CN102480922A - 土壤亲水化试剂以及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了土壤添加剂，该土壤添加剂能够使土壤颗粒亲水化和/或提高土壤中的有效水容量。该土壤添加剂能够提高土壤中的有效水含量/容量(AWC)，在一个实施方案中该添加剂包含具有亲水部分和疏水部分的聚合物组合物，其中共聚物的疏水部分与土壤颗粒表面结合，而共聚物的亲水部分能够与水结合。这能够防止、抑制或减缓水从目标区域(例如从植物根部区域)流失，从而使植物、草类、蔬菜等的水利用效率提高。
Description
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求于2009年7月2日提交的美国临时申请No.61/270,128的优先权，其内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明涉及与土壤添加剂相关的方法和组合物，特别是，本发明涉及使土壤颗粒亲水化和/或提高土壤中的有效水容量的土壤添加剂。
背景技术
水缺乏是对人类和农业发展的最大束缚。约70％的淡水消费被用于与农业相关的用途，例如，用作灌溉水，而灌溉水几乎占农业用水量的90％。随着农业发展以及人类发展，对于淡水的需求随之增加，人们需要对水进行更加有效的利用。而淡水的缺乏愈加严重，使得这种需求变得更加显著。除了上述用途之外，在食品生产和诸如生物燃料、生物质和可再生生物材料之类的非食品相关原材料方面对于淡水的需求也在增加。因此，人们越来越需要更好地且更加有效地利用淡水。
在农业应用中，主要通过以下两条途径产生淡水损失：(1)流失或蒸发，以及(2)从植物根部区域排出。关于流失，在特别是倾斜或成一定角度的土壤区域，水缓慢渗透到土壤中或渗透受阻将导致水的流失。另一影响是水在平坦/水平土壤表面的聚集会使得水因长期暴露在空气中而蒸发。缓慢渗透是由多种机制导致的，例如土壤多孔结构的破坏，其表现为土壤结皮的形成。当土壤变得具有疏水性并且基本上或完全阻止水渗入其中时，会逐渐形成斥水土壤。
关于排水，土壤持水能力差和/或水分布不均匀可能会导致水从根部区域排出。土壤持水能力由土壤质地和土壤中的有机质的含量决定。例如，通常粗质地的土壤(例如，沙质土壤)的持水能力远低于细质地的土壤(例如，壤质土)。水分布不均匀可能由灌溉水的施用方法(例如，沟灌)和土壤组分的异质性而导致。异质性土壤中也可能会发生优先流动，这种优先流动使供给水快速地通过并流出根部区域，从而导致水的低效利用。
人们已使用若干种方法以试图提高农业中的农业水利用率，其中一种方法是使用表面活性剂。众所周知的，表面活性剂能降低灌溉水的表面张力，但也面临一些问题，如在Miller等人的美国专利No.5,927,003等中公开的缺点，该文献以引用方式并入本文。
人们还知道，吸水性聚合物能有助于改善水分管理。这些吸水性聚合物也被称作高吸水性材料，其被用于提高水的利用效率。高吸水性材料具有交联聚合物网络结构，其能够保持数倍至数百倍于高吸水性材料原始体积的水。高吸水性材料包括淀粉-丙烯腈接枝聚合物、羧甲基纤维素、交联聚丙烯酸酯、交联聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、聚丙烯腈和聚环氧乙烷的水解产物。例如，下述的几份美国专利公开了用于农业上改善水分管理的多种聚合物。
高吸水性材料被用作土壤添加剂，通常通过手工或机械的方式将其掩埋在根系区域的附近。这样，这些高吸水性材料可以在用水灌溉时发生膨胀并保持水，并且在灌溉间隔期或干燥期中释放水。通常可通过园艺式操作(gardening type application)从土壤中临时除去任何植物，从而完成高吸水性材料的掩埋。然而，对于诸如大面积草皮和地下农作物应用之类的大规模任务来说，由于除去全部或大多数植物和/或土壤表层通常是不切实际的或在经济上是不可行的，因此这种做法存在明显的缺陷。此外，对于这种应用而言，为了达到足够的性能，通常需要大量的高吸水性材料，从而使得成本相对较高。
因此，需要一种改进的土壤添加剂，其能通过植物和草改善水利用情况。还需要一种将聚合物施用于土壤中的改进方法，其具有更高的效力(相对于聚合物的总用量)，能靶向到达土壤中最有利或最需要的位置，并且能改善植物和草的水利用效率。
发明内容
在一方面中，本发明涉及一种提高土壤中的保水作用的方法，该方法包括将土壤添加剂施用至土壤，从而提高土壤中的有效水容量。例如，可将该土壤添加剂施用至(例如)土壤的表面或表层表面附近、施加到土壤或土壤内部的层中、施加到灌溉水中或施加到将施用于土壤的其他载体中等。
在一方面中，本发明涉及一种用于提高土壤中有效水容量的土壤添加剂，该土壤添加剂包含具有亲水部分和疏水部分的聚合物组合物，其中该聚合物组合物的亲水部分可以与水结合。
在另一方面中，本发明涉及一种用于提高土壤中有效水容量的土壤添加剂，该土壤添加剂包含一种聚合物组合物，该聚合物组合物包含对土壤颗粒或土壤颗粒的表面具有亲和性的第一部分，和对水具有亲和性的第二部分。这两部分可具有类似或相同的化学组成。
在另一方面中，本发明涉及一种土壤添加剂，该土壤添加剂包含聚合物组合物，该聚合物组合物具有亲水部分和对土壤颗粒的表面具有亲和性的部分，其中该聚合物的亲水部分可以与水结合，其中所述对土壤颗粒的表面具有亲和性的部分可以是疏水性的。
在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量在约5,000道尔顿和500,000道尔顿之间的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量在约200,000道尔顿和1,000,000道尔顿之间的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量最高达约5,000,000道尔顿的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量最高达约25,000,000道尔顿的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量最高达约50,000,000道尔顿的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为尺寸在50纳米至5微米之间的水凝胶颗粒。
在一个实施方案中，本发明涉及一种能够使土壤颗粒亲水化的聚合物，其包含阴离子多糖、中性多糖或阳离子多糖。在一个实施方案中，该多糖选自或衍生自由下列物质组成的组：
a.植物来源的多糖，包括但不限于：
i.半乳糖甘露聚糖、葫芦巴胶(fenukreek gum)、牧豆树胶、瓜尔胶、他拉胶、刺槐豆胶、肉桂胶、以及它们的衍生物，例如羟烷基瓜尔胶、羧烷基瓜尔胶、羧烷基羟烷基瓜尔胶、疏水改性的瓜尔胶、疏水改性的羟烷基瓜尔胶、疏水改性的羧烷基瓜尔胶、疏水改性的羧烷基羟烷基瓜尔胶，
ii淀粉和淀粉衍生物、支链淀粉和支链淀粉衍生物；
iii.纤维素和纤维素衍生物(羟烷基纤维素、羧烷基羟烷基纤维素、羧烷基纤维素、纤维素的烷基醚、羟烷基甲基纤维素、疏水改性的羟烷基纤维素、疏水改性的羧烷基羟烷基纤维素、疏水改性的羧烷基纤维素、疏水改性的纤维素的烷基醚、疏水改性的羟烷基甲基纤维素等)；
iv.木质纤维素；
v.木聚糖、阿拉伯木聚糖(arabinoxylan)、右旋糖酐、木糖葡聚糖、以及其他植物细胞壁半纤维素；
vi.果胶、菊糖、魔芋胶；
b.多糖包括但不限于藻类多糖，如角叉菜胶、琼脂、藻酸盐、石莼聚糖(ulvan)、壳多糖、脱乙酰壳多糖等；
c.生物多糖：黄原胶、韦兰胶(welan gum)和琥珀酰聚糖、结冷胶(gellan)、果聚糖、支链淀粉、甘露聚糖、米兰(mellan)、葡聚糖；
以及它们的混合物。
在另一个实施方案中，该聚合物选自阳离子瓜尔胶或阳离子淀粉。在另一个实施方案中，阳离子多糖选自羟丙基三甲基氯化铵瓜尔胶或淀粉。
在另一方面中，该土壤添加剂为共聚物。该共聚物可包含羧酸酯基团、酰胺基团、羟基基团、两性离子基团或它们的任何组合。该共聚物可由包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、乙烯基醇、烯丙醇、乙酸乙烯酯、两性离子单体和其他烯键式不饱和单体的至少一种单体制备。
在另一方面中，本发明的土壤添加剂具有下式：
其中n为10至10000的整数；其中m可为0至10000的整数；其中y为1至10000的整数，其中R1包含一个或多个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；其中R2-R8可独立地为氢、或者为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；M+可为任何合适的平衡离子或氢；其中“A”、“D”和“E”各自独立地不存在、或表示直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。在另一个实施方案中，n为1至5000的整数。在另一个实施方案中，n为1至1000的整数。在另一个实施方案中，n为10至3000的整数。在另一个实施方案中，n为25至1000的整数。在另一个实施方案中，n为25至100的整数。在一个实施方案中，m为1至7500的整数。在另一个实施方案中，m为10至5000的整数。在另一个实施方案中，m为10至3000的整数。在另一个实施方案中，m为10至1000的整数。在另一个实施方案中，m为25至1000的整数。在另一个实施方案中，m为25至500的整数。在一个实施方案中，y为1至5000的整数。在另一个实施方案中，y为1至2500的整数。在另一个实施方案中，y为10至100的整数。
在另一方面中，本发明为具有下式的聚合物：
其中n为10至10000的整数；其中m为10至10000的整数；R2-R8可独立地为氢、或者为支链、直链或环状C1-C6烃基或羟烷基；其中M+和X+独立地为不同或相同的平衡离子或氢；其中“A”和“E”各自独立地不存在、或者表示直链或支链的C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。在另一个实施方案中，n为1至5000的整数。在另一个实施方案中，n为1至1000的整数。在另一个实施方案中，n为10至3000的整数。在一个实施方案中，m为1至7500的整数。在另一个实施方案中，m为10至5000的整数。在另一个实施方案中，m为10至3000的整数。在另一个实施方案中，m为10至1000的整数。
在另一方面中，本发明为具有下式的聚合物：
其中n为1至1000的整数；其中R1包含一个或多个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；其中R2-R3可独立地为氢、或者为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；M+可为任何平衡离子或氢；其中“D”不存在、或表示直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。在另一个实施方案中，n为1至5000的整数。在另一个实施方案中，n为1至1000的整数。在另一个实施方案中，n为10至3000的整数。
在另一方面中，本发明为具有下式的聚合物：
其中n为1至1000的整数；其中R1包含一个或多个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；R2可独立地为氢、或者为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6的烃基；其中“D”不存在、或表示直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。在另一个实施方案中，n为1至5000的整数。在另一个实施方案中，n为1至1000的整数。在另一个实施方案中，n为10至3000的整数。
在另一方面中，本发明为具有下式的共聚物：
其中m为0或约1至约10000的整数；其中n为0或约1至约10000的整数；其中M+为平衡离子或氢阳离子；其中X+为平衡离子或氢；其中R1-R8独立地为氢、支链的C1-C6烃基、直链的C1-C6烃基、或环状的C1-C6烃基、或羟烷基；其中“A”和“E”各自独立地不存在、或表示直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。在一个实施方案中，m为约1至200的整数并且n为约1至50的整数。
在另一方面中，本发明为一种提高土壤中有效水容量的方法，该方法包括：(a)获得包含聚合物组合物的土壤添加剂，该聚合物组合物包含(i)能够与水结合或对水具有亲和性的亲水部分，以及(ii)能够与土壤颗粒表面结合或对其具有亲和性的疏水部分，其中该土壤添加剂能够使土壤颗粒亲水化；(b)以及将权利要求1所述的聚合物施用于土壤中。
在另一方面中，本发明为一种对土壤颗粒的至少一部分表面积进行改性的方法，该方法包括：(a)获得具有下式的聚合物：
其中n为10至10000的整数；其中m为0至10000的整数；其中y为1至10000的整数；其中R1包含至少一个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；其中R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8各自独立地为氢、或者为支链、直链或环状的C1-C6烃基；其中M+为平衡离子或氢；其中“A”、“D”和“E”各自独立地不存在、为直链或支链的C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基；以及(b)将该聚合物施加至土壤中。
附图简要说明
图1示出了接触角与AWC的关系的图。
图2示出包含一个或多个土壤结合部分和一个或多个水结合部分的本发明亲水化试剂的示例性实施方案。
图3示出不同化合物及其对AWC的影响。
图4为观测到的土壤颗粒随处理剂量的量的变化而漂浮的百分比的图。
图5为示出在一个月的水胁迫试验中用本发明的阳离子多糖处理的土壤罐中的植物与对照罐和其他基准处理相比较的照片。
发明详述
如本文所用的那样，术语“烷基”是指单价饱和直链或支链烃基，通常为单价饱和(C1-C30)烃基，例如(例如)甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基、戊基或正己基，这些基团可以任选地在基团的一个或多个碳原子上被取代。在一个实施方案中，烷基基团的一个或多个碳原子被烷氧基、氨基、卤素、羧基或膦酰基取代，例如(例如)羟甲基、羟乙基、甲氧基甲基、乙氧基甲基、异丙氧基乙基、氨甲基、氯甲基或三氯甲基、羧乙基或膦酰基甲基。
如本文所用的那样，术语“亚烷基”是指二价饱和直链或支链烃基，例如(例如)亚甲基、二亚甲基、三亚甲基。
如本文所用的那样，与有机基团有关的术语“(Cx-Cy)”(其中各x和y为整数)表示该基团中每个基团可以包含x至y个碳原子。
如本文所用的那样，与多糖的取代水平有关的术语“取代的度”或“取代度”是指对于单个糖单元，多糖上被目标官能基团取代或官能化的羟基基团的平均量。
术语“有效水容量”或“AWC”通常为土壤储存的可供植物利用的水的量。其为在田间持水量与岩屑和溶液中盐向下调整后的萎蔫点之间的水保持量。田间持水量为在彻底润湿约2天之后随意排水的土壤中所保持的水。萎蔫点为向日葵秧苗发生不可逆枯萎时的含水量。通常采用如下等式测量土壤的有效水容量(AWC)：
AWC(％)＝FC-PWP
其中：FC＝田间持水量(％)以及PWP＝永久萎蔫点(％)
田间持水量(FC)为将过量的水排走并且水向下运动的速率已经显著降低后，土壤水分的量或土壤中保持的水含量。这通常在下雨或灌溉前述具有均一结构和纹理的土壤后的2-3天内发生。永久萎蔫点(PWP)或萎蔫点(WP)定义为植物不枯萎所需的土壤水分的最小点。
利用装置(通常为压力板装置)来测量AWC。可以使用本领域技术人员显而易见的其他材料，包括50ml的量管。应当理解的是，可以使用所述步骤的变型来测量AWC。还可以采用测试土壤中的AWC的其他方法，如美国专利No.6,718,835的背景部分所述的用于测试土壤的压力板提取器。
测试AWC的步骤通常如下：
1.将样品固定环放在多孔板上。用茶匙或小勺随机挖取直径＜2mm的土壤样品，并将整个样品倒入该环中，小心避免粒度离析(segregation)。将土壤弄平。再制作一个相同的样品。
2.向多孔板的表面加入蒸馏水，直到水位达到该环外侧的中部。将该板盖上并静置过夜，根据需要加入更多的水以保持水位。
3.当土壤饱和时，将该板小心转移到压力室中并与出口管连接。将流出管从压力室连接至50mL量管的底部。根据表1，施加合适的压力。
4.当排水量管中体积不再变化表明已达到平衡(至少24小时)时，关闭量管的塞子并释放该室内的压力。将土壤从每个环转移到称重罐中并根据土壤水分含量(P1A/1)确定水分含量。
5.针对其他所需压力重复所述过程。
表1.压力和pF的对比
| kPa | 巴(Bar) | Atm | pF | 说明 |
| 10 | 0.10 | 0.099 | 2.0 | FC |
| 20 | 0.20 | 0.197 | 2.31 | |
| 35 | 0.35 | 0.346 | 2.55 | |
| 60 | 0.60 | 0.592 | 2.79 | |
| 100 | 1.00 | 0.987 | 3.01 | |
| 200 | 2.00 | 1.974 | 3.31 | |
| 500 | 5.0 | 4.936 | 3.71 | |
| 1000 | 10.00 | 9.872 | 4.01 |
| 1500 | 15.00 | 14.807 | 4.20 | PWP |
术语“土壤亲水化”通常是指用土壤添加剂处理土壤从而提高土壤的亲水性。土壤亲水度可通过用乙醇和水的混合物进行漂浮实验来测量。
测试土壤亲水化的步骤通常如下：
1.将土壤添加剂的溶液或悬浮液均匀地喷撒在土壤上。使该土壤在环境条件下干燥。通过喷撒在土壤上的土壤添加剂溶液/悬浮液的浓度和体积来控制土壤添加剂的处理量。
2.将乙醇和水溶液的混合物加入到测试容器中，通常为培特利式培养皿(Petri dish)。
3.将代表量的处理土壤散布在乙醇/水混合物溶液的表面上。
4.通过标准成像分析或其他类似的技术计算浮在乙醇/水混合物溶液-空气界面的土壤颗粒百分比。用该百分比作为土壤亲水化的指标。
如本文所用，术语“水胁迫试验”是指测试植物在经处理的土壤中对水供应不足的反应的试验。
测量土壤亲水化的步骤通常如下：
1.将选定植物种植在土壤介质中，使其发芽并生长至其生命周期中的特定阶段。该土壤介质可为标准生长室或任何其他温室设施。用土壤添加剂原位或在种植之前处理土壤。
2.停止供应水，植物利用的仅有水源为土壤中保持的水分。
3.通过一定时期之后植物的存活率或所收获的生物质来记录植物的生长。
本发明发现现有技术的问题在于表面活性剂对土壤的效力通常持续时间短并且效力有限。虽然表面活性剂(如聚环氧乙烷/聚环氧丙烷共聚物和带电的表面活性剂)可降低灌溉水的表面张力并且增强土壤的水润湿性，但是存在多个缺点。例如，表面活性剂本身在改善土壤持水容量上通常效果较差；表面活性剂的持续时间通常非常短，并且需要频繁施用表面活性剂以防止土壤憎水性的再次发生，而这是耗费成本的，以及表面活性剂为小分子，其往往会进入蓄水层或表面储水库(河流、湖泊和海洋)并且导致严重的环境问题。
使用高吸水性材料也有类似的缺点。使用高吸水性材料作为土壤添加剂的缺点包括：在农业应用中使用高吸水性材料来实现有意义的性能的成本相对较高；当将高吸水性材料施加至土壤中时，性能受限或降低；高吸水性材料与植物竞争使用淡水，以及需要进行额外的工作将高吸水性材料埋在根部区域的附近。
本发明涉及用作土壤添加剂的土壤亲水化试剂，或包含用作土壤添加剂的土壤亲水化试剂的组合物，其能够提高土壤的有效水容量。本发明还涉及将这些土壤亲水化试剂或其组合物用在土壤上从而提高AWC的方法。
当这些土壤亲化试剂单独使用或与灌溉水和/或降水联合使用时，其能够与土壤颗粒结合，从而获得良好的表面润湿性和/或有助于保持多孔的土壤结构以提高土壤的持水能力或AWC。水可容易地渗入土壤中并储存在经处理的土壤中，并供植物使用。
通过对土壤表面特性和土壤结构进行改性可在土壤中储存更多的水。已知，水主要通过三种形式储存在土壤中：a)吸附水通过化学或物理作用紧密地与土壤结合，而植物不能使用该吸附水；b)松散结合水为由于重力使土壤不能保持的水(该水分通常来自大量施用淡水并且暂时存留在大土壤孔或通道中。一段相对短的时间后由于重力作用，该水分通常流失到(例如)地下蓄水层中，因而不能被植物利用)；并且c)有效水为可被植物利用的土壤水。该水储存在小至中等尺寸的土壤孔或通道中或作为冷凝水。如图1所示，据信，目标土壤中土壤颗粒表面的疏水性越高，土壤中可获得的AWC越少。因此，本发明涉及一种土壤添加剂，其能够使目标区域中的土壤颗粒亲水化从而提高该目标土壤的AWC。在一个实施方案中，本发明涉及一种土壤添加剂，其能够对土壤颗粒的一部分表面、基本上所有表面或所有表面进行改性。
在一个实施方案中，土壤添加剂包含亲水化试剂。在另一个实施方案中，该土壤添加剂为包含亲水化试剂与其他组分的混合物，所述其他组分包括但不限于表面活性剂和分散剂。在一个实施方案中，本发明的亲水化试剂处于水溶液中。
通常，本发明的亲水化试剂具有如下结构规格。它可具有(i)土壤结合官能团，其能附着在土壤颗粒的一部分或基本全部表面上，以及(ii)水结合官能团(即亲水化单元)，其附着在一个或多个水分子上。在另一个实施方案中，亲水化试剂可包含(i)土壤结合官能团，其对土壤颗粒的一部分或基本全部表面具有亲和性，以及(ii)水结合官能团(即亲水化单元)，其对一个或多个水分子具有亲和性。在另一个实施方案中，亲水化试剂可包含(i)土壤结合官能团，其紧邻土壤颗粒的表面，以及(ii)水结合官能团(即亲水化单元)，其紧邻一个或多个水分子。图2示出了示例性图解，其中“A”包含土壤结合官能团，而“B”包含水结合基团。亲水化试剂与土壤和水之间的相互作用的类型可以为任何适合的相互作用，并且包含基团A和基团B的亲水化试剂可以为任何适合的结构。本领域技术人员应当理解，图2中的结构为本发明的非限制性实施方案。
在一个实施方案中，亲水化试剂是包含疏水部分的共聚物，该疏水部分包含一个或多个土壤结合官能团，其附着到土壤颗粒的表面、紧邻土壤颗粒的表面或对土壤颗粒的表面具有亲和性。在一些情况中，这些土壤颗粒的表面能够变成疏水的，在耕作之后尤其是如此，由此产生本文所述的缺点。据信，聚合物或共聚物的土壤结合官能团对这种疏水表面具有亲和性。该亲水化试剂还包含亲水部分，该亲水部分包含附着到水上、紧邻水或对水具有亲和性的一种或多种官能团。
在一个实施方案中，土壤亲水化试剂为包含两类构建单元的共聚物：其一为土壤结合单元，其将附着到土壤或土壤表面上；另一个为提高储水能力的单元(即亲水化单元)。在一个实施方案中，亲水化试剂的土壤结合单元和水结合单元(即亲水化单元)可具有类似或相同的化学组成。
在一个实施方案中，土壤结合单元或土壤结合官能团具有如下基团的功能：阳离子基团(如胺类)、膦酸酯或盐、磷酸酯或盐、磺酸酯或盐、硫酸酯或盐、羧基、两性离子基团、氢键形成基团(如羟基)、硅酸酯基、硅氧烷基以及其他土壤结合基团(如环氧乙烷、环氧丙烷)。
在一个实施方案中，亲水化单元或水结合基团可具有多元醇、多元(羧酸)及其盐、以及聚磺酸酯或盐的功能。
在一个实施方案中，土壤亲水化试剂为用亲水化或水结合基团官能化的天然产物。该天然产物可为淀粉、瓜尔胶以及其他多糖。该官能基团可为阳离子基团(如胺类)、膦酸酯或盐、磷酸酯或盐、磺酸酯或盐、硫酸酯或盐、羧基、两性离子基团、氢键形成基团(如羟基)以及其他亲水化试剂。
在另一个实施方案中，本发明涉及包含聚合物的土壤添加剂组合物，该聚合物具有对土壤颗粒或更具体而言是对土壤颗粒的至少一部分表面具有亲和性的第一部分，和对水具有亲和性的第二部分。所述第一部分类似于土壤结合单元，而第二部分类似于亲水化单元。在一个实施方案中，该聚合物包含被吸引到土壤颗粒或土壤颗粒的表面的疏水部分和被吸引到水的亲水部分。在一个实施方案中，土壤亲水化试剂能改善土壤结构孔隙率。
在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量在约5,000道尔顿至500,000道尔顿之间的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量在约200,000道尔顿至1,000,000道尔顿之间的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量为最高达约5,000,000道尔顿的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量最高达约25,000,000道尔顿的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为重均分子量为最高达约50,000,000道尔顿的聚合物。在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂为尺寸在50纳米至5微米之间的水凝胶颗粒。
已经发现在本发明中特别实用的聚合物包括任何适合的天然聚合物、合成聚合物、它们的衍生物或它们的任何组合，这将在以下进行更详细地描述。
在一个实施方案中，土壤亲水化试剂包含天然聚合物及其衍生物。天然聚合物可包含多糖。合适的多糖的例子包括但不限于半乳甘露聚糖聚合物、瓜尔胶、淀粉、糊精、壳多糖/脱乙酰壳多糖、藻酸盐组合物、肉桂胶、他拉胶、黄原胶、刺槐豆胶、角叉菜胶、刺梧桐树胶、阿拉伯树胶、透明质酸、琥珀酰聚糖、果胶、结晶多糖、支链多糖、纤维素、以及它们的其他衍生物，如离子和/或非离子衍生物和前述任何一种的其他衍生物。
多糖可被改性为中性、阴离子、两性或阳离子的多糖。在一个实施方案中，多糖被改性为阳离子多糖。术语“阳离子多糖”是指这样的多糖，该多糖经化学改性从而在其主结构中具有净负电荷并且在pH中性条件下在水性介质中具有平衡离子的多糖。
多糖的例子包括但不限于选自由以下物质组成的组中的多糖和多糖衍生物：瓜尔胶、羟烷基瓜尔胶、羧烷基瓜尔胶、羧烷基羟烷基瓜尔胶、疏水改性的瓜尔胶、淀粉、疏水改性的羟烷基瓜尔胶、疏水改性的羧烷基瓜尔胶、疏水改性的羧烷基羟烷基瓜尔胶、果胶、藻酸盐、刺槐豆胶、阿拉伯树胶、茄替胶、金合欢胶、角叉菜胶、羟烷基纤维素、羧烷基羟烷基纤维素、羧烷基纤维素、纤维素的烷基醚、羟烷基甲基纤维素、疏水改性的羟烷基纤维素、疏水改性的羧烷基羟烷基纤维素、疏水改性的羧烷基纤维素、疏水改性的纤维素的烷基醚、疏水改性的羟烷基甲基纤维素、淀粉、黄蓍胶、刺梧桐树胶、他拉胶、罗望子果胶、黄原胶、韦兰胶和琥珀酰葡聚糖、及其混合物。
合适的瓜尔胶的例子包括但不限于瓜尔豆胶、羟丙基瓜尔豆胶、羧甲基瓜尔豆胶、羧甲基羟丙基瓜尔豆胶、以及其他改性的瓜尔豆胶。
在一个实施方案中，阳离子多糖包括但不限于附加有氨基和/或铵基基团的多糖。这些季铵基取代基可通过与以下物质反应来引入多糖，这些物质例如是三甲基羟丙基氯化铵、二甲基硬脂酰羟丙基氯化铵或二甲基十二烷基羟丙基氯化铵。在一个实施方案中，阳离子多糖为被季铵取代的多糖，其取代度为约0.001至约6。在另一个实施方案中，阳离子多糖为被季铵取代的多糖，其取代度为约0.01至约3。在另一个实施方案中，阳离子多糖为被季铵取代的多糖，其取代度为约0.001至约1。
在一个具体的实施方案中，阳离子多糖为阳离子瓜尔胶。阳离子基团或与阳离子瓜尔胶联合的基团可为本文所述的任何阳离子取代基团。
在一个具体的实施方案中，阳离子取代基团具有下式：
“A”、“X”、“Y”可以各自独立地为C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10羟烷基或C1-C10烷基羰基连接基团，该连接基团具有或不具有杂原子。M1、M2和M3各自独立地为任何适合的平衡离子；R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7可以各自独立地为氢、C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10羟烷基、C1-C10烷氧基烷基或C1-C10烷基烷氧基；其中“m”和“n”独立地为0或1至10000的整数。
适用于本发明的阳离子基团包括季铵基基团。典型的季铵基团为四甲基氯化铵和四甲基溴化铵、苄基三甲基氯化铵和苄基三甲基溴化铵、四乙基氯化铵和四乙基溴化铵、四丁基氯化铵和四丁基溴化铵、甲基氯化吡啶和甲基溴化吡啶、苄基氯化吡啶和苄基溴化吡啶、三甲基对氯苄基氯化铵和三甲基对氯苄基溴化铵等。
具体的取代基包括：缩水甘油基三烷基铵盐和和3-卤-2-羟丙基三烷基铵盐(例如缩水甘油基三甲基氯化铵、缩水甘油基三乙基氯化铵、缩水甘油基三丙基氯化铵、缩水甘油基乙基二甲基氯化铵、缩水甘油基二乙基甲基氯化铵以及它们的相应溴化物和碘化物)；3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、3-氯-2-羟丙基三乙基氯化铵、3-氯-2-羟丙基三丙基氯化铵、3-氯-2-羟丙基乙基二甲基氯化铵、2，3-环氧丙基-N，N，N-三甲基氯化铵、3-氯-2-羟丙基-N，N，N-十二烷基二甲基氯化铵、3-氯-2-羟丙基-N，N，N-椰子烷基二甲基氯化铵(3-chloro-2-hydroxypropylN，N，N-cocoalkyldimethylammonium chloride)和3-氯-2-羟丙基N，N，N-十八烷基二甲基氯化铵以及它们的相应溴化物和碘化物；以及季铵化合物，如含咪唑啉环化合物的卤化物。
在一个实施方案中，羟丙基三甲铵瓜尔胶(hydroxypropyltrimethylammonium guar)的取代度为在约0.001至约3之间。在另一个实施方案中，羟丙基三甲铵瓜尔胶的取代度为在约0.01至约1之间。
在一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团具有下式：
其中“A”、“X”、“Y”独立地为C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10羟烷基或C1-C10烷基羰基连接基团，该连接基团具有或不具有杂原子；其中M1、M2和M3独立地为平衡离子；其中R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7各自独立地为氢、C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10羟烷基、C1-C10烷氧基烷基或C1-C10烷基烷氧基；其中“m”和“n”独立地为0或1至10000的整数。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团或可带电的基团具有下式：
其中“R1”为C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10羟烷基或C1-C10烷基羰基连接基团，该连接基团具有或不具有杂原子；其中R2、R3和R4独立地为氢、C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10羟烷基、C1-C10烷氧基烷基或C1-C10烷基烷氧基；其中“x”为1至10000的整数；其中“M”为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团具有下式：
其中“M”为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团具有下式：
其中“M”为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团或可带电的基团具有下式：
其中“M”为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团具有下式：
其中“M”为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团或可带电的基团具有下式：
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团具有下式：
其中“M”为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团具有下式：
其中“M”为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
在一个实施方案中，聚合物为与适合的平衡离子形成盐的形式，其中该聚合物可为干燥状态或处于悬浮液中(水性悬浮液或溶剂性悬浮液)。
可采用各种方法制备本发明所用的阳离子瓜尔胶。例如，在加入醇或醇/水溶液以及随后中和，然后根据需要搅拌之后，加入阳离子试剂，从而用一种或多种阳离子基团使瓜尔豆胶衍生化。阳离子取代基包括伯胺基、仲胺基、叔胺基或季铵基、锍基或鏻基(phosphiniumgroup)。
制备合适的天然聚合物衍生物的方法也是本领域公知的。美国公开No.20030027787和美国专利No.5,532,350中描述了多糖的交联法。可采用所描述的相似条件将官能基团连接到多糖上。
在一个实施方案中，阳离子多糖用作本发明的亲水化试剂，其包括但不限于任何天然存在的阳离子多糖以及通过化学手段阳离子化的多糖和多糖衍生物，所述通过化学手段例如是用含有反应性氯化物或环氧化物位点的各种季胺化合物进行季铵化。制备阳离子多糖的方法在美国专利No.4,663,159、5,037,930、5,473,059、5,387,675、3,472,840、6,639,126和4,031,307中有所公开，它们通过引用的方式并入本文。阳离子衍生物是通过多糖的羟基与反应性氯化物或环氧化物位点之间的反应而获得的。阳离子基团在多糖结构上的取代度必须足以提供必要的阳离子电荷密度。
在一个实施方案中，作为本发明亲水化试剂的官能化多糖是通过如美国专利No.2006029561和欧洲专利No.1,890,670公开的电子束法制备的。在一个实施方案中，作为本发明亲水化试剂的官能化多糖包含含天然胺基(如在脱乙酰壳多糖中含天然胺基)或非天然伯胺基的多糖。在美国专利No.6,455,661中公开了制备含胺基的多糖的方法。
在一个实施方案中，采用阳离子瓜尔胶作为本发明的亲水化试剂。在美国专利No.5,489,674、20080033163，欧洲专利No.934,343、686,643和国际专利No.2008058769中公开了阳离子瓜尔胶的制备方法。
在一个实施方案中，作为本发明亲水化试剂的官能化多糖包含两性基团。在一个实施方案中，使用两性瓜尔胶作为本发明的亲水化试剂。美国专利No.6,210,689中公开了制备两性瓜尔胶的方法。
在一个实施方案中，土壤亲水化试剂包含合成聚合物。本发明所用的合成聚合物可为均聚物或共聚物。合适的聚合物包括线性聚合物、支化聚合物、星形聚合物、梳形聚合物、以及上述聚合物的任何组合。合适的共聚物包括无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物、以及上述聚合物的任何组合。
在一个实施方案中，土壤亲水化试剂包含合成聚合物，该合成聚合物包含羧酸酯基、酰胺基、羟基、两性离子基团、或前述基团的任何组合。
可聚合单体通常为具有羧基、磺酸酯或盐基、膦酸酯或盐基等的水溶性可带电单体。
在一个实施方案中，具有一个或多个羧基基团的可聚合单体包括但不限于丙烯酸、甲基丙烯酸、巴豆酸、山梨酸、马来酸、衣康酸、肉桂酸、其盐等、或它们的酸酐(马来酸酐等)。
在一个实施方案中，本发明所用的聚合物包含阳离子或可带电的接枝均聚物单元或共聚物单元。
在另一个实施方案中，本发明所用的聚合物包含具有下式的一种或多种阳离子单元：
其中R为氢或烷基，通常为C1-C100烷基；其中“M-”可为任何合适的平衡离子；并且其中m为2至10000的整数。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团包含阳离子或可带电的接枝均聚物单元或共聚物单元。该均聚物单元或该共聚物单元的一种组分具有下式：
其中R为氢或C1-C100烷基；其中“M-”可为任何合适的平衡离子；其中m为2至10000的整数；其中在苯基环上具有1至3个取代基团，其中该取代基团的位置可以为邻位、间位和对位中的任何一种。
在一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团包含阳离子或可带电的接枝均聚物单元或共聚物单元。该均聚物单元或该共聚物单元的一种组分具有以下式：
其中R1为氢或C1-C100烷基；其中R2可为氢、或具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基，并且在苯基环上可具有1至3个取代基团，该取代基团的位置可以为邻位、间位和对位中的任何一种；以及其中m为2至10000的整数。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团包含阳离子或可带电的接枝均聚物或共聚物单元。该均聚物单元或共聚物单元中的一种组分具有下式：
其中R1和R2独立地为氢、或具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；其中“M-”可为任何合适的平衡离子；其中“k”和“n”为1至5的整数；其中m不存在，或为1至5的整数；并且其中“x”为2至10000的整数。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团包含阳离子或可带电的接枝均聚物单元或共聚物单元。该均聚物单元或该共聚物单元中的一种组分具有下式：
其中R1为直链或支链C1-C5烃基、或C1-C5烷氧基；其中R2和R3独立地为氢、或者为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；其中“M-”可为任何合适的平衡离子；并且其中“m”为2至10000的整数。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团包含阳离子或可带电的接枝均聚物单元或共聚物单元。该均聚物单元或该共聚物单元中的一种组分具有下式：
其中“M-”可为任何合适的平衡离子；并且其中“m”为2至10000的整数。
在另一个实施方案中，适用于本发明的阳离子基团包含阳离子或可带电的接枝均聚物单元或共聚物单元。该均聚物单元或该共聚物单元中的一种组分具有下式：
其中“M-”可为任何合适的平衡离子；并且其中“m”为2至10000的整数。
本发明的阳离子多糖的取代度可以为约0.001至约6，通常为约0.01至约3。
应当理解，以上实施方案中所述的阳离子或可带电的接枝均聚物单元或共聚物单元可单独形成聚合物或与其他实施方案中所述的其他均聚物或共聚物的组合形成聚合物。还应当理解，以上实施方案中所述的阳离子或可带电的接枝均聚物单元或共聚物单元可与多糖和/或天然存在的聚合物(包括但不限于瓜尔胶)形成聚合物。
在一个实施方案中，本发明的聚合物组合物包含一种或多种单体单元，该单体单元衍生自式(I)的至少一种单体：
其中R1、R2和R3独立地表示氢、或具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；其中A不存在或表示直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。
在一个实施方案中，聚合物组合物包含一种或多种单体单元，其衍生自式(II)的至少一种单体：
其中R1、R2和R3独立地代表氢、或具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；其中M可为任何平衡离子或氢；其中A不存在或表示直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。
在一个实施方案中，聚合物组合物包含一种或多种单体单元，其衍生自式(III)的至少一种单体：
其中R1、R2、R3和R4独立地表示氢、或具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；其中A不存在或表示直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。
在一个实施方案中，聚合物组合物包含封端基团，该封端基团包含一个或多个膦酸酯或盐基、硅酸酯基、硅氧烷基、磷酸酯或盐基、次磷酸酯或盐基或它们的任何组合。该封端基团可连接至组合物的聚合物骨架上，通常连接至末端单体单元。
在一个具体实施方案中，该封端基团例如具有下式(IV)
其中A为磷或碳，并且R4、R5、R6独立地表示氢、膦酸酯或盐基、硅酸酯基、硅氧烷基、磷酸酯或盐基、次磷酸酯或盐基、烷基膦酸酯或盐基、烷基硅酸酯基、烷基硅氧烷基、烷基磷酸酯或盐基、烷基次磷酸酯或盐基或它们的任何组合。
在一个实施方案中，本发明的聚合物组合物为无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物或接枝共聚物，其包含衍生自式(I)、(II)和/或(III)的至少一种单体的单体单元。式(IV)的封端基团可以任选地连接至聚合物组合物上，通常连接至末端单体基团。在一个实施方案中，聚合物组合物为无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物或接枝共聚物，其包含衍生自式(I)和(II)单体的单体单元。在另一个实施方案中，聚合物组合物为无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物或接枝共聚物，其包含衍生自式(I)和(III)单体的单体单元，其中式(IV)的基团连接至聚合物链上的末端单体基团。
本发明中土壤添加剂的制备方法是本领域公知的。在美国专利No.5,202,400、美国专利公开No.20040024104和国际专利No.2006131213中记载了制备合适的聚合物的方法。可通过自由基聚合反应、缩聚反应、阴离子聚合反应、阳离子聚合反应、开环聚合反应、配位聚合反应和易位聚合反应等制备聚合物。合适的自由基聚合反应方法的例子包括但不限于溶液聚合法、乳液聚合法、悬浮聚合法、反相悬浮聚合法、薄膜聚合法和喷雾聚合法等。
在一个实施方案中，本发明的聚合物组合物包含聚胺和聚亚胺。
在一个实施方案中，本发明的聚合物组合物包含聚(环氧乙烷)、聚(环氧丙烷)作为它们的部分或全部取代基。
在一个实施方案中，本发明的聚合物组合物包含氨基-氧化物官能团。
在某些实施方案中，土壤添加剂为本发明亲水化试剂与其他化合物的混合物，所述其他化合物包括但不限于分散剂和表面活性剂。
本发明还涉及将本发明的聚合物组合物应用于土壤上从而提高该土壤的有效水容量的方法。
在一个实施方案中，将该聚合物组合物混合到溶液或悬浮液中并施用到土壤表面。本发明亲水化试剂的施用可通过多种方式实现，这些方式包括但不限于喷雾、投入、以及覆盖、耕种或以其它方式将该亲水化试剂引入土壤表层(如引入土壤表层的1英寸、2英寸、3-5英寸、6-13英寸)。
实验
所用的亲水化试剂包含A部分和B部分，据信，A部分是与土壤结合或对土壤具有亲和性(如静电)或与土壤相互作用(通常与土壤表面相互作用)的位点(A)，并且B部分是与水结合或对水具有亲和性或与水相互作用(如静电)的位点(B)。接着采用类似于本文所述的AWC测试法测试土壤样品。将土壤样品放在压力板上，该压力板被封闭在压力室中。
测试其他土壤亲水化试剂。例如，其他聚合物包括含两性离子的聚合物(Rhodia 4)、阳离子多糖(Rhodia 5)、Geropon T-36、均聚物(Polycare 133)、Mirapol A-15(wt)以及PQ-11。据信，这些土壤亲水化试剂具有与土壤结合的(A)部分(即土壤结合单元)，并且这些土壤亲水化试剂具有与水结合的(B)部分(即亲水化单元)。结果为目标土壤的AWC得到提高。
首先用水使土壤样品达到饱和。压力板只允许水通过，而不允许空气通过。对压力室施加不同的压力。除去多余的水从而达到平衡。测定每个压力水平下的水含量，从而获得土壤湿度曲线。从该曲线中可确定土壤有效水容量。
如图3所示，阳离子多糖(Rhodia 5)显著提高了土壤有效水容量(AWC)。用阳离子多糖(Rhodia 5)处理的土壤的AWC为0.96％，其是对照土壤的AWC(0.32％)的3倍。官能化的多糖具有提高AWC的独特能力。
如图3所示，膦酸酯或盐封端的聚(磺酸酯-co-丙烯酸)(“Rhodia7”)显示出提高的土壤AWC，其为0.46％。聚(磺酸酯-co-膦酸酯或盐)(“Rhodia 8”)也显示出提高的土壤AWC，其为0.52％。聚磺酸酯具有提高AWC的独特能力。
在一个实施方案中，膦酸酯或盐封端聚(磺酸酯-co-丙烯酸)具有下式：
其中n为10至10000的整数；其中m可为0至10000的整数；其中y为1至10000的整数；其中R1包含一个或多个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；R2-R8独立地为氢、或者为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；M+可为任何合适的平衡离子或氢；其中“A”、“D”和“E”各自独立地不存在，或表示直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。在一个实施方案中，n为1至10的整数。在一个实施方案中，m为1至10的整数。在一个实施方案中，y为1至10的整数。
在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂(“Rhodia 7”)具有下式：
其中n为10至10000的整数；其中m为10至10000的整数；R2-R8可独立地为氢、或为支链、直链或环状C1-C6烃基或羟烷基；其中M+和X+独立地为不同或相同的平衡离子或为氢；其中“A”和“E”各自独立地为不存在或表示直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。
在另一个实施方案中，土壤添加剂为具有下式的聚(磺酸酯-co-膦酸酯或盐)型聚合物(“Rhodia 8”)：
其中m为0或为约1至约10000的整数；其中n为0或为约0至约10000的整数；其中y为1至10000的整数；其中M+为平衡离子或氢阳离子；其中X+为平衡离子或氢；其中R1-R8独立地为氢、支链的C1-C6烃基、直链C1-C6烃基或环状C1-C6烃基或羟烷基；其中“A”、“D”和“E”各自独立地不存在，或表示直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。在一个实施方案中，m为约1至200的整数并且n为约1至50的整数。
还通过类似于本文所述的漂浮实验法测试了土壤样品的土壤亲水化。
如图4所示，随处理剂量的提高，阳离子多糖(Rhodia A)使得土壤颗粒漂浮的百分比降低。官能化多糖具有提高土壤亲水度的独特能力。
如图4所示，随处理剂量的提高，膦酸酯或盐封端的聚合物(Rhodia B)使得土壤颗粒漂浮的百分比降低。膦酸酯或盐封端聚合物具有提高土壤亲水度的独特能力。
在一个实施方案中，膦酸酯或盐封端聚合物具有下式：
其中n为1至1000的整数；其中R1包含一个或多个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；R2-R3可独立地为氢、或者为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；M+可为任何合适的平衡离子或氢；其中“D”不存在或表示直链或支链的C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。在一个实施方案中，n为1至10的整数。在另一个实施方案中，n为1至5的整数。
在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂(“Rhodia A”)具有下式：
其中n为1至1000的整数；其中R1包含一个氢、或包含具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；M+和X+可独立地为任何合适的平衡离子或氢。
采用类似于本文所述的水胁迫试验法测试土壤样品。
如图5所示，与对照试验罐和其他基准处理(处理5和6)相比，在一个月的水胁迫试验中，用阳离子多糖处理的土壤罐中的植物(处理3)仍有绿色叶子。在水胁迫试验中，官能化的多糖具有提高植物存活率的独特能力。
如图5所示，与对照试验罐和其他基准处理(处理5和6)相比，在一个月的水胁迫试验中，用膦酸酯或盐封端的聚合物处理的土壤罐中的植物(处理1)仍有绿色叶子。在水胁迫试验中，膦酸酯或盐封端的聚合物具有提高植物存活率的独特能力。
在一个实施方案中，膦酸酯或盐封端的聚合物包含下式：
其中n为1至1000的整数；其中R1包含一个或多个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；R2-R3可独立地为氢、或为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；M+可为任何合适的平衡离子或氢；其中“D”不存在或表示直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。
在另一个实施方案中，本发明的土壤添加剂(“Rhodia A”)具有下式：
其中n为1至1000的整数；其中R1包含一个氢、或包含具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；M+和X+可独立地为任何合适的平衡离子或氢。
显而易见的是，除了本文中明确描述的实施方案之外的其他实施方案也在本文的权利要求书的精神和范围内。因此，本发明并不是由上述说明书限定的，而是与权利要求书的全部范围一致，从而涵盖任何和所有等价组合物和方法。
Claims (39)
1.一种用于提高土壤中有效水容量的土壤添加剂，所述土壤添加剂包含聚合物，所述聚合物包含(i)对土壤颗粒的至少一部分表面积具有亲和性的第一部分，以及(ii)对水具有亲和性的第二部分。
2.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述第一部分是疏水性的，并且所述第二部分是亲水性的。
3.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物的重均分子量在约100,000道尔顿和500,000道尔顿之间。
4.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物的重均分子量在约200,000道尔顿和50,000,000道尔顿之间。
5.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物包含阳离子多糖。
6.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖选自由下列物质组成的组中：衍生化的瓜尔胶、阳离子瓜尔胶、羟烷基瓜尔胶、羧烷基瓜尔胶、羧烷基羟烷基瓜尔胶、疏水改性的瓜尔胶、淀粉、疏水改性的羟烷基瓜尔胶、疏水改性的羧烷基瓜尔胶、疏水改性的羧烷基羟烷基瓜尔胶、果胶、藻酸盐、刺槐豆胶、阿拉伯树胶、茄替胶、金合欢胶、角叉菜胶、羟烷基纤维素、羧烷基羟烷基纤维素、羧烷基纤维素、纤维素的烷基醚、羟烷基甲基纤维素、疏水改性的羟烷基纤维素、疏水改性的羧烷基羟烷基纤维素、疏水改性的羧烷基纤维素、疏水改性的纤维素的烷基醚、疏水改性的羟烷基甲基纤维素、淀粉、黄芪胶、刺梧桐树胶、他拉胶、罗望子果胶、黄原胶、韦兰胶和琥珀酰聚糖、或它们的混合物。
7.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团：
其中“A”、“X”、“Y”独立地为具有或不具有杂原子的C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10羟烷基或C1-C10烷基羰基连接基团；其中M1、M2和M3独立地为平衡离子；其中R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7各自独立地为氢、C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10羟烷基、C1-C10烷氧基烷基或C1-C10烷基烷氧基；其中“m”和“n”独立地为0或1至10000的整数。
8.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团：
其中“R1”为具有或不具有杂原子的C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10羟烷基或C1-C10烷基羰基连接基团；其中R2、R3和R4独立地为氢、C1-C10烷基、C1-C10烷氧基、C1-C10羟烷基、C1-C10烷氧基烷基或C1-C10烷基烷氧基；其中“x”为1至10000的整数；其中“M”为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
9.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团：
其中-M-为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
10.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团：
其中-M-为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
11.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团：
其中“M”为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
12.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团：
其中“M”为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
13.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的基团：
14.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团：
其中-M-为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
15.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含下式的阳离子基团：
其中-M-为平衡离子，其包括氯离子、溴离子或磺酸根。
16.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包含阳离子接枝均聚物单元或共聚物单元。
17.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物中的一种组分具有下式：
其中R为氢或烷基，通常为C1-C5烷基基团；其中-M-能够为任何合适的平衡离子；以及其中m为2至10000的整数。
18.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物中的一种组分具有下式：
其中R为氢或烷基，通常为C1-C5烷基基团；其中“M-”能够为任何合适的平衡离子；其中m为2至10000的整数；以及其中在苯环上具有1至3个取代基团，以及所述取代基团的位置能够为邻位、间位和对位中的任何一者。
19.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物中的一种组分具有下式：
其中R1为氢或烷基，通常为C1-C5烷基；其中R2能够为氢、或者为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基，并且在苯环上能够具有1至3个取代基团，以及所述取代基团的位置能够为邻位、间位和对位中的任何一者；以及其中m为2至10000的整数。
20.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物的一种组分具有下式：
其中R1和R2独立地为氢、或者为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；其中“M-”能够为任何合适的平衡离子；其中“k”和“n”为1至5的整数；其中m不存在或为1至5的整数；并且其中“x”为2至10000的整数。
21.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物的一种组分具有下式：
其中R1为直链或支链的C1-C5烃基、或C1-C5烷氧基；其中R2和R3独立地为氢、或者为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；其中-M-能够是任何合适的平衡离子；并且其中“m”为2至10000的整数。
22.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物的一种组分具有下式：
其中“M-”能够是任何合适的平衡离子；并且其中“m”为2至10000的整数。
23.权利要求16所述的土壤添加剂，其中所述均聚物或所述共聚物的一种组分具有下式：
其中“M-”能够是任何合适的平衡离子；并且其中“m”为2至10000的整数
24.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖的取代度为在约0.001和约6之间。
25.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖的取代度为在约0.01和约3之间。
26.权利要求5所述的土壤添加剂，其中所述阳离子多糖包括阳离子瓜尔胶。
27.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式：
其中n为10至10000的整数；其中m为0至10000的整数；其中y为1至10000的整数；其中R1包括至少一个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；其中R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8各自独立地为氢、或者为支链、直链或环状的C1-C6烃基；其中M+为平衡离子或氢；其中“A”、“D”和“E”各自独立地不存在、或者为直链或支链的C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。
28.权利要求27所述的土壤添加剂，其中n为25至100的整数；其中m为25至100的整数。
29.权利要求27所述的土壤添加剂，其中n为10至500的整数；其中m为10至500的整数。
30.权利要求27所述的土壤添加剂，其中n为15至75的整数；其中m为15至75的整数。
31.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式：
其中n为1至1000的整数；其中R1包括至少一个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；其中R2或R3各自独立地为氢、或者为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6的烃基；M+为平衡离子或氢；其中“D”不存在、为直链或支链的C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。
32.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式：
其中n为1至1000的整数；其中R1包含氢、或者包含支链、直链或环状的C1-C6烃基；M+和X+各自独立地为平衡离子或氢。
33.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式：
其中n为10至10000的整数；其中m为10至10000的整数；R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8各自独立地为氢、或者为支链、直链或环状的C1-C6烃基或羟烷基；其中M+和X+独立地为不同或相同的平衡离子或氢；其中“A”和“E”各自独立地为不存在、为直链或支链的C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。
34.一种提高土壤中的有效水容量的方法，包括：
(a)获得权利要求1所述的聚合物；以及
(b)将权利要求1所述的聚合物施加到土壤中。
35.一种对土壤颗粒的至少一部分表面积进行改性的方法，包括：
(a)获得具有下式的聚合物：
其中n为10至10000的整数；其中m为0至10000的整数；其中y为1至10000的整数；其中R1包含至少一个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；其中R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8各自独立地为氢、或者为支链、直链或环状的C1-C6烃基；其中M+为平衡离子或氢；其中“A”、“D”和“E”各自独立地不存在、为直链或支链的C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基；以及
(b)将所述聚合物施加到土壤中。
36.一种对土壤颗粒的至少一部分表面积进行改性的方法，包括：
(a)获得具有下式的聚合物：
其中n为1至1000的整数；其中R1包含至少一个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；其中R2或R3各自独立地为氢、或者为具有或不具有杂原子的支链、直链或环状C1-C6烃基；M+为平衡离子或氢；其中“D”不存在、为直链或支链的C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基；以及
(b)将所述聚合物施加到土壤中。
37.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式：
其中n为1至1000的整数；其中R1包含至少一个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；其中R2为氢、或者为支链、直链或环状C1-C6烃基；其中“D”不存在、为直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基。
38.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式：
其中n为1至1000的整数；其中“D”不存在、为直链或支链C1-C5烃基、C1-C5烷氧基、氧代基(-O-)、亚氨基(-NH-)、或被取代的亚氨基(-NR-)，其中R为C1-C6烷基、C1-C6烷氧基、C1-C6羟烷基、C1-C6烷氧基烷基或C1-C6烷基烷氧基；其中各X+独立地为平衡离子或氢。
39.权利要求1所述的土壤添加剂，其中所述聚合物具有下式：
其中R1包括至少一个膦酸酯或盐基团、硅酸酯基团、硅氧烷基团、磷酸酯或盐基团、次磷酸酯或盐基团或它们的任何组合；其中R2、R3和R4独立地为含有至少一个羧基的支链、直链或环状的C1-C6烃基。
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