CN105143400A - 使用生物聚合物的土壤稳定和改良方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及：通过使用高分子粘性生物聚合物的土壤稳定和改良方法，促进植被发芽或生长的土壤组成物，防止土壤侵蚀的组成物和土壤建筑材料与部件。
Description
技术领域
本发明总体涉及通过使用高分子粘性生物聚合物稳定和改良土壤的方法，促进植被发芽或生长的土壤组成物，防止土壤侵蚀的组成物和土壤建筑材料和部件。
背景技术
土壤的岩土组成，严格来说，粒度分布、含水量、以及有机物质含量直接影响土壤的侵蚀[Bissonnais,1996,“Aggregatestabilityandassessmentofsoilcrustabilityanderodibility:I.Theoryandmethodology,”EuropeanJournalofSoilScience,Vol.47,pages425-437]。目前，由于土壤侵蚀对沙漠化和气候变化具有直接和间接的影响，因而土壤侵蚀被认为是严重的环境问题[GisladottirandStocking,2005,“Landdegradationcontrolanditsglobalenvironmentalbenefits,”LandDegradation&Development,Vol.16,pages99-112]。当前世界陆地的1/3正在遭受沙漠化，其伴随着土壤侵蚀，并且沙漠化正在蔓延，每年引起1200万公顷的新沙漠[UNEP(UnitedNationsEnvironmentProgramme),2006,“Deserts&Drylands,”TUNZAtheUNEPMagazineforYouth,Vol.4,No.1,pages1-24]。由于土壤侵蚀造成农田的生产力的下降以及对生态系统的干扰[GisladottirandStocking,2005,“Landdegradationcontrolanditsglobalenvironmentalbenefits,”LandDegradation&Development,Vol.16,pages99-112]，已经迫切地需要发展能够减少或抑制土壤侵蚀的技术。
抑制土壤侵蚀的常规方法大多建议在土壤表面上安装网状物、网或类似物以阻止外部因素(水或风)引起侵蚀[美国专利No.3867250；美国专利No.4071400；以及美国专利No.4486120]。然而，由于从外部安装的结构具有时间限制性且成本高，因而其具有许多限制。因此，最近已建议旨在通过改良土壤来提高耐侵蚀性的技术[美国专利No.4663067；美国专利No.5860770；以及美国专利No.7407993]。但是，由于这些技术取决于灌浆或喷涂化学产品的方法，因而它们与环境友好前景不相关。土壤侵蚀主要归因于表面层上的生态系统的破坏和盲目发展(刀耕火种耕作或放牧)的不良影响。因此，应恢复生态环境以有效抑制土壤侵蚀。
此外，土壤的岩土结构对植被的生长有直接的影响。一般而言，如土壤的结构松散，以及土壤的含水量高，则植物的生长得以改善[Passioura,1991,“Soilstructureandplantgrowth,”AustralianJournalofSoilResearch,Vol.28,No.6,pages717-728]。因此，对于耕种而言，在播种之前翻耕农田、或维持有效的灌溉系统是很重要的。韩国大多数表面土壤是花岗岩残积土(其是花岗岩风化最终产品)和黄色土(也是一种花岗岩残积土)[Jin-YeonHwang等人，2000,“CompositionmineralsandchemicalcomponentsofKoreanyellowsoil(weatheredsoils),”JournalofTheMineralogicalSocietyofKorea,Vol.13,No.3,pages146-163]。由于主要由埃洛石组成的黄色土具有致密的土壤结构，因而它在过去已被用作建筑材料；然而，它已被认为是不适合植被生长。
因此，人们对改良土壤以促进植被生长同时抑制土壤侵蚀的研究产生了浓厚的兴趣。
发明内容
本发明所要解决的问题
鉴于上述问题，本申请提供一种用于稳定和改良土壤的方法，使其能够改善植被生长，同时防止土壤侵蚀并提高土壤的强度和耐久性。
然而，本发明所要解决的问题不限于上述描述，本领域技术人员从下面的描述中可以清楚地理解本发明所要解决的其它问题。
解决问题的方法
在本发明的第一方面中，提供了一种用于稳定和改良土壤的方法，该方法包括将高分子粘性生物聚合物加入土壤中。
在示例性的实施方式的第二方面中，提供了一种用于促进植被发芽或生长的土壤组成物，该土壤组成物是通过根据该第一方面的方法生产的，并且该土壤组成物包括高分子粘性生物聚合物。
在示例性的实施方式的第三方面中，提供了一种用于防止土壤侵蚀的土壤组成物，该土壤组成物是通过根据该第一方面的方法生产的，并且该土壤组成物包括高分子粘性生物聚合物。
在示例性的实施方式的第四方面中，提供了一种土壤建筑材料或部件，该土壤建筑材料或部件是通过该第一方面的方法生产的，并且该土壤建筑材料或部件包括高分子粘性生物聚合物。
发明的效果
土壤的侵蚀受保留在土壤中的水、粒度分布、有机物质含量、表面植被，以及其他因素的影响。如从这样的事实中所了解的，即遭受严重的土壤侵蚀的沙漠易受所有这些条件的影响，为了提高土壤的耐侵蚀性，应改良土壤本身的性质，而不是阻挡外部因素的影响。为此目的，需要一种未来能够促进植被的生长，同时长期保持土壤水分并增加土壤颗粒的结合强度(粘合强度)的环境友好型方法。由于传统的化学处理方法主要侧重于仅仅加强土壤强度，因而缺乏考虑构建植被环境以抑制永久侵蚀。
因此，本发明通过向土壤加入高分子粘性生物聚合物，除了已经实现了土壤的初步稳定之外，还在抑制中期和长期侵蚀和保证耐久性方面取得了显著的效果。
此外，示例性的实施方式的用于稳定和改良土壤的方法可同时实现环境友好型促进植被发芽或生长而不依赖于基于氮或基于磷的化学肥料或人工培养土，并且在植被稳定(足够的根锚定)之前实现了经播种的土壤的物理稳定。
示例性的实施方式的用于稳定和改良土壤的方法具有环境友好型优点，因为它保持了土地的初步稳定而且不用担心地下水或溪流的污染或富营养化，并且随着时间的流逝，生物聚合物会自然生物降解返回原来的土壤。因此，示例性的实施方式的用于稳定和改良土壤的方法被认为能有效地用于环境友好型植被组成物领域，此外，也可以用于其它等各种领域，例如，大型工地中的斜坡植被组成物、用于流堤和水区的绿化项目、道路和铁路的斜坡的初步稳定、大型农田组成物、以及屋顶和城市农业。
此外，本发明提供一种环境友好型生物聚合物的新用途，即将环境友好型生物聚合物应用到土壤稳定和改良中，从而大大有助于生物聚合物的实际商业化。
附图说明
图1根据示例性的实施方式示出了一次降雨模拟之后土壤样品的图像。左边、中间和右边的样品分别对应于未处理的黄色土、经黄原胶-处理过的黄色土、和经β-1,3/1,6-葡聚糖-处理的黄色土。
图2根据示例性的实施方式示出了用于降雨侵蚀模拟的室内实验的构造。
图3根据示例性的实施方式示出了经生物聚合物处理过的土壤的栽培试验的图像。
图4根据示例性的实施方式示出了经生物聚合物处理过的土壤的植被生长结果的图像。
图5a根据示例性的实施方式示出了未经处理的黄色土和植被根系的扫描电子显微镜图像。
图5b根据示例性的实施方式示出了经β-葡聚糖处理过的黄色土和植物根系的扫描电子显微镜图像。
图5c根据示例性的实施方式示出了经黄原胶处理过的黄色土和植物根系的扫描电子显微镜投影图像。
图6根据示例性的实施方式示出了通过热处理的生物聚合物处理过程。
图7是根据示例性的实施方式显示经生物聚合物处理过的土壤(黄色土)的强度测量的结果的图。
图8是根据示例性的实施方式显示经生物聚合物处理过的土壤(砂)的强度测量的结果的图。
图9根据示例性的实施方式示出了用于在快速冷却和水固化的条件下处理经生物聚合物处理过的土壤的方法。
图10是根据示例性的实施方式显示经生物聚合物处理过的土壤在快速冷却和水固化的条件下的特性的图。
图11根据示例性的实施方式示出了通过使用热凝胶化的生物聚合物制备环境友好型土壤建筑材料的方法的示意图。
图12根据示例性的实施方式示出了使用热凝胶化的生物聚合物的土地处理方法的示意图。
图13根据示例性的实施方式示出了使用喷涂法的经生物聚合物处理过的植被土地组成物的示意图。
图14是根据示例性的实施方式的使用湿式混合扩散方法的经生物聚合物处理过的植被土地组成物的示意图。
图15是根据示例性的实施方式的使用干式混合喷涂方法的经生物聚合物处理过的植被土地组成物的示意图。
图16是根据示例性的实施方式的使用生物聚合物的环境友好型水区组成物的示意图。
图17是根据示例性的实施方式显示使用生物聚合物的建筑材料的抗弯强度的图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性的实施方式和实施例，以便本领域的技术人员可以容易地实现本发明的构思。
然而，值得注意的是，本发明并不受限于示例性的实施方式和实施例，而是可以以各种其它方式来实现。在附图中，为了提高附图的清晰度，省略掉了与描述不直接相关的某些部分，且在整个文件中，类似的附图标记表示类似的部件。
在整个文件中，术语“连接到”或“耦合到”用来指定一个元件到另一个元件的连接或耦合，其既包括一个元件被“直接连接或直接耦合到”另一个元件的情况，又包括一个元件经由又一个元件被“电连接或电耦合到”另一个元件的情况。
在整个文件中，术语“上”用来指定一个元件相对于另一个元件的位置，其既包括一个元件邻近于另一个元件的情况，又包括任何其它元件存在于这两个元件之间的情况。
在整个文件中，文件中使用的术语“包括或包含”(“comprisesorincludes”)和/或“含有或包含有”(“comprisingorincluding”)是指除了所描述的部件、步骤、操作和/或元件之外，不排除一个或多个其它部件、步骤、操作、和/或元件的存在或增加。
在整个文件中，术语“大约或近似”或“基本上”意指具有接近以允许误差指定的数值或范围的含义并且旨在防止用于理解本发明而公开的精确或绝对数值被恶意第三方非法或不正当地使用。此外，在整个文件中，术语“某某的步骤”(“stepof”)并不意味着“用于某某的步骤”(“stepfor”)。
在整个文件中，包含在马库什类型的描述中的术语“某某的组合”意指选自描述在马库什类型中的部件、步骤、操作和/或元件的一个或多个部件、步骤、操作和/或元件的混合或组合，从而意指本发明包括选自马库什组中的一个或多个部件、步骤、操作和/或元件。
在整个文件中，“A和/或B”的描述表示“A或B，A和B”。
在整个文件中，术语“阳离子水溶液”是指含有阳离子的水溶液，并且可以包含，例如，但不限于，含有碱金属或碱土金属离子的水溶液。碱金属包括第1族金属，其可以提供一价阳离子且由Li、Na、K、Rb和Cs组成，而碱土金属包括第2族金属，其可以提供二价阳离子且由Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra组成。
在整个文件中，术语“黄色土”是指从因土地内部的风化而粉碎的岩石的漂流的细颗粒形成的黄色或黄棕色花岗岩残积土。
在整个文件中，术语“土壤”与土地具有相同的含义。
在下文中，详细描述了示例性的实施方式，但本发明可以不受限于这些示例性的实施方式。
本发明的第一方面提供了一种用于稳定和改良土壤的方法，其包括将高分子粘性生物聚合物加入土壤中。
在示例性的实施方式中，由有机体产生的任何高分子材料都可以用作该高分子粘性生物聚合物而不受限制，但该高分子粘性生物聚合物可能不限于此。该高分子粘性生物聚合物可以包括具有葡萄糖作为其基本成分(单体)的材料，并且可大致分为多糖类生物高分子和氨基酸类生物高分子。多糖类生物聚合物根据其形状可以被划分成高分子链生物聚合物和高分子凝胶化的生物聚合物。例如，高分子链生物聚合物可以包括，但不限于，β-1,3/1,6-葡聚糖(PolycanTM)、α葡聚糖、凝胶多糖和其它，而凝胶化的生物聚合物可以包括，但不限于，威兰胶(wellangum)、结冷胶、黄原胶、琼脂胶、琥珀酰聚糖胶和其它。氨基酸类生物聚合物可以包括壳聚糖、γPGA和其它，但不限于此。
在示例性的实施方式中，相对于100重量份的土壤，可以加入的高分子粘性生物聚合物的量为约20重量份或更少，例如，从约0.00001重量份至约15重量份、从约0.00001重量份至约10重量份、从约0.00001重量份至约5重量份、从约0.00001重量份至约1重量份、从约0.00001重量份至约0.5重量份、从约0.00001重量份至约0.1重量份、从约0.0001重量份至约20重量份、从约0.01重量份至约20重量份、从0.05重量份至约20重量份、从约0.1重量份至约20重量份、从约0.5重量份至约20重量份、或从约1重量份至约20重量份、从约5重量份至约20重量份、或从约10重量份至约20重量份，但本发明可以不限于此。
在示例性的实施方式中，高分子粘性生物聚合物可以使得土壤的孔隙膨胀，保持土壤保水性的特点，并增加土壤颗粒之间的结合强度，但不限于此。
在示例性的实施方式中，可以通过使高分子粘性生物聚合物与土壤混合、将高分子粘性生物聚合物喷涂至土壤的表面上、或者将高分子粘性生物聚合物灌浆至土壤中来将高分子粘性生物聚合物添加至土壤中，但不限于此。
在示例性的实施方式中，可以包含将粉末状态的高分子粘性生物聚合物加入至土壤中，但本发明可以不限于此。高分子粘性生物聚合物可以与土壤直接混合，可以将高分子粘性生物聚合物的粉末、悬浮液或水溶液喷涂在土壤的表面上以形成覆盖层，或者将高分子粘性生物聚合物灌浆至土壤中，但本发明可以不限于此。此外，高分子粘性生物聚合物可以与土壤直接混合，然后散布在目标区域的地表上，但本发明可以不限于此。
在示例性的实施方式中，可以包括将水溶液或碱性水溶液状态的高分子粘性生物聚合物加入至土壤中，但本发明可以不限于此。例如，实际上可以加入高分子粘性凝胶化的多糖生物聚合物的悬浮液或水溶液，或者可以向该生物聚合物的悬浮液或水溶液中加入盐以制备碱性水溶液，例如，碱性水溶液状态的生物聚合物具有约9或更高的pH和低粘度，并且可以将该碱性水溶液加入到土壤中，但本发明可以不限于此。在加入生物聚合物的碱性水溶液到土壤后，可以喷洒酸性水溶液以促进渗透的高分子粘性凝胶化的多糖生物聚合物的缩合，但本发明可以不限于此。
在示例性的实施方式中，在加入高分子粘性生物聚合物到土壤后，可以进一步包括添加碱金属阳离子或碱土金属阳离子，但本发明可不限于此。例如，可以加入诸如Na+和K+之类的碱金属阳离子或诸如Ca2+和Mg2+之类的碱土金属阳离子以引起生物聚合物的凝胶化并组成坚硬的土壤生物聚合物混合物，但本发明可以不限于此。
在示例性的实施方式中，在加入高分子粘性生物聚合物到土壤后，可以进一步包括添加pH约为5或更低的酸性水溶液或阳离子水溶液，但本发明可以不限于此。阳离子水溶液可以包括，例如，含有碱金属离子或碱土金属离子的水溶液。
由于在示例性的实施方式的用于稳定和改良土壤的方法中使用的生物聚合物的表面带有负电荷，所以如果在加入生物聚合物到土壤后添加了碱金属或碱土金属离子，则可以进一步改善与土壤结合的特性。
在示例性的实施方式中，在加入高分子粘性生物聚合物到土壤后，可以进一步包括加热并冷却土壤，但本发明可以不限于此。例如，在加入高分子粘性生物聚合物到土壤后，可以在约80℃至约120℃下充分加热土壤，然后使其冷却至约40℃至约60℃或更低，以便诱导生物聚合物的凝胶化，但本发明可以不限于此。此外，在冷却之后，可以进一步包括添加碱金属阳离子或碱土金属阳离子(例如，诸如Na+和K+之类的碱金属阳离子或诸如Ca2+和Mg2+之类的碱土金属阳离子)，但本发明可以不限于此。
在示例性的实施方式中，在向土壤的表面上喷涂高分子粘性生物聚合物后，可以进一步包括喷洒水、酸性水溶液、和/或阳离子水溶液，但本发明可以不限于此。例如，可以喷洒pH约为5或更低的酸性水溶液以增强土壤中的生物聚合物的凝胶结构，但本发明可以不限于此。
在示例性的实施方式中，用于稳定和改良土壤的方法可以促进植被的发芽或生长，但不限于此。
在示例性的实施方式中，用于稳定和改良土壤的方法可以增进土壤的耐侵蚀性，但不限于此。
在示例性的实施方式中，可以通过如下所述的各种方法将高分子粘性生物聚合物加入土壤中，具体取决于待使用的高分子粘性生物聚合物的类型和使用目的，但不限于此：
1.通过使用高分子粘性链多糖来增进土壤的耐侵蚀性的方法
高分子粘性链多糖生物聚合物通常是具有约10,000道尔顿或更大的分子量，并由于链(纤维)彼此缠结而在悬浮液或水溶液状态下表现出高粘度的聚合物。这种高分子粘性链多糖往往很容易结合到土壤颗粒，特别是，由于粘性土壤颗粒的表面带电性而容易结合到粘性土壤颗粒。基于这种相互作用，通过使用高分子粘性链多糖可以增进土壤的强度和耐侵蚀性。通过使用本发明的高分子粘性链多糖来增进土壤的耐侵蚀性的方法描述如下：
1)通过喷涂进行表面处理
这种方法包括将高分子粘性链多糖以粉末状态喷涂至土壤表面上，然后喷洒水于其上以诱导其渗透入土壤中，同时引起具有高亲水性的高分子粘性链多糖的膨胀和缠结，以便在整个土壤表面上形成生物聚合物膜。
这种方法包括将高分子粘性链多糖溶解于水中并将浓度为约0.00001％至约10％的该多糖以悬浮液或者水溶液状态喷洒至土壤表面上；其中粘度是通过改变悬浮液或水溶液的浓度来调节的，具体取决于土壤的类型，以便有利于其渗透入土地中，悬浮液或水溶液渗透后立即结合到土壤从而形成土壤生物聚合物基质，并且土壤的强度可以随着水分被干燥而增加。
2)表面层混合物处理
这种方法包括提前使土壤和高分子粘性链多糖彼此混合，然后将混合物倾倒在表面上以形成包裹层或覆盖层；也就是说，使原位或者运输后的土壤与生物聚合物以及水混合形成土壤混合物，然后将土壤混合物倾倒至该位置上；具体而言，土壤混合物是通过相对于土壤的干燥重量以约0.0001％至约5％的比例加入生物聚合物，并根据土壤的类型(砂或粘土)相对于土壤的重量以约10％至约200％的比例加入水组成的，然后将其倾倒至该位置上以达到所期望的厚度。根据场合的不同，可以额外执行用于压实所倾倒的覆盖层的工艺。
为了翻耕原位土壤的表面，并同时使土壤与生物聚合物混合，其中土壤是通过像犁或螺旋钻的设备翻耕的，并且同时将生物聚合物以粉末或液体状态喷涂于其上或者灌浆于其中，以便组成土壤生物聚合物混合土壤。
3)使用压力的方法
对于不能使用喷涂或预混合来进行表面层处理的斜坡而言，这种方法包括在高压下喷涂浓度为约0.00001％至约10％的高分子粘性链多糖悬浮液或水溶液以依靠压力而促进斜坡的土壤的翻耕和生物聚合物的渗透两者，以便组成覆盖斜坡的土壤生物聚合物混合土壤。
该方法包括在高压下将浓度为约0.00001％至约10％的高分子粘性链多糖悬浮液或水溶液灌浆至土地中，也就是说，通过使用压力使生物聚合物悬浮液或水溶液深入渗透并扩散至土壤中，以便组成经土壤生物聚合物处理过的土地。
在所有上述情况中，在土壤生物聚合物混合土壤形成后，通过压实该土壤生物聚合物混合表面层，增强土壤生物聚合物混合土壤与原始层的结合强度，并增大土壤生物聚合物混合土壤的密度，使得无论是强度还是耐久性都能够得到改善。
2.通过使用高分子粘性链多糖来促进土壤的植被生长的方法
这种方法使用高分子粘性链多糖生物聚合物来促进土壤的植被生长。由于高分子粘性链多糖是高度亲水的，因而其不仅能够保持土壤中的良好的水环境，而且也增强了土壤的通风和排水，此外，有利于植物根系的生长，从而全面地促进植被生长。这种方法的具体操作描述如下。
1)使用生物聚合物混合土壤的植被土壤组成
通过直接使用相对于土壤的干燥重量含有约0.0001％至约5％的高分子粘性链多糖生物聚合物的混合土壤作为植被土壤来培养植物，从而促进植物的发芽和生长。
2)使用生物聚合物悬浮液或水溶液的植被栽培
这种方法在植被栽培时使用浓度为约0.00001％至约10％的高分子粘性链多糖悬浮液或水溶液作为栽培水，并且有效抑制供给的水的流失并改良植物的周边土壤的耐久性，以便防止农田土壤的流失，同时促进植物的生长。
3.通过使用高分子粘性凝胶化的多糖来增强土壤强度的方法
高分子粘性凝胶化的多糖通常是指在悬浮液或水溶液状态表现出低粘度而通过化学处理或热处理形成具有高强度的凝胶的材料。并且这种方法通过使用高分子粘性凝胶化的多糖增强土壤的强度，而且特别建议使用以下方法。
1)通过化学处理增强土壤高分子粘性凝胶化的多糖混合土壤的强度
将相对于土壤的干燥重量约0.0001％至约5％的高分子粘性凝胶化的多糖与土壤混合以组成根据土壤的类型具有约10％(砂)至约200％(粘土)的水含量的混合土壤，然后向其中加入碱金属阳离子(Na+、K+等)或碱土金属阳离子(Ca2+、Mg2+等)以诱导生物聚合物的凝胶化并组成坚硬的土壤生物聚合物混合物。
2)通过热处理增强土壤高分子粘性凝胶化的多糖混合土壤的强度
将相对于土壤的干燥重量约0.0001％至约5％的高分子粘性凝胶化的多糖与土壤混合以组成根据土壤的类型具有约10％(砂)至约200％(粘土)的水含量的混合土壤，然后在约80℃至约120℃的条件下充分加热土壤混合物，然后使其冷却至约40℃至约60℃或更低的温度以形成凝胶并组成坚硬的土壤生物聚合物混合土壤。
在其它方面，在约80℃至约120℃的条件下充分加热浓度约0.00001％至约10％的高分子粘性凝胶化的多糖悬浮液或水溶液，然后使其冷却，同时使其与水含量为约10％(砂)至约200％(粘土)的条件下的土壤混合以诱导在约40℃至约60℃或更低的温度下形成凝胶，以便组成坚硬的土壤生物聚合物混合土壤。
在上述两种情况中，一经混合都可以通过添加如在3-1)中所建议的碱金属或碱土金属材料组成较强的土壤生物聚合物混合土壤。
4.通过使用高分子粘性凝胶化的多糖来提高土壤耐久性的方法
高分子粘性凝胶化的多糖生物聚合物通常在未经处理的中性(pH值约7)的悬浮液或水溶液状态表现出低粘度，而通过化学处理或热处理形成具有高强度的凝胶。这种高分子粘性凝胶化的多糖很容易结合到土壤颗粒，特别是，由于粘性土壤颗粒的表面带电性而容易结合到粘性土壤颗粒，以形成坚硬的土壤生物聚合物基质。基于这种相互作用，通过使用高分子粘性凝胶化的多糖可以增进土壤的强度和耐侵蚀性。关于这一方面的具体操作描述如下：
1)通过喷涂的表面处理
在将高分子粘性凝胶化的多糖以粉末状态喷涂至土壤表面上后，将水喷洒于其上以诱导其渗透入土壤中，同时引起高亲水性的高分子粘性凝胶化的多糖的膨胀和缩合，以便在整个土壤表面上形成生物聚合物膜。
在这种情况下，有三种喷洒水的方法。首先，有一种使用纯(中性或弱碱性)水的方法；其次，有一种使用纯水进行首次喷洒并使用低pH值(pH约为5或更低)的或阳离子水溶液进行再次喷洒以促进渗透的高分子粘性凝胶化的多糖的缩合的方法；最后，有一种直接喷洒酸性水溶液(pH约为5或更低)或阳离子水溶液的方法。
将高分子粘性凝胶化的多糖溶解于水中，并将浓度为约0.00001％至约10％的该多糖以悬浮液或者水溶液状态喷洒至土壤表面上；其中粘度是通过改变悬浮液或水溶液的浓度来调节的，具体取决于土壤的类型，以便有利于其渗透入土地中，悬浮液或水溶液渗透后立即结合到土壤以便形成土壤生物聚合物基质，并且土壤的强度可以随着水分被干燥而增加。
在这种情况下，有三种喷洒悬浮液或者水溶液的方法。首先，有一种喷洒原样的生物聚合物悬浮液或者水溶液的方法；其次，有一种向生物聚合物悬浮液或者水溶液加入盐以增加该悬浮液或者水溶液的PH(约为9或更高)并降低其粘度，然后喷洒该悬浮液或者水溶液以促进其渗透入土地的方法；第三，有一种首先喷洒其PH通过添加盐而增加到约为9或更高的生物聚合物悬浮液或者水溶液，然后再次喷洒低PH值(pH约为5或更低)的酸性水溶液以促进渗透的高分子粘性凝胶化的多糖的缩合的方法。
2)表面层混合物处理
这种方法包括使土壤和高分子粘性凝胶化的多糖彼此预混合，然后将混合物倾倒在表面上以形成包裹层或覆盖层；也就是说，原位或者运输后的土壤与高分子粘性凝胶化的多糖生物聚合物以及中性或碱性水(pH约为6至约为13)混合形成土壤混合物，然后将土壤混合物倾倒至该位置上；具体而言，土壤混合物是通过相对于土壤的干燥重量以约0.0001％至约5％的比例加入生物聚合物，并根据土壤的类型(砂或粘土)相对于土壤的重量以约10％至约200％的比例与水混合组成的，然后将土壤混合物倾倒至该位置上以达到所期望的厚度。倾倒之后，可以向该表面上喷洒低PH值(pH约为5或更低)的酸性水溶液或阳离子水溶液以诱导渗透，并因此增强混合土壤内的粘性凝胶化的生物聚合物的凝胶结构。
该方法包括使土壤和生物聚合物混合同时翻耕原位土壤的表面，也就是说，土壤生物聚合物混合土壤是通过经由像犁或螺旋钻这样的设备翻耕，并且同时将生物聚合物以粉末或液体状态(PH值约为7至约为13)喷涂或者灌浆所组成的。在混合和翻耕之后，可以向该表面上喷洒低PH值(pH约为5或更低)的酸性水溶液或阳离子水溶液以诱导渗透，并因此增强混合土壤内的粘性凝胶化的生物聚合物的凝胶结构。
3)使用压力的方法
对于不能使用喷涂或预混合来进行表面层处理的斜坡而言，这种方法包括在高压下喷涂浓度为约0.00001％至约10％的高分子粘性凝胶化的多糖悬浮液或水溶液(PH值为约6至约13)以依靠压力而促进斜坡的土壤的翻耕和生物聚合物的渗透两者，以便组成覆盖斜坡的土壤生物聚合物混合土壤。喷涂之后，可以向该表面上喷洒低PH值(pH约为5或更低)的酸性水溶液或阳离子水溶液以增强混合土壤覆盖层内的粘性凝胶化的生物聚合物的凝胶结构。
这种方法包括在压力下将浓度为约0.00001％至约10％的高分子粘性凝胶化的多糖悬浮液或水溶液灌浆至土地中，也就是说，通过使用压力使生物聚合物悬浮液或水溶液深入渗透并扩散至土壤中以组成经土壤生物聚合物处理过的土地。灌浆之后，可以额外地灌浆低PH值(pH约为5或更低)的酸性水溶液或阳离子水溶液以增强土地内的土壤生物聚合物混合土壤的粘性凝胶化的生物聚合物的凝胶结构。
在所有上述情况中，在土壤生物聚合物混合土壤形成后，通过压实该土壤生物聚合物混合表面层，不仅能增强土壤生物聚合物混合土壤与原始层的结合强度，还能增大土壤生物聚合物混合土壤的密度，从而无论是强度还是耐久性都得到改善。
改善高分子粘性生物聚合物向土壤中的渗透的方法
高分子粘性链多糖生物聚合物通常是具有约10,000道尔顿或更大的分子量，并由于链(纤维)彼此缠结而在中性或酸性(pH为约7或更低)悬浮液或水溶液状态下表现出高粘度的聚合物。特别地，表面带有负电荷的粘性链多糖往往随着PH降低而表现出高粘度。同时，高分子粘性链多糖生物聚合物由于其高亲水性而膨胀并成为具有显著高粘度的悬浮液或水溶液。
如所述的，为了增加高分子粘性生物聚合物向土壤中的渗透，应该降低粘度。为此，示例性的实施方式提供了以下方法。
1)使用化学处理的方法
当浓度为约0.00001％至约10％的高分子粘性链或凝胶化的多糖悬浮液或水溶液的PH值增加到9或更高时，其粘度下降。当通过压力使粘度降低后的生物聚合物悬浮液或水溶液喷洒至土地上或将其灌浆至土地中时，可以改善其向土地中的渗透或扩散。
在将碱性高分子粘性链多糖悬浮液或水溶液喷洒或灌浆至土壤中后，可以额外地喷洒或灌浆低PH值(pH为约5或更低)的酸性水溶液以改善土壤生物聚合物混合土壤内的粘性链生物聚合物的缩合和粘性凝胶化的生物聚合物的胶凝作用。
2)使用物理处理的方法
这种方法包括通过使用玻珠研磨机等降低高分子粘性链多糖生物聚合物溶液的粘度，也就是说，通过使用玻珠在约10,000ppm或更高的速度下搅拌该溶液以使缠结的多糖链解开。
此外，可以通过使高分子粘性链多糖生物聚合物溶液在高压(约150巴或更高)下碰撞来物理解开缠结的多糖链。对于属于链多糖生物聚合物溶液的PolycanTM而言，粗溶液的粘度约为1,000cps，而当通过利用均质器使该溶液在200巴下碰撞时，粘度降低至约30cps，且当再次使该具有约30cps的溶液碰撞时，粘度进一步降低至约16cps。在使具有经物理方法降低的粘度的高分子粘性链多糖生物聚合物与土壤混合或者将其灌浆至土壤中后，可以额外地喷洒或灌浆低PH值(pH约为5或更低)的酸性水溶液或阳离子水溶液以促进土壤生物聚合物混合土壤内的粘性链生物聚合物的缩合。
3)使用热处理的方法
当使浓度为约0.00001％至约10％的高分子粘性凝胶化的多糖悬浮液或水溶液在约80℃至约120℃的条件下充分加热时，生物聚合物悬浮液或水溶液的粘度降低。当在高温状态使该悬浮液或水溶液与土壤混合或者将其灌浆至土壤中时，其自然冷却，在约40℃至约60℃或更低的温度下形成凝胶，从而组成坚硬的土壤生物聚合物混合土壤。
在示例性的实施方式中，可以通过如下所述的各种方法将生物聚合物添加到各种用途的各种目标区域的土壤，但是本发明可以不限于此。
1.使用高分子粘性多糖生物聚合物的土地表面覆盖技术
1-1.使用喷涂或喷洒的方法
这种方法包括将生物聚合物悬浮液直接喷涂在土地表面上，并且这种方法可以方便地应用于斜坡以及平地；也就是说，使固体或液态的生物聚合物按一定比率稀释，并通过使用泵、输送管和喷嘴喷涂，从而由于重力使生物聚合物悬浮液渗透入土地并结合到土壤颗粒以形成覆盖层。
1-2.使用湿式混合扩散的方法
这种方法包括通过预混合组成生物聚合物混合土壤，然后使该混合土壤扩散在目标区域上并压实该混合土壤以形成具有一定厚度的覆盖层。这种技术是有利的，原因在于其可以在现场形成质量均匀的覆盖层，并且通过压实可以增强其与原始层的粘附力。
这种方法是通过能够将固态或液态的生物聚合物按一定比例稀释同时扩散该稀释过的生物聚合物的装置和能够压实该扩散过的土壤的压实装置实现的。对于压实装置，可以使用辊或振动型装置。
这种方法与1-1的方法结合可以提高覆盖层表面的覆盖强度。在从现场可以获得大量的原位土壤的情况下，这种方法非常有用。
1-3.使用干式混合喷涂的方法
当土地表面土壤处于像干燥区一样的干燥状态时，可以使用这种方法，该方法包括使粉末状态的干燥土壤和生物聚合物在现场直接彼此干式混合，然后喷涂水以形成覆盖层。
2.使用高分子粘性多糖生物聚合物的农田和牧场保护
来自农业和放牧的土地的用途的改变已经被认为是土壤流失的最关键原因。因此，生物聚合物处理技术可以大大有效地用于抑制农田和牧场中的土壤流失。
2-1.使用高分子粘性多糖生物聚合物的农田耕作
本方法在播种之前，当耕作农田时，用生物聚合物粉末或悬浮液耕田。通常，由于农田的表面在播种之前是硬的，如果提前喷涂该生物聚合物悬浮液，则不仅可以提高耕田的效率，还可以使表面土壤和生物聚合物彼此均匀混合，从而可以提高整个农田的耐侵蚀性。
在其它方面，可以有一种方法，即在犁的头部上直接安装喷嘴使得在耕田同时从犁的前端供应生物聚合物悬浮液，以便提高局部效率。
2-2.使用飞机的农田和牧场保护
在近现代农业中，使用飞机来向巨大的农田或牧场喷涂杀虫剂除草剂的情况越来越普遍。相应地，对于使用在示例性的实施方式中建议的生物聚合物提高土壤的耐侵蚀性而言，如果需要的话，也可以通过使用飞机来向农田或牧场上喷涂生物聚合物悬浮液的技术。
3.使用高分子粘性多糖生物聚合物的环境友好型水区组成物
由于水区邻接于水，所以总是有被水侵蚀的可能性。因此，一旦构成水区，则期望通过使用生物聚合物改良土地来减少整个土壤流失。
4.使用高分子粘性多糖生物聚合物的海岸土壤保护
可以使用生物聚合物处理来保护诸如沿海沙滩和沙丘之类的海岸土地。
5.使用高分子粘性多糖生物聚合物的植被土地组成物技术
由于生物聚合物处理改善植被的发芽和生长，因此可以以各种方式将其应用到各地。
5-1.使用喷涂的方法
这种方法包括在高压下喷涂生物聚合物悬浮液，并且这种方法可以方便地应用于斜坡以及平地；且该方法是通过能够使固体或液态的生物聚合物按一定比率稀释，并均匀混合生物聚合物与添加剂或根据场合而定的其它物质的混合罐、适合于高粘度性的生物聚合物悬浮液的高压泵和输送管系统以及能够有效喷涂生物聚合物混合溶液的特殊喷嘴(图13)。该特殊喷嘴应满足喷洒诸如植被种子之类的细颗粒的要求。
5-2.使用湿式混合和扩散的方法
这种方法包括通过预混合组成生物聚合物混合土壤，然后使该生物聚合物混合土壤扩散在目标区域上并压实该生物聚合物混合土壤以形成具有一定厚度的覆盖层。这种技术是有利的，原因在于其可以在现场形成质量均匀的覆盖层，并且通过压实可以增强其与原始层的粘附强度。
这种方法是通过能够将固态或液态的生物聚合物按一定比例稀释并使生物聚合物与其它添加剂混合，同时扩散该混合物的装置和能够压实该扩散过的土壤的压实装置实现的(图14)。对于压实装置，可以使用辊或振动型装置。
这种方法与5-1的方法结合可以提高覆盖层表面的覆盖力。在从现场可以获得大量的原位土壤的情况下，这种方法非常有用。
5-3.使用干式混合喷涂的方法
该方法涉及一种干式混合和喷涂的方法，其在未经预混合的情况下使用双传送系统，其中液体生物聚合物、土壤和其它添加剂在喷涂的同时彼此混合，然后，该混合物粘附到原始层，并且当使用处于干燥状态的粉末或培养土时，该方法的效果实现最大化。
这种方法的关键在于要被喷涂的材料的双传送，其中湿式传送系统传送并喷涂液态的生物聚合物悬浮液，而干式传送系统传送并喷涂干燥状态的土壤和其它添加剂，从而减少诸如传送管的阻塞之类的构造上的问题，而且最大限度地提高现场工作效率。
这种方法的系统主要由以下组件组成：混合罐，其形成液态的生物聚合物悬浮液；高压泵和输送管系统，其适合于高粘度性的生物聚合物悬浮液；混合罐，其使固态的土壤和其它添加剂彼此均匀混合；用于固体的泵与输送管系统，它们能够在高压下进行传送；以及双喷嘴，该双喷嘴能够独立喷涂液态的生物聚合物、固态的土壤以及其它添加剂(图15)。
6.使用高分子粘性多糖生物聚合物的环境友好型园林绿化
根据示例性的实施方式，从以上方法3和方法4可以证实高分子粘性多糖生物聚合物处理具有促进植被发芽和生长的效果。因此，该示例性的实施方式表明了在不依赖于传统的化学肥料的情况下，使用生物聚合物的环境友好型园林绿化组成的方法。
在平地的情况下，高分子粘性多糖生物聚合物覆盖层形成于表面层上，然后在该覆盖层上直接播种或安装植被垫。在播种之后，将种子保持为不经受后续处理，或者组成具有一定厚度的土壤覆盖层以保护种子免受外部环境的影响，同时促进种子发芽。
在斜坡的情况下，生物聚合物覆盖层形成于表面上，然后在覆盖层上直接喷洒种子或建造植被垫。在播种之后，将种子保持为不经受后续处理，或者组成具有一定厚度的覆盖层以保护种子免受外部环境的影响，同时促进种子发芽。
7.使用高分子粘性多糖生物聚合物的环境友好型水区组成物
由于生物聚合物是环境友好型并且随着时间的推移容易被生物降解，所以当将其应用到水区时，相比于传统的水泥或化学材料，它很少扰乱水质和水生态系统；因此，预计生物聚合物将有效地应用于环境友好型水区组成。图16示出了溪流和水区的一般形状。一般情况下，水区被划分为溪流、用于防止溪流泛滥的堤坝(B)、堤坝内的河流(C)上的梯地、以及堤坝外的外围空间(A)。作为用于构成环境友好型水区的方法，示例性的实施方式在每个空间执行以下的方法：
A(外围空间)：根据现场条件，可以应用方法5中的所有方法。
对于抑制由溪流疏浚和水位变化导致的溯源侵蚀而言，根据示例性的实施方式的通过使用生物聚合物来稳定和改良土壤的方法可以应用于外围土地，作为使用生物聚合物的环境友好型土地执行方法。
B(堤坝)：可以应用方法5-1或方法5-3的方法。
对于能够取代混凝土块或抛石用于建筑堤坝和海堤的替代方案而言，根据示例性的实施方式的通过使用生物聚合物来稳定和改良土壤的方法可以用作使用生物聚合物混合土壤的堤坝和海堤组成的方法。
此外，根据示例性的实施方式的用于稳定和改良土壤的方法可以用作使用生物聚合物的堤坝表面覆盖方法，从而在满水位或洪水水位时阻止水贯穿漫过堤坝。
C(河流上的梯地)：根据现场条件，可以应用方法5中的所有方法。
根据示例性的实施方式的用于稳定和改良土壤的方法可以用作使用生物聚合物的表面土壤耐侵蚀性改善的方法，从而抑制由溪流流入水区导致的流入部的部分侵蚀或者像平地中的沟壑那样的不规则土壤侵蚀(河流上的梯地)。
根据这样的方法，即根据示例性的实施方式的用于稳定和改良土壤的方法，可以制备用于促进植被生长的环境友好型土壤组成物和/或用于防止土壤侵蚀的组成物。此外，由于根据示例性的实施方式的用于促进植被生长的环境的方法使用环境友好型并对人体无害的生物聚合物，所以通过土壤和生物聚合物的相互作用可以改良土壤的结构和保水条件，从而提高耐侵蚀性，此外，同时实现植被的促进和植被的稳定(足够的根锚定)。
示例性的实施方式的第二方面提供了用于促进植被的发芽和生长的土壤组成物，其是通过第一方面的用于稳定和改良土壤的方法制备的并且其包含高分子粘性生物聚合物。
在示例性的实施方式中，可以相对于约100重量份的土壤包含约20重量份或更少的量的高分子粘性生物聚合物，但不限于此。例如，可以相对于约100重量份的土壤包含以下量的高分子粘性生物聚合物：从约0.00001重量份至约15重量份、从约0.00001重量份至约10重量份、从约0.00001重量份至约5重量份、从约0.00001重量份至约1重量份、从约0.00001重量份至约0.5重量份、从约0.00001重量份至约0.1重量份、从约0.0001重量份至约20重量份、从约0.01重量份至约20重量份、从约0.05重量份至约20重量份、从约0.1重量份至约20重量份、从约0.5重量份至约20重量份、从约1重量份至约20重量份、从约5重量份至约20重量份、或从约10重量份至约20重量份的量，但不限于此。
示例性的实施方式的第三方面提供了用于防止土壤侵蚀的组成物，其是通过第一方面的用于稳定和改良土壤的方法制备的并且其包含高分子粘性生物聚合物。
在示例性的实施方式中，可以相对于约100重量份的土壤包含约20重量份或更少的量的高分子粘性生物聚合物。例如，可以相对于约100重量份的土壤包含以下量的高分子粘性生物聚合物：从约0.00001重量份至约15重量份、从约0.00001重量份至约10重量份、从约0.00001重量份至约5重量份、从约0.00001重量份至约1重量份、从约0.00001重量份至约0.5重量份、从约0.00001重量份至约0.1重量份、从约0.0001重量份至约20重量份、从约0.01重量份至约20重量份、从约0.05重量份至约20重量份、从约0.1重量份至约20重量份、从约0.5重量份至约20重量份、或从约1重量份至约20重量份、从约5重量份至约20重量份、或从约10重量份至约20重量份，但不限于此。
示例性的实施方式的第四方面提供了土壤建筑材料或部件，其是通过第一方面的用于稳定和改良土壤的方法制备的并且其包含高分子粘性生物聚合物。
根据示例性的实施方式的使用生物聚合物的土壤强度和耐久性促进的效果可以适用于使用土壤的建筑和建筑材料领域。特别地，这是有利的，原因在于通过生物聚合物混合物，可以达到比简单使用土壤的土壤建筑(墙、柱等)具有较高的强度和耐久性；相比于使用稻草等的传统方法，可以克服由有机材料的生物降解引起的功能恶化的问题；相比于使用化学添加剂(石膏、水泥等)的方法，可以实现高度环境友好型建筑。土壤建筑材料和部件可以包括，例如，墙、地板材料、砖、块、板、面板及其它，但不限于此。部件是指建筑辅助材料。
通常，土壤建筑是由使自然状态的土壤与水混合以确保可加工性，然后将该混合物模制成砖或块的形式或者将该混合物直接应用到墙或地板而构造的。在这种情况下，为了提高墙或地板材料的强度和耐久性，使用添加了像稻草这样的纤维或化学添加剂的方法。根据示例性的实施方式的使用生物聚合物的用于建造土墙建筑的方法与该传统的方法是有区别的。
在示例性的实施方式中，土壤可包括选自细粒的土(粘土)、粗粒的土(砂)和它们的组合的部件，但不限于此。
在示例性的实施方式中，可以相对于约100重量份的土壤包含约20重量份或更少的量的高分子粘性生物聚合物，但不限于此。例如，可以相对于约100重量份的土壤包含具有以下量的高分子粘性生物聚合物：从约0.00001重量份至约15重量份、从约0.00001重量份至约10重量份、从约0.00001重量份至约5重量份、从约0.00001重量份至约1重量份、从约0.00001重量份至约0.5重量份、从约0.00001重量份至约0.1重量份、从约0.0001重量份至约20重量份、从约0.01重量份至约20重量份、从约0.05重量份至约20重量份、从约0.1重量份至约20重量份、从约0.5重量份至约20重量份、或从约1重量份至约20重量份、从约5重量份至约20重量份、或从约10重量份至约20重量份，但不限于此。
具体实施方式
在下文中，通过使用实施例对示例性的实施方式进行了详细描述。然而，本发明并不限于这些实施例。
实施例1：使用生物聚合物的土壤耐侵蚀性测量
进行了用于验证生物聚合物的土壤侵蚀抑制效果的各种室内实验。在这个实施例中，将β-1,3/1,6-葡聚糖类液体产物(8.9克/升的β葡聚糖含量；GlucanCorporation)用作高分子链生物聚合物材料。
在这个实施例中，将广泛用作食品的固化剂的纯粉末状态的黄原胶(Sigma-Aldrich；CAS1138-66-2)用作凝胶化的聚合物。黄原胶的最显著属性是在各种温度和pH条件下都稳定。
就实施本发明的基本方法而言，将土壤与相应的生物聚合物混合，然后再制造降雨条件以测量每种情况下的土壤流失的量并评价总的土壤的耐侵蚀性。这方面的具体说明提供在下面。
1.生物聚合物处理过的土壤对重复降雨的耐侵蚀性
在这个实施例中，使用韩国代表性的土壤，即包括埃洛石[Al2Si2O5(OH)4]作为其必要成分的花岗岩残积土(黄色土)作为代表性的土壤样品。在黄色土自然干燥后，将其粉碎成尺寸为0.07毫米至0.15mm的颗粒，然后，在110℃的温度下进行炉干燥以去除残留的有机物质。
在准备三个样品盘(A、B和C；参考图1)并且将每个盘装有2000克的土壤之后，将A的土壤与1200克(相对于土壤的重量的60％)的蒸馏水均匀混合，将B的土壤与1200克液态β-1,3/1,6-葡聚糖(相对于土壤的重量的0.5％的β葡聚糖)均匀混合，将C的土壤与10克粉末黄原胶以及1200克的蒸馏水均匀混合。
对于模拟降雨，使用如图2所示的喷洒器，以及其与样品盘的角度设为20°。在模拟降雨之前，测量样品盘的总重量，且在500毫升模拟降雨后，收集泄漏的泥浆以测量泥浆的体积和质量。测量模拟降雨之后的样品盘的总重量以计算土地的吸收量。使泄漏的泥浆立即干燥以基于干燥前后的质量差异获得土壤侵蚀量。在两(2)天的周期中，总共进行了10次模拟降雨。
表1根据每次模拟降雨提供了土壤流失量
[表1]
根据每次模拟降雨的土壤流失量(g)
表2提供了将表1中降雨次数导致的土壤流失量转换成相对于初始土壤的总重量(2000克)的累积的损失率(％)的结果。
[表2]
根据降雨次数的累积的土壤损失率(％)
实验结果表明，可以确定经生物聚合物处理过的土壤对于总共10次模拟降雨表现出从0％至1％的累积的损失率，而未经处理过的土壤已损失21％。特别是，可以确定在这些生物聚合物中，表现出超高的耐侵蚀性的β-1,3/1,6-葡聚糖具有仅为0.1％的累积的损失率。
2.生物聚合物处理过的土壤对强降雨的耐侵蚀性
为了验证对强降雨的耐侵蚀性，除了周期性降雨，如以上用于实施本发明的具体说明的项目“1”中所描述的，在相同的条件下准备样品A、样品B和样品C，然后模拟强降雨。就强降雨而言，在10分钟的间隔时间内喷洒15次500毫升的降雨以测量样品的总重量以及在如上所述的降雨前后的土壤流失量。
表3提供了根据模拟强降雨的土壤的累积的损失率(％)
[表3]
根据强降雨的累积的损失率(％)
一旦比较表2和表3的结果，可以确定在强降雨的条件下，未经处理过的土壤的累积的损失率显著增加(21.2→31.8；相对于10次累积的降雨)。具体地，可以确定生物聚合物处理过的土壤对强降雨的耐侵蚀性仍然很高(小于1％)。
因此，可以确定生物聚合物处理无论在重复降雨还是在强降雨的条件下都能显着提高土壤的耐侵蚀性。
实施例2：使用生物聚合物的植被促进效果测量
在这个实施例中，进行了各种室内实验以验证生物聚合物的植被促进效果。在这个实施例中，将β-1,3/1,6-葡聚糖类液体产物(GlucanCorporation)用作高分子链生物聚合物材料。此外，在这个实施例中，将广泛用作食品的固化剂的纯粉末状态的黄原胶(Sigma-Aldrich；CAS1138-66-2)用作凝胶化的聚合物。
就实施本发明的基本方法而言，将土壤与相应的生物聚合物混合，然后播种农作物并在恒定的温度和湿度条件下培养以确定种子的发芽和生长，此外，对土壤的结构进行分析以确定生物聚合物处理过的土壤如何影响植物的生长。这方面的具体说明提供在下面。
1.在生物聚合物处理过的土壤中的种子发芽
在这个实施例中，使用韩国代表性的土壤，即包括埃洛石[Al2Si2O5(OH)4]作为其必要成分的花岗岩残积土(黄色土)作为代表性的土壤样品。在黄色土自然干燥后，将其粉碎成尺寸为0.07毫米至0.15mm的颗粒，然后，在110℃的温度下进行炉干燥以去除残留的有机物质。
准备六(6)个盆，其中三(3)个(A、B、C)盆装有黄色土作为基本的土壤，而另外三(3)个(D、E、F)盆装有市售的人工培养土用作对照。A和D处于未经处理过的纯土壤条件，B和E与对应于土壤重量的1％的黄原胶混合，最后，C和F与对应于土壤重量的0.5％的β-葡聚糖混合。将约600个燕麦种子作为试验作物均匀洒在每份土壤上，然后，用土壤覆盖。在将水喷洒在所有的A、B、C、D、E和F上直到初始水含量(水的量相对于土壤的重量)条件达到60％后，将这些盆置于具有相同的温度和光照条件的温室中(图3)。每天观察发芽和生长的倾向，并且在浇水时，向每个盆供应相等量的水。
表4提供了根据每个盆的培养天数的种子发芽结果
[表4]
根据培养天数的发芽量
观察结果表明，可以确定促进了无论是在黄色土还是在培养土的生物聚合物处理过的土壤中的种子的发芽。在这些生物聚合物中，β葡聚糖比黄原胶表现出较高的效率。特别是，在培养土的发芽大多比黄色土的发芽更好的情况下，用β葡聚糖处理过的黄色土(C)比用未经处理过的培养土(D)表现出更好的发芽结果，因此，可以确定β葡聚糖处理通常改良土壤的发芽条件。
2.在生物聚合物处理过的土壤中的植物生长
在观察种子发芽的同时，观察在上述的实施例中的整个植被的生长。观察是这样进行的，将每个盆分成8部分，然后测量每部分中的植被的平均生长长度以计算整个植被生长的平均值。表5提供了根据培养天数的每个盆的生长结果。
[表5]
根据培养天数的种子发芽量
培养结果表明，可以确定促进了无论是在黄色土还是在培养土的生物聚合物处理过的土壤中的植被的生长(图4)。在这些生物聚合物中，β葡聚糖比黄原胶表现出高得多的效果。在黄色土的情况下，可以确定在初始阶段(0至12天)，在β葡聚糖处理过的土壤中的植物生长最高提升了5倍。特别地，由于在β葡聚糖处理过的黄色土(C)中的生长与在未经处理过的培养土(D)中的生长表现出类似的植被倾向，所以可以确定β葡聚糖处理显著改良不适合植物生长的土壤的性能。
3.分析生物聚合物处理过的土壤的微结构
为了验证生物聚合物与土壤在土壤中表现出何种相互作用特性以提高植被的生长，通过使用扫描电子显微镜(SEM；PhillipsXL30SFEG)设备观察土壤生物聚合物与植被根系的相互作用行为(图5a至图5c)。
图5a涉及未经处理过的黄色土的结果，该结果表明黄色土颗粒与植被根系非常密集地彼此附着。就图5b的β葡聚糖处理过的黄色土而言，可以相信，高分子β葡聚糖链使土壤的孔膨胀，以便总体上增加了土壤的通风和排水。就黄原胶处理过的土壤而言(图5C)，观察到整个土壤结构比图5b的β葡聚糖处理过土壤的土壤结构更致密，但比图5a的未经处理过的土壤的土壤结构更疏松，因为土壤颗粒由于凝胶化而在此形成团块。因此，可以确定生物聚合物处理一般膨胀土壤的孔隙以便构成植被的根系能容易生长的环境。
4.验证生物聚合物处理过的土壤的水含量保持性能
植被的生长和土壤的水含量彼此密切相关。由于长期使土壤维持合适的水含量对初期的植物生长具有有利的作用，所以在生物聚合物处理过的土壤和常见的土壤之间进行水含量保持性能的比较实验。
在准备相等量(200克)的三个黄色土样品，并分别用对应于土壤重量的0.5％的β葡聚糖处理，用对应于土壤重量的0.5％的黄原胶处理以及不处理之后，使这些样品的初始保水率符合60％，然后是这些样品在室温下干燥。根据时间测量这些样品的重量以测量水的损失(蒸发)量。表6提供了对应于时间的蒸发率[％；相对于初始水含量(120克)]结果。
[表6]
对应于时间的蒸发率
从表6可以确定，相比于未经处理过的土壤，根据示例性的实施方式的所有生物聚合物在土壤中保持了令人满意的水含量。尽管在初始阶段生物聚合物处理过的土壤和未经处理过的土壤之间的差异由于土壤表面上的水大部分被蒸发掉而并不显著，然而可以确定生物聚合物处理在抑制中期和长期行为(其中土壤内的水流失)中的土壤内部的水流失中实现了优异的效果。
实施例3：使用热处理的高分子粘性凝胶化的多糖生物聚合物土壤混合物
为了通过使用热凝胶化使高分子粘性凝胶化的生物聚合物与土壤彼此混合，不管土壤的类型，制备高温状态的高分子粘性凝胶化的多糖生物聚合物水溶液和土壤。在将粉末状态的生物聚合物溶解在具有高的温度(80℃)的溶剂(水)中后，使悬浮液与加热的土壤混合，以防止一旦混合由温度急剧下降导致的过早凝胶化。在形成超高温生物聚合物水溶液中重要的是应适当调节浓度(溶质的量比溶剂的量)。在一般情况下，琼脂在室温下由于其亲水性会吸收对应于其质量20倍的水，并且溶解度随着温度的增加而增大。优选的是构成超高温溶液为10％或更少(10克/100毫升)的琼脂和3％或更少(3克/100毫升)的黄原胶，因为相比于上述浓度，具有较高浓度的粉末不完全溶解于水。
如果是诸如黄色土之类的(粘土样)土壤的情况，则使超高温凝胶化的生物聚合物溶液与超高温土壤以60％或更低(溶液重量比土壤重量)的浓度均匀混合；如果是砂样土壤的情况，则使超高温凝胶化的生物聚合物溶液与超高温土壤以30％或更低的浓度均匀混合。混合之后，根据预期目的模制混合物，然后在空气或水中固化。图6示出了工艺的总结。
实施例4：热凝胶化的生物聚合物土壤组成物的冷却和固化方法
在室内条件下通过使用黄色土和砂准备了各种高分子粘性热凝胶化的多糖生物聚合物土壤试样，并测量了它们的强度。使每份土壤与琼脂和结冷胶混合，其含量相对于土壤重量分别为1％和3％；以及黄色土的初始水/土壤混合比为60％，而砂的水/土壤混合比为30％。图7(黄色土)和图8(砂)提供了试样混合之后经受自然冷却和空气固化的试样的强度。从图7和图8的结果可以确定，由于热凝胶化的生物聚合物混合物的缘故使土壤的压缩强度显著增加。特别是，可以确定黄色土的最大强度达到12MPa，以形成非常坚硬的土壤组成。这表明，由于琼脂和结冷胶都具有负电荷，它们与具有表面电荷的黄色土颗粒形成较强的键。
然而，在空气中进行自然冷却且进行空气固化的黄色土试样表现出最大20％的干燥收缩率(体积应变)特性。为了解决这一问题，研究了在超高温混合之后改变初始冷却的方法。如图6的工艺所示的作为在混合和模制之后立即快速冷却试样(3％琼脂和3％结冷胶)的方法，使试样在冷水中冷却(图9)。在充分冷却之后，使样品进行空气固化，结果表明，可以确定最终的干燥收缩率降低至10％或更低。因此，可以确定生物聚合物土壤组合物的初始凝胶化对于防止干燥收缩非常重要，为此，可以应用诸如冷水、冷却剂、冷空气和冷藏之类的各种方法。
最后，为了确定试样在快速冷却和水固化条件下的特性，准备样品，然后立即浸渍在水中，随后经受长期水固化。该长期浸渍并饱和的土壤表现出几乎没有压缩强度，而热凝胶化的生物聚合物处理的土壤即使在28天的浸渍条件下依然表现出约50kPa至约200kPa的压缩强度，这证实了热凝胶化的生物聚合物土壤组成物即使在水下状态也是有效的(图10)。特别重要的是，在快速冷却和水固化的情况下，体积变化接近于0％。因此，已经证实，由于热凝胶化的生物聚合物在水下和浸渍状态时表现出没有发生体积变化，所以它可被用作高度稳定的土地灌浆和处理剂。
实施例5：对水的耐久性的评价
为了评价热凝胶化的生物聚合物处理过的土壤对水的耐久性，对经受作为最敏感的条件的自然冷却和空气固化的试样进行再湿润和强度测量。在固化两个月之后，使试样浸渍在水中，并使该浸渍状态保持一周。在浸渍后的第七天评价单轴压缩强度和体积膨胀率。
干燥状态下的3％的琼脂处理过的土壤表现出12MPa的最终强度，而在浸渍之后，该强度降低至600kPa；干燥状态下的3％的结冷胶处理过的土壤的干燥状态强度为10MPa，该强度在浸渍之后降低至500kPa。重要的是，尽管在所有情况下，试样都保持它们原始的形状，然而由于发生了水分吸收，从而导致轻微的体积膨胀(参照表7)。
[表7]
浸渍的试样的强度变化和体积变化的结果
就这点而言，图11根据示例性的实施方式示出了通过使用热凝胶化的生物聚合物制备环境友好型土壤建筑材料的方法的示意图。当通过如图11中所示的方法利用热凝胶化的生物聚合物制造土壤建筑材料(墙、面板、砖块或其它材料)时，可以获得高强度和高耐久性的建筑材料。由于热凝胶在80℃或更高的温度下表现出低粘度，而当温度降低至40℃或更低时形成高粘度凝胶基质，所以保持高温直到混合和模制之前的过程是非常重要的。因此，当使土壤和生物聚合物水溶液独立进行热处理，并在保持一定温度(例如，80℃或更高)的状态下彼此混合，且将生物聚合物土壤混合物倾倒至模具中并冷却时，可以获得拟合所期望的模具的各种形状。在将混合物倾倒至模具中之后，使其冷却至40℃或更低的温度并固化；在这种情况下，可以通过在空气中自然冷却或者使用水或其它制冷剂迅速冷却而使该混合物固化。因为可以确定，根据本实施例的热凝胶化的生物聚合物表现出显著低的水渗透性，因此即使当它在初始阶段被浸渍于水中，其土壤结构也不分散，这些优点可以被利用来制备可以被模制成各种形状的土壤建筑材料。
可以确定示例性的实施方式所提出的生物聚合物土壤组成物对水具有显著优异的耐久性。因此，为了水防渗屏障的目的或其它增强的原因，可以以使超高温生物聚合物溶液直接灌浆至土地或翻耕土地的形式应用示例性的实施方式的技术。图12示出了具体操作方法。
实施例6：生物聚合物混合土壤建筑材料(面板)的强度的评价
为了评价使用生物聚合物处理过的土壤作为建筑材料的合理性，通过使用黄色土制备了在土壤建筑中使用最广泛的具有15mm厚度的面板试样，并通过标准测试方法(KSF3504)测量每个面板的弯曲强度。
为了比较，分别测量不具有添加剂的土壤、与10％的石膏混合的土壤、以及加入了0.5％的β-葡聚糖和1.0％的黄原胶作为一种高分子粘性生物聚合物的土壤的弯曲强度。图17提供了结果。
如图17所示，干燥状态的未经处理过的土壤的弯曲强度低于100kPa，与10％的石膏混合的土壤的条件下的弯曲强度也没有表现出显著增加；而与根据示例性的实施方式的高分子粘性生物聚合物混合的试样的弯曲强度显著增加。通常，可以确定当以0.5％重量份的量加入生物聚合物时，弯曲强度约为200kPa，而当以1％重量份的量加入生物聚合物时，弯曲强度约为400kPa。在此基础上，相信高分子粘性生物聚合物在土壤建筑中的应用以及用作建筑材料可以是很好的替代方案以克服传统土壤建筑的低强度和低耐久性的问题。
提供示例性的实施方式的以上描述是为了说明的目的，本领域技术人员将理解在不改变示例性的实施方式的技术构思和必要特征的情况下，可以做出各种变化和修改。因此，很清楚的是，上述示例性的实施方式在所有方面都是说明性的，并不限制本发明。例如，被描述为单一类型的每个部件可以以分布式的方式来实现。同样，被描述为分布式的那些部件也可以以组合的方式实现。
本发明概念的范围由下面的权利要求书及其等同的实施方式来限定，而不是由示例性的实施方式的详细描述来限定。应当理解的是，从权利要求书及其等同的实施方式构想的所有修改和实施方式都落入本发明构思的范围内。
Claims (23)
1.一种用于稳定和改良土壤的方法，其包括将高分子粘性生物聚合物加入土壤中。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述高分子粘性生物聚合物包括多糖类生物聚合物或者氨基酸类生物聚合物。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述多糖类生物聚合物包括高分子链生物聚合物或凝胶化的生物聚合物。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述高分子粘性生物聚合物包括选自由以下的包括葡萄糖作为单体的成分组成的群组中的成分：β葡聚糖、α葡聚糖、黄原胶、结冷胶、威兰胶、琼脂胶、琥珀酰聚糖胶、凝胶多糖以及它们的组合。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述高分子粘性生物聚合物包括选自以下成分的成分：壳聚糖、γPGA以及它们的组合。
6.如权利要求1所述的方法，其中相对于100重量份的所述土壤以20重量份或更少的量将所述高分子粘性生物聚合物加入所述土壤。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述高分子粘性生物聚合物使得能让土壤的孔隙膨胀，能保持土壤中的保水性的特点，并能增加土壤颗粒之间的结合强度。
8.如权利要求1所述的方法，其中通过使所述高分子粘性生物聚合物与所述土壤混合、将所述高分子粘性生物聚合物喷涂至所述土壤的表面上、或者将所述高分子粘性生物聚合物注射至所述土壤中来执行所述将高分子粘性生物聚合物加入至土壤中。
9.如权利要求1所述的方法，其中将水溶液或碱性水溶液状态的所述高分子粘性生物聚合物加入所述土壤中。
10.如权利要求1所述的方法，其中将粉末形式的所述高分子粘性生物聚合物加入所述土壤中。
11.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在将所述高分子粘性生物聚合物加入所述土壤中之后加入碱金属阳离子或碱土金属阳离子。
12.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在将所述高分子粘性生物聚合物加入所述土壤中之后加入酸性水溶液或阳离子水溶液。
13.如权利要求1所述的方法，其进一步包括在将所述高分子粘性生物聚合物加入所述土壤中之后加热并冷却所述土壤。
14.如权利要求13所述的方法，其进一步包括在所述冷却之后加入碱金属阳离子或碱土金属阳离子。
15.如权利要求8所述的方法，其进一步包括在将所述高分子粘性生物聚合物喷涂至所述土壤的所述表面上之后喷涂水、酸性水溶液和/或阳离子水溶液。
16.如权利要求1所述的方法，其中通过用于稳定和改良所述土壤的所述方法促进植被的发芽或生长。
17.如权利要求1所述的方法，其中通过用于稳定和改良所述土壤的所述方法增进土壤的耐侵蚀性。
18.一种用于促进植被的发芽或生长的土壤组成物，其是通过如权利要求1至17中任一项所述的方法制备的并且其包含高分子粘性生物聚合物。
19.如权利要求18所述的土壤组成物，其相对于100重量份的所述土壤，包括20重量份或更少的量的所述高分子粘性生物聚合物。
20.一种用于防止土壤侵蚀的土壤组成物，其是通过如权利要求1至17中任一项所述的方法制备的并且其包含高分子粘性生物聚合物。
21.如权利要求20所述的土壤组成物，其相对于100重量份的所述土壤，包括20重量份或更少的量的所述高分子粘性生物聚合物。
22.一种土壤建筑材料或部件，其是通过如权利要求1至17中任一项所述的方法制备的并且其包含高分子粘性生物聚合物。
23.如权利要求22所述的土壤建筑材料或部件，其相对于100重量份的所述土壤，包括20重量份或更少的量的所述高分子粘性生物聚合物。
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