CN111065711B - 用乳糖酸盐化合物对土壤特性的改良 - Google Patents

用乳糖酸盐化合物对土壤特性的改良 Download PDF

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Abstract

本文描述了增加土壤含水量的方法。这些方法可包括将土壤改良剂施用至土壤，其中该土壤改良剂包含(i)乳糖酸和(ii)至少一种乳糖酸盐中的一个或两个。本文也描述了具有增加的土壤含水量的经处理土壤。经处理土壤可包含被吸收入土壤中的土壤改良剂。该土壤改良剂可包含至少一种乳糖酸的盐。来自至少一种乳糖酸盐的阳离子可使土壤中的至少一部分的颗粒发生聚集。

Description

用乳糖酸盐化合物对土壤特性的改良
背景技术
作物产量与种植土壤中有机质的量相关。具有高度可变量的土壤有机质的地区通常具有更多的作物产量可变性。此外，在土壤的土壤有机质含量与作物产量之间常常存在着反馈环，其中较高的作物产量给土壤留下更多的残余有机质。土壤有机质增加作物产量的重要性已激励业界尝试开发维持并增加用于作物生产的土壤中有机质水平的方法。
用于增加土壤有机质的常规方法是在在新生长季节开始前将外部来源有机质施用至土壤。这些外部来源包含粪肥、复合植物与动物废弃物、和肥料。虽然这些来源对增加土壤有机质具有出色的作用，但如果不在严格控制条件下施用它们也会具有不利的环境和健康影响。例如，富含氮、磷和硫的无机肥料会更容易地从土壤中渗出并且不良的土壤有机物会进入周围的水。这会造成不受欢迎的环境污染及对局部植物和动物生态系统的破坏。
一些农民和种植者也已减少或排除他们在各生长季节之间所进行土壤耕作的量。有证据表明，与在生长季节之间有规律耕作的土壤相比，免耕土壤保持明显更多的土壤有机质。免耕土壤具有更高的作物产量，这归因于与耕作土壤相比免耕土壤中的更高的土壤有机含量。最有效的免耕过程使用已经历有规律种植和收获的土壤。因此，以前尚未用于生长和收获作物的土壤、及已经历已减少作物产量的环境条件变化的土壤会显示较少的来自免耕土壤实践的获益。
其它的尝试正在进行中，用以研究并影响土壤中的微生物生态系统以提高土壤中有机质水平。这些尝试包含将刺激微生物生长的化合物施用至土壤，这些微生物有助于将有机营养素转化成在土壤中持续更长时间的形式。例如，这些化合物刺激微生物的生长，该微生物将土壤中的简单有机化合物转化成更复杂的有机残留物，该有机残留物可以以有机质的形式停留在土壤中用于更多的生长季节。也有人认为更复杂的残留物提高土壤保持水分的能力，这是土壤作物产量的另一个决定因素。虽然刺激土壤中的微生物生长的尝试在有些情况下已显示作物产量的提高，但此方法仍然存在着许多不可预见性并且需要更多的研究。因此，对于用于增强土壤特性以便增加土壤保水、土壤微生物学、及可能地增加作物产量的其他方法和材料存在着需求。
附图说明
对本发明的性质和优点的进一步理解可通过参考本说明书的剩余部分和附图而实现，其中在所有的若干附图中用类似的附图标记指代类似的要素。在有些情况下，副标记与附图标记是相关联的并且接在连字符后用来表示多个类似要件中的一个。当参考附图标记并且没有对现有副标记的详细描述时，意图指代所有上述多个类似的要素。
图1示出了在添加变化浓度的土壤改良剂之后2周至2个月的时间段内土壤重量含水量(GWC)的图表；
图2示出了在2周至2个月的时间段内在乳糖酸钾和乳糖酸钙改良土壤与对照土壤之间土壤重量含水量(GWC)的差异的图表；
图3示出了在2周至2个月的时间段内在经改良土壤与对照土壤之间土壤有机碳(SOC)的差异的图表；
图4示出了在2周至2个月的时间段内土壤中土壤重量含水量(GWC)与土壤有机碳(SOC)之间相关性的图表；
图5A示出了在本发明研究中所使用的未经改良的土壤样品；
图5B示出了用乳糖酸钾改良剂改良的土壤样品；
图5C示出了用乳糖酸钙改良剂改良的土壤样品；
图6示出了在将各种土壤改良剂暴露于10％相对湿度达4小时的时间段后所吸收水的图表。
发明内容
土壤的作物产量和总生产能力是是由土壤可以保持水的量所调节，特别是在水有限的区域。土壤保持水的能力部分地是土壤结构和质地的函数，但也受土壤有机质和碳含量的影响。增加土壤中的含水量有助于形成健康的土壤。全世界的政府机构正在制定增加数量的倡议来鼓励土地管理者重视导致土壤中含水量增加的实践。
通过增加农业土壤的含水量而改善农业土壤是从提高土壤保持水的能力开始。本发明的方法和土壤已被开发用于将(i)乳糖酸和(ii)至少一种乳糖酸盐中的一个或两个使用至土壤。以乳糖酸为主的土壤改良剂可以以多种方式改善土壤，包含(i)使土壤颗粒聚集(即，絮凝)成较大的团块、集群等；和(ii)形成用于土壤微生物的食物源。使土壤颗粒(如黏土、沙、和粉砂)聚集成较大的团聚体可改变土壤结构和质地，从而增加水保持(即，保水)并且给经处理土壤提供较高土壤重量含水量(GWC)的可能性。乳糖酸盐离子作为土壤微生物的食物来源的可利用性也可以形成用于增加土壤微生物生物质含量(MBC)由此相应地增加总体土壤有机质(SOM)和土壤有机碳(SOC)含量的条件。
乳糖酸及其盐可由直接地或间接地从牛奶中获得的乳糖而得到。间接的得到可包含从食品生产过程(如奶酪制作)的副产物中获得乳糖。这些过程通常是从牛奶的来源开始，该牛奶被转化成乳清、奶渗透物(例如，脱乳糖渗透物)、奶酪或其他牛奶来源化合物。这些过程的许多过程中的一个副产物是在牛奶中发现的乳碳水化合物(主要是乳糖)。乳糖经过化学和/或酶促氧化可转化成乳糖酸。通过将乳糖酸与形成盐的碱加以混合，可将乳糖酸转化成乳糖酸盐。例如，将乳糖酸与氢氧化铵和/或氢氧化钙混合将分别形成乳糖酸钾和乳糖酸钙。在另一个实例中，将乳糖酸与氢氧化铵加以混合以形成乳糖酸铵。然后可将乳糖酸盐以粉末或水溶液的形式添加到土壤中，或者变为添加到土壤中的较大土壤改良产品的一部分。
各实施方案包含使用土壤改良剂增加土壤含水量的方法。这些方法包含将土壤改良剂施用至土壤。该土壤改良剂包含(i)乳糖酸和(ii)至少一种乳糖酸的盐(即，乳糖酸盐)中的一个或两个。
各实施方案进一步包含通过采用土壤改良剂的两次或更多次的单独施用而增加土壤含水量的方法。这些方法包含将第一量的土壤改良剂施用至土壤以制作经处理土壤。该土壤改良剂包含(i)乳糖酸和(ii)至少一种乳糖酸盐中的一个或两个。然后将作物种植于经处理土壤中并从其中收获作物，从而留下经收获土壤。将第二量的土壤改良剂施用至经收获土壤。第二量的土壤改良剂具有与第一量的土壤改良剂相比更大浓度的(i)乳糖酸和(ii)至少一种乳糖酸盐中的一个或两个。
各实施方案还进一步包含具有与未经处理土壤相比增加的土壤含水量的经处理土壤。经处理土壤可包含土壤颗粒(例如，黏土颗粒)和已被吸收入土壤中的土壤改良剂。该土壤改良剂可包含至少一种乳糖酸的盐，该盐具有使经处理土壤中至少一部分的颗粒发生聚集的一种或多种阳离子。
其他的实施方案和特征部分地在接下来的描述中有陈述，并且在查阅本说明书时部分地对于本领域技术人员将变得显而易见或者可通过本发明的实施而知悉。本发明的特征和优点可利用本说明书中所描述的工具、组合和方法而实现并达成。
具体实施方式
农业系统和作物产量常常受到土壤水供给的限制，特别是在如易干旱的加利福尼亚、中部大平原地的区域，以及其中灌溉是不常见的并且降雨是稀少且不稳定的世界的其他地区。受到土壤水分限制的农业系统不仅易于发生作物产量减少和作物病害，而且常常特征是低浓度的土壤有机质(SOM)和土壤有机碳(SOC)。作物生产力和健康土壤取决于土壤的含水量，该含水量则受到SOM的量、及在其内部的碳和植物营养素的影响。
具有较高土壤有机质(SOM)浓度的土壤通常具有更好的土壤结构，这促进植物根的生长并减少侵蚀，并且能够更好地保持水并提供作物必需营养素。此外，土壤有机碳(SOC)的积累通过将碳储存在地面下而缓解大气二氧化碳CO2(一种重要的温室气体)的增加。然而，当土壤的保水是有限的时，植物生产力常常下降并因此使较少的植物材料返回到土壤中。假设植物输入是土壤有机碳的一个重要来源，耗竭的土壤碳储量常常是跟在土壤水分受限之后。当土壤中的含水量降低时可以形成负反馈环，从而导致作物产量的减少和土壤中土壤有机碳水平的进一步耗竭。这会使土壤的问题更加严重，特别是在许多生长区域的水受限制环境中。
增加向土壤的有机输入(如剩余的作物材料或粪肥)的量是同时提高土壤含水量和土壤有机碳(SOC)浓度的一个有希望的方法。但是许多种植者仍然受到可利用作物材料的量的限制，并且过多的粪肥会具有不利的环境影响。部分地响应于减少食物废料，对于将食品和工业副产物作为用于植物营养素的潜在土壤改良剂的应用存在着日益增长的兴趣。然而，已对少量技术的同时提高土壤含水量和土壤有机碳的联合作用进行了评估。这里我们对乳糖酸和乳糖酸盐作为用于同时增加土壤含水量(即，土壤水/水分保持)和土壤有机碳(SOC)的潜在土壤改良剂的使用进行了评估。
乳糖酸可以通过乳糖(一种由半乳糖和葡萄糖单位所组成的二糖)的化学和/或酶促氧化而形成。乳糖被氧化成具有以下分子式的乳糖酸(LBA)：
Figure BDA0002361158650000041
乳糖酸盐可以通过用碱性化合物如钠(NaOH)、钾(KOH)、钙(CaOH2)和/或氨(NH4OH)的氢氧化物、及其他碱性化合物中和乳糖酸而形成，从而形成乳糖酸盐，如乳糖酸钠(Na-LB)、乳糖酸钾(K-LB)、乳糖酸钙(Ca-LB)、和乳糖酸铵(NH4-LB)。不同于更常见的食品生产副产物(如化学复合物橄榄磨浆和谷类食物)，乳糖酸盐具有简单的糖分子作为它们的阴离子，并且也富含缀合物、小分子阳离子(例如，K+、Ca2+、NH4 +)。这种糖与阳离子的充分联合供给可通过直接地改变土壤保水和储碳能力的机制而提高土壤水分和土壤有机碳浓度。
用于制作乳糖酸和乳糖酸盐的乳糖可直接地由牛奶提供，或者间接地由使用牛奶的食品制作过程中提供。例如，乳糖是的奶酪制作(例如，拉伸型奶酪制作，如马苏里拉奶酪制作)的副产物。在从凝乳中分离乳清期间，将原料奶(例如，巴氏消毒牛奶)中的大量乳糖与液体乳清蛋白一起去除。可利用各种方法直接地从乳清或牛奶中分离乳糖，包含过滤(例如，超滤)、和乳糖结晶技术、及其他方法。
乳糖酸盐可以给土壤提供大量的碱金属和碱土金属阳离子。土壤中这些阳离子的丰度可以直接地影响土壤结构和团聚，这些是土壤如何良好地保持水(即，土壤含水量)的关键因素。因为阳离子具有正电荷，所以它们与带负电的黏土表面相互作用，从而有助于使黏土颗粒结合在一起。已证明钾阳离子(K+)和钙阳离子(Ca2+)有效地使黏土发生絮凝从而有助于形成土壤团聚体，这些土壤团聚体改善水入渗和水运动。阳离子丰度的影响不止土壤的含水量，也包含土壤有机碳储存的提高。土壤碳积累并且变为物理地被保护于土壤团聚体(例如，黏土团聚体)内部。因此，通过增加阳离子丰度而增强土壤团聚不仅会影响土壤水入渗和水保持而且会影响土壤有机碳(SOC)的储存。在某些情况下，高丰度的Ca2+与土壤碳浓度强烈地相关，与土壤无机物(如黏土和其他颗粒物)相比甚至更加如此。一些阳离子也可以通过促成土壤颗粒表面与土壤有机质(SOM)之间的静电架桥而增加土壤有机质(SOM)积累，从而防止土壤有机质(SOM)被微生物分解。因此，乳糖酸盐可具有以通过它们对阳离子丰度的作用而同时提高土壤含水量和土壤有机碳水平的方式而改变土壤结构的能力。
乳糖酸盐阴离子(一种葡萄糖和半乳糖的糖类的衍生物)不会在土壤中存留较长的时间，因为糖类可快速地被壤微生物消耗。这些微生物源的许多能量需求是来自植物糖类(常常处于有限供给的状态)，这些微生物代谢植物糖类以形成并增加它们自身的细胞生物质。然而，虽然乳糖酸盐可迅速地被土壤中的微生物群落转化用于代谢，但由这种糖类所支持的微生物生物质是与黏土矿物质有关联的土壤有机碳库的主要输入。实际上，现在认为大部分的长期土壤碳来源于死亡微生物材料的积累。用乳糖酸盐改良土壤给微生物群落提供容易获得的糖源，该糖源然后可被转换成土壤有机碳作为微生物生物质。土壤有机碳(SOC)的增加可增加土壤的保水。
示例性的土壤改良配方
土壤改良剂的示例性配方包含一种或多种乳糖酸盐。这些盐可包含乳糖酸的碱金属盐，如乳糖酸钠和乳糖酸钾。它们也可包含碱土金属盐，如乳糖酸镁和乳糖酸钙。它们可进一步包含含氮盐，如乳糖酸铵。当乳糖酸盐是从奶酪制作过程中获得时，主要的盐通常是乳糖酸钾和乳糖酸钙。在有些情况下，这些盐可进一步包含乳糖酸钠。在一些实例中，一种或多种乳糖酸盐是选自包含乳糖酸钾、乳糖酸钙、和乳糖酸铵的群组。在其他实例中，一种或多种乳糖酸盐包含单独的乳糖酸盐，如乳糖酸钾、乳糖酸钙、或乳糖酸铵。
一种或多种乳糖酸盐可以以基于土壤改良剂的干重在1％至100％范围内的量而存在于土壤改良剂的水溶液中。当土壤改良剂是粉末时，乳糖酸盐可占该粉末的90～100重量％。无论水溶液或者粉末，施用至土壤的乳糖酸盐的量可在基于土壤总重量的0.01至10重量％之间。土壤中糖酸盐的浓度可根据土壤中生长作物的类型，水可利用性，以及是否将土壤改良剂耕作入土壤中、施用到土壤的表面上、或施用在作物种子上或附近的局部区域而变化。其他示例性的浓度范围包含10％至95％干重、10％至90％干重、10％至80％干重、20％至70％干重、及其他浓度范围。在一些实例中，可将土壤改良剂以干粉的形式施用至土壤，并且一种或多种乳糖酸盐构成高达100重量％的干粉剂。
在一些实例中，土壤改良剂也可包含与乳糖酸盐一起一种或多种其他化合物。这些其他化合物可包含肥料、微生物激活剂、酵母、生物杀灭剂、表面活性剂、和pH缓冲剂、及其他化合物。它们可也包含微生物，如增加在用土壤改良剂处理的土壤中所生长植物的根中的固氮量的固氮菌。这些其他化合物可构成土壤改良剂的1％至99.99％的(以干重计)、10％至80％(以干重计)、20％至70％(以干重计)、30％至60％(以干重计)、40％至50％(以干重计)等，并且其余部分是一种或多种乳糖酸盐。
在一些实例中，土壤改良剂可以是包含一种或多种乳糖酸盐的溶液或混合物。土壤改良剂的含水量可在土壤改良剂总重量的99.99重量％至5重量％的范围内。其他的范围包含90重量％至10重量％、80重量％至20重量％、70重量％至30重量％、60重量％至40重量％等。土壤改良剂的其余部分包括包含一种或多种乳糖酸盐的溶解的、悬浮的、混合的固体。水源可包含未过滤水、过滤水、纯化水、和去离子水，及其他水源。在一些实例中，至少一部分的水是来自于提供乳糖和/或乳糖酸的奶酪制作过程，该乳糖和/或乳糖酸被转化成用于土壤改良剂的乳糖酸盐。
将土壤改良剂施用至土壤的示例性方法
将土壤改良剂施用至土壤的示例性方法可包含用于液体施用的喷洒和倾倒，及用于固体施用的散布、分散和撒。示例性方法可进一步包含翻耕、耕作，或者在一些其他方法中与经处理土壤混合以提供土壤改良剂的更均匀的分布。示例性方法可也包含使土壤改良剂的施用集中在种植的作物种子中和附近，而不是遍布田间土壤的全面施用。
各实施方案也包含在作物种植、生长和收获周期期间土壤改良剂的单次或多次施用。
可适用于本发明土壤改良剂的示例性作物包含水果类，如西红柿、草莓、树莓、蓝莓、黑莓、和/或葡萄、及其他类型的水果。番瓜类蔬菜，如南瓜、绿皮西葫芦、扁型南瓜、毛茛属植物、玉米、和金瓜、及其他类型的番瓜类蔬菜。它们也可包含谷类和种子作物，如玉米、稻米、小麦、大麦、小扁豆、大豆、黑麦、向日葵、和藜麦、及其他谷类和种子作物。示例性作物可进一步包含果树、坚果树、花卉、草类、和草坪。这些土壤改良剂也可使用于盆栽混合物、和施肥混合物、及其他类型的混合物。
试验
考虑到乳糖酸盐作为阳离子和碳水化合物(两者影响土壤结构和微生物生长)的供给源的性质，对作为潜在土壤改良剂的乳糖酸盐增加土壤含水量和土壤有机碳的作用进行了评估。具体地，随着时间的推移对乳糖酸钙、乳糖酸钾、和乳糖酸铵的配方进行了比较，以评估不同的乳糖酸盐输入对土壤保水、微生物生物质和碳浓度的作用。为了确定土壤对乳糖酸盐输入作出响应的最大可能性，还对乳糖酸盐在不同质地和初始土壤有机碳(SOC)的土壤中的使用进行了评估。这些评估是用于测试乳糖酸盐作为土壤改良剂增加土壤的保水、土壤有机碳、以及土壤健康的其他方面的效性。
在一系列的土壤类型中对各乳糖酸盐配方(具体地K+、NH4 +、和Ca2+乳糖酸盐)进行了比较，以确定哪个土壤和乳糖酸盐类型与不接受改良剂的土壤相比将会最有效地增加土壤水保持和土壤有机碳(SOC)保持。相对于未经改良土壤并且与市售聚合物凝胶改良剂相比，全部的测试乳糖酸盐改良剂均增加土壤含水量。因此，乳糖酸盐具有通过减少从土壤中的水损失而提高水保持的可能性。在整个的两个月试验室实验中发现乳糖酸钾(K-LB)改良剂是最有效的，并且在它们对土壤保水和土壤有机碳含量(土壤有机碳)两者的影响中是最有一致性的。此外，在一个场地内对具有相对较大初始土壤有机碳(SOC)含量的土壤的作用量值较大。
田间土壤是从加利福尼亚州弗雷斯诺(Fr)和科罗拉多州阿克伦(Ak)附近获得。在这两个地点，土壤是从代表相对较低碳(LC)土壤或相对较高碳(HC)土壤的两个不同但相邻的田地(参见下面的表1)中采集。弗雷斯诺和阿克伦的年平均降雨量分别为11.5和16英寸。这两个Fr土壤是从USDA-ARS Parlier田地站获得，并且两者已经历该地区的常规农业耕作实践。Fr-HC田地已经历减耕并且具有冬季覆盖种植作物，而Fr-LC田地在冬季休耕并且接受常规耕作操作。两个Fr土壤是Hanford系列细砂壤土。Ak土壤是从USDA-ARS中部大草原研究站实验侵蚀小块土地中采集。Ak-LC土壤是从已被向下机械侵蚀到淀积层的场地中获得，而Ak-HC非侵蚀土壤是从相邻的草地中采集。两个Ak土壤是粉砂壤土Weld系列。
表1：实验处理和土壤场地特性
Figure BDA0002361158650000081
“WHC”＝土壤持水量
“OC”＝总有机碳
“TN”＝总氮
“HC”＝具有高碳含量的土壤
“LC”＝具有低碳含量的土壤
场地是为用于它们的所处相邻的高和低碳土壤及在夏季生长季节中它们对干旱和低土壤水分的敏感性的本研究而选择。在用于测试的准备中，使土壤通过2mm目筛，以使样品均匀化并且去除大(>2mm)表面和地下的有机材料。然后将它们风干达2周并且对初始总有机C、N、和碳酸盐类、及持水量(WHC)进行了分析(参见下面的表2)。
表2：在各改良剂处理中所添加的碳(C)、总改良剂、和乳糖酸盐(LB)的量
Figure BDA0002361158650000082
Figure BDA0002361158650000091
使用经处理的Ak和Fr土壤(n＝4，数量4)执行两个月试验室培养实验，以评估乳糖酸盐(LB)改良剂对土壤保水、碳和营养素利用性的作用。实验设置由四种改良剂处理加上对照组成。改良剂中的三种是与铵盐(NH4-LB)、钙盐(Ca-LB)、或钾盐(K-LB)组合的乳糖酸盐。第四改良剂(凝胶)是市售的交联聚合物土壤改良剂Soil2O凝胶(GelTech Solutions,Inc.)。我们的对照处理(Con)不包含任何改良剂添加。在全因子法中将这五个改良处理与四种土壤(Fr-HC、Fr-LC、Ak-HC、和Ak-LC)组合，并且我们包含了三个破坏性收获时间点(表1)。对于总计180个样品单位，所有处理重复三次。
为了制备培养处理剂，将200g的风干土壤与改良剂混合然后使其达到高达45％的保水。各LB改良剂是以获得0.169g乳糖酸盐-C/g土壤的比率而添加(表2)。我们基于商业推荐用量而添加0.002g的Soil2O凝胶/g土壤。从200g的经改良土壤混合物中，我们分离出20g干重土壤并置于单独的40mL流式管中，用封口膜覆盖，在恒定的25℃温度下进行保温培养直到抽样。对土壤水分进行每周两次检查，必要时重新调整到45％的WHC。在从培养开始的2周、1和2个月时，破坏性地获取样品。
就在2周、1个月、和2个月时的各破坏性土壤抽样而言，我们获得了土壤水分曲线以及土壤微生物生物质碳(MBC)、铵(NH4 +)和硝酸盐(NO3 -)浓度、及总土壤碳(C)和氮(N)。土壤水势是用来描述水可利用性和植物提取水的能力的一个有用指标。水势随着土壤的土壤质地、含水量、孔隙和表面性质而变化。在饱和时，水势为零并且随着土壤变干而变得越来越负。通过随时间的推移用WP4C露点电位差计(Decagon Devices；华盛顿州普尔曼)测量土壤水势而生成土壤水分曲线。水势测量是在原位湿度水平下进行，并且采集6次水势测量的最小值同时让土壤风干。在各水势测量中，基于湿润土壤与烘干土壤重量之间的差异，而测定土壤重量含水量(GWC)。
为了测定MBC、NH4 +和NO3 -，在抽样的三天内我们用0.5M K2SO4提取了土壤。在提取后，将各样品在20℃下存放，直到对总溶解有机碳(TOC)或无机氮(N)进行分析。利用氯仿薰蒸浸提法测定MBC，并且以烟熏与未烟熏TOC之间(TOC-L CSH/CSN；岛津；日本京都)的差值的方式进行计算。在Alpkem Flow Solution IV Automated Chemistry Analyzer自动化学分析仪上，从提取物中测定土壤NH4 +和NO3 -。
利用线性混合模型三向方差分析(ANOVA，方差分析)对估计的土壤水势、土壤MBC、无机N、及总土壤C和N进行了分析，其中将复制用作随机效应，并且将场地(Fr和Ak)、初始土壤C(HC和LC)、和改良剂(NH4-LB、Ca-LB、K-LB、凝胶、Con)经处理为固定效应。各固定效应中的交互效应最初被包含在该模型中，但如果不是显著的(P>0.05)则将其去除并且对该模型进行再分析。将皮尔逊相关分析用于评估土壤水分与土壤有机碳和MBC之间的关系。均值中的差异是由图凯HSD所决定，并且如果P<0.05则认为是显著性的。在单独的抽样时间点内，对所有的变量进行了分析。
为了对土壤水势与含水量之间的各关系进行比较，我们应用了使用测量的水势(Mpa)和重量含水量(GWC；g水/g干燥土壤)值的非线性模型拟合。就各样品而言，我们将观察的Mpa和GWC输入幂函数y＝axb中；其中y是水势(单位为Mpa)并且x是GWC，用以对针对Mpa中变化的连续GWC响应进行建模。如果二乘方余数小于5，则认为模型输出是可接受的。生成了用于各样品的模型，然后该模型使我们能够获得用于一系列Mpa的GWC。
实验结果
与对照土壤和用Soil2O凝胶进行改良的土壤两者相比，在一系列的水势中，用乳糖酸盐进行处理的土壤具有总体较高土壤含水量。在整个2个月培养时间段中此作用总体上是持续的。就近场容量(-0.5Mpa)和较干燥土壤(-1.0Mpa)两者而言，K-LB的土壤含水量为最高，接着是NH4-LB>Ca-LB>凝胶>Con(参见图1)。在整个的培养时间段中并且在各土壤水势中，仅K-LB改良土壤具有相对于对照土壤前后一致的对土壤保水的正作用。乳糖酸盐的正作用在2周时为最高并且到1个月时下降。然而，在1个月与2个月之间不存在作用量值的差异。由于LB添加所导致的土壤水分增加也随着土壤水势而变化，其中在较湿润土壤中经改良土壤与对照土壤之间的差异为最大并且在较低的水势下(更负)下降。
乳糖酸盐对土壤保水的作用也取决于场地及初始土壤C浓度。例如，具有最初较高土壤有机碳的土壤通常显示与低土壤有机碳土壤相比更强的对乳糖酸盐改良剂的响应(参见图2)。令人关注的是，即使在弗雷斯诺中初始土壤有机碳浓度总的来说较低，但与阿克伦、CO土壤相比CA土壤具有较强的对乳糖酸盐的响应。
在培养的过程中，在施用乳糖酸盐改良剂之后，对总土壤有机碳中的变化进行了检查。类似于土壤结构，观察到改良剂添加对土壤有机碳的持续作用，其中相对于对照土壤LB增加土壤有机碳(参见图3)。除了在AK-HC改良土壤中以外，在Gel处理与Con之间不存在土壤有机碳的差异。总的来说，K-LB和Ca-LB处理导致最大的土壤有机碳增加。
在2周，K-LB和Ca-LB土壤有机碳达增加几近1.5mg/g土壤，并且在2个月增加达最小0.6mg/g土壤。在低碳土壤中在2周时，NH4-LB土壤显示与K-LB和Ca-LB土壤类似的土壤有机碳(SOC)响应。虽然这并不持续，但到2个月与K-LB和Ca-LB土壤相比多得多的最初获得的土壤有机碳(SOC)已在NH4-LB土壤中丢失。保持最多的所获得土壤有机碳(SOC)的土壤在改良剂添加后是较低碳土壤。这在弗雷斯诺低碳(LC)土壤中特别地明显，其中在K-LB和Ca-LB处理中随着时间的推移未观察到土壤有机碳下降。
为了评估土壤有机碳中的差异是否与所观察的GWC差异有关，在-0.5和-1.0Mpa的情况下使所有土壤有机碳(SOC)与估计的含水量相互关联(参见图4)。最初，在土壤有机碳与土壤含水量之间存在着强关系，其中土壤有机碳导致44％的含水量变异。然而，此关系随着时间的推移而下降，因而到2个月时不存在土壤有机碳(SOC)对土壤水分的可辨别作用(图4)。
无论LB配方如何，均观察到随着乳糖酸盐添加土壤微生物生物质碳(MBC)的增加，常常是相对于凝胶改良和Con土壤两者大50倍(参见表3)。在1月时在LB土壤中与2周时相比微生物生物质碳(MBC)已下降，但与未经改良土壤相比仍然大5～100倍。例外是Fr-HC土壤，其中在所有改良处理中随着时间的推移微生物生物质碳(MBC)增加。在NH4-LB、K-LB、和Ca-LB改良剂之间在2周时未观察到总MBC的显著性差异，但在第1个月与K-LB和Ca-LB土壤相比NH4-LB的总MBC较低。
表3：使用改良剂的土壤微生物生物质碳(MBC)、场地、和在2周和1个月时的初始土 壤有机碳(SOC)、及三因素方差分析P-值。
在一个抽样时间内为不同的处理用不同的字母标示。
Figure BDA0002361158650000111
Figure BDA0002361158650000121
Figure BDA0002361158650000122
在添加NH4-LB的情况下，乳糖酸盐改良仅影响NH4 +浓度(表4)。然而，NH4-LB增加NH4 +浓度使其远超过大部分农业土壤的典型范围(2～10ppm)。其他LB处理具有与Con土壤相比较小的对NH4 +的作用。虽然最初为低值，但随着时间的推移到2个月时在Ca-LB和K-LB土壤中的NH4 +浓度增加到1.5～3ppm。
与Gel和Con土壤两者相比，在微生物硝化期间由NH4 +所产生的土壤NO3 -在第一个月内在所有乳糖酸盐改良土壤中被耗竭(参见下面的表4)。就K-LB和Ca-LB处理的土壤两者而言，在整个实验的过程中NO3 -保持低值(<2ppm)，而NH4-LB在2个月时增加到46～200ppm。从前2周至2个月，Gel和Con土壤NO3 -水平仅略微地提高。
表4：使用改良剂的土壤铵(NH4 +)和硝酸盐(NO3 -)浓度、场地、和在2周、1个月、2个 月的初始土壤有机碳含量(土壤有机碳)、及三因素方差分析P-值
在一个抽样时间内为不同的处理用不同的字母标示。
Figure BDA0002361158650000123
Figure BDA0002361158650000131
实验讨论
土壤的作物产量和总生产能力是由土壤含水量所调节，特别是在其中水是有限的地区。土壤保持水的能力部分地是土壤结构和质地的函数，但也受到土壤有机质和碳(SOC)含量的影响。增加土壤中的土壤有机碳(SOC)对土壤含水量可以具有积极作用并且有助于形成健康土壤。实际上，全世界的政府机构正在更频繁地制定倡议以鼓励土地管理者重视形成土壤有机碳的实践。例如，在农业生产中处于全国领先地位的加利福尼亚州于2015年引入了健康土壤倡议和行动计划，旨在促进降低干旱风险并增加土壤碳固存的土壤管理实践。乳糖酸盐添加作为潜在的土壤改良对于提高土壤含水量和土壤有机碳两者是大有希望的。
在一系列的测试的水势中，所有乳糖酸盐改良相对于未改良土壤增加土壤含水量，从而表明乳糖酸盐具有通过减少来自土壤的水损失而增加土壤含水量的可能性。具体地，描述了乳糖酸盐对土壤含水量与水势之间关系的影响的特征。此关系通常因不同的土壤发生变化，并且强烈地受到土壤结构和质地的影响。水势表征了水移动经过土壤剖面或者被作物根部吸收所需能量。在给定的水势下，较细质地的土壤与较粗的沙土相比保持更多的水。这部分地是因为更大的表面积和更紧密孔隙的细小质地黏土导致使水移动经过剖面需要更多的能量。因此，预计有更大的蓄水以及较少的由于蒸发或从根区流走的水损失。然而，改变土壤质地通常不是用于在田间水平下增加蓄水的可行管理策略。由于可改善土壤结构和水吸附的乳糖酸盐的性质，因而用乳糖酸盐改良土壤可以模拟与具有较高黏土含量的土壤相关的获益。
与低水势值相比，在-0.5至-1Mpa之间观察到乳糖酸盐在土壤中的最强作用。当水势下降时(变得更负)，调节土壤保水的力不同。在田间持水量处或附近，保水强烈地受到孔径分布和土壤结构的影响，但在较低的水势(<-3)下保水更多地受到吸附的影响，因而土壤质地和表面积变得更加重要。因此，从乳糖酸盐改良中观察剂的积极作用可能更多的是由于土壤结构和团聚的改变而较少的是由于土壤基质吸附性质的改变。
在一系列的土壤和测试的水势中，在整个2个月培养时间段中K-LB对于增加保水始终是最有效的。因为Ca2+是与一价K+相比更强地使黏土颗粒结合的二价阳离子，所以已预计Ca-LB改良剂将会具有最强且最一致的对土壤水分的影响。然而，Ca-LB改良在增加保水方面与K-LB相比有效性相对地较低。除了改变阳离子相对丰度以外，可能存在导致我们在这些土壤中所观察到的较强土壤水分作用的其他K-LB性质。例如，K-LB在溶液中会相对地更加亲水，这将会增强水吸附。
乳糖酸盐改良剂对弗雷斯诺土壤的保湿也更有效。令人关注的是，这些土壤与阿克伦土壤相比具有较粗的质地以及较低的土壤有机碳含量。有可能地，考虑到在阿克伦未经改良对照土壤中略微较高的保湿量，此较高的保水“基线”限制了在添加乳糖酸盐后的改善空间。
在整个2个月培养中，乳糖酸盐改良剂相对于未经改良土壤提高土壤有机碳(SOC)浓度。将大量的碳与乳糖酸盐的输入一起添加到土壤中(几乎使初始天然土壤碳浓度两倍)，因此预计我们将会观察到从此额外碳源中所获得的土壤有机碳的初期增加。然而，乳糖酸盐(一种二糖离子)是土壤微生物的良好能量源，因此有可能被快速地消耗。尽管如此，2周后土壤有机碳的相对增加持续较长时间，并且到2个月时改良土壤常常仍然具有相对于对照土壤两倍多的土壤有机碳。虽然乳糖酸盐可被土壤微生物利用，但微生物生物质是用于形成长期持续土壤有机碳库的重要碳源。因此，当微生物使用乳糖酸盐形成它们自身的生物质时，乳糖酸盐被转化成微生物土壤有机碳(SOC)，该微生物土壤有机碳往往会在土壤表面上稳定化并持续较长时间。在LB改良处理中所观察到的提高的土壤有机碳有可能反而代表着LB转化成微生物材料，因此这可以延缓或可能甚至中止其从系统中的损失。实际上，在LB改良土壤中所观察的微生物生物质浓度与凝胶和对照土壤两者相比高50～100倍。
土壤有机碳在LB土壤中的存留也会是在施用LB改良剂后土壤结构变化的结果。图5A～图5C示出了土壤增强剂对土壤结构和团聚可以具有的作用的照片。图5A示出了从弗雷斯诺获得的未改良土壤样品(Fr-HC对照)。图5B示出了从已添加乳糖酸钾(K-LB)改良剂的相同弗雷斯诺场地获得的土壤样品(Fr-HC K-LB)。最后，图5C示出了从已添加乳糖酸钙(Ca-LB)改良剂的相同弗雷斯诺场地获得的土壤样品。图5A～图5C提供了当把乳糖酸盐改良剂添加到土壤中时所发生的土壤团聚增加程度的清晰视觉指示。增强土壤结构不仅改善土壤保水而且有助于防止土壤有机碳以二氧化碳形式的分解和损失。相应地，较高水平的土壤有机碳促成更大的保水和吸附。因此，在土壤的含水量、结构和土壤有机碳之间有可能存在相互作用，其中LB对土壤含水量(即，土壤水分)的作用的量值会是土壤有机碳增加的部分结果。实际上，我们发现在2周和1个月时土壤有机碳对决定含水量变化有显著影响。
氮是植物生长所需的一个重要元素。作物主要地吸收土壤硝酸盐(NO3 -)，该硝酸盐可以来源于矿质肥料但也来源于土壤微生物对有机N的矿化。N矿化的速率部分地是土壤C和N之间比率的函数。如果土壤C浓度相对于N为过高，那么微生物可能会使N固定在它们的生物质中，从而减少许多的N被转化成植物可利用的NO3 -。考虑到来自我们添加到土壤中的乳糖酸盐的高水平的C，对LB对于作物可利用N的作用结果进行了评估。
此外，因为NH4-LB在其内部具有无机N，所以我们也想要对使用同时具有N和C的改良剂会如何影响可利用N的结果进行比较。相对于对照土壤，Ca-LB和K-LB改良剂对土壤NH4 +浓度仅具有较小的影响。然而，NH4-LB的使用导致远超过平均土壤NH4 +浓度的NH4 +浓度。一般来说，NH4 +水平随时间推移的提高表明，在微生物生物质(随时间推移而下降)正在转化时它释放出更多的NH4 +。
虽然来自乳糖酸钙和乳糖酸钾的碳的高输入对NH4 +水平具有很小的影响，但土壤NO3 -被耗竭。考虑到在LB改良土壤中的高微生物生物质和在生长期间高的微生物N需求，此耗竭有可能是因为许多的无机N被固定在微生物生物质中。随着时间的推移，当微生物生物质死亡并在土壤中转化时，许多的N能够被释放而返回到土壤中并且可用于植物吸收。
对作为土壤改良剂的乳糖酸盐的三个配方的评估发现K-LB在其对土壤含水量和土壤有机碳两者的影响中是最有效的且最有一致性的。此外，在一个场地内对具有校对较高碳含量的土壤的作用的量值更大。NH4-LB也被证明对土壤含水量具有正增加作用但对于土壤有机碳浓度具有较小的作用。因此，考虑到施用率和时间安排，它可具有作为给土壤施肥并提供短期碳供给的改良剂的用途。Ca-LB改良与K-LB和NH4-LB两者相比具有较低的提高土壤含水量的作用，但其对土壤有机碳的作用类似于K-LB并且在有些情况下甚至更高。因此，Ca-LB可以是K-LB改良剂合适的替代者或者与K-LB的组合。
总的来说，在两个月实验时间段结束时，K-LB与未改良土壤相比增加土壤含水量达1～6倍并且使总土壤有机碳加倍。已发现用LB盐改良土壤相对于未改良土壤显著地提高土壤微生物浓度但降低土壤无机氮含量。因此，对于LB盐添加应当考虑适当的田间时间安排。例如，在冬季当存在营养素损失到地下水的较高可能性时，可以对LB盐添加的时间进行安排以固定土壤营养素。LB盐添加对土壤保水的积极影响可部分地归因于土壤结构和团聚的改善(促进保水)。这也可以有助于防止土壤碳从系统中的损失，与较高的观察土壤有机碳浓度相一致。LB盐添加也与增加的微生物生物质浓度相关，这相应地与在经处理土壤中增加的土壤有机碳保持相关。这与微生物材料有助于土壤有机碳(SOC)在农业土壤中的长期稳定性的其他观察结果是一致的。
多羟基酸类(PHAs)和多羟基乳糖酸类(乳糖酸类)是在脂肪族或脂环族分子结构上有两个或更多羟基的有机羧酸。当羟基中的一个羟基出现在α-位时，PHA是多羟基α-羟基酸(AHA)；当另外的糖连接到PHA结构分子时是乳糖酸。应当理解的是，乳糖酸及其盐由于其PHA乳糖酸结构因而导致水合作用增加的可能性。PHAs中的多个羟基吸引周围的水分子并与它们形成氢键，由此提高这些化合物的保湿性能。图6是显示每摩尔各种物质所吸收水的重量(单位是克)的图表。在九种不同的物质(加上对照)中，乳糖酸(LBA)提供最高水平的保水。使用LBA改良剂的保水的增加显著地高于所有其他被检物质的中值增加。因此，与这些盐增加保水的能力相比，相对于其他非乳糖酸盐化合物，在所观察土壤保水中的变化在不同的乳糖酸盐之间是相对较小的。
上面已描述了若干实施方案，本领域技术将认识到在不背离本发明精神的前提下可采用各种修改、替代构造、和等同物。另外，上面对一些公知的步骤和要素进行了描述，从而避免不必要地使本发明变得难以理解。因此，以上的描述不应被认为限制发明的范围。
在提供一系列值的情况下，应当理解的是也具体地公开了在该范围的上限与下限之间的各介于中间的值(到下限的单位的十分之一，除非上下文另有明确说明)。包括在任何所陈述值之间的各较小范围或者在所陈述范围内的介于中间的值及在该陈述范围内的任何其他陈述值或介于中间的值。这些较小范围的上限和下限可独立地被包含在或不包含在该范围内，并且其中任一个、任一个不或两个限值被包括在该较小范围内的各范围也包括在本发明内，受到在所陈述范围内的任何具体排除限值的约束。在所陈述范围包含一个或两个限值的情况下，也包含排除所包含限值中的一个或两个限值的范围。
在本文中和所附权利要求中所使用的单数形式“一个”、“一种”、和“该”包含复数所指对象，除非上下文明确指出。因此，例如对“过程”的引述包含多个的这种过程并且对“化合物”的引述包含对一个或多个化合物及本领域技术人员已知的它们的等同物等的引述。
另外，词语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包含(include)”、“包含(including)”和“包含(includes)”，当使用于本说明书和所附权利要求时，是用来说明所陈述的特征、整数、要素、或步骤的存在，但它们并不排除一个或多个其他特征、整数、要素、步骤、动作、或群组的存在或添加。

Claims (28)

1.一种增加土壤含水量的方法，所述方法包括：
将土壤改良剂施用至所述土壤以制作经处理土壤，其中所述土壤改良剂包括至少一种乳糖酸盐；
混合经处理土壤；和
收获经处理土壤中的作物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种乳糖酸盐包括乳糖酸钾、乳糖酸钙、或乳糖酸铵。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种乳糖酸盐是由乳糖酸钾和乳糖酸钙组成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种乳糖酸盐是由乳糖酸钾组成。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一种乳糖酸盐是从由牛奶中所获得的乳糖而得到。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述乳糖被转化成乳糖酸，并且其中将所述乳糖酸加以中和以形成所述至少一种乳糖酸盐。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述土壤改良剂进一步包括水。
8.根据权利要求7所述的方法，其中以在土壤重量的0.002%至30%范围内的量将所述土壤改良剂施用至土壤。
9.根据权利要求1所述的方法，其中以在土壤重量的0.01%至10%范围内的量将所述至少一种乳糖酸盐施用至土壤。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述土壤改良剂包括小于1干重%的乳蛋白。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述土壤改良剂包括小于1干重%的乳清蛋白。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述土壤改良剂包括小于1干重%的乳糖。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述土壤改良剂包括小于0.5干重%的钠。
14.一种增加土壤含水量方法，所述方法包括：
将第一量的土壤改良剂施用至所述土壤以制作经处理土壤，其中所述土壤改良剂包括至少一种乳糖酸盐；
混合经处理土壤；
于所述经处理土壤中种植和收获作物以制作经收获土壤；和
将第二量的所述土壤改良剂施用至所述经收获土壤，其中所述第二量的所述土壤改良剂具有与所述第一量的所述土壤改良剂相比为相等或更大浓度的至少一种乳糖酸盐。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一种乳糖酸盐包括乳糖酸钾、乳糖酸钙、或乳糖酸铵。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一种乳糖酸盐包括乳糖酸钾。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述土壤改良剂包括小于1干重%的乳蛋白。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一种乳糖酸盐是由已被转化成乳糖酸的乳糖所形成，其中将所述乳糖酸加以中和以形成所述至少一种乳糖酸盐。
19.一种具有增加的土壤含水量的经处理土壤作为作物生长用土壤的应用，所述经处理土壤包括：
被吸收并混合入所述土壤中的土壤改良剂，其中所述土壤改良剂包括至少一种乳糖酸盐，并且其中来自所述至少一种乳糖酸盐的阳离子使所述土壤中的至少一部分颗粒发生聚集。
20.根据权利要求19所述的应用，其中所述至少一种乳糖酸盐包括乳糖酸钾、乳糖酸钙和乳糖酸铵中的一个或多个。
21.根据权利要求19所述的应用，其中所述至少一种乳糖酸盐由乳糖酸钾组成。
22.根据权利要求19所述的应用，其中使所述土壤中的至少一部分的颗粒发生聚集的所述阳离子是钾阳离子或钙阳离子。
23.根据权利要求19所述的应用，其中所述土壤改良剂占所述土壤的重量的0.002%至30%。
24.根据权利要求19所述的应用，其中所述至少一种乳糖酸盐占所述土壤的重量的0.01%至6%。
25.根据权利要求19所述的应用，其中所述经处理土壤包括小于1干重%的乳蛋白。
26.根据权利要求19所述的应用，其中所述经处理土壤包括小于1干重% 的乳清蛋白。
27.根据权利要求19所述的应用，其中所述经处理土壤包括小于1干重%的乳糖。
28.根据权利要求19所述的应用，其中所述经处理土壤包括小于0.5干重%的钠。
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