用于土壤再生以及土壤水文改善的方法和组合物与流程

背景技术：

1、土壤是矿质、气体、液体、有机物质和微生物的复杂混合物。特定类型土壤的具体组成基于诸如人类活动、地理位置和气候等因素而变化。

2、土壤有机碳(soc)是土壤物质的重要组分，主要由植物和动物组织残留物、活微生物生物质和微生物过程的副产物以及有机-矿质复合物组成。作为更广泛的碳交换循环的一部分，即便是soc的微小变化都可以对区域中大气二氧化碳的水平产生巨大影响(1pg土壤碳储量＝0.47ppm大气co2)。当co2通过植物和微生物残余物和其他有机材料从大气转移到土壤中时，发生soc的隔离，这些植物和微生物残余物和其他有机材料以长的平均停留时间(mrt)储存在土壤中。soc隔离可以通过例如增加植物生长、保留地上和地下植物生物质以及/或者保护和稳定soc以防侵蚀和分解来实现。

3、退化、压实、疏水性以及低效的水和营养物运输都是在某些土壤中可能出现的问题的示例，每种问题都可能导致负面的环境影响以及对农民不利的结果。因此，对于生态学家和农民，土壤再生都已成为土壤管理的一个重要部分。土壤再生涉及通过最小化表层土的退化和侵蚀、保持比所耗尽更多的soc、增加土壤生物多样性以及保持适当的水和营养物循环来恢复土壤健康。

4、土壤的退化是一个日益严重的问题，特别是对于高有机质含量的土壤诸如腐殖质土。某些类型的土壤可能由于排水而随时间退化(有时被称为“下沉”)，这导致土壤环境的氧化并加速土壤微生物和/或它们的胞外酶对有机物质的有氧分解。此外，干燥的表层土壤可能被风蚀。

5、另外，随着土壤中富碳有机物质的微生物分解量的增加，结果，来自这些过程的大气温室气体(ghg)(诸如二氧化碳、甲烷和一氧化二氮)的排放速率增加并且soc量减少。

6、通过增加生物质碳(biomass carbon)的输入以超过由侵蚀和分解引起的soc损失，产生正土壤碳预算。生物质的分解速率受许多因素影响，这些因素包括例如气候、水分含量和土壤中存在的植物物质(活的或死的)的类型(lal2018)。

7、影响土壤碳累积速率的另一个重要因素是土壤团聚体的形成和稳定性。健康且健壮的根系对于形成和稳定碳捕获土壤团聚体是有效的，其中有机物质和矿质浸入根中。土壤微生物(例如真菌菌丝)及其生长副产物(例如多糖)也可以促进碳与土壤矿质颗粒缔合以形成和稳定这些团聚体。此外，研究已表明，土壤团聚体的尺寸越大，由消耗土壤中有机物质的微生物产生的胞外酶引起的土壤退化程度越低(trivedi,p.等人，2017；trivedi,p.等人，2015；possinger等人，2020；grandy 2007)。

8、颗粒尺寸分布、有机物质含量、矿物学和水含量也可能是导致土壤压实的原因，在土壤压实的情况下土壤颗粒被压在一起，从而缩小了其间的孔空间。分选良好的细砂壤土和具有高细砂部分和低碳含量的壤质细砂特别容易压实。

9、压实也可能由例如牲畜踩踏、使用重型机械、某些灌溉实践和管理不良的耕作实践引起。虽然免耕实践被认为可以通过增加土壤聚集来改善soc堆积，但免耕或减耕实践实际上可能在其使用的最初几年增加土壤压实。可能需要几年由减耕引起的soc的堆积和土壤微团聚体的生长才开始抵消因此带来的土壤压实的负面影响。

10、随着时间的推移，压实导致物理土壤退化，微生物群体减少，soc减少，以及孔的尺寸、结构和数量改变。继而，土壤强度随堆密度增加而增加，而水和空气的传导性、渗透性和扩散性降低。具有高渗透阻力的土壤层降低了生根深度和密度，这导致植物营养物摄取、水摄取和水利用效率的下降。此外，低效的水和营养物运输可能引起磷酸盐和硝酸盐的流失，从而导致例如有害的藻类大量繁殖。

11、土壤疏水性是土壤中可能出现的另一个问题。土壤在本质上可能是天然疏水的，并且当土壤保持长时间干燥或具有高有机质含量时，这通常会加剧。火也可以诱导或加强土壤斥水性，因为土壤和落叶中的疏水物质挥发、热解并重新分布到土壤剖面的更深处。

12、土壤的疏水性质可以限制基于灌溉的应用的渗透和浸润。土壤疏水性可以导致水汇聚、蒸发和表面流失，这通过限制水浸润和供应至植物的根区而对植物生长具有直接后果。

13、可以对农业和畜牧业都有显著影响的另一个问题是水的利用。在国内某些地区，过度耕作、过度工业化和/或过度开发导致地下水和含水层水位的下降。在其他地区，会出现干旱，从而导致普遍的水资源短缺和作物产量减少。灌溉大面积农田所需的水量以及供家畜动物饮用所需的水量使得两个行业都需要增加水利用效率，在增加水利用效率的情况下需要较少的水来实现期望的生产水平。

14、已利用土壤表面活性剂(或润湿剂)来抵消土壤斥水性和低水利用效率的有害影响。作用模式因商业产品而不同，但通常，表面活性剂由具有疏水性尾部和亲水性头部的有机分子组成。这种化学结构允许降低水的表面张力，因此增加水在土壤颗粒之间的浸润。此外，表面活性剂使得土壤可润湿，因为润湿剂的疏水性尾部化学键合到土壤颗粒上的疏水性涂层，而亲水性头部吸引水分子并将它们运输到土壤中。虽然土壤表面活性剂可以是用于管理水的利用和土壤健康的有效工具，但是这些化合物中的许多化合物是可以在环境中持续存在的合成化学品。一些化合物甚至可能对人类和/或动物有毒。

15、生产作物以及护理草坪和花园的现有方法的经济成本和环境影响继续成为农业和园艺工业的可持续性的负担。土壤健康以及水和营养物利用效率是造成这种负担的重要方面。因此，需要改善的、安全的方法来解决农民、园林学家和日常消费者对土壤和水的管理。

技术实现思路

1、本发明提供了组合物及其用于改善土壤灌溉的方法。有利地，本发明的组合物和方法可以表述为环境友好的、无毒的和具有成本效益的解决方案，以解决日益严重的例如水资源短缺、水利用效率低、土壤健康状况下降、营养物浸出和流失以及土壤产生的温室气体排放问题。

2、在某些实施方案中，本发明的组合物和方法可以用于以下示例性有益效果中的任一种有益效果：

3、a)改善水和营养物在整个土壤层中的分散、渗滤和/或保留，从而改善植物根对水和营养物的摄取并降低对水和肥料的使用需求；

4、b)改善植物脉管系统内水和营养物的循环，甚至在较冷的气候下；

5、c)减少和/或防止土壤压实，从而改善水、营养物、根和微生物在整个土壤中的移动；

6、d)减少水在土壤上和土壤中的汇聚，从而减少蒸发、流失和内涝；以及

7、e)增加土壤有机质含量(soc)和减少土壤产生的温室气体排放。

8、在某些实施方案中，本发明提供了包含表面活性分子的灌溉添加剂。表面活性分子可以是合成表面活性剂、微生物或植物来源的生物表面活性剂和/或使用天然来源的基质产生的表面活性剂。在优选的实施方案中，表面活性分子用作润湿剂，当与土壤中的水接触时，其增强植物(包括作物、草皮和观赏植物)的灌溉效率。

9、在优选的实施方案中，本发明组合物的表面活性剂具有小于100nm、小于75nm、小于50nm，并且更优选地小于25nm的胶束尺寸。在某些实施方案中，胶束尺寸小于10nm、小于8nm或小于5nm。

10、在优选的实施方案中，表面活性分子是微生物来源的生物表面活性剂。生物表面活性剂可以以纯化和/或粗制形式施用。粗制形式的生物表面活性剂可以包含例如生物表面活性剂和其他细胞生长产物(包括由培养产生生物表面活性剂的微生物所产生的发酵培养基)。

11、例如，根据本发明方法的生物表面活性剂可以选自例如低分子量糖脂(例如槐糖脂、纤维二糖脂、鼠李糖脂、甘露糖赤藓糖醇脂和海藻糖脂)、脂肽(例如表面活性素、伊枯草菌素、丰原素、关节炎素和地衣素)、黄酮脂、磷脂(例如心磷脂)、脂肪酸酯和高分子量聚合物(诸如脂蛋白、脂多糖-蛋白质复合物和多糖-蛋白质-脂肪酸复合物)。

12、在某些具体实施方案中，生物表面活性剂是槐糖脂(slp)，诸如内酯型slp、酸性slp、氨基酸-slp偶联物、盐形式slp或这些物质中任一者的衍生物。

13、在某些实施方案中，灌溉添加剂可以包括另外的物质，诸如载体、ph调节剂、杀虫剂、除草剂、肥料、微生物接种剂、矿质源、植物种子、染料、稳定剂、乳化剂、益生元和/或聚合物。

14、在某些实施方案中，本发明提供了灌溉土壤的方法，这些方法包括将一定量的根据本发明的灌溉添加剂与水性流体组合以产生处理过的灌溉流体，以及将处理过的灌溉流体施用于土壤。在某些实施方案中，在整个灌溉过程中，灌溉添加剂与水性流体一起连续施用。有利地，本发明方法改善了土壤健康、土壤水文，并因此导致植物健康有所改善。

15、在一些实施方案中，该方法包括将灌溉添加剂以干燥形式或与载体混合的形式施用于土壤，而不首先将灌溉添加剂与水性流体混合，其中未处理的灌溉水和/或雨水在土壤中或在土壤上与灌溉添加剂接触时将其激活。因此，在一些实施方案中，该方法包括将灌溉添加剂施用于土壤，随后将水性灌溉流体施用于土壤。

16、在某些实施方案中，将灌溉添加剂施用于土壤以降低水和土壤颗粒之间的表面和/或界面张力，从而提供以下效果中的一种或多种效果：改善在灌溉期间水和营养物向土壤中的分散、渗透和/或渗滤；使坚硬或压实的土壤疏松；以及增加土壤孔隙度和通气性。有利地，这可以增加土壤内用于根生长、空气移动和水保持能力的空间。

17、在某些实施方案中，由于灌溉添加剂的纳米颗粒胶束尺寸，其特别有助于降低水和土壤之间的表面和/或界面张力，以及增加压实土壤的孔隙度。灌溉添加剂的超小胶束尺寸允许水渗透到坚硬且紧密堆积的土壤中的微米和纳米尺寸的孔中，从而使孔疏松并允许增加空气、营养物和水流动。这可以进一步帮助防止由过量水引起的根腐病，根腐病可以引起有害真菌在土壤中和在根上过度生长。

18、在某些实施方案中，灌溉添加剂降低了水和根细胞之间的表面和/或界面张力，从而有助于促进水和营养物向植物维管系统中和在整个植物维管系统的运输。

19、有利地，与不使用灌溉添加剂的灌溉相比，该方法可以将实现期望的灌溉水平所需要的用水量降低至少15％、至少20％、至少25％或至少30％。

20、有利地，在某些实施方案中，灌溉添加剂在宽泛的温度范围内有效。因此，在一些实施方案中，虽然由于温度较低造成植物休眠、细胞代谢降低和/或水运输效率降低，但将灌溉添加剂施用于较冷位置和气候(例如，离赤道更远的位置、高海拔的位置和在冬季月份期间的温和位置)中的土壤可以促进其循环。此外，在一些实施方案中，将灌溉添加剂施用于较温暖气候(例如，离赤道更近的位置、沙漠区域中的位置和在夏季月份期间的温和位置)中的土壤可以特别有助于减少由于高温引起的水汇聚和蒸发。

21、这些方法可有效改善土壤在多种条件下的灌溉，这些条件包括例如压实土壤、干旱土壤、侵蚀土壤、营养物耗尽的土壤、渍水土壤、火损土壤、疏水土壤和/或植物在其中生长的土壤。

22、在某些实施方案中，本发明方法可以通过施用一种或多种微生物土壤处理组合物而进一步增强。例如，在某些实施方案中，首先将灌溉添加剂施用于土壤，随后在一段时间(例如30天)后施用微生物土壤处理组合物。该循环可以无限重复和/或可以重复直到实现期望的灌溉水平和/或期望的土壤健康、土壤水文和/或植物健康改善水平。

23、在某些实施方案中，土壤处理组合物包含一种或多种定殖于土壤的微生物和/或其生长副产物，诸如生物表面活性剂、酶和/或其他代谢物。该组合物还可包含其中产生微生物的发酵培养基。

24、在某些实施方案中，微生物是细菌、酵母和/或真菌。在一些实施方案中，组合物包含多于一种类型和/或物种的微生物。

25、在一个实施方案中，土壤处理组合物包含芽孢杆菌属(bacillus)细菌，诸如解淀粉芽孢杆菌(b.amyloliquefaciens)nrrl b-67928或枯草芽孢杆菌(b.subtilis)nrrl b-68031。在一个实施方案中，该组合物包含木霉属(trichoderma)真菌，诸如哈茨木霉(t.harzianum)t-22。在某些实施方案中，芽孢杆菌属和木霉属一起使用。

26、在一个实施方案中，组合物包含一种或多种酵母，诸如异常威克汉姆酵母(wickerhamomyces anomalus)、季也蒙迈耶氏酵母(meyerozyma guilliermondii)、卡利比克迈耶氏酵母(meyerozyma caribbica)(例如卡利比克迈耶氏酵母mec14xn，又名卡利比克迈耶氏酵母locus亚种)、布拉迪酵母(saccharomyces boulardii)、汉斯德巴氏酵母(debaryomyces hansenii)、西方毕赤酵母(pichia occidentalis)和/或库德里阿兹威毕赤酵母(pichia kudriavzevii)。

27、有利地，在一些实施方案中，微生物定殖于土壤并将根渗出物和消化的有机物质转化成大体积、富碳的微生物生物质和死亡生物质(死细胞)。在一些实施方案中，微生物形成生物膜。在一些实施方案中，与未处理的土壤和/或植物相比，该一种或多种微生物定殖于植物根，并有助于例如溶解营养物以供植物根摄取，将水和盐分散在整个根际，以及/或者增加地上和地下植物生物质。

28、在某些实施方案中，本发明方法可以用于减少压实，同时通过例如增加地上和地下植物生物质、增加微生物生物质和/或死亡生物质以及/或者增加土壤团聚体的尺寸和/或稳定性来增强soc隔离。此外，在一些实施方案中，本发明方法可以与免耕或减耕实践组合使用，以减轻由这些实践导致的土壤压实。

29、另外，在某些实施方案中，本发明方法可以减少土壤产生的温室气体(诸如二氧化碳、甲烷和一氧化二氮)排放，该排放由例如肥料的过度使用和/或低生物利用度以及/或者土壤被低碳利用效率(cue)微生物分解引起。

30、本发明的方法和组合物可以单独使用或与其他组合物和方法组合使用，以有效增强土壤和/或植物健康。例如，在一些实施方案中，该方法包括将另外的组分(诸如除草剂、肥料、杀虫剂和/或其他土壤改良剂)施用于土壤和/或植物。确切的材料及它们的量可以由例如受益于本公开的种植者或土壤科学家来确定。

31、有利地，本发明组合物和方法可以帮助再生传统上认为是不可再生的土壤资源，同时提高水利用效率、抑制和/或避免土壤ghg排放并减少对合成肥料的需要。