JP2016504423A - 土壌浸食の防止方法 - Google Patents

Abstract

非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する土壌浸食の防止方法が提供される。非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する土壌の水の流出防止方法がまた提供される。非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する土壌浸食の防止方法によって得ることが可能な、土壌浸食に抵抗する安定処理土がまた提供される。

Description

本発明は、非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する土壌浸食の防止方法に関する。本発明はまた、非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する土壌の水の流出防止方法に関する。本発明はまた、非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する土壌浸食の防止方法によって得ることが可能な、土壌浸食に抵抗する安定処理土（ｔｒｅａｔｅｄ ｓｏｉｌ）に関する。

水および土壌は人間の物質的基礎である。土壌浸食は、現今の共通関心事の主要な環境問題である。特に広大な開発途上国においては土壌浸食が地域経済開発の主な制限要因になっている。土壌浸食は、土質の低下、土地資源の破壊、水不足、水汚染、環境の悪化、および下流域を脅かす洪水のリスクを増大させる多くの河床堆砂を生じさせる放出堆積物を含めて深刻な環境的および生態学的災害の結果を引き起こす。

化学的浸食制御技術が、非従来的な土壌および水保全手段の部類として普及している。化学剤は主に、土壌の性質を改良し、土壌団粒（ｓｏｉｌ ａｇｇｒｅｇａｔｅ）の安定性を増大させ、粘土分散を防止し、こうして土壌クラストを減少させ、地表浸透（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）を増大させ、表面流出および土壌浸食を減少させるポリマーを散布することにより土壌浸食を制御する。合成ポリマーは、１９５０年代から土壌改良に使用され始めた。その研究作業の間に、ＰＡＭ（ポリアクリルアミド）が、土壌構造および土壌団粒の安定性を保ち、かつ高い地表浸透、低い流出を維持する有望な添加物であることが分かった（米国特許第２６２５５２９号明細書、国際公開第２００７０４７４８１号パンフレット）。セルロースおよび水吸収性リグニンセルロース（米国特許出願公開第２０１００２８５９６２号明細書、米国特許出願公開第２００７０１８０７６３号明細書）もまた、このような目的では同一に扱われる。これまで土壌浸食防止に関してはポリアクリルアミドのみが熱心に研究されており、それは多くの国では農業において役割を担う。それら結果は、水および土壌保全の効果を有するその適用範囲が、緩斜面およびある種の土壌などであることを示した。しかしながら肌理の劣る土地またはアルカリ性土壌の場合、また急斜面ではＰＡＭは功を奏しない。したがって、様々な種類の土壌および環境の様々な千変万化する要求を満たす、より効果的な土壌浸食制御材料および手法がさらに開発されなければならない。

したがって、土壌浸食を防止し、使用される添加剤の総量の割に高い効能を有する改良された土壌添加剤に対するニーズが存在する。

ここで、非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーは、土壌浸食を防止するために使用することができ、とりわけ土壌団粒の水安定性を高めることによってその使用される添加剤の総量の割に高い効能を有すると思われる。さらにこれらグアーは、分解の結果として環境を汚染しない植物系生分解性製品である。

その結果、本発明は、非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する土壌浸食の防止方法に関する。

本発明はまた、非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する土壌の水の流出（ｗａｔｅｒ ｒｕｎｏｆｆ ｏｆ ａ ｓｏｉｌ）の防止方法に関する。

本発明はまた、非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する土壌浸食の防止方法によって得ることが可能な、土壌浸食に抵抗する安定処理土に関する。

本発明による土壌浸食とは、表層浸食（ｓｈｅｅｔ ｅｒｏｓｉｏｎ）、細流浸食（ｒｉｌｌ ｅｒｏｓｉｏｎ）、および地隙浸食（ｇｕｌｌｙ ｅｒｏｓｉｏｎ）などの降雨の直接の結果として、なおまた風および気象条件の結果として起こる３つの主要な型の浸食に関係することを意図している。

表面流出は、土壌に目いっぱい浸透し、雨、融水、または他の水源からの過剰な水がその土地を越えて流れる場合に起こる水流である。これは、水循環の主要な構成要素であり、かつ水蝕の主要因子である。それは耕作地の損失を引き起こし、さらにまたその土壌は、作物および種子が健全に成長するための十分で適切な構造および栄養素を与えることができない。

１種類または数種類の非イオン性および／またはカチオン性グアーを本発明に従って使用することができる。

本発明の非イオン性グアーは、ガラクトース糖およびマンノース糖からなる多糖を意味する一般には非変性グアーである。その骨格は、β−１，４−結合したマンノース残基の線状鎖であり、それにガラクトース残基がすべての第二マンノースに１，６−結合して短い側枝を形成している。

本発明のカチオン性グアーには、様々な考え得るカチオン性エーテル化剤、例えば第四級アンモニウム塩の群などの使用によって得ることができるカチオン性グアーを挙げることができる。

カチオン性グアーの場合、次いでそのカチオン基は、３個のラジカルを有する第四級アンモニウム基であってもよい。それらラジカルは、同一でも異なっていてもよく、好ましくは水素、アルキル、ヒドロキシアルキル、エポキシアルキル、アルケニル、またはアリールから選択され、好ましくは１〜２２個の炭素原子、より具体的には１〜１４個、有利には１〜３個の炭素原子を含有する。その対イオンは、一般にはハロゲンであり、一実施形態では塩素である。

第四級アンモニウム塩は、例えば塩化３−クロロ−２−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウム（ＣＨＰＴＭＡＣ）、塩化２，３−エポキシプロピルトリメチルアンモニウム（ＥＰＴＡＣ）、塩化ジアリルジメチルアンモニウム（ＤＭＤＡＡＣ）、塩化ビニルベンゼントリメチルアンモニウム、トリメチルアンモニウム塩化エチルメタクリラート、塩化メタクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウム（ＭＡＰＴＡＣ）、および塩化テトラアルキルアンモニウムでであってもよい。

これらのカチオン性グアー誘導体における典型的なカチオン官能基は、対イオンを有するトリメチルアミノ（２−ヒドロキシ）プロピルである。様々な対イオンを利用することができ、それにはこれらに限定されないが塩化物、フッ化物、臭化物、およびヨウ化物などのハロゲン化物イオン、硫酸イオン、メチル硫酸イオン、およびこれらの混合物が挙げられる。

本発明のカチオン性グアーは、
− カチオン性ヒドロキシエチルグアー（ＨＥグアー）、カチオン性ヒドロキシプロピルグアー（ＨＰグアー）、カチオン性ヒドロキシブチルグアー（ＨＢグアー）などのカチオン性ヒドロキシアルキルグアー、および
− カチオン性カルボキシメチルグアー（ＣＭグアー）と、カチオン性アルキルカルボキシグアー、例えばカチオン性カルボキシプロピルグアー（ＣＰグアー）およびカチオン性カルボキシブチルグアー（ＣＢグアー）と、カルボキシメチルヒドロキシプロピルグアー（ＣＭＨＰグアー）とを含むカチオン性カルボキシアルキルグアー
からなる群から選択することができる。

より好ましくは本発明のカチオン性グアーは、塩化ヒドロキシプロピルトリアンモニウムグアーである。

カチオン性グアーのヒドロキシアルキル化度（モル置換またはＭＳ）、すなわちグアー上に存在する遊離ヒドロキシル官能基の数によって消費されるアルキレンオキシド分子の数は、０から３の間、好ましくは０から１．７の間に含まれることができる。例として１のＭＳは、１単糖単位当たり１個のエチレンオキシド単位を表すことができる。

カチオン性グアーの置換度（ＤＳ）、すなわちカチオン基によって置換されるヒドロキシル基の１単糖単位当たりの平均数は、０．００５から３の間、好ましくは０．０１から２の間に含まれることができる。ＤＳは、とりわけ１単糖単位当たりのカルボキシメチル基の数を表すことができる。ＤＳは、とりわけ滴定によって求めることができる。

カチオン性グアーの電荷密度（ＣＤ）は、０．１から２ｍｅｑ／ｇの間、好ましくは０．４〜１ｍｅｑ／ｇの間に含まれることができる。電荷密度は、ポリマーがそれから成り立っているモノマー単位上の正電荷の数と上記モノマー単位の分子量の比を指す。電荷密度にポリマーの分子量を乗じた値が、所与のポリマー鎖上の正に荷電した部位の数を決定する。

このカチオン性グアーは、約１００，０００ダルトンから３，５００，０００ダルトンの間、好ましくは約５００，０００ダルトンから３，５００，０００ダルトンの間の平均分子量（Ｍｗ）を有することができる。

本発明の非イオン性および／またはカチオン性グアーの用量は、土壌１ｈａ当たり０．１から１００ｋｇの間、より好ましくは土壌１ｈａ当たり２．５から５０ｋｇの間に含まれることができる。

本発明による土壌上または土壌中への散布は、とりわけ土壌へ噴霧することによって、または土壌と混ぜ合わせることによって行うことができる。

この土壌添加剤は、例えば土壌の表面または上面近くに散布するか、土壌中にまたは土壌内の層中に散布するか、灌漑水または他の分散媒に溶かし、次いで土壌に散布するか、または同様の方法で行うことができる。

土壌噴霧は、添加剤が溶液の状態に調製され、土壌表面に噴霧される場合に行う。これら溶液は、ある程度まで土壌の上層土を通って浸透し、土壌上にクラストのような堅い層を形成する。この層中の土壌粒子は、添加剤によって結び付けられ、こうして強い離脱抵抗能を有する。またこの層は、より速い水の浸透速度をもたらすことができ、したがって表面流出を顕著に低減させることができる。本発明のグアーは溶解され、かつ／または上記溶液中で懸濁状態であってもよい。

ブレンディングは、添加剤を土壌表面に置き、混ぜ合せるよって均質化する場合に行われる。本発明のグアーは、液体または固体の形状で使用することができる。この実施形態によれば粉末の投げ込みが好ましい。この手順もまた、第一の手順と同じ性能を示す。

このグアー系添加剤はまた、農業および園芸活動において使用される顔料、補助剤、界面活性剤、および／または肥料などの幾つかの従来的添加剤であってもよい。

粘土、堆積物、砂、ローム、シルト、農場構内の厩肥、シルト、泥炭、および通常はトウモロコシ、麦、サトウモロコシ、大豆、トマト、カリフラワー、大根、キャベツ、カノーラ、レタス、ホソムギ、牧草、米、綿花、ヒマワリなどの生産に関係している普通の土壌などの様々な種類の土壌を本発明の方法に従って使用することができる。

本発明で使用される土壌は、好ましくは埴土、砂質土、シルト質土、泥炭地、およびローム質土壌からなる群から選択される。

埴土（または粘土質土壌）：埴土は湿っている場合、それらは一般に粘り気があり、塊が多く、かつ柔軟であるが、それらは乾燥している場合、一般に硬い塊を形成する。埴土は、ほとんど空隙のないきわめて細かい粒子からなり、したがってそれらは扱いにくく、かつ多くの場合、水はけが悪い。それらはまた、春になると水浸しになる傾向がある。青粘土または灰粘土は通気が悪く、健全な成長を支えるためにはほぐさなければならない。埴土の赤色は、良好な通気と、水はけの良い「ほぐれた」土壌を示している。粘土は高水準の栄養を含有しているので、排水が十分であるならば植物はよく育つ。一般に埴土は、５０μｍ未満の平均粒径（Ｄ_５０）を有する。典型的には埴土は、約２５μｍまたはそれ未満の平均粒径（Ｄ_５０）を有する。より典型的には埴土は、約５μｍまたはそれ未満の平均粒径を有する。

砂質土：一般に砂質土はザラザラした肌理を有し、石灰岩、石英、花崗岩、および頁岩などの風化した岩から形成される。砂質土は、実質上十分な有機質を含有しており、それが土壌を比較的耕作し易くする。砂質土は、一般に１００μｍ〜２０００μｍの範囲にある粒度を有する丸い砂粒を特徴とする。

シルト質土：一般にシルト質土は、多くの肥沃な土壌の一つであると考えられる。シルト質土は、一般に鉱物、主に石英と、細かい有機粒子とからなり、砂質土よりも多くの栄養物を有し、かつ良好な水はけを与える。乾燥した場合、それはどちらかといえば滑らかな肌理を有し、黒砂のように見える。

泥炭地：泥炭地は、その酸性が分解過程を抑制するために一般に他の土壌よりも多くの有機物質を含有している。この型の土壌は、多くの他の土壌よりも少ない栄養物を含有し、かつ水を過度に保持する傾向がある。

ローム質土壌：一般にローム質土壌は、およそ４０％の砂、４０％のシルト、および２０％の粘土の組合せである。ローム質土壌は、有機物に満ちた容易に耕すことができる肥沃な土壌から芝が密集した土壌にまで及ぶ。

上記概念をさらに明らかにし、教示し、また説明するために、次に本発明の実施形態を下記の実施例および実験結果に関連して例示し、考察する。

使用した化合物は以下の通りである：
− グアーＡ：塩化ヒドロキシプロピルグアーヒドロキシプロピルトリモニウム。ＤＳは０．１０、Ｍｗは１．５Ｍダルトン、またＣＤは０．５ｍｅｑ／ｇ。
− グアーＢ：非変性グアー。ＤＳは０、Ｍｗは２Ｍダルトン、またＣＤは０ｍｅｑ／ｇ。

浸食試験を、人工降雨下において、かつ容易に様々な傾斜に変えることができる小区画上で行った。小区画はサイズ１２０ｃｍ×４０ｃｍであり、その上に土を注意深くかつ均一に置いた。小区画の傾斜はうまく制御することができる。試験される土は、激しい土壌浸食の問題に苦しんでいる陝西省由来の埴土である。実験で使用した用量は、１０ｋｇ／ｈａ〜５０ｋｇ／ｈａの範囲であった。

人工降雨は高さ１６ｍから降らせ、強さ（ｍｍ／分）は正確に制御することができる。各試験は４０分間続く。

下記の表１は、降雨の初めから地表の水の流出の開始時までの時間を表す。土壌流亡（ｓｏｉｌ ｌｏｓｓ）は、全試験の間の全流亡である。降雨強度：１ｍｍ／分。傾斜：１０度。

表１に示すようにこれら２種類の添加剤は、流出時間および流出水の層の深さに関して異なる性能を有する。しかし、それらの両方が同じ土壌流亡の減少効果を示す。グアーＡは、流出が起こるまでの時間を劇的に伸ばすことができ、それはグアーＡが土壌をより透水性にすることができることを表す。これに反してグアーＢは土壌の透水をより遅くし、したがって流出が非常に早く現れ、それは対照の土壌よりもさらに早い。流出の深さもまた同じ傾向を示す。より良好な地表浸透により、グアーＡで処理した土壌は、その表面により薄い流出層を有する。対照の土壌は、より厚い流出層をもたらすが、グアーＢで処理した土壌は表面に最も厚い流出層を有する。

グアーＡおよびＢは両方とも土壌流亡を顕著に減少させることができ、したがって浸食に効果的に抵抗することは興味深い。グアーＡのより高い浸透速度および拘束力が、この耐浸食性能に貢献する。グアーＢに関しては、それが土壌に持ち込む強い接着力はまた、それが他のパラメータを改善することができないとしても浸食を減らすことができる。

様々な用量でのグアーＡの性能は、きわめて低い用量（１０ｋｇ／ｈａ）で流出時間を効果的に遅らせることができることを明らかに示している。土壌流亡に加えて流出層の深さも同様に減少する。用量が３０ｋｇ／ｈａまで増すにつれて、性能は、より低い用量での性能よりも良くなる。用量が５０ｋｇ／ｈａまで高くなると、流出時間は、低用量および対照の土壌での流出時間よりもずっと早くなる。過剰な量のグアーＡは土壌の親水性に逆らうが、より高い拘束力をもたらす。この場合、土壌粒子凝集体を作る拘束力が、土壌流亡を減少させる主な原因である。

下記の表２は、過酷な条件下での様々なグアーＡの用量の性能を示す。降雨強度：２ｍｍ／分。傾斜：２０度。

その結果、急傾斜および激しい降雨での過酷な条件下では、すべての処理について流出が速く起こるように見える。グアーＡによって処理された土壌は、流出層の減少効果を示すが、穏やかな条件で示す効果よりもずっと低い。しかしながらその耐浸食性能は、低用量の土壌については穏やかな条件での性能に劣らず、また高用量の土壌についてはなおさら良好である。過酷な条件によって、浸透速度が表面流出に若干の影響を与えることがある。これは、水が流れ落ちる速度が土壌に浸透するよりもずっと速いためである。この場合、その顕著な土壌流亡の減少は、主に添加剤が土壌粒子に持ち込む良好な拘束力によって生じたものとみなすことができる。これはまた、高用量ほど低い土壌流亡挙動を示すことによって確認することができる。

Claims (13)

1. 非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する、土壌浸食の防止方法。
2. カチオン性グアーが、カチオン性エーテル化剤として第四級アンモニウム塩を使用することによって得られる、請求項１に記載の方法。
3. 第四級アンモニウム塩が、塩化３−クロロ−２−ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウム、塩化２，３−エポキシプロピルトリメチルアンモニウム、塩化ジアリルジメチルアンモニウム、塩化ビニルベンゼントリメチルアンモニウム、トリメチルアンモニウム塩化エチルメタクリラート、塩化メタクリルアミドプロピルトリメチルアンモニウム、および塩化テトラアルキルアンモニウムからなる群から選択される、請求項２に記載の方法。
4. カチオン性グアーが、
   − カチオン性ヒドロキシエチルグアー（ＨＥグアー）、カチオン性ヒドロキシプロピルグアー（ＨＰグアー）、カチオン性ヒドロキシブチルグアー（ＨＢグアー）などのカチオン性ヒドロキシアルキルグアー、および
   − カチオン性カルボキシメチルグアー（ＣＭグアー）と、カチオン性カルボキシプロピルグアー（ＣＰグアー）およびカチオン性カルボキシブチルグアー（ＣＢグアー）などのカチオン性アルキルカルボキシグアーと、カルボキシメチルヒドロキシプロピルグアー（ＣＭＨＰグアー）とを含むカチオン性カルボキシアルキルグアー
   からなる群から選択される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. カチオン性グアーのヒドロキシアルキル化度が０から３の間に含まれる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. カチオン性グアーの置換度が０．００５から３の間に含まれる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. カチオン性グアーの電荷密度が０．１から２ｍｅｑ／ｇの間に含まれる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記カチオン性グアーが、約１００，０００ダルトンから３，５００，０００ダルトンの間の平均分子量を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記非イオン性および／またはカチオン性グアーの用量が、土壌１ｈａ当たり０．１から１００ｋｇの間に含まれる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 非イオン性および／またはカチオン性グアーが、前記土壌へ噴霧することによって、または土壌と混ぜ合わせることによって散布される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 土壌が、埴土、砂質土、シルト質土、泥炭地、およびローム質土壌からなる群から選択される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する、土壌の水の流出を防止する方法。
13. 非イオン性グアーおよび／またはカチオン性グアーを土壌上または土壌中に散布する土壌浸食の防止方法によって得ることが可能な、土壌浸食に抵抗する安定処理土。