人工土壤的量)的20-95质量％，优选为30-80质量％。当小于20质量％时，保肥力不足。另一方面，当量大于95质量％时，保水性倾向于不足。

本发明的人工土壤中的保水性填料的量的范围为总量(凝胶化并干燥后的人工土壤的量)的5-70质量％，优选为5-60质量％。当小于5质量％时，保水力不足。另一方面，当量大于70质量％时，保肥性倾向于不足。

就其他填料而言，根据目的而配合，其使用量没有限定，本发明的人工土壤的其他填料的量为总量的90质量％以下。当大于90质量％时，保肥性和保水性不足。

将肥料组分负载在按上述方法获得的粒化材料中。负载肥料组分的方法的实例包括一种在粒化后用离子溶液浸渍粒化材料的方法、一种在粒化过程中同时混合试剂和市售肥料等肥料组分作为填料的方法、一种通过在粒化过程中的化学反应作为离子化物质负载肥料组分的方法、及其组合的方法。

植物生长必需的元素主要是钾、磷和氮，特别是就蔬菜而言，要求它们是阳离子例如K⁺或是阴离子例如NO^3-、PO₄ ³⁺的形式。除了那些，还有例如钙、镁、硫等以中等大小的量需要的元素、和以微量需要的元素例如锰、硼等。

在包含植物必需元素的溶液中，需要的肥料组分通过保肥性填料或离子吸附剂的离子交换而负载在粒化材料上。由于有两种类型的离子吸附剂，也就是阳离子吸附剂和阴离子吸附剂，因此若阳离子吸附剂与作为肥料的硝酸钾溶液接触，则阳离子吸附剂只吸附钾离子(K⁺)，而不吸附作为阴离子的硝酸根离子(NO^3-)。因此，用此方法形成只负载钾离子(K⁺)的人工土壤。当阴离子吸附剂被用作该方法中的离子吸附剂时，同样是硝酸钾的情况下，通过阴离子吸附剂与硝酸钾溶液接触，形成了不吸附钾离子(K⁺)而只吸附硝酸根离子(NO^3-)的人工土壤。

一般此方法可以使用的肥料组分的实例包括硝酸钾溶液(作为阳离子的钾和作为阴离子的氮)、氯化钙溶液(钙)、磷酸二氢钙(作为阳离子的钾和作为阴离子的以磷酸根离子(PO₄ ^3-)的形式存在的磷)等。若用上述水溶液浸渍保肥性填料或离子吸附剂以及根据需要浸渍保水性填料时，则进行离子交换从而可获得具有各离子的人工土壤。

所获得的仅供应水植物便可生长的人工土壤成为含有钾和氮的人工土壤、含有钙的人工土壤、含有钾和磷的人工土壤以及含有镁和硫的人工土壤，含有所有肥料组分的人工土壤可通过以合适的量混合各肥料组分来形成。另外，可形成含有大量任意一种肥料组分的人工土壤。

上述的粒化材料，优选地，具有5meq/100cc以上的阳离子交换量(CEC)以及5meq/100cc以上的阴离子交换量(AEC)。阳离子交换量优选为7-50meq/100cc，更优选为10-50meq/100cc。当所述阳离子交换量小于5meq/100cc时，未显示出充足的离子交换性，即使吸附肥料，也会通过灌溉等早早地流掉。另外，阳离子交换量可大于50meq/100cc，但作为材料是不经济的。此外，阴离子交换量优选为7-50meq/100cc，更优选为10-50meq/100cc。当所述阳离子交换量小于5meq/100cc时，未显示出充足的离子交换性，即使吸附肥料，也会通过灌溉等早早地流掉。另外，所述阴离子交换量可大于50meq/100cc，但作为材料是不经济的。

本发明的人工土壤基本仅供应水(尤其是自来水)植物便可生长，其包含肥料组分。在使用通常的人工土壤的情况下，即使加入肥料组分，由于水量大，肥料组分也会流掉，因而肥料变不足。然而，由于本发明的人工土壤在粒化材料中保持肥料组分，植物可以通过植物产生的植物(根)酸的离子交换而有效地只吸收需要量的肥料组分。

本发明的基于阳离子或基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤具有的通过柠檬酸等根酸组分提取的各离子的总提取量为40meq/L以上，优选为50-150meq/L。当所述总提取量小于40meq/L时，在作为人工土壤使用的情况下，不能够满足一般的土壤中施肥时的施肥标准5-12meq/L。在奈良农业研究中心的施肥标准的具体实例为，K：10-50Kg/10a＝2-10.6meq/L，NO₃ ^-：10-50Kg/10a＝2-8.1meq/L，(PO₄)^3-：10-35Kg/10a＝3-11.1meq/L。

由于本发明获得的基于阳离子或基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤是负载植物生长必需的特定的阳离子或阴离子的人工土壤，因此可以施加肥料，尤其是根据植物的生长状态精确地施加必需的元素，因而非常有用。由于具有两种以上类型的离子的人工土壤可通过混合具有一种准确的离子的人工土壤来容易地制备，因此可以根据土壤或植物种类施加肥料，因而其利用范围极大地扩展。

就本发明的仅供应水植物便可生长的人工土壤和基于阳离子或基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤而言，只在其中加水植物便可生长，但是根据需要，也可与其他土壤组分、土壤等混合使用。

另外，在本发明的所述人工土壤中，当植物生长完成后肥料组分自然减少，但是根据需要，可通过再次装填必需元素来使用。

实施例

以下列举实施例进一步详细地说明本发明，但本发明不限定于此。

【用于人工土壤的粒状植物培养材料】

(实施例1-7、10-14和比较实施例1-10)

(1)混合液的制备

将以下表1-4所示的植物培养材料组合物的成分用家庭用搅拌器(三洋电机(株式会社)制的“SM-L57”)搅拌3分钟，制作混合液。

表1

表2

表3

表4

(＊1)人工沸石，EcowelInc制“Ryukyulite 600”

(＊2)膨润土，Kasanen工业株式会社制“Kansai Bentonite”

(＊3)试剂级水滑石，和光纯药工业株式会社制

(＊4)高岭土，昭和化学株式会社制“NK300”，

(＊5)二氧化硅，Hess Pumice Products，Inc.制“NCS-3”

(＊6)试剂级藻酸钠，和光纯药工业株式会社制

(＊7)泡沫玻璃，Trim株式会社制“Supersol”(平均孔径60μm)

(＊8)聚氨酯泡沫，AC化学株式会社制“AC sponge U”

(＊9)表面活性剂A：聚氧乙烯山梨醇酐单月桂酸酯，花王株式会社制“Rheodol TW-L120”，HLB值为16.7

(＊10)表面活性剂B：聚氧乙烯山梨醇酐单硬脂酸酯，花王株式会社制“Rheodol TW-S120V”，HLB值为14.9

(＊11)表面活性剂C：聚氧乙烯山梨醇酐三油酸酯，花王株式会社制“Rheodol TW-O320V”，HLB值为11.0

(＊12)表面活性剂D：山梨醇酐单棕榈酸酯，花王株式会社制“RheodolSP-P10”，HLB值为6.7

(＊13)表面活性剂E：单硬脂酸甘油酯，花王株式会制“RheodolMS-60”，HLB值为3.5

(2)粒状植物培养材料的制备

将按上述方法获得的混合液用刻度滴管缓慢滴加到作为多价金属离子水溶液的5％氯化钙水溶液中，滴加速度为每秒钟1滴。在滴加的液滴凝胶化成粒状材料后，回收粒状材料，用水清洗并在干燥机中55℃下干燥24小时。干燥后的粒状材料的粒径用网筛调整以使粒状材料在2mm直径筛孔的网筛上截留并通过(在下方)4mm直径筛孔的网筛而得到一种粒状植物培养材料。在比较实施例5和6中，增加滴加速度至约3mL/秒，滴加混合液以成为液滴互相连接的状态，在液滴以短纤维的形式凝胶化后，回收凝胶化纤维状材料，用水清洗并在干燥机中55℃下干燥24小时。然后将干燥的短纤维材料在研钵中精细地粉碎，再用网筛调整其粒径以使粉碎后的材料在75μm直径筛孔的网筛上截留并通过(在下方)106μm直径筛孔的网筛，之后用作样品。另外，在比较实施例2和4中，在多价金属离子水溶液中将混合液挤出成具有给定粒径的粒状材料。在粒状材料的凝胶化成特定大小后，回收粒状材料，用水清洗并在干燥机中55℃下干燥24小时。用网筛调整干燥后的粒状材料的粒径以使粒状材料在8mm直径筛孔的网筛上截留并通过(在下方)10mm直径筛孔的网筛，之后用作样品。

(实施例8)

除了使用真空冷冻干燥机(东京理化器械株式会社制“EyelaFDU-1100”)和方形干燥室(东京理化器械株式会社制“Eyela DRC-1100”)进行真空冷冻干燥(温度为-10℃，真空度为0.5Pa以及干燥时间为48小时)代替在干燥机中55℃下干燥24小时之外，按实施例1所述的方法制备粒状植物培养材料。

(实施例9)

除了使用真空冷冻干燥机(东京理化器械株式会社制“EyelaFDU-1100”)和方形干燥室(东京理化器械株式会社制“Eyela DRC-1100”)进行真空冷冻干燥(温度为-20℃，真空度为0.5Pa以及干燥时间为48小时)代替在干燥机中55℃下干燥24小时之外，按实施例1所述的方法制备粒状植物培养材料。

测定或评价了关于所获得的粒状植物培养材料的阳离子交换量(CEC)、阴离子交换量(AEC)、气相率、保水量(pF为1.7-2.7时)和萝卜的生长性，其结果分别见表12至表16。试验方法及评价方法如后述所示。

(实施例15)

作为保肥性填料，将10g沸石(阳离子交换性)、2g膨润土(阳离子交换性)和10g水滑石(阴离子交换性)添加至0.5重量％的藻酸钠溶液中，并用家庭用搅拌器(三洋电机(株式会社)制“SM-L57”)搅拌3min，制作混合液。使用刻度滴管以每秒钟一滴的速度将该混合液缓慢滴加至5重量％的作为多价金属离子水溶液的氯化钙水溶液中。在滴加的液滴凝胶化成粒状材料之后，回收凝胶化的粒状材料，用水清洗并在干燥机中55℃下干燥24小时。将得到的干燥后的粒状材料在5重量％的KNO₃水溶液中浸渍6小时，同时缓慢搅拌以进行离子交换，然后用水清洗并在干燥机中55℃下干燥24小时。干燥后的粒状材料的粒径用网筛调整，使粒状材料在2mm直径筛孔的网筛上截留并通过(在下方)4mm直径筛孔的网筛而得到一种包含钾和氮的人工土壤。

将按上述方法分别制备的凝胶颗粒在2.5重量％的KH₂PO₄水溶液中浸渍6小时，同时缓慢搅拌，并在干燥机中55℃下干燥24小时。干燥后的粒状材料的粒径用网筛调整，使粒状材料在2mm直径筛孔的网筛上截留并通过(在下方)4mm直径筛孔的网筛而得到一种包含钾和磷的人工土壤。

将按上述方法分别制备的凝胶颗粒在5重量％的Ca(NO₃)₂水溶液中浸渍6小时，同时缓慢搅拌，并在干燥机中55℃下干燥24小时。干燥后的粒状材料的粒径用网筛调整，使粒状材料在2mm直径筛孔的网筛上截留并通过(在下方)4mm直径筛孔的网筛而得到一种包含钙和氮的人工土壤。

使用上述三种人工土壤以重量比1∶1∶1的比例得到的混合物来确认萝卜的生长性，其结果见下表5。表5也示出了保肥性填料的种类和使用量、保水性填料的种类和使用量、其他填料的种类和使用量、人工土壤的阳离子交换量(CEC)和阴离子交换量(AEC)以及负载的离子溶液的种类。

(实施例16-24)

除了用表5-6中示出的那些填料来代替保肥性填料、保水性填料和其他填料之外，按实施例1所述的处理方法制备人工土壤。使用获得的人工土壤，评价萝卜的生长性，结果见表5。

(比较实施例11-23)

除了使用表6和表7中所记载的成分之外，按实施例15所述的方法处理样品。在比较实施例11-14中，未负载肥料离子。在比较实施例15-20中，有时基于阳离子或基于阴离子的保肥性填料的任意一种很少或者没有。在比较实施例21-23中，未使用保肥性填料，按实施例15所述的方法评价萝卜的生长性，结果见表6和表7。

表5

表5-2

表6

表7

(＊1)人工沸石，EcowelInc制“Ryukyulite 600””

(＊2)膨润土，Kasanen工业株式会社制“Kansai Bentonite”

(＊3)阳离子交换树脂，Organo Corporation制“Amberlite IRC-76”，

(＊4)试剂级水滑石，和光纯药工业株式会社制

(＊5)高岭土，昭和化学株式会社制“NK300”

(＊6)阴离子交换树脂，Organo Corporation制“Amberlite IRA-400”，

(＊7)泡沫玻璃，Trim株式会社制“Supersol”(平均孔径60μm)

(＊8)多孔聚乙烯，旭化成化学制“Sunfine AQ”

(＊9)开孔聚氨酯泡沫，AC化学株式会社制“AC sponge U”

(＊10)二氧化硅，Hess Pumice Products，Inc.制“NCS-3”

(＊11)试剂级活性碳，和光纯药工业株式会社制

(＊12)纤维素粉末，旭化成化学制“Ceolus”

(＊13)维尼纶短纤维，Kuraray Co.，Ltd.制“VF1203-2”

(＊14)试剂级藻酸钠，和光纯药工业株式会社制

【基于阳离子或基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤】

(实施例25)

作为阳离子吸附剂，添加10g沸石(阳离子交换性)至0.5重量％藻酸钠溶液中，并用家庭用搅拌器(三洋电机(株式会社)制“SM-L57”)搅拌3min，制备混合液。使用刻度滴管以每秒一滴的速度将该混合液缓慢滴加至作为多价金属离子水溶液的氯化钙水溶液中。在液滴凝胶化成粒状材料后，回收凝胶化的粒状材料。将该凝胶化的粒状材料在5重量％的KNO₃水溶液中浸渍6小时，同时缓慢搅拌以进行离子交换，然后用水清洗并在干燥机中55℃下干燥24小时。用网筛调整干燥后的粒状材料的粒径以使粒状材料在2mm直径筛孔的网筛上截留并通过(在下方)4mm直径筛孔的网筛而得到一种包含钾(K⁺)的人工土壤。

对于所得的人工土壤，用下述方法测定吸附离子的释放肥料的总量。

(实施例26-35)

除了将使用的离子吸附剂、根据需要的其他填料、藻酸盐、交联剂和负载的肥料组分改变为表8-表9中示出的那些以外，按实施例25所述的处理方法制备人工土壤。使用所得到的人工土壤，与实施例25同样地研究吸附离子的释放肥料的总量，结果见表8和表9。

(比较实施例24-29)

在比较实施例24-29中，除了使用表10和表11中记载的成分以外，按实施例25所述进行离子吸附处理。另外，在比较实施例24-29中，通过使用其他填料(高岭土、二氧化硅、沙子、泡沫玻璃)而不使用本发明中的离子吸附剂，按实施例25所述进行离子吸附处理。按实施例25所述测定释放肥料的总量，结果见表10和表11。

(比较实施例30)

在比较实施例30中，使用市售的培养土(Hanagokoro Co.，Ltd.制，Hana-chan Baiyodo)。按实施例25所述测定释放肥料的总量，结果见表11。

(比较实施例31-32)

在比较实施例31-32中，使用沙子和肥料，其为表11所示的肥料和100cc的沙子混合。按实施例25所述测定释放肥料的总量，结果见表11。表8

表9

表10

表11

(＊1)人工沸石：EcowelInc制“琉球lite 600”

(＊2)膨润土：Kasanen工业株式会社制“Kansai Bentonite”

(＊3)阳离子交换树脂：Organo Corporation制“Amberlite IRC-76”

(＊4)试剂级水滑石：和光纯药工业株式会社制

(＊5)阴离子交换树脂：Organo Corporation制“Amberlite IRA-400J”

(＊6)高岭土：昭和化学株式会社制“NK300”

(＊7)二氧化硅：Hess Pumice Products，Inc.制

(＊8)沙子：市售的标准沙子

(＊9)泡沫玻璃：Trim Co.，Ltd.制“Supersol”(平均孔径60μm)

(＊10)肥料-1：HyponexCo.，Ltd.制“Magamp K”

(＊11)肥料-2：Kohnan商事社制苦土石灰

(＊12)试剂级藻酸钠：和光纯药工业株式会社制

(＊13)藻酸钾：Kimika Corporation制“Kimika Algin K-3”，

(＊14)藻酸铵：Kimika Corporation制“Kimika Algin NH-3”

(试验方法及评价方法)

(1)阳离子交换量

各粒状植物培养材料的提取液用一种由富士平工业株式会社制的广泛使用的提取·过滤装置“CEC-10Ver.2”制备并作为样品用于阳离子交换量测定。各粒状植物培养材料的阳离子交换量通过使用富士平工业株式会社制的土壤·作物体综合分析装置“SFP-3”来测量。

(2)阴离子交换量

向2g样品中添加20mL 0.05M的硝酸钙溶液并搅拌1小时。将该混合液在室温下以10,000rpm离心1分钟后，分离上清液。上清液中的硝酸钙的浓度通过测定在410nm波长下的吸光度来确定。通过所得硝酸钙的浓度与0.05M的硝酸钙溶液的浓度的差算出单位重量样品吸附硝态氮的量，以比重换算，作为单位体积样品的阴离子交换量(AEC)。

(3)pF 1.7-2.7的保水量

在容量为500mL的聚乙烯制杯子的底部制造用于排水的洞，进一步将粒径为2-5mm的沙子铺在底部，从而制备底部不积存水的容器。将500mL的得到的粒状植物培养材料(吸收水直到达到毛细管饱和的状态)作为样品填充到容器中以使粒状植物培养材料保持其形状。将pF测量仪插入到填充的多孔颗粒或粒状植物培养材料中并固定，然后测定每24小时的样品的pF值和体积含水率。通过绘制作为保水性的毛细力和体积含水率而得到水分保持曲线，由对应于pF1.7-2.7的毛细力的范围内的体积含水率求出保水量。所述pF值和体积含水率的测定方法如下。

(a)pF值

pF值使用大起理化工业制pF测量仪“DIK-8343”来测定。

(b)体积含水率(VWC)

将测定所得到的植物培养材料的干燥状态的质量Wd、pF值时的质量作为Wp，体积含水率VWC通过下式计算来确定：

$\mathrm{VWC}(\%)=\frac{(\mathrm{Wp}-\mathrm{Wd})}{100}\×100$

(4)气相率

从上述(3)中形成的水分保持曲线求出pF为1.5的体积含水率，并且制备了具有该水分含量的样品。将该样品置于数位式实容积仪中来自动测量pF为1.5时的气相率。作为所述测定装置，使用大起理化工业株式会社制的数位式实容积仪“DIK-1150”。所述气相率的值越大，表示样品的透气性越好。

(5)萝卜的生长性

(i)萝卜的生长性1

在容量为300mL的聚乙烯制杯子的底部制造用于排水的洞，进一步将粒径为2-5mm的沙子铺在底部，从而制备底部不积存水的容器。将200mL的粒状植物培养材料或人工土壤作为样品铺在沙子上。播种一粒萝卜的种子(Red king)，供应充足的水使之发芽。其后，以每5天1次的频率供应30mL协和株式会社制“Hyponica liquid fertilizer(two-packtype)”的500倍的稀释液作为营养物，并且其间每天供应30mL自来水。根据如下所述的评价标准来评价萝卜的生长性，样品数量为3(N＝3)。

(评价标准)

○：生长良好；通常叶子和果实的生长与室外栽培的情况一样

△：生长缓慢；真叶未变大、果实未肥大

×：生长不良；萝卜枯萎

(ii)萝卜的生长性2

除了不供应自来水，按所述“萝卜的生长性1”的评价方法来评价萝卜的生长性，样品数量为3(N＝3)。

(6)人工土壤中吸附离子总释放量的测定方法

将人工土壤边摇动边填充至量筒中，量取100cc的人工土壤。然后，将该人工土壤填充至色谱管中，缓慢倒入100cc的离子交换水。在水流下去之后，重复50次再次倒入100cc的水的操作。随后，向其中缓慢倒入100cc的柠檬酸以提取人工土壤中吸附的离子。用C3滤纸过滤提取液，并测定滤液中的提取离子的量。用柠檬酸提取的操作也重复50次以测定吸附离子的总提取量。

(试验结果)

表12

表13

表14

表15

(用于人工土壤的粒状植物培养材料)

从所述表12至表15所示的结果明显可知，实施例1-14的本发明的粒状植物培养材料与比较实施例1-10相比，具有高的阳离子交换量和高的阴离子交换量，从而具有卓越的保肥性；植物可容易吸收的pF为1.7-2.7的保水量变大，萝卜的生长性非常卓越。

在具有比比较实施例更卓越的性能的实施例中，就使用了具有连续气孔结构的多孔颗粒的实施例6-7、将真空冷冻干燥作为干燥步骤的实施例8以及使用了HLB为10以上的亲水性表面活性剂作为发泡剂的实施例10-12而言，结果为：pF为1.7-2.7的保水量更高，即使在只每5天供应1次液体肥料而不供应自来水的状态下，萝卜的生长性2也非常卓越。也就是说，通过提高保水性能够进一步降低供应水的频率。

与此相对，在未使用阴离子交换填料的比较实施例1中，阴离子交换量非常低，且萝卜的生长性非常差。在比较实施例2中，粒状植物培养材料的粒径大于比较实施例1，粒状植物培养材料之间的孔隙大所以保水性降低，从而萝卜的生长性比比较实施例1更差。

在未使用阳离子交换填料的比较实施例3中，阳离子交换量非常低，并且萝卜的生长性非常差。在比较实施例4中，粒状植物培养材料的粒径大于比较实施例3，粒状植物培养材料之间的孔隙大所以保水性降低，从而萝卜的生长性比比较实施例3更差。

在具有非常小粒径的粒状植物培养材料的比较实施例5-6中，由于粒状植物培养材料之间的孔隙小，植物很难通过毛细力吸收孔隙中的水，从而排水性降低，并且萝卜的生长性非常差。在只使用二氧化硅作为填料的比较实施例4中，阴离子交换量非常低，并且萝卜的生长性非常差。

在使用高岭土粉末和二氧化硅粉末作其它填料而未使用阳离子交换填料和阴离子交换填料的比较实施例7-8中，阳离子交换量和阴离子交换量非常低，并且萝卜的生长性非常差。

在使用具有连续气孔结构的多孔颗粒而未使用阳离子交换填料和阴离子交换填料的比较实施例9-10中，虽然保水性卓越，但是阳离子交换量和阴离子交换量非常低，并且萝卜的生长性非常差。

(人工土壤)

由上述表5至表7中的结果明显可知，实施例15-24的本发明的人工土壤与比较实施例11-23相比，由于预先负载肥料组分，因此具有高的阳离子交换量和高的阴离子交换量，从而具有卓越的保肥性，通过仅供应水，萝卜的生长性便非常卓越。

在未负载肥料组分的比较实施例11-14中，仅供应水时萝卜不生长，因为没有肥料组分。在任意一种肥料不足的比较实施例15-20中，产生生长性问题。在比较实施例21-23中，由于未使用保肥性填料，因此与没有肥料的情况相同，萝卜没有生长。

(基于阳离子或基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤)

由上述表8至表11所示的结果明显可知，实施例25-35的本发明的基于阳离子或基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤，与比较实施例24-32相比，只保持特定的基于阳离子或基于阴离子的肥料组分的量(释放肥料的总量)多，可以仅供应必要的肥料组分。

在未使用本发明的离子吸附剂的比较实施例24-29中，保肥量(释放肥料的总量)小，因而很难用作肥料。在比较实施例30(市售的培养土)和比较实施例31-32中，已经混合多种肥料组分，因而不能选定任意的肥料组分。

产业上的可利用性

本发明涉及一种仅供应水(特别是自来水)植物便可生长的人工土壤，以及一种该人工土壤的制造方法。该人工土壤不仅用作种植园或花坛的土壤，而且还可用作大面积的土地的土壤改良。

本发明的基于阳离子或基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤是仅负载肥料组分中不足的肥料组分的人工土壤，并且可以只精确地施加不足的肥料组分。

Claims (26)

1.一种仅供应水植物便可生长的人工土壤，其包括保肥性填料的粒化材料6和7，其中所述粒化材料负载肥料组分且粒径为0.2-6mm。

2.权利要求1所述的人工土壤，其中所述粒化材料是多孔的并且具有阳离子交换量为5meq/100cc以上以及阴离子交换量为5meq/100cc以上的阳离子和阴离子的吸附能力。

3.权利要求1所述的人工土壤，其还包括保水性填料的粒化材料，其中所述保水性填料的粒化材料是多孔的且粒径为0.2-6mm。

4.一种仅供应水植物便可生长的人工土壤的制造方法，其特征在于：

粒化保肥性填料以形成粒径为0.2-6mm的粒化材料，之后，在粒化材料中负载肥料组分。

5.权利要求1所述的人工土壤的制造方法，其中粒化的步骤以使粒化材料成为多孔的方式进行实施。

6.权利要求4所述的人工土壤的制造方法，其还：

粒化保水性填料以形成一种粒径为0.2-6mm的多孔粒化材料，混合保水性填料的粒化材料和保肥性填料的粒化材料。

7.一种仅供应水植物便可生长的人工土壤的制造方法，其包括以下步骤：

粒化保肥性填料和多孔保水性填料以形成粒径为0.2-6mm的粒化材料；以及

在粒化材料上负载肥料组分。

8.一种基于阳离子的肥料组分负载的人工土壤，其中植物生长必需的至少一种阳离子被吸附在粒状阳离子吸附剂上。

9.权利要求8所述的基于阳离子的肥料组分负载的人工土壤，其中植物可通过植物(根)酸容易地吸收阳离子。

10.权利要求9所述的基于阳离子的肥料组分负载的人工土壤，其中所述阳离子吸附剂选自沸石、蒙脱石、云母、蛭石、滑石、阳离子交换树脂、腐殖质及其混合物。

11.权利要求10所述的基于阳离子的肥料组分负载的人工土壤，其中所述阳离子选自K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Mo²⁺及其混合物。

12.权利要求11所述的基于阳离子的肥料组分负载的人工土壤，其中所述阳离子为K⁺。

13.基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤，其中植物生长必需的至少一种阴离子被吸附在粒状阴离子吸附剂上。

14.权利要求13所述的基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤，其中植物可通过植物(根)酸容易地吸附阴离子。

15.权利要求14所述的基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤，其中所述阴离子吸附剂选自双氢氧化物和双氢氧化物类、水铝英石、伊毛缟石、高岭土、阴离子交换树脂及其混合物。

16.权利要求15所述的基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤，其中所述阴离子选自NO₃ ^-、PO₄ ^3-、SO₄ ^2-、C1-及其混合物。

17.权利要求16所述的基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤，其中所述阴离子选自NO^3-、PO₄ ^3-及其混合物。

18.一种肥料组分负载的人工土壤，包括权利要求1所述的基于阳离子的肥料组分负载的人工土壤和权利要求13所述的基于阴离子的肥料组分负载的人工土壤。

19.一种由藻酸凝胶构成的用于人工土壤的粒状植物培养材料，其中所述粒状植物培养材料的粒径为0.2-6mm、阳离子交换量为5meq/100mL以上以及阴离子交换量为5meq/100mL以上。

20.权利要求19所述的粒状植物培养材料，其中pF为1.7-2.7的保水量的范围为：每100mL粒状植物培养材料为5-50mL。

21.权利要求20所述的粒状植物培养材料，其中每100mL粒状植物培养材料为5-50mL的pF为1.7-2.7的保水量通过结合具有连续气孔结构的多孔颗粒来实现。

22.权利要求20所述的粒状植物培养材料，其中每100mL粒状植物培养材料为5-50mL的pF为1.7-2.7的保水量通过使粒状植物培养材料本身形成多孔粒状植物培养材料来实现。

23.权利要求22所述的粒状植物培养材料，其中多孔粒状植物培养材料的形成通过在制备粒状植物培养材料时进行真空冷冻干燥或通过在制备粒状植物培养材料时配合亲水性表面活性剂从而在发泡后引起凝胶化来实现。

24.权利要求19所述的粒状植物培养材料，其包括阳离子交换填料和阴离子交换填料。

25.权利要求24所述的粒状植物培养材料，其中阳离子交换填料选自沸石、基于蒙脱石的矿物、基于云母的矿物、阳离子交换树脂和腐殖质；阴离子交换填料选自水滑石、水镁铝石、鳞镁铁矿、水镁铁石、铜绿、水铝英石、伊毛缟石、高岭土和阴离子交换树脂。

26.权利要求21所述的粒状植物培养材料，其中具有连续气孔结构的多孔颗粒选自泡沫玻璃和高分子多孔介质。