CN110035652A

CN110035652A - 支持农作物生长的方法

Info

Publication number: CN110035652A
Application number: CN201780072441.4A
Authority: CN
Inventors: V.乔登
Original assignee: Aquabank Australia Pty Ltd
Current assignee: Aquabank Australia Pty Ltd
Priority date: 2016-09-30
Filing date: 2017-10-03
Publication date: 2019-07-19
Also published as: WO2018058202A1; AU2017333606A1; BR112019006328B1; US20200022321A1; US11564363B2; AU2017333606B2; EP3518653A1; CN110035652A8; WO2018058202A8; CA3038818A1; EP3518653A4; BR112019006328A2

Abstract

公开了一种在土壤中原位保留和缓冲一定量的水以支持农作物生长的方法。所述方法包括在将种子种植在土壤的过程中添加有效量的水凝胶材料作为保水剂的步骤。所述水凝胶材料包括不溶性交联羧甲基纤维素。一旦在种子种植之后允许水渗入土壤中，则一部分渗入土壤中的水被水凝胶材料吸收，并且随着时间推移，所吸收的水通过扩散释放到土壤中以支持农作物生长。还公开了如下的水凝胶材料：其包含已用选自胺单体、酰胺单体和胺‑酰胺共聚物的交联共聚物交联的所述羧甲基纤维素。

Description

支持农作物生长的方法

技术领域

本公开大体上涉及土壤保水性，更具体但非排他地，涉及适用于农业的保水剂的用途。本公开还涉及添加其他材料与保水剂作为优化农业效绩的方式。

背景技术

植物需要水来生长和茁壮。在商业性农业中，水的可用性是决定农业企业生存能力的关键因素。影响水的可用性的一些因素包括：

·降水频率(周期性)和降水量，这是难以预测的；

·(从河流、湖泊或蓄水层)取水许可的限制；以及

·水存储和灌溉系统的可用性。

由于过度使用灌溉(浸出)、侵蚀和存在残余肥料而导致的土壤质量下降，农业生产力也会受到限制。为保持收入流，农民通常转向其他方法，这出于某些原因可能是高成本和/或有问题的。这样的方法包括：

·清理土地，将更多土地投入生产；

·通过过度耕种、过度施肥而过度开发现有土地；

·投资昂贵的灌溉和/或水存储系统；和

·购买并使用超出所需的肥料(由于径流、浸出等原因，很大一部分可能会被浪费掉)。

除了试图获取更多水，农民也可以通过以下方式寻求修复土壤：

·施粪肥(manuring)–良好施粪肥的土壤具有较好的土壤保持性质，但是存在显著的成本和卫生问题；

·使用化肥(fertiliser)–可添加各种形式的氮、磷和钾(NPK)，或者作为灌溉水的调理剂，或者通过干施到土壤表面或在耕作或翻耕过程中。然而，NPK肥料的使用的靶向性很差并且是过度使用的，并且会渗入地下水中。还存在因使用NPK肥料导致植物叶烧病(plant leaf burn)的可能性；和

·使用保水剂——

o已知使用属于水凝胶(也称为超吸收聚合物(SAP))同一类别的试剂来提高许多产品的持水能力。这些产品在与水接触时能够溶胀并且在水中吸收其初始重量的许多倍；

o水凝胶的吸水和保水性质广泛应用于一次性尿布/尿裤和卫生用品中，以及用作粘度改性剂、钻井助剂和食品添加剂；

o水凝胶以多种形式存在，包括宽泛粘度范围的液体、粉末和水存储“晶体”，其可由诸如丙烯酰胺和聚丙烯酰胺共聚物的合成材料制成。这种产品的性能依赖于聚合物吸收水并随后随时间释放水的物理化学性质；

o合成水凝胶材料(聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯及相关产品)由烃类原料制成，但这些在使用中可能是有问题的。由于丙烯酰胺单体的分解可能性以及该化合物的多种可疑副作用，聚丙烯酰胺的使用正在下降，而倾向于替代合成物。

农民仍需要能够以有效方式和尽可能低的成本获取和保留更多的水以促进作物生长，从而克服所提及的水供应限制问题，并且避免投入高昂的资金支出来改善农业生产力以维持收入流。

发明内容

在第一方面，实施方式中公开了一种在土壤中原位保留和缓冲一定水量以支持农作物生长的方法，所述方法包括以下步骤：在将种子种植到土壤的过程中添加有效量的水凝胶材料作为保水剂，所述水凝胶材料包括不溶性交联羧甲基纤维素；和在种植种子之后引起或允许水渗入土壤中；其中一部分渗入土壤中的水被水凝胶材料吸收，并且随着时间推移，所吸收的水通过扩散释放到土壤中以支持农作物生长。

在种子种植之后引起水渗入土壤的步骤可包括将水施加到土壤或土地的任何方式，包括软管浇水、洒水、灌溉、滴灌或空中供水或者可手动或自动控制的任何其他系统。

在某些实施方式中，水凝胶材料包括已经用选自胺单体、酰胺单体和胺-酰胺共聚物的交联聚合物交联的所述羧甲基纤维素。

在某些实施方式中，酰胺聚合物选自下组：丙烯酰胺；甲基丙烯酰胺；乙基丙烯酰胺；异丙基丙烯酰胺；二丙酮丙烯酰胺；双丙烯酰胺；丙烯酸；丙烯酸酯；丙烯腈；和丙烯酰胺基-丙磺酸。

在某些实施方式中，胺聚合物选自下组：聚丙烯胺盐酸盐；聚乙烯胺(PVAm)；聚乙烯甲酰胺(PNVF)；和聚(乙烯甲酰胺-共-乙烯胺)共聚物(其是一种胺-酰胺共聚物)。例如，聚乙烯胺通过聚(N-乙烯甲酰胺)(PNVF)的水解制备，可以通过部分水解得到介于PNVF和PVAm均聚物之间的一系列可能的PNVF-共-PVAm共聚物。

在某些实施方式中，水凝胶材料还包括离子固体。在一个这种形式中，离子固体包括浸渍到水凝胶材料中、分散于其中并与其结合的颗粒。在一个这种形式中，离子固体选自下组：碳酸氢钠和碳酸钠。

在某些实施方式中，羧甲基纤维素包括3-85wt％的水凝胶材料。在一个这种形式中，羧甲基纤维素包括10-70wt％的水凝胶材料。在另一个这种形式中，羧甲基纤维素包括20-60wt％的水凝胶材料。

在某些实施方式中，交联聚合物包括1-25wt％的水凝胶材料。在一个这种形式中，交联聚合物包括2-15wt％的水凝胶材料。在另一个这种形式中，交联聚合物包括3-10wt％的水凝胶材料。

在某些实施方式中，离子固体包括1-10wt％的水凝胶材料。在一个这种形式中，离子固体包括2-7wt％的水凝胶材料。

在某些实施方式中，在种植过程中将水凝胶材料和种子加入土壤中，其中在将会形成农作物根区的位置处加入水凝胶材料。在一个具体实施方式中，在第一步中将水凝胶材料添加到土壤中，并且在第二步中在水凝胶材料上方的位置处将种子添加到土壤中。

在某些实施方式中，经由与种子分开的剂量盒将水凝胶材料添加到土壤中。

在某些实施方式中，以1.0-10.0kg/公顷的预定比率将有效量的水凝胶材料添加到土壤中。在一个具体实施方式中，以1.5-9.0kg/公顷的预定比率将水凝胶材料添加到土壤中。在另一个具体实施方式中，以1.55-8.85kg/公顷的预定比率将水凝胶材料添加到土壤中。在另一个具体实施方式中，以1.55-4.70kg/公顷的预定比率将水凝胶材料添加到土壤中。在另一个具体实施方式中，以2.95-8.85kg/公顷的预定比率将水凝胶材料添加到土壤中。

在某些实施方式中，水凝胶材料以选自下组的固体形式添加：球丸、粒状颗粒、粉末或晶体。在一个具体实施方式中，水凝胶材料中80％的粒径小于5毫米。

在某些实施方式中，水凝胶材料被配制成预定的体积密度，由此可控制对土壤的剂量比。在一个特定的这种形式中，水凝胶材料的预定体积密度为0.50-0.60kg/立方米。

在某些实施方式中，所述方法还包括随水凝胶材料供应至少一种辅因子以提高农作物产量的步骤。在一个特定的这种形式中，将至少一种辅因子吸收到水凝胶材料中的步骤可在其使用前进行。在一个具体实施方式中，辅因子是下组中的任何种：营养素、肥料(NPK或仅PK)、杀虫剂、微生物、必需元素、固氮菌(包括根瘤菌接种)。

在某些实施方式中，农作物来自大田耕种物。在一个具体实施方式中，农作物是大豆(也称为黄豆)。在一个具体实施方式中，农作物是豆科植物。

发明人已发现在农作物生长中使用非合成水凝胶材料可具有许多优点。非合成水凝胶用于此目的的实例可以是交联羧甲基纤维素(X-CMC)的使用。

羧甲基纤维素(CMC)是一种通过纤维素与(一)氯乙酸(MCA)的碱催化反应制成的天然来源的水性聚合物(hydropolymer)。所用的碱可以是氢氧化钠。羧基基团使得纤维素具有可溶性和化学反应性。CMC的功能性质取决于纤维素结构的取代度(即，有多少羟基基团已发生了取代反应)以及纤维素结构的链长。发明人在迄今的实验工作中使用了取代度(DG)为1.2的CMC。

基础纤维素由多种植物材料(木浆、棉绒、甘蔗渣、木屑、废纸等)获得。在某些实施方式中，非合成水凝胶CMC可被交联为半合成水凝胶形式。这是由于半合成X-CMC材料可以是用多种类型的合成交联单体修饰CMC的结果。

X-CMC的钠盐是水溶性的，并且取代度(羧甲基基团/纤维素单体单元)影响产品和粘度。取代度足够高的X-CMC的水溶性更高(离子性更高)且粘度更低。然而，CMC的交联也影响水溶性。随着交联度的增加，X-CMC的水溶性变差。在特定交联度下，X-CMC将是不溶的，但是保持高吸水性特性。X-CMC是可生物降解和无毒的，这使得其非常适合用于农业用途。

发明人相信使用这样的非-合成和半-合成水凝胶能提高土壤的保水能力，因此减少营养素从根部的浸出。这是由于水凝胶在湿润时将膨胀以保持水分，从而用作土壤中水分的“缓冲剂”或局部储库。在降水量低和灌溉水供应受限的情况下，这些水分将随时间推移通过扩散释放到土壤中。

非-合成和半-合成水凝胶产品的保水性也意味着从肥料(诸如NPK)中溶出的营养素可被保留和可以随水释放，而不是随径流或浸出到地下水中而流失。

此外，水凝胶也可用作减缓所提到的辅因子的释放的手段，其可具有数种有益的协同作用。

在第二方面，所公开的实施方式是包含带有离子固体颗粒的不溶性交联羧甲基纤维素的水凝胶材料，所述离子固体颗粒渗入所述水凝胶材料并与其结合，所述水凝胶材料设置为在使用中既从周围物体吸水也将水释放回周围物体中。在一个实例中，周围物体是用于农业的农田土壤。

在某些实施方式中，羧甲基纤维素用来自下组的聚合物交联：胺单体；酰胺单体；和胺-酰胺共聚物。

在某些实施方式中，酰胺聚合物选自下组：丙烯酰胺；甲基丙烯酰胺；乙基丙烯酰胺；异丙基丙烯酰胺；二丙酮丙烯酰胺；双丙烯酰胺；丙烯酸；丙烯酸酯；丙烯腈；和丙烯酰胺基-丙磺酸。在某些实施方式中，胺聚合物选自下组：聚丙烯胺盐酸盐；聚乙烯胺(PVAm)；聚乙烯甲酰胺(PNVF)；和聚(乙烯甲酰胺-共-乙烯胺)共聚物。

在某些实施方式中，离子固体选自下组：碳酸氢钠，碳酸钠.

在某些实施方式中，羧甲基纤维素、交联聚合物或离子固体的重量百分比组成如第一方面中所定义的方法所另外定义的。

在第三方面，所公开的实施方式是包含含有离子固体分散颗粒的羧甲基纤维素的不溶性水凝胶材料，所述羧甲基纤维素用来自下组的聚合物交联：胺单体；酰胺单体；和胺-酰胺共聚物；所述水凝胶材料设置为在使用中既从周围物体吸水也将水释放回周围物体中。在一个实例中，周围物体是用于农业的农田土壤。

在某些实施方式中，不溶性水凝胶材料如第二方面中所定义的水凝胶材料所另外定义的。

在本说明书通篇中，当术语“不溶性”与交联羧甲基纤维素相关使用时，应理解与保持在水中的大多数物质一样，存在难溶性，而不是更倾向于溶解或断裂在溶液中。在长时间(例如，12个月)和连续使用的情况下，X-CMC将生物降解，因此最终失去其化学形式以及其作为吸/释水剂的功效。X-CMC的生物降解将生成可溶性副产物。然而，这种自然分解为可溶产品与X-CMC作为非-合成或半-合成水凝胶产品用于反复保水和释水作用的预期用途不同。

通过以下详细描述，结合附图，其他方面、特征和优点将变得显而易见，附图是本公开的一部分，其通过示例的方式说明了所公开的发明的原理。

附图说明

附图有利于理解将要描述的多个实施方式：

图1示出了在根据现有技术的三种大豆基因型材料的产量方面对灌溉的反应和耐旱性的测量结果；

图2示出了根据本公开第一实施方式应用交联聚合物对三种大豆基因型平均产量的作用的测量结果；

图3示出了根据本公开另一实施方式应用交联聚合物对三种灌溉水平的大豆产量的作用的测量结果；

图4示出了对于根据现有技术不使用任何交联聚合物的实验，大豆作物中的光合作用(A)、气孔导度(B)和蒸腾作用(C)的测量结果。底部字母比较每种水量的三种基因型，顶部字母比较四种水量中的每个基因型；

图5示出了在根据本公开另一实施方式使用交联聚合物进行的实验中，当遇到水缺乏水平提高时，大豆作物中的光合作用(A)、气孔导度(B)和蒸腾作用(C)的测量结果。底部字母比较每种水量的三种基因型，顶部字母比较四种水量中的每个基因型；

图6示出了在根据现有技术的三种大豆基因型和三种灌溉水平下的根瘤重量方面对灌溉的反应和耐旱性的测量结果；

图7示出了在根据现有技术不使用交联聚合物和根据本公开另一实施方式使用交联聚合物的情况下，对三种灌溉水平的平均值下的三种大豆基因型的根瘤重量的测量结果；

图8示出了在根据现有技术不使用交联聚合物和根据本公开另一实施方式使用交联聚合物的情况下，对三种灌溉水平下三种大豆基因型平均的根瘤重量的测量结果；

图9示出了在根据现有技术的三种大豆基因型和三种灌溉水平下的根瘤重量方面对灌溉的反应和耐旱性的测量结果；

图10示出了在根据现有技术不使用交联聚合物和根据本公开另一实施方式使用交联聚合物的情况下，对三种灌溉水平的平均值下的三种大豆基因型的根瘤重量的测量结果；和

图11示出了在根据现有技术不使用交联聚合物和根据本公开另一实施方式使用交联聚合物的情况下，对三种灌溉水平下三种大豆基因型的平均的根瘤重量的测量结果。

具体实施方式

本公开涉及使用非-合成和/或半-合成水凝胶原位保留土壤中的水以支持农作物生长的方法的特征。

为保留水用于农业用途，使用交联羧甲基纤维素(CMC)形成具有保水能力的水凝胶或交联聚合物，所述保水能力取决于所达到的交联程度。在本例中，通过用相对较低分子量的聚合物(在该情况中，交联剂为聚丙烯胺盐酸盐(PAH))和胺单体交联来制备X-CMC水凝胶。这两种聚合物经由极性键或离子键协同作用形成X-CMC水凝胶。一旦交联，随后交联结构仅在被置于土壤环境中时缓慢(也许长达一年或更久)降解。

CMC的分子量较高，PAH的分子量较低，这两种聚合物代表了固体水凝胶材料的主要组成。总体上，X-CMC代表至多85wt％的水凝胶材料，在某些其他实施方式中小于70wt％或小于60wt％。总体上，交联剂单体PAH代表至多25wt％的水凝胶材料，在某些其他实施方式中小于15wt％或小于10wt％。

制备水凝胶材料，随后将其作为干固体存储，其可被打碎成颗粒块以如将要描述的那样分布在土壤上和置于其中。

在另一个实例中，交联剂也可为酰胺单体，诸如丙烯酰胺、丙烯酸或丙烯酸酯，这将导致制成半-合成X-CMC水凝胶。

在本申请实验中所用的水凝胶材料中还存在离子盐固体，其主要作为碳酸氢钠存在，有较少量的一水合碳酸钠。离子固体盐的功能是帮助水凝胶更快地摄取水。不希望受理论限制，发明人推测离子固体提供了产生渗透压梯度以帮助将水抽取到离子固体的基材，因此帮助聚合物更快地捕获水。

在使用中，离子盐固体颗粒当然会随时间有一些缓慢溶解，离开X-CMC水凝胶。总体上，离子盐固体代表小于10wt％的X-CMC水凝胶材料，在一些其他实施方式中小于7wt％或小于5wt％或约2wt％或约1wt％。离子固体作为小颗粒存在，这些小颗粒结合或浸渍在X-CMC水凝胶结构中。

在一个示例性实施方式中，在大豆作物广泛种植期间将包含交联羧甲基纤维素(X-CMC)的上述水凝胶材料以颗粒形式引入作为置于周围土壤中的保水剂。以不同剂量的该产品(最多10.0kg/公顷耕地)进行实验，并与不存在该制剂的耕种结果作比较。从这些实验，加深了对何为有效量的X-CMC水凝胶，以及为了提供高吸水性不溶材料(其也具有可生物降解和无毒的优点)需要何种交联程度的理解。还已确定了其他优点。

X-CMC水凝胶与种子一起在翻耕和播种/种植时添加。使粒状的颗粒X-CMC水凝胶从存储容器经由振动式递送给料机以特定速率流到地上的犁沟中，同时给料机沿犁沟长度移动。将干的粒状X-CMC水凝胶配制成特定体积密度以使得能够控制对土壤的剂量率。单独地，或至少在添加X-CMC水凝胶之后，随后使种子从其自身的存储容器经由振动式递送给料机流到地上的犁沟中，同时给料机沿犁沟的长度移动。这表示X-CMC水凝胶被引入到将会形成由种子长出的农作物的根区的位置，种子在X-CMC水凝胶颗粒的位置上。

在添加了种子和X-CMC水凝胶之后，耕作土壤以覆盖这些材料，并且接着对土地进行初始灌溉以使水渗入土壤中，从而允许水凝胶材料湿润和吸水，导致形成嵌入到土地中的小型富水储库。在吸水过程中观察到颗粒的初始湿润引起一些溶胀。溶胀的水凝胶成为土壤基质的一部分。生长植物的根通过土壤/水凝胶基质增殖。

当围绕这些X-CMC水凝胶颗粒的土壤变湿时，这些颗粒将保持其吸收水量。当围绕这些颗粒的土壤开始变干时，与X-CMC相结合的水通过扩散/渗透随时间迁移出来，从而将水添加回根外土壤(bulk soil)中和直接添加到植物的根区。溶胀过程是可逆的，因为吸收水随时间释放以便被植物摄取。这样的释放能支持农作物的生长。

在实验工作中，所添加的X-CMC水凝胶颗粒材料中80％的粒径小于5毫米，大部分颗粒的粒径小于2毫米。X-CMC水凝胶的体积密度为约0.55kg/立方米，但可使用在0.50-0.60kg/立方米之间的变化方案。粒径和体积密度性质决定了振动式给料机将如何操作，从而控制递送到土壤中的剂量率。

试验田实验研究1

目的

实验研究的目的是比较两种大豆基因型在农业耕种环境中的响应力，以确定本公开的水凝胶材料(其包括X-CMC聚合物)的剂量率/单位面积对产品产量的作用。

实验设计和数据分析

为理解交联聚合物剂量对所选择的大豆基因型的作用，设计了如下实验耕种环境：限制供应到作物的灌溉水以将其置于水胁迫下，在所有情况中就地使用标准基础施肥水平(250kg/公顷)。测量该实验中耕种的基因型为BRS 7680RR和BRS 7780IPRO大豆的产量，其中使用四种不同剂量(kg/公顷)的交联聚合物调理土壤。结果在表3中显示。

结果表明，当交联聚合物剂量升高时，耕种产量也升高，直到其达到3.125kg/公顷的峰值，在此之后使用更多量的聚合物看起来引起耕种产量的下降。不希望受理论限制，发明人推测更多的聚合物可能导致了植物根部区域的土地变得过湿，因此导致根部腐烂或保持了过多水分以至于植物根部不能得到足够营养素(事实上，诸如肥料的营养素可能也已经被洗掉了)。

当考虑平均了四种不同剂量(包括0)(kg/公顷)的交联聚合物的中值产量(medianyield)时，在该实验中耕种的基因型为BRS 7680RR的大豆的产量提高了22％，基因型为BRS7780IPRO的大豆产量提高了10％。

因此显示使用有效量的交联聚合物以稳定和支持农作物(诸如大豆)的生长可实现有益的产量改善。此外，在一些情况中，出乎预料地显示存在使原位保水和缓冲的优点最大化的最佳交联聚合物剂量。

在为理解交联聚合物剂量对于所选择的大豆基因型的作用而做出的进一步研究中，设计了如下实验耕种环境：所有条件与前面的实施例中相同，但是在所有情况中就地使用较高的标准基础施肥水平(470kg/公顷)。测量在该实验中耕种的基因型为BRS 7680RR和BRS 7780IPRO的大豆的产量，其中使用四种不同剂量的交联聚合物(kg/公顷)调理土壤，其量显著高于前一实施例中所用的水平。结果在表4中显示。

对于基因型BRS 7680RR，结果表明当交联聚合物剂量提高时，看上去没有与在前一实施例中观察到的相同的耕种产量“峰值”，而是产量提高直到达到平台。这可能表示从植物根区流失了足够的营养素的先前理论是正确的，这些结果表示使用足够肥料和甚至更高剂量的交联聚合物(kg/公顷)的强力组合的产量可能性。当考虑平均了四种不同剂量(包括0)(kg/公顷)的交联聚合物的中值产量(median yield)时，在该实验中耕种的基因型为BRS 7680RR的大豆的产量提高了16％。

然而，当考虑平均了四种不同剂量(包括0)(kg/公顷)的交联聚合物的中值产量(median yield)时，基因型为BRS 7780IPRO的大豆的产量根本没有提高(观察到4％的轻微降低)，聚合物没有作用。

因此，从该数据看起来使用有效量的交联聚合物来稳定和支持农作物(诸如大豆)的生长可用作土壤添加剂的补充以提高低产基因型的性能。表4中的结果表明，在相同肥料水平下，如果将交联聚合物以5.9-8.8kg/公顷左右的剂量与基因型BRS 7680RR一起添加到土壤中，则可使得通常低产的基因型BRS 7680RR(在0聚合物条件下产量为2150)达到非常类似于较高产基因型BRS 7780IPRO(在0聚合物条件下产量为2888)的产量。在这种情况中，BRS 7680RR现在达到了非常类似于不使用任何交联聚合物的BRS 7780IPRO的产量。

表3：使用四种不同剂量的交联聚合物(kg/公顷)且在所有情况中就地使用基础施肥水平(250kg/公顷)耕种的基因型为BRS 7680RR和BRS7780IPRO的大豆的产量。

表4：使用四种不同剂量的交联聚合物(kg/公顷)且在所有情况中就地使用基础施肥水平(470kg/公顷)耕种的基因型为BRS 7680RR和BRS7780IPRO的大豆的产量。

总之，发明人使用预定范围的X-CMC水凝胶剂量添加到土壤中得出的这些实验结果与基线情况(即，不使用X-CMC水凝胶)相比给出了有益的结果和数据，其证明了以下内容：

·在1.562kg/公顷和8.812kg/公顷范围内的X-CMC水凝胶剂量下，大豆产量提高了10％至22％；

·当使用X-CMC水凝胶时，需要较少的肥料量–然而在不使用X-CMC水凝胶时，通常的剂量为1.0吨/公顷，实验显示甚至在使用显著较低的肥料量0.25吨/公顷和0.47吨/公顷时仍然观察到产量提高。(在大豆生产时使用的肥料是无N的，即，0-25-20 NPK)。

·也有视觉指示表明使用X-CMC水凝胶增强了植物的光合作用能力/性能，因为植物整体上显示更健康了，例如，在叶面积测量时。因此需要对植物形态进行更详细的研究以更深入地了解这一点。

试验田实验研究2

目的

实验研究的目的是比较农业耕种环境中三种大豆基因型的耐旱性和灌溉响应性以确定与耐旱性相关的可能生理机制和本公开的水凝胶材料(其包含X-CMC聚合物)对耐旱性的作用。

当豆类(包括菜豆和大豆耕种物)在生长过程中暴露于缺水环境时，认为水分胁迫会通过引起根和芽的干物质减少而影响这些植物的发育。重量和酶活性的降低是可测量的，并且反应了植物碳氮代谢中的严重缺水。

监控对干旱具有更高耐受性的植物参数可用作表征所作的任何变化成功或失败的技术，并最终获得实时用途，以便使作物可通过此类事件并最终保持总体生产力和产量。监控可包括诸如以下的生理测量：光合作用、气孔开放、蒸腾作用、叶片面积、植物高度、最终林分(final stand)、植物茎干直径、抗氧化系统活性和渗透调节化合物的生产。

实验设计和数据的统计学分析

选择巴西的一处用于生长大豆的农场位置。实验设计涉及作物耕种装置，以随机区块设计组织成细分班区，细班配有四种不同的灌溉水输入。

研究的作物包括在所有四个灌溉区中耕种的3种大豆基因型(NA5909、BRS5980IPRO和BRS7280RR)，并使用三次重复。每块农业班区由两排植物组成，在这两排的每一边用1m边界隔开，第一排具有最佳水量，并且当从一个区域到另一个区域横向跨越狭长作物行时，水输入量以一定水梯度减少。进行实验以使得系统中唯一的限制因素是水——即，使用相同的病虫害预防控制、非限制性施肥和有效杂草控制。

添加到所有实验作物灌溉区的其他物质是草甘膦(3.0 L/公顷)、Aurora(80mL/公顷)、矿物油(1.0 L/公顷)和尿素(1kg/公顷)以控制入侵植物。对于种植，在种植中使用500kg/公顷的肥料，加之接种大豆根瘤菌。将植物排列为每延米5株植物。还应用商品名为Soyvance(150g/公顷)和Imazhetaphir(1.0L/公顷)的除草剂以控制所有杂草，它们均具有广谱作用。还在不同的叶片生长期和开花期添加诸如Adesil(100mL/公顷)的杀虫剂以控制毛虫(藜豆夜蛾(Anticarsia gemmatalis)和棉铃虫(Helicoverpa armigera))和臭虫(Euschistus heros,Piezodorus guildinii和Nezara viridula)。

使用横跨宽度为20m的可调速灌溉洒水器安装杆来灌溉作物，所述杆设置为横向延伸跨越作物行，整个装置也被机动化以沿着作物行纵向移动。洒水器安装杆配有向下指向下方田地的洒水器出口。为产生不同的水流速，将洒水器的间隔设置为当沿着安装杆的长度移动时递送递减梯度的水。通过将洒水器彼此进一步隔开，发明人沿着杆划定了四个不同灌溉区，代表地平线上的四个水灌溉区。通过收集施加到每个灌溉区的水样品来监控水量/用水，以及使用重量测量方法采集土壤水分的样品。

形态和生产力参数

测量和计数大豆植物的形态参数，即：植株高度、豆荚插入(pod insertion)、豆荚数量、根重、节间数量、收集直径(collection diameter)、最后四个节间的总长度和千粒重量。

结果和讨论

所选择的大豆基因型在冬季种植，因此不在传统种植季节，其达到了最高3200kg/公顷的产量。

在所有基因型中均观察到类似的对灌溉的反应(如图1中所述，不使用聚合物)。在严重胁迫的情况下，基因型的生产力相同，但是在中等和最高灌溉水平，BRS5980基因型作为生产力最高的脱颖而出。

根据图2，使用交联聚合物对作物产量有小的积极响应，但是对于BRS7280基因型没有观察这种情况。该基因型显示出比其他基因型更慢和更长的生长模式，因此周期结束时的干燥可能也已显示了该材料生产力的降低。

值得注意的是，添加交联聚合物对作物产量的积极作用在严重水分胁迫的情况下是显著的(图3)。当然，这样的条件并不总是存在于农业中，例如，当在雨季种植大豆时。因此，似乎使用交联超吸水聚合物的最佳用途可能是在具有不利和不均匀降水率或降水分布不均或有夏季延长趋势的较边缘的农场耕种区域，在这些地方可能会发生采用交联聚合物作为原位保水和缓冲措施的最大优势。

在不存在交联聚合物的情况下在各个实验中获得的结果的分析显示，当仅观察水因素时，所有研究参数之间存在统计学显著的差异。然而，对于基因型因素，在形态生理学和生产力参数之间没有统计学变化。在水和基因型因素之间，仅对以下参数存在相互作用：千粒重量、颗粒密度和半日水势(表1)。

另一方面，在存在交联聚合物的情况下在各个实验中得到的结果的分析显示，在仅考虑水因素时，所研究的所有参数均存在统计学显著的差异，同时对于基因型因素，在形态生理学和生产力参数，即，节间数量和直径，存在统计学显著差异。在水和基因型因素之间，仅对以下参数存在相互作用：蒸腾作用和豆荚数量(表2).

数据表明，对于使用聚合物添加的实验和不使用聚合物添加的实验，当考虑光合作用(A)、气孔导度(B)和蒸腾作用(C)时，没有统计学优异的基因型，尽管对于该参数表现突出的是基因型NA-5909和BRS7280。在四种水灌溉水平上，三种基因型表现类似，因此，当水量减少时，净碳获得减少。此外，蒸腾作用和气孔导度因素的表现类似于净羧化率(图4和5)。

比较图4和5中所呈现的数据，发现在不添加聚合物的实验中，测量显示，对于三种基因型和全部灌溉水平，光合作用、气孔导度和蒸腾作用明显仅略有升高。然而，就生产力(产量)而言，这些差异仅表现在最受胁迫的灌溉水平(如从图3可知的)。

水灌溉水平影响所有基因型的根瘤质量，但是在灌溉处理中，基因型BRS5980IPRO对添加水更具反应性(图6)，是灌溉条件下生产力最高的材料(图1)。比较各种水量下的根瘤质量和数量(图6和9)，所有基因型之间的差异均不如测量根瘤数量时那么显著，尤其是在较高灌溉水平下。

使用交联聚合物仅提高了基因型BRS5980IPRO中的根瘤质量(图7)，对根瘤数量有完全改变的趋势(图10)，其中观察到交联聚合物的使用提高了基因型基因型BRS72800RR和NA5909的根瘤数量

根据图8，主要是在那些缺水的灌溉环境中聚合物会对平均根瘤质量有积极作用。根据图11，仅在那些严重缺水的灌溉环境中聚合物会对根瘤数量有积极作用。这两者都是用交联聚合物处理土壤的良好指示。

表1.对于没有交联聚合物的实验，区块、水量、基因型及其相互作用对于气体交换参数(光合作用(A)、气孔导度(gs)、内部CO₂浓度(Ci)和蒸腾作用(Trammol))、形态、农艺和生产力参数(颗粒密度、千粒重量(P.1000颗粒)、豆荚数量(颗粒数量)、直径和高度)以及正午水势(MPa)的作用结果

表2.区块、水量、基因型及其相互作用对于气体交换参数(光合作用(A)、气孔导度(gs)、CO₂内部浓度(Ci)和蒸腾作用(Trammol))、形态、农艺和生产力参数(颗粒密度、颗粒密度、千粒重量(P.1000颗粒)和豆荚数量(颗粒数量)、直径和高度)。

在将X-CMC水凝胶添加到土壤中之前，也可在X-CMC水凝胶生产过程中将其他预定营养素、矿物、细菌和微量元素与其掺合在一起，以使得能够增强农业成果。在这种方式中，X-CMC水凝胶用作其他可对植物有益的水性物质的载体宿主，所述可对植物有益的水性物质通常被称为“辅因子”，其与保留水一起释放而被植物摄取。对于大豆生产，辅因子可以是下组中的任何物质：营养素、肥料(NPK或仅PK)、杀虫剂、微生物、必需元素和固氮菌(包括根瘤菌接种)。

在来自实验的一个示例性实施方式中，被认为促进大豆生长和提高可收获产量的一个辅因子是土壤中的固氮根瘤菌。根瘤菌接种是农业中改善固氮不良的土壤的长期实践。通过使用X-CMC水凝胶颗粒作为根瘤菌载体进行土壤接种，所述根瘤菌在水凝胶材料形成过程中被添加于其中。应理解，最合适的细菌通常对植物品种有特异性。

通过使用X-CMC水凝胶作为保水剂保持土壤水分，实验显示了协同效应，其中根瘤菌群体能够在生长周期内稳定，这有利于植物生长和产量。此外，还观察到使用X-CMC水凝胶作为保水剂意味着土壤中的细菌在收获之后仍保持存活至下一播种和生长周期，因为土壤保持潮湿而并未干透。

发明人已发现，与不使用非-合成/半-合成水凝胶保水剂的作物相比，使用这种增强示例大豆作物产量的试剂产生了以下有利成果：

·在播种后由灌溉或降水的初始水渗透之后，需要更少的灌溉水总体积来生产健康作物，因为任何灌溉事件的过量水可被水凝胶摄取而不是通过浸出到根区之外而丢失；

·缩短了灌溉事件所需的时间长度，并且延长了灌溉/降水事件之间的所需时间；

·需要较少的肥料，发明人相信这是因为固氮改善(即，较少的硝酸盐流失)；

·需要较少的除草剂，其原因类似于前一点，因此改善了土壤的物理性质以支持作物；

·测量了固氮菌水平(这对于豆类和其他作物是不可缺少的)并发现其在土壤中维持在稳定可用的水平，发明人相信这可归因于辅因子从土壤中的较少浸出；

·帮助植物耐受长时间的水分胁迫，并且能延迟永久萎蔫点发生；

·植物显示总体上更健康，并且产生较高的产物产量；

·收获时豆类/作物的重量增加；和

·收获所需的时间较少，这可能会导致额外的年度种植(取决于作物和位置)，发明人相信这是因为植物生长不会经历在水可用性低的时候会发生的休眠期。

农民注意到的一些优点包括：

·对于灌溉或常规降水的依赖较少，因为水源已存在于根区；

·在来自播种后的灌溉或降水的初始水渗透之后，水凝胶的溶胀能导致土壤中裂缝和裂沟的闭合，这又减少了水从根区的渗出；

·X-CMC水凝胶生物是可降解、无毒和可再生的资源，其在至少一个生长周期中持续发挥作用，但最终不会在土壤中留下任何残余物质；

·在生长周期之间可将可用水平的根瘤菌保留在土壤中；和

·该方法还在植物幼苗形成中对种子发芽和生长有一些改善作用。

在前面一些实施方式的说明中，为清楚起见借助了特定术语。然而，本公开不限于所选择的特定术语，应理解每个特定术语包括以类似方式实现类似技术目的的其他技术等同物。诸如“上(upper或above)”或“下(lower或below)”或类似的术语用于提供参考点的便利用词，其不应被适于限制性术语。

在本说明书中，术语“包括”应理解为其“开放式”含义，即意为“包括”，并且不应限制为其“封闭式”含义，即“仅由……组成”的含义。相应含义也适用于相应术语“包含”、“具有”和“含有”。

前述说明被提供为涉及若干实施方式，它们可享有共同特性和特征。应理解任何一个实施方式的一个或多个特征可与其他实施方式的一个或多个特征相结合。此外，任何实施方式的任何单一特征或特征组合可构成额外的实施方式。

此外，前文仅描述了本发明的一些实施方式，并且可对其作出改变、修改、添加和/或变化而不背离所公开的实施方式的范围和精神，该实施方式是说明性和非限制性的。

此外，本发明已结合目前认为最实用和优选的实施方式描述，应理解本发明不限于所公开的实施方式，相反其旨在涵盖本发明精神和范围内所包含的多种修改和等同安排。此外，上面所述的多个实施方式可与其他实施方式结合实施，例如，一个实施方式的多个方面可与另一个实施方式的多个方面相结合以实现又另一个实施方式。此外，任何给定组合的每个独立特征或成分可构成额外的实施方式。

Claims

1.一种在土壤中原位保留和缓冲一定量的水以支持农作物生长的方法，所述方法包括以下步骤：

-在将种子种植到土壤的过程中添加有效量的水凝胶材料作为保水剂，所述水凝胶材料包括不溶性交联羧甲基纤维素；和

-在将种子种植之后引起或允许水渗入土壤中；

其中渗入土壤中的一部分水被水凝胶材料吸收，并且随着时间推移，所吸收的水通过扩散释放到土壤中以支持农作物生长。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述水凝胶材料包括已用选自胺单体、酰胺单体和胺-酰胺共聚物的交联聚合物交联的所述羧甲基纤维素。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述酰胺聚合物选自下组：丙烯酰胺；甲基丙烯酰胺；乙基丙烯酰胺；异丙基丙烯酰胺；二丙酮丙烯酰胺；双丙烯酰胺；丙烯酸；丙烯酸酯；丙烯腈；和丙烯酰胺基-丙磺酸。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述胺聚合物选自下组：聚丙烯胺盐酸盐；聚乙烯胺(PVAm)；聚乙烯甲酰胺(PNVF)；和聚(乙烯甲酰胺-共-乙烯胺)共聚物。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述水凝胶材料还包括离子固体。

6.如权利要求6所述的方法，其中所述离子固体包括浸渍在水凝胶材料中并与其结合的颗粒。

7.如权利要求5或权利要求6所述的方法，其中所述离子固体选自下组：碳酸氢钠、碳酸钠。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述羧甲基纤维素包括3-85wt％的水凝胶材料。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述羧甲基纤维素包括10-70wt％的水凝胶材料。

10.如权利要求8或权利要求9所述的方法，其中所述羧甲基纤维素包括20-60wt％的水凝胶材料。

11.如权利要求2所述的方法，其中所述交联聚合物包括1-25wt％的水凝胶材料。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述交联聚合物包括2-15wt％的水凝胶材料。

13.如权利要求11或权利要求12所述的方法，其中所述交联聚合物包括3-10wt％的水凝胶材料。

14.如权利要求5所述的方法，其中所述离子固体包括1-10wt％的水凝胶材料。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述离子固体包括2-7wt％的水凝胶材料。

16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中在种植过程中将水凝胶材料和种子加入土壤中，其中水凝胶材料在将会形成农作物根区的位置处加入。

17.如权利要求16所述的方法，其中在第一步中将水凝胶材料添加到土壤中，并且在第二步中在水凝胶材料上方的位置处将种子添加到土壤中。

18.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中经由与种子分开的加料盒将水凝胶材料添加到土壤中。

19.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中以1.0-10.0kg/公顷的预定比率将有效量的水凝胶材料添加到土壤中。

20.如权利要求19所述的方法，其中以1.5-9.0kg/公顷的预定比率将水凝胶材料添加到土壤中。

21.如权利要求19或权利要求20所述的方法，其中以1.55-8.85kg/公顷的预定比率将水凝胶材料添加到土壤中。

22.如权利要求19至权利要求21中任一项所述的方法，其中以1.55-4.70kg/公顷的预定比率将水凝胶材料添加到土壤中。

23.如权利要求19至权利要求21中任一项所述的方法，其中以2.95-8.85kg/公顷的预定比率将水凝胶材料添加到土壤中。

24.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述水凝胶材料以选自下组的固体形式添加：球丸、粒状颗粒、粉末或晶体。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述水凝胶材料中80％的粒径小于5毫米。

26.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述水凝胶材料被配制成预定体积密度，由此能够控制对土壤的剂量比率。

27.如权利要求26所述的方法，其中所述水凝胶材料具有0.50-0.60kg/立方米的预定体积密度。

28.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括随水凝胶材料供应至少一种辅因子以提高农作物产量的步骤。

29.如权利要求28所述的方法，还包括在水凝胶材料的使用之前将至少一种辅因子吸收到该水凝胶材料中的步骤。

30.如权利要求28或权利要求19所述的方法，其中所述辅因子是下组中的任何种：营养素、肥料(NPK或仅PK)、杀虫剂、微生物、必需元素、包括根瘤菌接种的固氮菌。

31.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述农作物来自大田耕种物。

32.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述农作物是大豆。

33.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述农作物是豆科植物。

34.一种水凝胶材料，其包括不溶性交联羧甲基纤维素以及浸渍在水凝胶材料中并与其结合的离子固体颗粒，所述水凝胶材料被设置为在使用中既从周围物体吸水也将水扩散释放回到周围物体。

35.如权利要求34所述的水凝胶材料，其中所述羧甲基纤维素通过来自下组的聚合物交联：胺单体；酰胺单体；和胺-酰胺共聚物。

36.如权利要求35所述的水凝胶材料，其中所述酰胺聚合物选自下组：丙烯酰胺；甲基丙烯酰胺；乙基丙烯酰胺；异丙基丙烯酰胺；二丙酮丙烯酰胺；双丙烯酰胺；丙烯酸；丙烯酸酯；丙烯腈；和丙烯酰胺基-丙磺酸。

37.如权利要求35所述的水凝胶材料，其中所述胺聚合物选自下组：聚丙烯胺盐酸盐；聚乙烯胺(PVAm)；聚乙烯甲酰胺(PNVF)；和聚(乙烯甲酰胺-共-乙烯胺)共聚物。

38.如权利要求35至权利要求37中任一项所述的水凝胶材料，其中所述离子固体选自下组：碳酸氢钠，碳酸钠。

39.如权利要求35至权利要求37中任一项所述的水凝胶材料，其中羧甲基纤维素、交联聚合物或离子固体的重量百分比组成如权利要求8至15中任一项所述方法中的另外定义。

40.一种不溶性水凝胶材料，其包含含有离子固体分散颗粒的羧甲基纤维素，所述羧甲基纤维素通过选自胺单体、酰胺单体和胺-酰胺共聚物的聚合物交联；所述水凝胶材料被设置为在使用中既从周围物体吸水也将水扩散释放回到周围物体。

41.如权利要求40所述的不溶性水凝胶材料，其如权利要求36至39中任一项所述的水凝胶材料的另外定义。