CN104780754A - 人工土壤培养基 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在作为使人工土壤粒子聚集而成的人工土壤培养基中，长期对栽培对象的植物持续地提供水分，并可根据栽培对象的植物高度地控制水分供应量的技术。本发明是人工土壤培养基(100)，其含有具有可吸收/释放水分的基部(10)的多个人工土壤粒子(50)，多个人工土壤粒子(50)由多种人工土壤粒子(50)构成，其中，多种人工土壤粒子(50)以水分吸收释放特性各自不同的方式设定，水分吸收释放特性表示基部(10)吸收水分的状态或从基部(10)释放水分的状态，多种人工土壤粒子(50)以水分可在不同种类的人工土壤粒子(50)之间移动的方式构成。

Description

人工土壤培养基

技术领域

本发明涉及一种可在植物工厂等利用的人工土壤培养基。

背景技术

近年来，在生长条件得到控制的环境下栽培蔬菜等植物的植物工厂增多。以往的植物工厂以莴苣等叶菜类蔬菜的水耕栽培为主，但在最近，对于不适于水耕栽培的根菜类也有尝试在植物工厂栽培的行为。为了在植物工厂栽培根菜类，需要开发作为土壤的基本性能优异、品质高、并且容易使用的人工土壤。于是，人工土壤要求具有能够减少对植物的浇水次数等、用天然土壤难以实现的独特的功能。

作为迄今为止开发的人工土壤相关的技术，有使泥炭苔等植物质天然有机物和沸石等矿物性材料分散混合的土壤改良剂(例如，参照专利文献1)。专利文献1的土壤改良剂由于与单独使用植物质天然有机物或矿物性材料的土壤改良剂相比，保水性优异，因此能够改良保水性差的土壤。

另外，有在多孔性物质和非多孔性物质构成的载体上附着表面活性剂的土壤浸透剂(例如，参照专利文献2)。就专利文献2的土壤浸透剂而言，由于非多孔性物质上附着的表面活性剂通过灌水迅速地脱离并扩散到土壤中，因此能够马上发挥水的浸透效果，另一方面，由于多孔性物质的细孔中保持有表面活性剂，因此表面活性剂不因灌水马上脱离。因此，能够长期发挥稳定的水的浸透效果。

另外，出于减少灌水次数的目的，有包含酸改性热塑性树脂发泡体和吸水性树脂的栽植基材(例如，参照专利文献3)。就专利文献3的栽植基材而言，由于将不具有过度的亲水性的酸改性热塑性树脂和保水性优异的吸水性树脂组合，因此具有充分的吸水性，并且能够大幅地减少灌水次数。

另外，具有将赤玉土等增量剂与吸水性高分子组合的栽培用土(例如，参照专利文献4)。就专利文献4的栽培用土而言，由于保水性及吸气性(通气性)优异，因此即使长时间不浇水，植物也不会枯萎，并且不会引起根腐。

现有技术文献：

专利文献

专利文献1：日本国特开平11-209760号公报(特别是，参照权利要求1)

专利文献2：日本国特开平11-256160号公报(特别是，参照第0011段)

专利文献3：日本国特开2002-272266号公报(特别是，参照第0048段)

专利文献4：日本国特开2003-250346号公报(特别是，参照第0017段)

发明内容

发明要解决的课题

在开发人工土壤时，在达到与天然土壤同等的植物培养能力的同时，例如，还需要能够对栽培对象的植物适当地供应水分或养分的控制功能。特别是，就水分供应量的控制功能而言，对于减少对植物的浇水次数、或实现对应于植物种类的最合适的栽培计划至关重要。若能够控制从人工土壤向外部释放水分、以及从外部将水分吸收至人工土壤的水分吸收释放特性，则能够实现具有天然土壤所不具有的独特功能的附加价值高的人工土壤。

但是，专利文献1-4的人工土壤所涉及的技术为，用任意一种人工土壤粒子单位进行土壤设计的技术。仅通过微细的一种人工土壤粒子内的改良来实现作为人工土壤培养基的大幅度的功能改变或改良是有限的。对于保水性等与水分有关的功能，仅通过在单一的人工土壤粒子内的改良来提高功能也是困难的。例如，如专利文献2或专利文献3所述，即使通过使一种人工土壤粒子中含有不同种类的物质从而使人工土壤粒子单体中水分释放特性存在差异，在聚集人工土壤粒子而构成人工土壤培养基的情况下，由于人工土壤粒子的特性被平均化，因此在单一的人工土壤粒子内的功能差异难以在人工土壤培养基整体中显现，未必能发挥如设计所述的功能。

本发明是鉴于上述问题点而作出的，其目的在于，提供一种在聚集人工土壤粒子而构成的人工土壤培养基中，可长期对栽培对象的植物持续地供应水分，并且可根据栽培对象的植物高度地控制水分供应量的技术。

解决课题的方法

用于解决上述课题的本发明的人工土壤培养基的特征结构为，一种人工土壤培养基，其含有具备可吸收/释放水分的基部的多个人工土壤粒子，

所述多个人工土壤粒子由多种人工土壤粒子构成，所述多种人工土壤粒子以水分吸收释放特性各自不同的方式设定，所述水分吸收释放特性表示所述基部吸收水分的状态或从所述基部释放水分的状态。

根据本结构的人工土壤培养基，由于通过以水分吸收释放特性各自不同的方式设定的多种人工土壤粒子构成人工土壤培养基，因此各种人工土壤粒子的水分吸收释放特性叠加，各人工土壤粒子的水分吸收释放特性相互补充。另外，在混合后的人工土壤粒子的水分吸收释放特性方面表现出协同效应。例如，在一种人工土壤粒子的水分吸收释放特性为早期吸收释放型、另一种人工土壤粒子的水分吸收释放特性为后期吸收释放型的情况下，两者的水分吸收释放特性相互补充，或者在水分吸收释放特性方面表现出协同效应，从而得到在植物的整个栽培期间可释放水分的人工土壤培养基。这样，本结构的人工土壤培养基与由单一的人工土壤粒子构成的人工土壤培养基相比，由于可得到宽泛的水分吸收释放特性，因此可以长期对栽培对象的植物持续地供应水分，能够减少浇水的频率。另外，通过改变人工土壤粒子的水分吸收释放特性的设定，能够任意地调整从人工土壤粒子的水分释放量或水分释放时刻，因此可以实现根据栽培对象的植物高度地控制水分供应量(即，设定最合适的水分释放计划)的人工土壤培养基。

在本发明的人工土壤培养基中，

优选地，所述多种人工土壤粒子以水分可在不同种类的人工土壤粒子之间移动的方式构成。

根据本结构的人工土壤培养基，由于水分可在不同种类的人工土壤粒子之间移动，因此通过设定各人工土壤粒子的水分吸收释放特性，能够更加高度地控制从人工土壤粒子的水分释放量或水分释放时刻等。其结果可以实现设定了最合适的水分释放计划的人工土壤培养基。

在本发明的人工土壤培养基中，

所述多种人工土壤粒子包括所述水分吸收释放特性以各自不同的方式设定的第一人工土壤粒子和第二人工土壤粒子，

优选地，所述第一人工土壤粒子具有比所述第二人工土壤粒子更为缓慢的水分吸收释放特性。

根据本结构的人工土壤培养基，由于第一人工土壤粒子具有比第二人工土壤粒子更为缓慢的水分吸收释放特性，因此第二人工土壤粒子释放水分后，还会从第一人工土壤粒子继续释放水分。其结果为可以长期对栽培对象的植物持续地供应水分，从而能够减少浇水的频率。

在本发明的人工土壤培养基中，

所述多种人工土壤粒子优选包括：

(a)第一人工土壤粒子，其以主要对栽培植物供应水分的方式设定所述水分吸收释放特性；

(b)第二人工土壤粒子，其以主要给所述第一人工土壤粒子补充水分的方式设定所述水分吸收释放特性。

根据本结构的人工土壤培养基，第一人工土壤粒子作为后期吸收释放型的人工土壤粒子而构成，其以主要对栽培植物供应水分的方式设定水分吸收释放特性；第二人工土壤粒子作为早期吸收释放型的人工土壤粒子而构成，其以主要给第一人工土壤粒子补充水分的方式设定水分吸收释放特性。因此，通过水分从早期吸收释放型的第二人工土壤粒子移动到后期吸收释放型的第一人工土壤粒子，始终向后期吸收释放型的第一人工土壤粒子补充水分。这样，若设定水分吸收释放特性以使水分在第一人工土壤粒子与第二人工土壤粒子之间采取特异的移动方式，则混合后的人工土壤粒子的水分吸收释放特性表现出显著的协同效应。其结果，可长期对栽培对象的植物持续地供应水分，从而能够减少浇水的频率。另外，也可根据栽培对象的植物高度地控制水分供应量。

在本发明的人工土壤培养基中，

作为所述多种人工土壤粒子，优选地包括：

(a)第一人工土壤粒子，其具有多孔质体作为所述基部，所述多孔质体是通过具有细孔的多个填料造粒而成；

(b)第二人工土壤粒子，其具有纤维块状体作为所述基部，所述纤维块状体通过聚集纤维而成。

根据本结构的人工土壤培养基，第一人工土壤粒子作为具有多孔质体作为基部的后期吸收释放型的人工土壤粒子而构成，所述多孔质体通过具有细孔的多个填料造粒而成；第二人工土壤粒子作为具有纤维块状体作为基部的早期吸收释放型的人工土壤粒子而构成，所述纤维块状体通过聚集纤维而成。因此，与上述同样地，混合后的人工土壤粒子的水分吸收释放特性表现出显著的协同效应。其结果为可长期对栽培对象的植物持续地供应水分，从而能够减少浇水的频率。另外，也可根据栽培对象的植物高度地控制水分供应量。

在本发明的人工土壤培养基中，

优选地将所述第一人工土壤粒子与所述第二人工土壤粒子的混合比例调整为30∶70-70∶30。

根据本结构的人工土壤培养基，通过将第一人工土壤粒子与第二人工土壤粒子的混合比例调整为30∶70-70∶30，第一人工土壤粒子和第二人工土壤粒子均衡良好地配合，且两者的水分吸收释放特性相互补充，或者在水分吸收释放特性方面表现出协同效应。其结果，可长期对栽培对象的植物持续地供应水分，从而能够减少浇水的频率。另外，也可根据栽培对象的植物高度地控制水分供应量。

在本发明的人工土壤培养基中，

优选地对所述多种人工土壤粒子中的至少一种赋予离子交换能力。

根据本结构的人工土壤培养基，通过对多种人工土壤粒子中的至少一种赋予离子交换能力，能够使人工土壤粒子持有植物培养所必需的肥料成分。因此，可实现具备与天然土壤相同的植物培养能力的人工土壤培养基。

在本发明的人工土壤培养基中，

优选地所述多个人工土壤粒子具有0.2-10mm的粒径。

根据本结构的人工土壤培养基，通过将人工土壤粒子的粒径设定为0.2-10mm，能够实现特别适于根菜类的栽培、且容易使用的人工土壤。

附图说明

图1是示出含有多个人工土壤粒子的本发明的人工土壤培养基的示意图。

图2是构成本发明的人工土壤培养基的人工土壤粒子的示意图。

图3是示出将后期吸收释放型的第一人工土壤粒子与早期吸收释放型的第二人工土壤粒子以约50∶50的比例混合而构成的人工土壤培养基的说明图。

图4是示出作为第一人工土壤粒子及第二人工土壤粒子的水分吸收释放特性的含水率与pF值的关系的图表。

图5是分阶段示出第一人工土壤粒子与第二人工土壤粒子之间的水分的行为的说明图。

图6是分阶段示出第一人工土壤粒子与第二人工土壤粒子之间的养分的行为的说明图。

图7是示出对于第一人工土壤粒子、第二人工土壤粒子、以及第一人工土壤粒子和第二人工土壤粒子的混合物，水分保持时间与保水量的关系的图表。

具体实施方式

下面，基于图1-图7对本发明的人工土壤培养基所涉及的实施方案进行说明。但是，本发明并非意在限定于以下说明的实施方案或附图中记载的结构。

＜人工土壤粒子＞

图1是示出含有多个人工土壤粒子50的本发明的人工土壤培养基100的示意图。人工土壤粒子50具备作为可吸收/释放水分的基体的基部10。基部10具有保水性材料。保水性材料从外部环境吸收并保持水分，并且可将保持的水分释放到外部环境。这里，“外部环境”是指人工土壤粒子50的外侧的环境。图1所示的多个人工土壤粒子50聚集的状态下的人工土壤培养基100中，在多个人工土壤粒子50之间形成的空隙S相当于外部环境。在外部环境可存在植物P的培养所必需的水分。就人工土壤粒子50而言，通过控制基部10从外部环境吸收水分的状态(水分吸收特性)、或将基部10保持的水分释放到外部环境的状态(水分释放特性)，能够调整向栽培对象的植物P的水分供应时期或水分供应量。这里，“水分吸收特性”及“水分释放特性”是指由水分吸收量、水分吸收时刻、水分释放量、水分释放时刻、保水量、含水量等与水分相关的物理量或时间表示的状态，在本说明书中，将该“水分吸收特性”及“水分释放特性”与后述的湿润性或pF值等水分关联特性合并规定为“水分吸收释放特性”。

〔第一人工土壤粒子〕

图2是示出构成本发明的人工土壤培养基100的人工土壤粒子50的示意图，举例示出基部10的结构为不同的两个类型。图2(a)中的人工土壤粒子50a为第一类型的人工土壤粒子，具备作为基部10的多孔质体10a。多孔质体10a以聚集多个填料3的方式构成粒状。可以考虑，在多孔质体10a中，多个填料3彼此不必互相接触，只要在一种粒子内介由粘合剂等维持一定范围内的相对的位置关系，聚集多个填料3而形成为粒状即可。构成多孔质体10a的填料3的表面至内部具有多个细孔4。细孔4包括各种形态。例如，在填料3为沸石的情况下，在该沸石的晶体结构中存在的空隙为细孔4，在填料3为水滑石的情况下，在该水滑石的层结构中存在的层间隙为细孔4。即，在本发明中“细孔”意指在填料3的结构中存在的空隙部、层间隙部、空间部等，这些不限定于“孔状”的形态。此外，在多个填料3之间，形成有可保持水分的亚μm级至亚mm级的连通孔5。细孔4分散配置在连通孔5的周围。由于在连通孔5主要含有水分，因此能够使人工土壤粒子50a具有一定的保水性。人工土壤粒子50a的粒径为0.2-10mm，优选调整到0.5-10mm。

填料3的细孔4的尺寸为亚nm级至μm级。例如，细孔4的尺寸可设定为0.2-800nm左右，在填料3为沸石的情况下，在该沸石的晶体结构中存在的空隙的尺寸(直径)为0.3-1.3nm左右。在填料3为水滑石的情况下，在该水滑石的层结构中存在的层间隙的尺寸(距离)为0.3-3.0nm左右。此外，作为填料3也能够使用有机多孔材料，这种情况下的细孔径为0.1-0.8μm左右。填料3的细孔4的尺寸可根据测量对象，使用气体吸附法、水银压入法、小角X射线衍射法、图像处理法等或组合使用这些方法，从而通过最合适的方法进行测量。

填料3优选使用对细孔4赋予离子交换能力的材料，以使人工土壤粒子50a具有充分的保肥力。在这种情况下，作为赋予离子交换能力的材料，可以使用赋予阳离子交换能力的材料、赋予阴离子交换能力的材料或两者的混合物。再有，也可另外还准备不具有离子交换能力的多孔材料(例如，高分子发泡体、玻璃发泡体等)，并通过压入或浸渍等将赋有上述离子交换能力的材料导入到该多孔材料的细孔，从而将其作为填料3使用。作为赋有阳离子交换能力的材料，可列举阳离子交换性矿物、腐殖质、及阳离子交换树脂。作为赋有阴离子交换能力的材料，可列举阴离子交换性矿物、及阴离子交换树脂。

阳离子交换性矿物，例如可列举蒙脱石(montmorillonite)、膨润土、贝得石、水辉石、皂石、硅镁石(stevensite)等蒙皂石(smectite)类矿物；云母类矿物、蛭石、沸石等。阳离子交换树脂，例如可列举弱酸性阳离子交换树脂、强酸性阳离子交换树脂。其中，优选为沸石或膨润土。阳离子交换性矿物及阳离子交换树脂也可以组合两种以上使用。阳离子交换性矿物及阳离子交换树脂的阳离子交换容量设定为10-700meq/100g，优选设定为20-700meq/100g，更加优选设定为30-700meq/100g。在阳离子交换容量不足10meq/100g的情况下，有不能够充分地吸收养分，吸收的养分也通过灌水等早期流失的风险。另一方面，即使令阳离子交换容量大于700meq/100g而保肥力过大，效果也不会大幅度提高，因而不经济。

阴离子交换性矿物，例如可列举具有双氢氧化物作为主要成份的天然层状双氢氧化物，如水滑石、水镁铝石、鳞镁铁矿、水镁铁石(sjogrenite，シェーグレン石)、铜绿等；合成水滑石及水滑石类物质；粘土矿物，如水铝英石、伊毛缟石、高岭土等。阴离子交换树脂，例如可列举弱碱性阴离子交换树脂、强碱性阴离子交换树脂。其中，优选为水滑石。阴离子交换性矿物及阴离子交换树脂可以组合两种以上使用。阴离子交换性矿物及阴离子交换树脂的阴离子交换容量设定为5-500meq/100g，优选设定为20-500meq/100g，更优选设定为30-500meq/100g。在阴离子交换容量不足5meq/100g的情况下，有不能够充分地吸收养分，吸收的养分也通过灌水等早期流失的风险。另一方面，即使令使阴离子交换容量大于500meq/100g而保肥力过大，效果也不会大幅度提高，因而不经济。

在填料3为无机天然矿物如沸石或水滑石的情况下，优选利用高分子凝胶化剂的凝胶化反应，以聚集多个填料3而构成粒状物(人工土壤粒子50a)。作为高分子凝胶化剂的凝胶化反应，例如可列举海藻酸盐、海藻酸丙二醇酯、结冷胶、葡糖甘露聚糖、果胶或羧甲基纤维素(CMC)与多价金属离子的凝胶化反应；通过卡拉胶、琼脂、黄原胶、刺槐豆胶、他拉胶等多糖类的双螺旋结构化反应的凝胶化反应。其中，对海藻酸盐与多价金属离子的凝胶化反应进行说明。作为海藻酸盐之一的海藻酸钠是海藻酸的羧基与Na离子结合形态的中性盐。海藻酸不溶于水，但海藻酸钠是水溶性的。若将海藻酸钠水溶液添加至多价金属离子(例如，Ca离子)的水溶液中，则在海藻酸钠的分子间引起离子交联从而凝胶化。在本实施方案的情况下，能够通过以下的步骤进行凝胶化反应。首先，使海藻酸盐溶解于水中，调制海藻酸盐水溶液，在海藻酸盐水溶液中添加填料3，将其充分搅拌，从而形成填料3分散于海藻酸盐水溶液中的混合液。接着，将混合液滴入多价金属离子水溶液中，使混合液中所含的海藻酸盐凝胶化成粒状。其后，将凝胶化的粒子回收进行水洗，并充分干燥。由此，得到人工土壤粒子50a，其为填料3分散于由海藻酸盐及多价金属离子形成的海藻酸凝胶中的粒状物。

凝胶化反应中可使用的海藻酸盐，例如可列举海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸铵。也可以组合两种以上使用。海藻酸盐水溶液的浓度设定为0.1-5重量％，优选为0.2-5重量％，更加优选为0.2-3重量％。在海藻酸盐水溶液的浓度不足0.1重量％的情况下，难以引起凝胶化反应，若超过5重量％，则由于海藻酸盐水溶液的粘度变得过大，因此难以搅拌添加有填料3的混合液、或难以将混合液滴入多价金属离子水溶液中。

滴入海藻酸盐水溶液的多价金属离子水溶液只要是能够与海藻酸盐发生反应从而引起凝胶化的2价以上的金属离子水溶液即可。作为上述多价金属离子水溶液的例子，可列举氯化钙、氯化钡、氯化锶、氯化镍、氯化铝、氯化铁、氯化钴等多价金属的氯化物水溶液；硝酸钙、硝酸钡、硝酸铝、硝酸铁、硝酸铜、硝酸钴等多价金属的硝酸盐水溶液；乳酸钙、乳酸钡、乳酸铝、乳酸锌等多价金属的乳酸盐水溶液；硫酸铝、硫酸锌、硫酸钴等多价金属的硫酸盐水溶液。也可以组合两种以上使用。多价金属离子水溶液的浓度设定为1-20重量％，优选为2-15重量％，更加优选为3-10重量％。在多价金属离子水溶液的浓度不足1重量％的情况下，难以引起凝胶化反应，若超过20重量％，则由于金属盐的溶解需要时间，并且使用过多的材料，因此不经济。

用于形成人工土壤粒子50a的填料3的粒状化，除了通过上述凝胶化反应实现以外，还可以通过用粘合剂的造粒法实现。其例如可以在填料3中添加粘合剂或溶剂等并混合，将混合物导入到造粒机，通过旋转造粒、流动层造粒、搅拌造粒、压缩造粒、挤出造粒、破碎造粒、熔融造粒、喷雾造粒等公知的造粒法实现。得到的造粒体根据需要进行干燥及分级，从而完成人工土壤粒子50a的制作。另外，也可在填料3加入粘合剂，进一步根据需要添加溶剂等并进行混炼，将其干燥并作成块状，然后用研钵及研钵棒、锤式研磨机、辊式破碎机等粉碎单元进行适当粉碎从而作成粒状物。该粒状物可直接用作人工土壤粒子50a，但优选进行过筛并调整到所希望的粒径后再使用。

粘合剂可使用有机粘合剂或无机粘合剂中的任意一种。有机粘合剂，例如可列举聚烯烃类粘合剂、聚乙烯醇类粘合剂、聚氨酯类粘合剂、聚乙酸乙烯酯类粘合剂等合成树脂类粘合剂；淀粉、卡拉胶、黄原胶、结冷胶、海藻酸等多糖类；动物胶等动物型蛋白质等天然产物类粘合剂。无机粘合剂，例如可列举水玻璃等硅酸类粘合剂、磷酸酸铝等磷酸盐类粘合剂、硼酸铝等硼酸盐类粘合剂、水泥等水硬性粘合剂。有机粘合剂及无机粘合剂也可以组合两种以上使用。

在填料3为有机多孔材料的情况下，人工土壤粒子50a的形成以与使用粘合剂的上述填料的粒状化法相同的方法进行，但也可将填料3加热至构成该填料3的有机多孔材料(高分子材料等)的熔点以上的温度，使多个填料3的表面彼此热熔接而形成粒状化，由此形成人工土壤粒子50a。在这种情况下，即使不使用粘合剂，也能够得到聚集多个填料3的粒状物。作为上述有机多孔材料，例如可列举使聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚乙烯醇、纤维等有机高分子材料发泡而成的有机高分子发泡体、将所述有机高分子材料的粉体加热熔融从而形成连续气泡结构的有机高分子多孔质体。

此外，虽未图示，但还可在人工土壤粒子50a的基部10的外表部设置与后述第二类型的人工土壤粒子50b同样的控制层。通过控制层，可更精密地控制人工土壤粒子50a的水分吸收释放特性。

具有如上所述构成的多个填料3造粒而成的多孔质体10a作为基部10的人工土壤粒子50a，具有难以从外部环境吸收相对的水分并且难以将相对的水分释放到外部环境的特性，从而作为水分吸收释放速度慢的后期吸收释放型的人工土壤粒子(第一人工土壤粒子50a)发挥作用。第一人工土壤粒子50a具有比后述第二人工土壤粒子50b更为缓慢的水分释放特性。

〔第二人工土壤粒子〕

图2(b)的人工土壤粒子50b为第二类型的人工土壤粒子，具备纤维块状体10b作为基部10。纤维块状体10b由纤维1的聚集体构成。在构成纤维块状体10b的纤维1之间形成有空隙2。纤维块状体10b能够在空隙2中保持水分。因此，空隙2的状态(例如，空隙2的大小、数量、形状等)与纤维块状体10b能够保持的水分量、即保水性有关。可通过改变形成基部10时的纤维1的使用量(密度)、纤维1的种类、粗细、长度等，调整空隙2的状态。此外，就纤维1的尺寸而言，粗细优选为1-100μm，长度优选为0.1-10mm。人工土壤粒子50b的粒径为0.2-10mm，优选地调整到0.5-10mm。

由于纤维块状体10b以能够在其内部保持水分的方式构成，因此作为纤维1优选使用亲水性纤维。由此，能够进一步提高纤维块状体10b的保水性。纤维1的种类可以是天然纤维或合成纤维中的任意一种，并根据人工土壤粒子50b的种类适当选择。作为优选的亲水性纤维，例如，可举例示出天然纤维如棉、羊毛、人造丝、纤维素等；合成纤维如维尼纶、氨基甲酸酯、尼龙、乙酸酯等。这些纤维中，更加优选为棉及维尼纶。作为纤维1，也可使用将天然纤维与合成纤维混纤的纤维。

构成纤维块状体10b时，也可在纤维1之间导入其他的保水性材料(为了与作为保水性材料的纤维1区别，下面称为第二保水性材料)。在这种情况下，纤维块状体10b除了本来所具有的基于纤维1之间空隙2的保水性之外，还可以具备基于第二保水性材料的保水力。作为将第二保水性材料导入到纤维块状体10b的方法，例如，通过将纤维1造粒而形成作为基部10的纤维块状体10b，并在造粒时添加第二保水性材料。另外，用第二保水性材料涂敷纤维1的表面的方法也有效。通过这些方法导入到纤维块状体10b的第二保水性材料优选在纤维1间的空隙2露出。在这种情况下，纤维块状体10b的空隙2的保水力得到大幅度的提高。

第二保水性材料可使用具有吸水性的高分子保水材料。例如，可列举聚丙烯酸盐类聚合物、聚磺酸盐类聚合物、聚丙烯酰胺类聚合物、聚乙烯醇类聚合物、聚环氧烷类聚合物等合成高分子类保水性材料；聚天冬氨酸盐类聚合物、聚谷氨酸盐类聚合物、聚海藻酸盐类聚合物、纤维素类聚合物、淀粉等天然高分子类保水性材料。也可组合两种以上这些第二保水性材料使用。另外，作为第二保水性材料，也可使用陶瓷等多孔材料。

纤维块状体10b可通过公知的造粒法形成。例如，可通过梳理装置等梳齐纤维1，并切割为3-10mm左右的长度，被切割的纤维1用旋转造粒、流动层造粒、搅拌造粒、压缩造粒、挤出造粒等方法进行造粒而形成。进行造粒时，也可在纤维1中混合树脂或糊浆等粘合剂并进行造粒，但由于纤维1容易互相缠绕并固着化，因此即使不使用粘合剂也可将纤维1加工成块状。

作为基部10而构成的纤维块状体10b的外表部，如图2(b)所示，能够包覆控制层20。通过设置控制层20，可更精密地控制纤维块状体10b的水分吸收释放特性。控制层20是具有可使水分子通过的超微细孔的膜。或者，也可以是可使水分从一侧浸透并移动到另一侧的浸透性膜。控制层20例如通过以下的方法形成在纤维块状体10b的外表部。首先，将造粒后的纤维块状体10b移至容器中，加入水至纤维块状体10b的体积(占有容积)的一半左右，从而使水浸入到纤维块状体10b的空隙2。接着，在浸有水的纤维块状体10b中，添加纤维块状体10b的体积的1/3-1/2的树脂乳液。在树脂乳液中也可混合颜料、香料、杀菌剂、抗菌剂、除臭剂、杀虫剂等添加物。接着，转动纤维块状体10b以使树脂乳液均匀地附着在其外表部，并且从纤维块状体10b的外表部浸渍树脂乳液。此时，由于纤维块状体10b的中心部浸有水，因此树脂乳液滞留在纤维块状体10b的外表部附近。其后，在烘箱中干燥附着有树脂乳液的纤维块状体10b，接着，使树脂熔融，并使树脂与纤维块状体10b的外表部附近的纤维1熔接，从而形成作为控制层20的树脂被膜。由此，纤维块状体10b的外表部被控制层20包覆，完成人工土壤粒子50b的制作。就控制层20而言，在树脂熔融时，树脂乳液中含有的溶剂蒸发，形成多孔质结构。所得到的人工土壤粒子50b可根据需要进行干燥及分级，从而调整粒径。控制层20也可形成从纤维块状体10b的外表部浸透至一些内侧的程度，以加强用于构成纤维块状体10b的纤维1的缠绕部分(纤维1彼此接触的部分)。由此，能够提高人工土壤粒子50b的强度及耐久性。控制层20的膜厚设定为1-200μm，优选设定为10-100μm，更加优选设定为20-60μm。此外，可根据需要设计控制层20，也可将不存在控制层20的纤维块状体10b直接作为人工土壤粒子50b。

将纤维块状体10b造粒时，也可使用短纤维作为纤维1。短纤维的长度优选为0.01-3mm左右。在这种情况下，用搅拌混合造粒装置搅拌短纤维的同时每次少量地投入树脂乳液，从而进行造粒。由此，形成纤维块状体10b的短纤维彼此通过一部分固定化，能够形成牢固的基部10。此外，也可在短纤维中先加水后进行造粒，其后，在控制层20中添加乳液从而完成纤维块状体10b的制作。

控制层20的材质优选为水不溶性、且难以被氧化的材质，例如，可举出树脂材料。作为这种树脂材料，例如可列举聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃类树脂；聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯等氯乙烯类树脂；聚对苯二甲酸乙二醇等聚酯类树脂；聚苯乙烯等苯乙烯类树脂。其中，优选为聚乙烯。另外，也可使用聚乙二醇等合成高分子类的凝胶化剂、或海藻酸钠等天然凝胶化剂来代替树脂材料。

也可赋予纤维块状体10b及控制层20离子交换能力。通过赋予纤维块状体10b及控制层20中的至少任意一方离子交换能力，能够使人工土壤粒子50b持有植物培养所必需的肥料成分，从而可实现具备与天然土壤同等的植物培养能力的人工土壤培养基。

具有聚集如上所述构成的纤维而形成的纤维块状体10b作为基部10的人工土壤粒子50b具有容易从外部环境吸收相对的水分、且容易将相对的水分释放到外部环境的特性，从而作为水分吸收释放速度快的早期吸收释放型人工土壤粒子(第二人工土壤粒子50b)发挥作用。第二人工土壤粒子50b具有比上述第一人工土壤粒子50a更加快速的水分释放特性。

＜人工土壤培养基＞

本发明的人工土壤培养基100由多种人工土壤粒子50构成，所述多种人工土壤粒子50以水分吸收释放特性各自不同的方式设定。图3是示出人工土壤培养基100的一例的说明图，所述人工土壤培养基100是通过将图2(a)中示出的水分吸收释放速度慢的(水分吸收释放特性缓慢的)后期吸收释放型第一人工土壤粒子50a、与图2(b)中示出的水分吸收释放速度快的(水分吸收释放特性快速的)早期吸收释放型第二人工土壤粒子50b以约50∶50的比例混合而构成的。在这种情况下，在人工土壤培养基100中，第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b处于互相接触状态的可能性高。本发明者们经过认真研究，结果发现：若对处于第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b接触的状态、或即将接触的状态下的人工土壤培养基进行洒水，则水分及养分在两粒子间表现出特异的行为。下面，对在人工土壤培养基100中的植物栽培所必需的水分及养分的行为机制进行说明。

图4是示出作为第一人工土壤粒子50a及第二人工土壤粒子50b的水分吸收释放特性的含水率与pF值的关系的图表。pF值是指用水柱的高度表示的土壤水分的吸引压的常用对数值，是表示土壤中水分由土壤的毛细管力吸引的强度的程度值。pF值为2.0时，相当于100cm水柱的压力。pF值表示土壤的湿润程度，若土壤含有充足的水分，则pF值低，为植物的根容易吸收水分的状态。另一方面，若土壤干燥，则pF值高，植物的根需要很大的力来吸收水分。在土壤中的缝隙不存在空气，被水全部充满的状态下pF值为0；而100℃的热干状态下的土壤中仅存在与土壤化合的水的状态下pF值为7。一般地，可栽培植物的土壤的pF值为1.5-2.7的范围，在本发明的人工土壤培养基中，若将pF值设定为1.5-2.7的范围，则可以使植物生长。本发明的人工土壤培养基中优选的pF值为1.7-2.7的范围，更加优选的pF值为1.7-2.3的范围。如图4中的图表所示，在pF值为1.5-2.7的范围时，第一人工土壤粒子50a的含水率为约5-27％，第二人工土壤粒子50b的含水率为约0-25％。若比较第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b，则在pF值为1.5-2.7的范围内，在第一人工土壤粒子50a的含水率与第二人工土壤粒子50b的含水率相等的条件下，第一人工土壤粒子50a的pF值总是高于第二人工土壤粒子50b的pF值。因此，在混合了第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b的土壤环境中，水分会从第二人工土壤粒子50b向第一人工土壤粒子50a移动。

图5是分阶段示出第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b之间的水分的行为的说明图。在图5中，省略第一人工土壤粒子50a及第二人工土壤粒子50b的内部结构，用斜线表示粒子内部的水分的状态。此外，该水分的状态(斜线区域)是为容易理解水分量而示出的，并不是示出实际的粒子内中的水分分布。

若对人工土壤培养基100进行洒水，如图5(a)所示，则水分吸收释放速度慢的第一人工土壤粒子50a还未完全吸收水分，而水分吸收释放速度快的第二人工土壤粒子50b处于基本上完全吸收了水分的状态。洒水完成后，第二人工土壤粒子50b将吸收的水分释放到外部。若水分的释放导致第二人工土壤粒子50b的pF值远低于第一人工土壤粒子50a的pF值(即，若第二人工土壤粒子50b的含水率为约20-25％)，则水分容易从pF值低的第二人工土壤粒子50b向pF值高的第一人工土壤粒子50a移动，如图5(b)所示，从第二人工土壤粒子50b释放的水分使处于第一人工土壤粒子50a接近满水状态。此外，由于从第二人工土壤粒子50b释放的水分的一部分也会直接供应给植物，因此在此期间不会导致植物水分不足。如图5(c)所示，若第二人工土壤粒子50b几乎释放完水分，则充分吸收了水分的第一人工土壤粒子50a缓慢地向植物放水。另外，若在从第一人工土壤粒子50a释放水分的期间，对人工土壤培养基100进行洒水，则会重复进行图5(a)-图5(c)的阶段，从而可向植物持久地供应水分。这样，就本发明的人工土壤培养基100而言，通过水分在第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b之间移动，两者的水分吸收释放特性相互补充，进一步地，混合后的人工土壤粒子50的水分吸收释放特性表现出显著的协同效应。其结果，与由单一的人工土壤粒子构成的以往的人工土壤培养基相比，可得到宽泛的水分吸收释放特性，可长期对栽培对象的植物持续地供应水分，从而能够减少浇水的频率。此外，如果改变构成人工土壤培养基100的多种人工土壤粒子50的水分吸收释放特性的设定，则能够任意地调整水分释放量或水分释放时刻，因此可实现根据栽培对象的植物高度地控制水分供应量(即，设定最合适的水分释放计划)的人工土壤培养基。

图6是分阶段示出第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b之间的养分的行为的说明图。图6也与图5同样地，省略第一人工土壤粒子50a及第二人工土壤粒子50b的内部结构，用点表示粒子内部的养分的状态。此外，该养分的状态(点区域)是为容易理解养分量而示出的，并不直接反映实际的粒子内中的养分分布。

由于养分是溶解于水的状态下被植物吸收，因此养分移动的方式基本上由在第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b之间的水分的行为支配。这里，由于赋予第一人工土壤粒子50a离子交换能力，如图6(a)所示，因此使第一人工土壤粒子50a预先持有植物的成长所必需的养分。作为养分，除了作为三大要素的氮、磷、钾等各成分，还可列举作为中量元素的镁、钙、硫的各成分；作为微量元素的铁、铜、锌、锰、钼、硼、氯、硅酸的各成分等。若对人工土壤培养基100进行洒水，则如上所述，水分吸收释放速度慢的第一人工土壤粒子50a中还未完全吸收水分，而水分吸收释放速度快的第二人工土壤粒子50b处于几乎完全吸收水分的状态。洒水完成后，如图6(b)所示，第一人工土壤粒子50a所持有的养分溶解于第一人工土壤粒子50a所吸收的水分中，第一人工土壤粒子50a使养分的一部分与水分一起释放到外部的植物。另外，第一人工土壤粒子50a的养分的一部分，一旦释放到外部后，也会被第二人工土壤粒子50b吸收。此外，即使第二人工土壤粒子50b的水分含有量处于几乎饱和的状态，由于存在养分的浓度差，养分也可从第一人工土壤粒子50a向第二人工土壤粒子50b移动。其后，若第一人工土壤粒子50a及第二人工土壤粒子50b中的养分浓度大致相等，则如图6(c)所示，养分从第一人工土壤粒子50a及第二人工土壤粒子50b以依赖于各个水分释放速度的速度向植物释放。通过水分在第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b之间移动，从而人工土壤培养基100发挥宽泛的水分吸收释放特性，所以也可长期对栽培对象的植物持续地供应养分。

图7是示出对于第一人工土壤粒子50a、第二人工土壤粒子50b、以及第一人工土壤粒子50a及第二人工土壤粒子50b的混合物，水分保持时间与保水量的关系的图表。各图表示出，给各自人工土壤粒子灌水后的保水量随时间的变化。如图7的图表所示，混合第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b而成的人工土壤培养基(点划线)，与单独使用第一人工土壤粒子50a的人工土壤培养基(实线)、或单独使用第二人工土壤粒子50b的人工土壤培养基(虚线)相比，水分保持时间显著地延长，可理解为得到宽泛的水分吸收释放特性。如上所述，可以认为，其原因在于水分在第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b之间具有特异的移动方式。因此，若混合第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b而构成人工土壤培养基100，则两者的水分吸收释放特性叠加，从而水分吸收释放特性表现出显著的协同效应，其结果，可长期对栽培对象的植物持续地供应水分，并根据栽培对象的植物高度地控制水分供应量。

＜另一实施方案＞

作为上述实施方案以外的方案，下面，对本发明的人工土壤培养基100可采用的方案作为另一实施方案进行说明。

(1)本发明的人工土壤培养基100中，第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b的混合比例不限定于在上述实施方案中例示的约50∶50的比例，可根据栽培对象的植物的种类等适当改变。例如，栽培耐旱的植物时，可使第一人工土壤粒子50a多于第二人工土壤粒子50b。另外，对于在栽培初期需要大量水分的植物进行栽培时，若使第二人工土壤粒子50b多于第一人工土壤粒子50a，则从第二人工土壤粒子50b释放的水分被第一人工土壤粒子50a吸收，并且会填满人工土壤粒子之间的空间，因此能够形成湿润的土壤环境。可以根据人工土壤培养基100所要求的特性，对第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b的混合比例在30∶70-70∶30的范围内进行调整。

(2)在图3中示出的人工土壤培养基100的例中，混合了后期吸收释放型的第一人工土壤粒子50a与早期吸收释放型的第二人工土壤粒子50b，但人工土壤粒子的种类不限定于2种类，也可进一步混合水分吸收释放特性与这些不同的人工土壤粒子。例如，也可进一步混合对第一人工土壤粒子50a与第二人工土壤粒子50b之间进行补充的中期吸收释放型的多种人工土壤粒子，从而多阶段地控制水分吸收释放特性。

实施例

下面，对使用了本发明人工土壤培养基的实施例进行说明。该实施例中，在植物栽培期间，对基于不同人工土壤培养基的水分关联特性的变化进行测量(植物栽培试验1)。另外，对植物栽培期间的植物的生长状态进行确认(植物栽培试验2)。首先，在实施植物栽培试验之前，制作第一人工土壤粒子及第二人工土壤粒子。另外，使用第一人工土壤粒子和/或第二人工土壤粒子，调制实施例及比较例所使用的人工土壤培养基。

〔第一人工土壤粒子的制作〕

使用沸石及水滑石作为填料，使用海藻酸钠作为海藻酸盐，使用5％氯化钙水溶液作为多价金属离子水溶液。将和光纯药工业股份公司制的试剂海藻酸钠溶解于水中，调制浓度为0.5％的水溶液，在100重量份海藻酸钠0.5％水溶液中添加10重量份エコウエル股份公司制的人工沸石“琉球ライト600”和10重量份和光纯药工业股份公司制的试剂水滑石后进行混合。将混合液以1滴/秒的速度滴入至5％氯化钙水溶液中。滴入的液滴凝胶化成粒子状后，将粒子状凝胶回收并进行水洗，在设定为55℃的干燥机中干燥24小时。筛选干燥结束的粒子状凝胶并进行分级，得到大小为2mm以上、4mm以下的第一人工土壤粒子。该人工土壤粒子的阳离子交换容量为23meq/100g，阴离子交换容量为25meq/100g，粒径在0.2-10mm的范围内。

〔第二人工土壤粒子的制作〕

用搅拌混合造粒装置(有限公司G-Labo制)搅拌表观体积为1000cc的维尼纶短纤维(长度为0.5mm，股份公司可乐丽制)，旋转的同时添加将聚乙烯乳液(セポルジョン(注册商标)G315、住友精化股份公司制、浓度40重量％)稀释约10倍的聚乙烯乳液进行造粒，从而形成内部浸渍有聚乙烯乳液的粒子状纤维块状体。接着，添加相同的聚乙烯乳液使其体积为1/2，转动的同时浸渍乳液以使乳液均匀地附着在外表部。将浸渍了乳液的纤维块状体在烘箱中在60℃下干燥后，通在100℃下使乳液中的聚乙烯熔融并与纤维熔接而将短纤维彼此固定化，进一步用多孔质聚乙烯的通水性膜包覆纤维块状体的外表部，得到第二人工土壤粒子。该第二人工土壤粒子的粒径在0.5-10mm的范围内。

〔人工土壤培养基的调制〕

在实施例1中，调制含有50重量％第一人工土壤粒子及50重量％第二人工土壤粒子的人工土壤培养基。在实施例2中，调制含有30重量％第一人工土壤粒子及70重量％第二人工土壤粒子的人工土壤培养基。在比较例1中，仅以第一人工土壤粒子(第一人工土壤粒子100重量％)作为人工土壤培养基。在比较例2中，仅以第二人工土壤粒子(第二人工土壤粒子100重量％)作为人工土壤培养基。另外，比较例3使用市售的植物培养用人工土壤培养基“セラミス(注册商标)”。

〔植物栽培试验1〕

在装有各个人工土壤培养基的罐中栽植石柑子作为植物，在栽培开始时对人工土壤培养基进行充分的洒水。其后，不进行追加洒水，栽培植物20天。为了确认各个人工土壤培养基的水分吸收释放特性，作为栽培期间中的水分关联特性，测量湿润性、吸水量、放水速度、及保水天数的变化。这里，湿润性是指人工土壤培养基的瞬间水分保持力的指标。在上下开口的色谱柱填充人工土壤培养基，由从上部补充的水分量与从下部排出的水分量的差，求出单位体积的人工土壤培养基瞬间可保持的水分量(mL/100mL)作为湿润性。吸水量表示人工土壤培养基的长期水分保持力。求出通常的单位体积的人工土壤培养基可保持的水分量(mL/100mL)作为吸水量。吸水量一般比在湿润性试验中求出的水分值大。放水速度是指水分从装入有人工土壤培养基的罐释放到栽培体系外的速度。例如，将罐装入到充满水的桶中进行底面灌水，由栽培期间中的桶的水面下降量(即，水分减少量)求出放水速度。由于水分从桶的蒸发量大体可视为恒定，因此可进行人工土壤培养基不同导致的相对水分减少量的评价。保水天数为人工土壤培养基可保持水分的天数。通过从栽植植物的时间点到植物枯萎的时间点为止的天数时点间接地求出保水天数。表1中示出各个人工土壤培养基的水分关联特性的评价结果。

[表1]

◎非常良好

○良好

△略微不良

×不良

就实施例1及实施例2的人工土壤培养基而言，水分的湿润性及吸水量良好。另外，放水速度及保水天数非常良好。其结果，用实施例1及实施例2的人工土壤培养基栽培的植物从栽培初期表现良好的外观，之后也顺利地生长。另一方面，比较例1的人工土壤培养基的水分的湿润性略微不良，放水速度也可见一些劣化的倾向。其结果，用比较例1的人工土壤培养基栽培的植物，叶子的一部分枯萎并变色，外观变差。比较例2的人工土壤培养基的放水速度略微不良，保水天数不良。比较例3的市售的人工土壤培养基，放水速度及保水天数均不良。

〔植物栽培试验2〕

接着，在装入了各个人工土壤培养基的罐中，作为植物播种水萝卜的种子，在栽培开始时对人工土壤培养基进行充分的洒水。其后，进行适当洒水，栽培植物20天。为了确认植物的生长状态，测量栽培期间完成后的果实的大小、根长、根径。表2中示出各个人工土壤培养基中的植物生长状态。

[表2]

用实施例1及实施例2的人工土壤培养基栽培的植物，从栽培初期表现良好的生长状态，之后也顺利地生长。其结果为，果实的大小、根长、根径中的任何一种都有足够的尺寸。另一方面，用比较例1的人工土壤培养基栽培的植物，果实几乎不发育，而且也未出现出根。用比较例2的人工土壤培养基栽培的植物，果实的大小为略微小型，关于根长及根径，比实施例1或实施例2小一圈。用比较例3的市售的人工土壤培养基栽培的植物，根长不足够长，关于果实的大小及根径，结果比实施例1或实施例2更差。

由上可判明，本发明的人工土壤培养基作为土壤的基本性能高、且具有不次于天然土壤的优异的植物培养力。

产业上的可利用性

本发明的人工土壤培养基可用于在植物工厂等进行的植物栽培，但作为其他用途，也可用于园艺设施用土壤培养基、绿化用土壤培养基、成型土壤培养基、土壤改良剂、室内装饰用土壤培养基等。

附图标记说明

1    纤维

3    填料

4    细孔

10   基部

10a  多孔质体

10b  纤维块状体

50   人工土壤粒子

50a  第一人工土壤粒子

50b  第二人工土壤粒子

100  人工土壤培养基

Claims (8)

1.一种人工土壤培养基，其含有具有可吸收/释放水分的基部的多个人工土壤粒子，

所述多个人工土壤粒子由多种人工土壤粒子构成，所述多种人工土壤粒子以水分吸收释放特性各自不同的方式设定，所述水分吸收释放特性表示所述基部吸收水分的状态或从所述基部释放水分的状态。

2.根据权利要求1所述的人工土壤培养基，其中所述多种人工土壤粒子以水分可在不同种类的人工土壤粒子之间移动的方式构成。

3.根据权利要求1或2所述的人工土壤培养基，其中所述多种人工土壤粒子包括所述水分吸收释放特性以各自不同的方式设定的第一人工土壤粒子和第二人工土壤粒子，

所述第一人工土壤粒子具有比所述第二人工土壤粒子更为缓慢的水分吸收释放特性。

4.根据权利要求1或2所述的人工土壤培养基，其中所述多种人工土壤粒子包括：

(a)第一人工土壤粒子，其以主要对栽培植物供应水分的方式设定所述水分吸收释放特性；

(b)第二人工土壤粒子，其以主要给所述第一人工土壤粒子补充水分的方式设定所述水分吸收释放特性。

5.根据权利要求1或2所述的人工土壤培养基，其中所述多种人工土壤粒子包括：

(a)第一人工土壤粒子，其具有多孔质体作为所述基部，所述多孔质体是通过具有细孔的多个填料造粒而成；

(b)第二人工土壤粒子，其具有纤维块状体作为所述基部，所述纤维块状体通过聚集纤维而成。

6.根据权利要求3-5中任意一项所述的人工土壤培养基，其中所述第一人工土壤粒子与所述第二人工土壤粒子的混合比例调整为30∶70-70∶30。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的人工土壤培养基，其中对所述多种人工土壤粒子中的至少一种赋予离子交换能力。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的人工土壤培养基，其中所述多个人工土壤粒子具有0.2-10mm的粒径。