CN105189699A - 用于预防土壤侵蚀的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种预防土壤侵蚀的方法，其中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。还提供了一种用于预防土壤的水流失的方法，其中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。还提供了一种针对土壤侵蚀的经处理的土壤，该经处理的土壤易于通过该预防土壤侵蚀的方法获得，其中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。

Description

用于预防土壤侵蚀的方法
本发明涉及一种用于预防土壤侵蚀的方法，其中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。本发明还涉及一种用于预防土壤的水流失的方法，其中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。本发明还涉及一种针对土壤侵蚀的经处理的土壤，该经处理的土壤易于通过该预防土壤侵蚀的方法获得，其中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。
现有技术
水和土壤是人类的物质基础。土壤侵蚀是一个时下普遍关注的主要的环境问题。尤其是在广大的发展中国家中，土壤侵蚀已经成为当地经济发展中一个重要的限制性因素。土壤侵蚀导致严重的环境和生态灾难后果，包括土壤质量退化、土地资源的破坏、水短缺、水污染、环境退化以及沉积物排放而产生大量的河流淤泥、增加的威胁下游地区的洪水风险。
化学侵蚀防治技术正在作为一类非传统的水土保持措施出现。化学防治土壤侵蚀主要通过聚合物的施用来改进土壤特性、增加土壤团粒稳定性，从而预防黏土分散，由此减少土壤结皮、增加渗透、减少表面径流和土壤侵蚀。从20世纪50年代起，合成聚合物开始用于土壤改良。在科学研究工作中，PAM(聚丙烯酰胺)被证实是一种的有前景的添加剂，该添加剂可以维持土壤结构和土壤团粒稳定性并且保持高渗透低流失(US2625529，W02007047481)。纤维素和吸水剂木质纤维素(US20100285962，US20070180763)也被鉴别为用于这类目的。迄今为止只有聚丙烯酰胺因为用于土壤侵蚀预防和其在许多国家中在农业中的作用已被广泛研究。结果表明，水土保持的作用有其适用范围，如缓坡和某些土壤类型。然而对于构造差的地面(如碱性土和在陡坡上)，PAM不能很好地起作用。因此，更加有效的土壤侵蚀防治材料和技术有待于进一步开发，以满足不同的、在不同类型土壤和环境中千变万化的要求。
从而，对于改进的土壤添加剂存在需要，该添加剂应预防土壤侵蚀并且相对于所用的添加剂的总量具有增加的功效。
发明内容
现在显示出，该非离子型瓜尔胶和/或一种阳离子型瓜尔胶可能用来预防土壤侵蚀并且相对于所用的添加剂的总量具有增加的功效；显著地通过增加土壤团粒结构的水稳定性。此外该瓜尔胶是植物基可生物降解的产品，该产品作为降解的结果不会污染环境。
于是，本发明涉及一种用于预防土壤侵蚀的方法，其中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。
本发明还涉及一种用于预防土壤的水流失的方法，其中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。
本发明还涉及一种针对土壤侵蚀的经处理的土壤，该经处理的土壤易于通过该预防土壤侵蚀的方法获得，其中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。
根据本发明的土壤侵蚀旨在涉及三种主要的侵蚀类型，这些侵蚀类型作为降雨的直接结果出现，比如表面侵蚀、细沟侵蚀、以及冲沟侵蚀；但也作为风象和天气条件的结果出现。
表面径流是当土壤被浸透达到总容量时出现的水流和来自降雨、融水、或其他来源的在地面上流动的过量的水。这是水循环的一个主要组分和水力侵蚀中的主要媒介。它导致耕地的损失，并且土壤不能再为农作物和种子提供充分的正常的结构和营养以使其健康生长。
根据本发明可能使用一种或若干种非离子型和/或阳离子型瓜尔胶。
本发明的非离子型瓜尔胶通常是不改性的瓜尔胶，该瓜尔胶意指包括蔗糖半乳糖和甘露糖的多糖。主链是β1，4-连接的甘露糖残基直链，在每隔一个甘露糖处半乳糖残基1，6-连接到该甘露糖残基直链，形成短的侧链。
本发明的阳离子型瓜尔胶可包括可以通过使用不同可能的阳离子型醚化剂获得的阳离子型瓜尔胶，例如像季铵盐的家族。
在阳离子型瓜尔胶的情况下，则该阳离子基团可以是带有三个基团的季铵基团，这些基团可以是相同的或不同的，优选地选自氢、烷基、羟烷基、环氧烷基、链烯基、或芳基，优选地包含1至22个碳原子、更具体地说1至14并且有利地1至3个碳原子。平衡离子通常是卤素，其在一个实施例该平衡离子为氯。
季铵盐可以是例如：3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTMAC)，2，3-环氧丙基三甲基氯化铵(EPTAC)，二烯丙基二甲基氯化铵(DMDAAC)，乙烯基苯三甲基氯化铵，甲基丙烯酸乙酯三甲基氯化铵，甲基丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵(MAPTAC)，以及四烷基氯化铵。
在这些阳离子型瓜尔胶衍生物中一种典型的阳离子官能团是三甲基氨基(2-羟基)丙基，与一种平衡离子。可以利用不同的平衡离子，包括但不限于卤离子，如氯离子、氟离子、溴离子和碘离子，硫酸根，甲基硫酸根，以及其混合物。
本发明的阳离子型瓜尔胶可以是选自以下各项组成的组：
-阳离子型羟烷基瓜尔胶，如阳离子型羟乙基瓜尔胶(HE瓜尔胶)、阳离子型羟丙基瓜尔胶(HP瓜尔胶)、阳离子型羟丁基瓜尔胶(HB瓜尔胶)，以及
-阳离子型羧烷基瓜尔胶，包括阳离子型羧甲基瓜尔胶(CM瓜尔胶)、阳离子型烷羧基瓜尔胶如阳离子型羧丙基瓜尔胶(CP瓜尔胶)和阳离子型羧丁基瓜尔胶(CB瓜尔胶)、羧甲基羟丙基瓜尔胶(CMHP瓜尔胶)。
更优选地，本发明的阳离子型瓜尔胶是瓜尔胶羟丙基三甲基氯化铵。
阳离子瓜尔胶的羟烷基化度(摩尔取代度或MS)，即被存在于该瓜尔胶上的游离羟基官能团的量所消耗的环氧烷分子的数量，可以是包含在0至3之间，优选地在0至1.7之间。例如，MS为1可以表示一个环氧乙烷单元每个单糖单元。
阳离子型瓜尔胶的取代度(DS)，即每单醣单元被阳离子基团取代的羟基的平均数，可以是包含在0.005至3之间，优选在0.01至2之间。DS值得注意地可以代表每单糖单元的羧甲基的数目。DS值得注意地可以通过滴定法确定。
阳离子瓜尔胶的电荷密度(CD)可以包含在0.1至2meq/g之间，优选地在0.4至1meq/g之间。该电荷密度指的是聚合物中包括的一个单体单元上的正电荷数量与所述单体单元的分子量的比值。电荷密度与聚合物分子量的乘积确定了给定的聚合物链上的带正电位点的数目。
该阳离子型瓜尔胶可以具有在约100,000道尔顿至3,500,000道尔顿之间、优选地在约500,000道尔顿至3,500,000道尔顿之间的平均分子量(Mw)。
本发明的非离子型和/或阳离子瓜尔胶的用量可以包含在0.1至100kg/公顷土壤之间，更优选地在2.5至50kg/公顷土壤之间。
根据本发明施用在土壤上或施用到土壤中可值得注意地通过喷洒到土壤或与土壤共混进行。
该土壤添加剂可以，例如，施用在土壤表面或靠近顶部表面，施用到土壤中或施用到土壤内的一个层中，在灌溉水或其他之后施用到土壤的载体、或类似物中。
当将该添加剂制备成溶液的时候，土壤喷洒发生，并且喷洒到土壤表面。该溶液将在一定程度上渗透通过土壤的顶层以在土壤上形成一个外壳(如坚韧的层)。这一层的土粒受到添加剂的约束，因此具有强脱附抵抗能力。这一层还可以提供更快的水渗透动力，这样表面径流可以明显减少。本发明的瓜尔胶可以溶解和/或悬浮在所述溶液中。
当该添加剂固定在土壤表面并且通过混合均匀化时，发生共混。本发明的瓜尔胶可以液体或固体的形态使用。粉末浇注是优选地根据此实施例。此方案也显示出与第一个方案相同的性能。
该瓜尔胶基添加剂还可以是用于农业和园艺活动的若干经典添加剂，如色素、辅助剂、表面活性剂、和/或肥料。
根据本发明的方法可以使用不同类型的土壤，如黏土、沉积物、砂土、壤土、有机肥、粉砂、泥炭和普通土质，通常在玉米、小麦、高粱、大豆、番茄、花椰菜、萝卜、卷心菜、油菜、生菜、黑麦草、草、大米、棉花、向日葵等等的生产中涉及。
本发明所使用的土壤优选地选自以下各项组成的组：黏土、砂土、粉沙土、泥炭土和壤质土。
黏土(或粘性土壤)：当黏土潮湿时，它们通常是粘的、成团的并且柔韧的；但是当它们干燥时，它们通常形成硬块。黏土由非常细的具有很小空隙的颗粒物构成，因此它们很难耕作并且经常排水不良-在春天它们易于浸水。蓝色或灰色的黏土具有不良的通气性并且必须松土以维持健康生长。黏土中的红色表示良好的通气性和“疏松的”可以良好排水的土壤。由于黏土包含高营养水平，如果排水充足，植物会生长得很好。通常，黏土具有小于50微米的平均粒度(D50)。典型地，黏土具有约25微米或小于25微米的平均粒度(D50)。更典型地，黏土具有约5微米或小于5微米的平均粒度。
砂土：通常，砂土具有细粒状的质地并且由风化的岩石(石灰岩、石英岩、花岗岩和页岩)形成。砂土可包含充足的至大量的有机物，这些有机物使得它相对容易培养。砂土通常以具有范围从100微米到2000微米变化的粒度的圆形颗粒为特征。
粉砂土：通常，粉砂土被认为是较肥沃的土壤之一。粉砂土通常包括矿物质、主要是石英、以及有机颗粒，并且它具有比砂土更多的营养物质，并且提供良好的排水。当干燥时，粉砂土具有相当平滑的质地并且看起来像黑砂。
泥炭土：泥炭土通常包含比其他土壤更多的有机材料，因为它的酸度抑制了分解过程。这种类型的土壤比许多其他土壤含有较少的营养，并且易于过量保留水分。
壤质土：通常，壤质土是一种大致40％砂土、40％粉砂和20％黏土的组合。壤质土的范围可以从易于耕种的充满有机物质的肥沃土壤到密集堆积的草皮。
为了进一步阐明、说明、和描述上述概念，现在结合以下实施例和实验结果展示和讨论本发明的实例。
实验部分
使用的化合物是以下：
-瓜尔胶A：羟丙基瓜尔胶羟丙基三甲基氯化铵。0.10的DS，1.5M道尔顿的Mw和0.5meq/g的CD
-瓜尔胶B：无改性的瓜尔胶。0的DS，2M道尔顿的Mw和0meq/g的CD。
侵蚀测试是在人工降雨下并且在一个容易改变坡度的地段上进行。该地段的大小为120cm×40cm，将土壤仔细地并且均匀地放置在该地段上。该地段的坡度可以很好地调节。所测试的土壤是来自遭受严重土壤侵蚀问题的陕西省的黏性土壤。实验中所测试的剂量范围从10kg/公顷到50kg/公顷变化。
该人工降雨从16米高处落下并且强度(mm/min)可以精确地控制。每次测试持续40分钟。
下表1示出从降雨一开始到地表水径流的启动时刻的时间。土壤流失是在全部测试中的总损失。降雨强度：1mm/min。坡度：10度。
表1
如表1所示，就径流时间和径流水层深度而言，这两种添加剂具有不同的性能。但是它们都显示出相同的土壤流失降低效果。瓜尔胶A可显著增加径流发生前的时间，这表明瓜尔胶A可以使土壤更加透水。相反地，瓜尔胶B使得土壤的透水更缓慢，因此该径流出现得非常快，甚至比对照组土壤更快。径流深度也显示出相同的趋势。由于更好的渗透，经瓜尔胶A处理的土壤在其表面上具有更薄的径流水层。对照组土壤产生了较厚的径流层，然而经瓜尔胶B处理的土壤在表面上具有最厚的径流层。
有趣的是瓜尔胶A和B都可以显著降低土壤流失，从而有效抵抗侵蚀。瓜尔胶A的更高的渗透率和结合力有助于这种抗侵蚀性能。至于瓜尔胶B，它带给土壤的强粘合力也可以降低侵蚀，即使它不能使其他参数更好。
不同剂量的瓜尔胶A的性能清楚地显示出在很低的剂量(10kg/公顷)下径流时间可能被有效延迟。径流层深度和土壤流失也得以降低。随着剂量增加到30kg/公顷，性能变得比更低剂量更好。当剂量高达50kg/公顷时，径流时间变得大大更早于用低剂量和对照组的土壤。太多的瓜尔胶A会抵消土壤的亲水性，但是带来更高的结合力。在这种情况下，使土壤颗粒聚集的结合力是土壤流失降低的主要原因。
下表2显示出在恶劣条件下不同瓜尔胶A剂量的性能。降雨强度：2mm/min。坡度：20度。
表2
于是显示出，在具有陡坡和强降雨的恶劣条件下，对于所有的处理，径流快速发生。经瓜尔胶A处理的土壤显示出径流层减少的效果，但是大大低于其在温和条件下显示的效果。然而，抗侵蚀性能与在温和条件下的低剂量的土壤的一样好，并且甚至更好于高剂量的土壤。由于恶劣的条件，渗透率可轻微影响表面径流，因为水流下的速度大大快于渗透到土壤的速度。在这种情况下，土壤流失的显著降低可主要归于添加剂带给土壤颗粒的良好的结合力。这也可以通过显示出更低土壤流失行为的更高剂量来确认。

Claims (13)

1.一种用于预防土壤侵蚀的方法，其中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，阳离子型瓜尔胶通过使用季铵盐作为阳离子型醚化剂来获得。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，季铵盐选自以下各项组成的组：3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵，2，3-环氧丙基三甲基氯化铵，二烯丙基二甲基氯化铵，乙烯基苯三甲基氯化铵，甲基丙烯酸乙酯三甲基氯化铵，甲基丙烯酰胺基丙基三甲基氯化铵，以及四烷基氯化铵。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，阳离子型瓜尔胶是选自以下各项组成的组：
-阳离子型羟烷基瓜尔胶，如阳离子型羟乙基瓜尔胶(HE瓜尔胶)、阳离子型羟丙基瓜尔胶(HP瓜尔胶)、阳离子型羟丁基瓜尔胶(HB瓜尔胶)，以及
-阳离子型羧烷基瓜尔胶，包括阳离子型羧甲基瓜尔胶(CM瓜尔胶)、阳离子型烷羧基瓜尔胶如阳离子型羧丙基瓜尔胶(CP瓜尔胶)和阳离子型羧丁基瓜尔胶(CB瓜尔胶)、羧甲基羟丙基瓜尔胶(CMHP瓜尔胶)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，阳离子型瓜尔胶的羟烷基化度为0至3。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，阳离子型瓜尔胶的取代度为0.005至3。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，阳离子型瓜尔胶的电荷密度为0.1至2meq/g。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，该阳离子型瓜尔胶具有约100,000道尔顿至3,500,000道尔顿的平均分子量。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，该非离子型和/或阳离子型瓜尔胶的剂量为0.1至100kg/公顷土壤。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，非离子型和/或阳离子型瓜尔胶通过喷洒到土壤或与土壤共混来施用。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，其中，土壤选自以下各项组成的组：黏土、砂土、粉沙土、泥炭土和壤质土。
12.一种用于预防土壤的水流失的方法，其中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。
13.一种易于通过预防土壤侵蚀的方法获得的对抗土壤侵蚀的经处理的土壤，在该方法中，将非离子型瓜尔胶和/或阳离子型瓜尔胶施用在土壤上或施用到土壤中。
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