一种制备具有预定特性的富含营养的生物活性土壤和园艺培养基
阅读：786发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种制备具有预定特性的富含营养的生物活性土壤和园艺培养基专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种为生长 植物 制备 生物 活性 土壤 或 园艺 培养基的方法，其中将诸如以预定的颗粒形式存在的椰壳 纤维 的纤维状 碳 源与 肥料 和其他生物营养素混合，用诸如蚯蚓 粪便 的生物活性物质进行接种，然后在富 氧 的有氧过程中进行熟化或 固化 。然后，可添加附加的营养素以满足具有特定需求的经熟化的培养基。本发明还描述了各种用于实施熟化过程的装置。在本发明方法的 变形 例中，在高温下通过优先实施的堆肥步骤对使用后的土壤或园艺培养基进行补给从而去除有害且不期望的物质，对其含量进行评价，添加营养素并且随后在有氧过程中进行熟化。，下面是一种制备具有预定特性的富含营养的生物活性土壤和园艺培养基专利的具体信息内容。
1.一种制备生物活性的有营养的浓稠植物生长培养基的方法，该方法包括以下步骤：
a)形成具有规定孔隙率的混合基底培养基；
b)将营养素混入该基底培养基；
c)通过引入生物菌剂激活该基底培养基和营养素从而形成活化培养基；
d)在富氧环境中对该活化培养基进行熟化从而维持生物需氧活性；和
e)在熟化处理完成后混入附加成分从而制备满足期望的营养和水供给特性的植物生长培养基。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述混合基底培养基的步骤包括：对至少一个颗粒尺寸的椰壳纤维进行水合以制备疏松的混合培养基。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述基底的步骤进一步包括：将所述混合基底培养基的一个颗粒尺寸从小于0.05mm改变为大于12.5mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述混合基底培养基的步骤包括：选择和混合选自由椰壳纤维、泥炭藓、松树皮、稻壳、木屑、木覆盖物、锯屑、糖蜜、玉米秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、酒糟、珍珠岩和沙构成的组中的一种或多种材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将营养素混入基底培养基的步骤包括：以预定的比率相互引入氮、磷和钾。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混入营养素的步骤包括：混入选自由动物和植物衍生蛋白粉、矿物微量元素、艾佐迈、海绿石砂、可溶性腐殖酸和棕黄酸、家禽草垫、硅藻土、泻盐(MgSO4)、石膏(CaSO4)、腐殖酸盐、花生粕、磷矿石、软磷矿、硝酸钠、硫酸钾、苜蓿粕、花生粕、棉籽粕、黑麦草、印楝粕、玉米饲料、绿肥、红花草、荞麦、野豌豆、芥菜、油籽油菜、海草粕、羽毛粕、鱼的水解物、血粉、骨粉、蝙蝠和海鸟的粪便、无水钾镁矾、方解石石灰、白云石石灰、硫酸亚铁、硫酸铝、尿素、硝酸铵(NH4NO3)、硫酸铵((NH4)2SO4)和硫构成的组中的一种或多种物质。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在富氧环境中对该活化培养基进行熟化的步骤使用被动通气法。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述使用被动通气法的步骤包括：在至少一个空气可渗透的容器中对活化培养基进行熟化的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在空气可渗透的容器中对活化培养基进行熟化的步骤包括：使用由空气可渗透的织物制成的顶部开口的至少一个空气可渗透的容器。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在富氧环境中对该活化培养基进行熟化的步骤包括：当温度在熟化阶段保持在70～130华氏度的范围时依靠被动通气的步骤。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在富氧环境中进行熟化的步骤包括：
主动使活化培养基通气的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述在富氧环境中进行熟化的步骤包括：在熟化期间当活化培养基的温度为110～180华氏度时主动进行通气的步骤。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述主动通气的步骤使用选自以下构成的组：将空气管插入基底并且将空气吹入活化培养基、在容器中使用螺旋钻旋转活化培养基、使用商业堆料机将活化培养基排列成料堆、使用诸如前端装载机的设备将活化培养基弄成一叠一叠、以及使用旋转堆肥机对活化培养基进行旋转。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引入菌剂的步骤选自以下构成的组：
引入蚯蚓粪便、引入事先用该方法制备的预定量的植物生长培养基、或者引入预定量的土壤。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：监测熟化中的活化培养基的氧含量以及如果监测到的水平低于对维持需氧熟化过程必要的临界值则注入附加的氧的步骤。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成具有规定孔隙率的基底培养基的步骤包括：形成具有水孔隙率和空气孔隙率组合的基底培养基。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，形成具有水孔隙率和空气孔隙率组合的基底培养基的步骤包括：从由a)16％的空气孔隙率和68％的水孔隙率，总孔隙率84％；b)
16％的空气孔隙率和63％的水孔隙率，总孔隙率79％；以及c)31％的空气孔隙率和58％水孔隙率，总孔隙率89％构成的组中进行选择。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，取决于空气和水孔隙率的组合，水孔隙率可以从10％变为50％，空气孔隙率可以从10％变为50％，总孔隙率可以从10％变为90％。
19.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括：将生物炭作为成分加入的步骤。
20.一种为植物繁殖对已使用的生长培养基进行补给的方法，该方法包括步骤：
a)为预选的物理、化学和生物特性对已使用的生长培养基的组成进行评价；
b)将已使用的生长培养基进行堆肥，在预定的期间获得足以对生长培养基进行杀菌的温度；
c)根据需要和期望添加基底培养基；
d)将预选的营养素混入生长培养基；
e)通过引入至少一种生物菌剂激活该生长培养基；
f)在富氧环境中熟化被激活的生长培养基从而确保一个纯粹的有氧熟化过程；
g)将附加的营养素和成分混入该生长培养基从而制备出满足期望的营养和水供给特性的植物生长培养基。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，补给中的生长培养基选自由园艺培养基和土壤培养基构成的组。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，包括向生长培养基中添加微生物以除去有害物质和微生物的附加步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，加入微生物的步骤包括添加选自由甲螨、下盾螨、斯氏线虫、杆菌属亚种苏云金杆菌、哈茨木霉、绿色木霉和钩状木霉构成的组的微生物。
24.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在容器中进行堆肥的情况下，所述预定的期间为3天。
25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在堆料机中进行堆肥的情况下，所述预定的期间为15天。
26.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，获得对生长培养基进行杀菌的温度的步骤包括：获得至少140°的温度。
27.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，对已使用的生长培养基进行堆肥以在预定的期间获得足以对生长培养基进行杀菌的温度的步骤包括：将其作为厌氧过程实施。
一种制备具有预定特性的富含营养的生物活性土壤和园艺培
养基
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 根据美国专利法35U.S.C.120的规定，本申请请求2016年4月14日提交的序号为No.62/322,586的临时申请的优先权并将其全部内容引入本文；将2017年4月3日提交的序号为No.15/477550的美国专利申请的全部内容引入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种利用预定营养素组合物、营养素和水供给特性制备生物活性的有营养的浓稠园艺培养基的系统和方法。特别地，本发明对如何组合各种物质以及对其进行处理从而制备出期望的土壤或园艺培养基特性进行说明。
背景技术
[0004] 种植植物并获得植物的预期生长特性和特征的一个关键方面在于其生长的土壤特性、营养成分、水分以及植物生长时经历的生物学环境。很多植物在人工土壤中种植并且园艺实践涉及在无土培养基中培育。这样的培养基被称为“园艺培养基”、“盆栽土”、堆肥、有土或无土培养基。培养基可以源自诸如泥炭、椰壳纤维、木制品、堆肥、粪肥的有机材料以及诸如沙、珍珠岩、蛭石的无机材料。
[0006] 此外，对于植物在园艺培养基(例如番茄、大麻、草莓等)中生长至成熟而言，对使用过的园艺培养基进行处理的成本是巨大的。尽管园艺培养基再利用的可能性得到了相当大的关注，但再利用存在着相当大的挑战和风险。可能存在着害虫过剩、疾病从作物到作物的传播的风险，并且营养成分可能大大减少或变得不均衡从而影响植物生长。
发明内容
[0007] 本发明提供一种利用水供给特性和微生物种群的预定营养素的释放来制备生物活性的有营养的浓稠园艺培养基的方法、装置和系统。
[0008] 本发明的一个方面涉及在园艺培养基的生物激活期间利用具有空气可渗透的表面的容器促使氧气流进入土壤介质。通过使用系统可以主动增大氧气的供给从而主动将氧气注入园艺培养基或将材料混合以使表面和生物种群暴露于氧气。
[0009] 可以将该容器作为间歇或连续流动系统进行处理。
[0010] 本发明的另一个方面涉及使用作为活的培养菌稳定的不同微生物种群激活园艺或土壤培养基。
[0011] 另一个方面涉及向在水分胁迫期间对微生物种群的生存产生影响的园艺或土壤培养基中添加材料。
[0013] 本发明的另一个方面涉及引入活性炭或生物炭以影响微生物的活性和种群。
[0014] 本发明的另一个方面涉及巧妙地处理园艺培养基的组成以影响培养基的多孔性和水的可用度。
[0015] 为达到本发明的目的，本发明包括一种制备生物活性的有营养的浓稠植物生长培养基的方法，该方法由以下步骤构成：a)形成具有规定孔隙率的混合基底培养基；b)将营养素混入该基底培养基；c)通过引入生物菌剂激活该基底培养基和营养素从而形成活化培养基；d)在富氧环境中对该活化培养基进行熟化从而维持生物需氧活性；和e)在熟化处理完成后混入附加成分从而制备满足期望的营养和水供给特性的植物生长培养基。
[0016] 在另一个方面，该方法包括形成含有至少一个颗粒尺寸的水合椰壳纤维的混合基底培养基以制备疏松的混合培养基。在本发明的另一个方面，形成基底的步骤进一步包括将该混合基底培养基的一个颗粒尺寸从小于0.05mm改变为大于12.5mm。在本发明的进一步的方面，形成混合基底培养基的步骤包括选择和混合选自由椰壳纤维、泥炭藓、松树皮、稻壳、木屑、锯屑、糖蜜、玉米秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、酒糟、珍珠岩和沙构成的组中的一种或多种材料。在本发明的另一个方面，将营养素混入基底培养基的步骤包括以预定的比率相互引入氮、磷和钾。
[0017] 在本发明的另一个方面，混入营养素的步骤包括混入取自由动物和植物衍生蛋白粉、矿物微量元素、艾佐迈(azomite)、海绿石砂、可溶性腐殖酸和棕黄酸、家禽草垫、硅藻土、泻盐(MgSO4)、石膏(CaSO4)、腐殖酸盐、花生粕、磷矿石、软磷矿、硝酸钠、硫酸钾、苜蓿粕、花生粕、棉籽粕、黑麦草、印楝粕、玉米饲料、绿肥、红花草、荞麦、野豌豆、芥菜、油籽油菜、海草粕、羽毛粕、鱼的水解物、血粉、骨粉、蝙蝠和海鸟的粪便、无水钾镁矾、方解石石灰、白云石石灰、硫酸亚铁、硫酸铝、硫构成的组中的一种或多种物质。
[0018] 在本发明的另一个方面，在富氧环境中对活化培养基进行熟化的步骤使用被动通气法。在进一步的方面，使用被动通气法的步骤包括在空气可渗透的容器中对活化培养基进行熟化的步骤。在空气可渗透的容器中对活化培养基进行熟化的步骤的进一步的方面包括使用由空气可渗透的织物制成的顶部开口的空气可渗透的容器。在本发明的另一个方面，在富氧环境中对活化培养基进行熟化的步骤包括在回到环境温度前当温度在熟化阶段在70～130华氏度的范围保持3天以上时依靠被动通气的步骤。
[0019] 在本发明的另一个方面，在富氧环境中进行熟化的步骤包括主动使活化培养基通气的步骤。在本发明的进一步的方面，在富氧环境中进行熟化的步骤包括当活化培养基的温度在3天以上的期间为130～180华氏度时主动进行通气的步骤。在本发明的另一个方面，主动通气的步骤使用选自包括以下步骤的组：将空气管插入基底并且将空气吹入活化培养基、在容器中使用螺旋钻旋转活化培养基、使用商业堆料机将活化培养基摊成料堆、使用诸如前端装载机的设备将活化培养基弄成一叠一叠、以及使用旋转堆肥机对活化培养基进行旋转。
[0020] 在本发明的另一个方面，引入菌剂的步骤选自包括以下一种或多种的组从而激活系统：引入蚯蚓粪便、引入事先用该方法制备的预定量的基底、或者引入预定量的土壤或引入包括细菌、真菌种群和有益生物。
[0021] 在本发明的另一个方面，其包括监测熟化中的活化培养基的氧含量以及如果监测到的水平低于对维持需氧熟化过程必要的临界值则注入附加的氧的步骤。
[0022] 在本发明的另一个方面，形成具有规定孔隙率的基底培养基的步骤包括形成具有水孔隙率和空气孔隙率组合的基底培养基。在另一个方面，形成具有水孔隙率和空气孔隙率组合的基底培养基的步骤可以包括从由a)16％的空气孔隙率和68％的水孔隙率，总孔隙率84％、b)16％的空气孔隙率和63％的水孔隙率，总孔隙率79％、以及c)31％的空气孔隙率和58％水孔隙率，总孔隙率89％构成的组中进行选择。在该步骤的进一步的方面，取决于空气和水孔隙率的组合，水孔隙率可以从10％变为50％，空气孔隙率可以从10％变为50％，总孔隙率可以从10％变为90％。
[0023] 在本发明的另一个方面，其包括将生物炭作为成分加入的步骤。
[0024] 本发明还包括为植物繁殖对已使用的生长培养基进行补给的方法，该方法包括步骤：a)为预选的物理、化学和生物特性对已使用的生长培养基的组成进行评价；b)将已使用的生长培养基进行堆肥，在若干天的期间获得至少140°以上的温度从而对生长培养基进行杀菌；c)根据需要和期望添加基底培养基；e)将预选的营养素混入生长培养基；f)通过引入至少一种生物菌剂激活该生长培养基；g)在富氧环境中熟化被激活的生长培养基从而确保一个纯粹的有氧熟化过程；h)将附加的营养素和成分混入该生长培养基从而制备出满足期望的营养和水供给特性的植物生长培养基。在本发明的另一个方面，补给中的生长培养基选自由园艺培养基和土壤培养基构成的组。附图说明
[0026] 图1为提供用于制备期望的土壤或园艺培养基的本发明的一个方法的步骤的概述的流程图；
[0028] 图3为图2中描述的具有插入园艺培养基的通气管的熟化容器的侧视图；
[0029] 图4为用于对利用设置的螺旋钻移动容器使之摇动从而对土壤或园艺培养基通气的园艺培养基进行熟化的另一个系统的透视图；
[0030] 图5描述了基于图4系统的且容器中装有园艺培养基的螺旋钻/容器；
[0031] 图6为对作为生长培养基再利用的使用过的土壤或园艺培养基进行补给的另一个处理过程的流程图；
[0032] 图7为可以用于本发明的旋转堆肥机；
[0033] 图8为具有可以旋转活化培养基使之通气的商业堆料机的堆料系统。
具体实施方式
[0034] I.园艺或土壤培养基的制备
[0035] a.概述
[0036] 图1的流程图提供了本发明的一个处理过程的概述。在优选的实施例中，在最初的步骤21中特定颗粒尺寸或多个尺寸的椰壳纤维经水合和/或处理从而为园艺培养基制备基底培养基。尽管椰壳纤维是优选的基底材料，但其他类似的材料也可以用于形成基底培养基。下一步骤23包括向该基底中混入营养素，例如肥料和其他促进生物活性的营养素。在下一步骤25中，通过引入诸如蚯蚓粪便或微生物培养液的生物菌剂启动具有营养素的基底的活化以制备活化培养基，该菌剂在培养基中开始与营养素反应并且通过被动方法或主动方法提供富氧环境。在第4步骤27期间启动熟化处理并且通过被动方法或主动方法维持富氧环境从而促进基底的需氧熟化或固化。在最后的步骤29中，向基底中添加附加成分从而制备最终的具有期望的保水性、营养素和营养素释放特性的园艺生长培养基。本发明各步骤的顺序可以根据需要或期望改变。图1中的顺序不是实施本发明必须的，其仅仅是为了清楚且容易地论述本发明的方法而展示的顺序。尽管术语土壤培养基和园艺培养基在意思上略有不同，但它们在这里可以替换使用，因为这里描述的方法均可以用于制备最终产品。有时它们统一被称为生长培养基或植物生长培养基。
[0037] b.制备基底培养基
[0038] 如图1中第一步骤21所述，优选的园艺基底材料是椰壳纤维。然而，可替换的材料可以包括任何材料或具有适当碳含量和空隙的材料。这样的其他可替换的园艺基底培养基包括泥炭藓、泥炭苔、松树皮、稻壳、木屑、小麦秸秆、大麦秸秆、酒糟、珍珠岩和沙。作为最后两种的珍珠岩和沙需要一个碳源。椰壳纤维或其他可替换材料经切碎、磨碎或粉碎以制备特定颗粒尺寸或多个尺寸的可流动干燥培养基。如下详细论述地，使用的特定基底培养基的多孔性对于在熟化处理阶段使用的至少一个系统是非常重要的。尽管以下的论述使用椰壳纤维进行举例，但任何上述可替换的材料均可以以类似的方式进行处理或制备。
[0039] 椰壳纤维是从椰子的壳中得到的一种天然纤维，是位于椰子坚硬的内壳和外表面之间的纤维材料。椰壳纤维具有中性的pH、优异的持水容量、空气间隙并且抗疾病。本发明使用碾碎的椰壳纤维，根据实际应用改变其尺寸。市售的椰壳纤维是以粉状形成的压缩块，其中椰壳纤维被磨碎成特定的颗粒尺寸。
[0040] 正如以下将要详细论述的那样，这里描述的处理过程的一个新特点在于作为一个整体需氧处理过程保持生物熟化或固化步骤。在熟化处理期间确保向培养基供给充足的氧是至关重要的。能够影响提供充足氧供给的其中一个因素在于培养基的孔隙率。园艺生长培养基的孔隙率也与最终使用者将要投入的使用有关。这样，起初为培养基选择的孔隙率将取决于熟化或固化处理的需求，但完成后将会根据要使用该园艺生长培养基的使用者的需求进行调整。
[0041] 使用的椰壳纤维被磨碎成特定的颗粒尺寸，然后被压缩成干燥的块。椰壳纤维的块为具有颗粒尺寸大于12.5mm且小于.5mm的干燥压缩块。处理过程从选择一个或多个颗粒尺寸的椰壳纤维开始。可以在干燥或湿润的状态下处理椰壳纤维。在干燥状态下处理干燥压缩椰壳纤维块包括通过机械手段拆分压缩块。一个可替换的方法是将对椰壳纤维进行水合作为处理的一部分。这可以通过静态或动态的手段实现，其中静态方法的一个例子是将块放置在平坦的表面上，然后向其喷水而使其水合。随着吸收水分块分解。一旦其吸收了充足的水分达到水合的期望状态，其可容易地分解为单个的颗粒尺寸。处理的一个可替换的动态方法包括在例如卧式饲料搅拌机或水泥搅拌机的大型搅拌机中将块粉碎并且加入水以达到水合的期望水平从而制备易处理的干燥块状可流动混合物，并且根据期望和需要添加附加组分以促进混合。
[0042] 如前所述，园艺培养基的孔隙率不但与这里描述的本发明的处理过程有关，而且与产品最终使用者的需求有关。基底培养基的孔隙率具有水孔隙率和空气孔隙率两个方面。下表列举了为本发明的处理过程而制备的在一批基底培养基中使用的孔隙率的例子。
[0043]土壤 空气孔隙率 水孔隙率 总孔隙率
孔隙率1 16％ 68％ 84％
孔隙率2 21％ 63％ 84％
孔隙率3 31％ 58％ 89％
孔隙率1 16％ 68％ 84％
孔隙率2 21％ 63％ 84％
孔隙率3 31％ 58％ 89％
[0044] 这些仅仅是举例，根据实际应用、通气方法和用于获得最终产品的园艺培养基的熟化，可显著地改变水孔隙率和空气孔隙率，依然能够实施本发明。值得注意的一点在于，改变椰壳纤维颗粒的尺寸或多个尺寸不仅对制备中的园艺培养基的保水特性产生影响，而且对其流动特性也产生影响。
[0045] c.添加营养素
[0046] 图1中的下一步骤23包括向基底培养基中混入在步骤21中形成的各种营养素。根据制备中的园艺或土壤培养基的期望用途，营养素可以发生很大变化。典型地，可以从由氮、磷和钾(NPK)构成的肥料的基底开始。按比例给出这三种成分组合的配方，例如4-2-3、0-11-7、2-4-4等。这些在本领域公知的数值表明肥料中氮、磷和钾的适合的量。根据园艺培养基的预期用途，有机或无机形式中的营养素的可能来源以及在NPK中每种组分的量的组合可发生很大变化。尽管可能的变形过多而不能一一列举，但使用这些可能的不同的变形对本领域技术人员而言是可以理解的。
[0047] 另外，根据要制备的最终园艺或土壤培养基的预期用途，除使用NPK成分的一种或多种外，本领域技术人员知晓大量可添加的附加第二或第三微量营养素。可添加的第二微量营养素包括：钙(Ca)、镁(Mg)和硫(S)。可添加的附加微量营养素包括：铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、钼(Mo)、锌(Zn)、硼(B)，以及在这里可以使用的硅(Si)、钴(Co)、矾(V)和稀有矿物催化剂。除上述元素外，以下物质也常作为土壤或园艺生长培养基中的生物营养素使用：硅藻土、羽毛粕、石膏、腐殖酸盐、家禽草垫、花生粕、磷矿石和硫酸钾。可能的附加营养素还可以包括：艾佐迈(azomite)、骨粉、可溶性腐殖酸和棕黄酸、家禽草垫、硅藻土、泻盐(MgSO4)、石膏(CaSO4)、腐殖酸盐、花生粕、磷矿石、可溶性硫酸钾、苜蓿粕、花生粕、棉籽粕、海草粕、羽毛粕和白云石石灰。
[0048] 除已存在于基底培养基中的碳源以外，还可以进一步添加碳源。这样的碳源可包括稻壳、木屑(各种树种、树枝、灌木能够提供该碳源)、锯屑、椰壳纤维、糖蜜、玉米秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、酒糟、甘油。
[0049] 可添加的一种附加成分是生物炭。生物炭不同于以上列举的大多数成分。生物炭通常是一种通过在缺氧或氧供给量降低的条件下对有机物质进行加热而制备的至少60％碳材料的固体。用于生物质的热解或气化的设备以及手工系统可以用来制备生物炭。用于制备生物炭的生物质源包括诸如动物粪便、动物遗骸或骨、作物残渣、根群、自然植被和生物固体的有机材料，这些有机材料随后经历热解或气化处理。当生物炭中的碳稳定且能在土壤中保持数千年时，其能够提高土壤肥力、改善土壤的水分利用、保持有机和无机营养素并且增大土壤水分保持性和生长中植物对水分胁迫的抵抗力。由于生物炭达到了上述效果而仍保留了其结构，因此在使用后其保留在土壤或园艺培养基中。
[0050] d.激活具有营养素的基底培养基
[0051] 在图1的步骤25中，通过添加生物菌剂或菌剂对基底进行生物激活。其中一种优选的菌剂是蚯蚓粪便。蚯蚓粪便向基底培养基中加入有益的真菌、细菌和其他微生物。粪便的性质也可以受喂食给制造粪便的蚯蚓的有机和无机材料以及微生物菌剂接种的影响。此外，含有不同微生物菌群的生物活化的园艺培养基可以作为菌剂引入诸如真菌、细菌和其他机体的生物活性剂。这样的园艺培养基的一个来源为这里描述的通过本发明处理过程制备的培养基。一种土壤或各种类型土壤的组合可选择性地使用。
[0052] 随着生长，细菌、真菌和其他微生物的生物活性在其他产物间产生热、二氧化碳和铵(NH4)。通过硝化过程可用的铵可以进一步被转化为硝酸盐(NO3)。此外，各种真菌和其他所谓的微生物在培养基中生长，产生有机酸和影响培养基物理、生物和化学特性的代谢产物，还与生物炭的表面结合。这些有机材料及其相互作用有利于并决定着营养素的供应。
[0053] 尽管该过程看似与堆肥类似，但在许多方面是不同的。处于分解状态的有机基质的范围和复杂性是不同的。处理条件的目标热学参数可与在堆肥中使用的不同。
[0054] 堆肥关注的是对空气/水的平衡进行管理，在3天到15天的充足的时间内保持高温(135°～160°华氏度/50°～70°摄氏度)，从而主要确保病原体、杂草种子和其它被破坏或中和的不期望的物质在高温下被杀死。高温表明生物活性度高。
[0055] 对病原体和杂草种子进行控制不是活化过程主要关注的问题。在本发明中，所有使用的成分都受到控制并且不存在病原体、杂草种子或其他不期望的物质。此外，激活和熟化阶段的目的在于确保充足的微生物种群，在园艺培养基或土壤培养基中建立期望的种群差异性并使之保持稳定，以及确保期望的营养素供应特性和性能。
[0056] 如上所述，本发明的目的接着在于创造一个稳定的生存土壤或园艺培养基，在其中营养素被分解并且在一段时期内对在培养基中种植的植被有效。起初，微生物、细菌和真菌依靠原材料中的有效的碳开始生长和繁殖。随着开始快速的繁殖，它们消耗对其有用的营养素。这些营养素可以以矿物形式立即有效或者通过有机材料的分解而释放。由于具有充足的生物活性，培养基的温度迅速上升，表明有大量的生物激活在发生。上升的温度表明有效的氧将被耗尽。
[0057] 一旦温度超过110°～120°的范围，经验表明存在氧供给耗尽的风险，并且由于缺氧，处理过程可能转为厌氧。厌氧过程可产生不期望的副产物并杀死对本发明有利的有益的需氧细菌、真菌和微生物。
[0058] 可以通过各种方法实现利用充足的氧供给保持一个需氧的处理过程。当熟化容器的体积足够小时，通常可使用充足空气流量的被动供给法。通过控制材料的总孔隙率、空气孔隙率和水孔隙率可影响扩散的速率。被动通气的替换方法包括注入空气或使材料机械地翻转或混合。
[0059] 当温度高于140°～150°的范围，需要主动地对基底进行通气。主动通气，例如在熟化过程中将空气注入培养基，为用于向在培养基中的细菌、真菌和其他有益微生物提供充足的氧的方法。
[0060] e.对培养基进行熟化
[0061] 图1中的步骤27为熟化或固化过程。如上详细所述的，在本发明的熟化过程中尤其重要的是随着熟化的进行其为培养基提供充足的氧。
[0062] 典型地，熟化过程持续两周或三周，但也可以是4天。此外的固化可以持续长达数月。如前所述地，在熟化处理期间一个关键的要求在于其是作为有氧过程进行的。
[0063] 如前所述地，本发明中必须将熟化过程维持在有氧过程的状态。其目的是制备一个有氧细菌、真菌和微生物的活的可持续培养液。通过在起初大量投料后将处理过程保持在需氧的状态，原始的营养素被耗尽并且随着细菌、真菌和微生物开始相互取食温度下降。稳定后其达到一个稳定的状态，其中产生的细菌、真菌和其他微生物在循环的过程中取食死掉的细菌、真菌和其他微生物，还有添加的基质。
[0064] 一旦被激活，则可以以多种不同的方法进行熟化或固化处理以获得本发明期望的成果。在本发明熟化处理的一个变形例中，土壤培养基被置于约1m2的料斗或容器中以提供一个静态的熟化过程49，图2。如图2所示，该容器为具有使空气自由流动的开放顶部的空气可渗透编织袋。当温度停留在90°～120°的范围时，这通常提供充足的空气流，使得土壤培养基得到充分地氧化从而维持一个有氧的过程。如果温度升高至140°～150°的范围，则可以进行主动注入空气流的处理。一个方法是在熟化处理期间将管插入土壤培养基并将空气吹入土壤培养基以确保充足的氧气水平从而将该处理过程维持在有氧的状态。
[0065] 图2是上述容器的一个透视图，其中袋51在其顶部53开口。用框架55支撑袋51并将其固定。框架55为具有上支撑部57的金属管，该金属管由沿其中心部焊接在一起的两金属管构成，并且支柱或腿59焊接在上支撑部57的末端。袋51通过带61与由上支撑部57的管形成的上框架连接。熟化园艺培养基63几乎填满袋51。袋51由多孔编织塑料线或尼龙材料制成，从而在保证盛住培养基的情况下使空气自由地穿过袋51的侧部65。可以将温度计或温度探针67插入培养基63监测温度。
[0066] 图3为本发明熟化容器的一个侧视图，其示出了插入培养基63中的一个通气管69的末端。管69可在其埋入培养基63的部分具有孔71从而有利于空气向土壤或园艺培养基的注入。这样，如果在熟化过程中培养基的温度上升超过110°，则可将空气注入培养基63中，确保细菌、真菌和微生物具有充足的氧供给以保持熟化过程有氧。可利用标准鼓风机组或任何其他标准的方法将空气注入管69。
[0067] 在熟化过程的另一个变形例中，可在一个经设计的容器中混合土壤培养基，该容器被设计为间歇式或连续式混合，使用一个或多个螺旋钻混合园艺培养基以确保材料暴露在充足的氧环境下以及水分含量得到控制。
[0068] 图4描述了一个基于螺旋钻的系统81。基于螺旋钻的系统81由一个熟化容器83构成，该熟化容器具有侧面85A和85B、末端86A和86B、底部87和开口的顶部89。螺旋钻91与具有连接于螺旋钻顶部的电动机95的杆93连接。杆93的两端97A和97B分别停留在轨道99A和99B上。杆93可在两端86A和86B之间沿轨道99A和99B在方向101A上移动。此外，螺旋钻91可在两端97A和97B之间在方向103A上沿杆93移动。对于图5，容器83中填充有加入了营养素和生物菌剂108的土壤或园艺培养基105。随着螺旋钻91对培养基105进行搅拌，受经适当编程的计算机或控制器控制的系统81(图中未示出)使螺旋钻91在容器83的整个区域内移动。搅动的螺旋钻91以一定的速度移动，使得土壤或园艺培养基105充分地得到通气，从而将熟化过程维持在有氧的状态。
[0069] 在旋转堆肥或处理的另一个变形例中，可以使用图7中示出的装置107来确保生长培养基暴露在充足的氧环境下以及水分含量得到控制。电动机驱动旋转堆肥机107，该电动机使滚筒111转动，该滚筒为空心圆柱体。将待处理的生长培养基装载到斜槽109上。旋转处理装置包括温度传感器；通过开口将空气引入旋转的滚筒111中。滚筒的旋转速度和在操作过程中排入滚筒的空气量将成为对生长培养基的通气、对获得纯有氧过程必要的温度以及如上论述的制备本发明的生长培养基的结果产生影响的因素。
[0070] 在另一个变形例中，对材料进行处理形成如图8所示的堆垛115，并且用堆料旋转机117或诸如前段装载机的其他装置(未示出)对其进行翻转。如图8所示，随着堆料旋转机117使堆垛115向下移动，在行115A的部分搅动和混合生长培养基，并在充分混合了生长培养基后将其再次沉积在重新形成的堆垛115B中。在这一过程中重复的次数和速度是影响通气、对获得纯有氧过程必要的温度以及如上论述的制备本发明的生长培养基的结果产生影响的因素。
[0071] 可以使用任何方法测量熟化中的培养基的氧的水平并且保证向熟化中的培养基中供给充足的氧以确保该过程为有氧过程。如上所述的，利用图2中的探针67监测温度是一种可行的方法。也可以通过直接测量与合适的传感器接触的氧的方式测量氧的水平。可以用合适的传感器测量甲烷的浓度。甲烷的产生表明处理过程正趋于厌氧的状态。氮的氨态和其硝酸盐态的比例可以作为灵敏度略差但可行的一个测量方法。铵是硝酸盐的前体。在厌氧条件下可产生铵，但不产生硝酸盐。作为熟化过程成熟的指标，也可使用该最后一个测量方法。
[0072] f.对培养基进行微调
[0073] 如上所述，在某种情况下，在处理期间将各种成分混入基底或土壤培养基中以改变对微生物种群有效的碳与生长所需的营养素之间的比例。添加营养素既是为了确保充足的微生物的生长，也是为了调节最终土壤培养基的营养供给特性。
[0074] 图1所示的步骤29是为了便于描述，其可在上述处理期间的任何期望的时间点实施。例如，可向土壤培养基中添加石灰改变其pH。也可根据需要或期望添加生物炭。事实上，在上述I.c.部分列举或论述的任何营养素均可加入土壤或园艺培养基中以使最终的土壤或园艺培养基满足使用的需要。
[0075] 在本发明的另外一个方面，在熟化处理期间或之后向土壤培养基中添加螨虫以去除有害物质并使土壤培养基保持平衡。甲螨是土螨的一种，其常见于林地并且有助于有机物质的分解。下盾螨属(Hypoaspis)是一种生活在土壤的上1/2层的小的(0.5mm)浅棕色螨虫。
[0076] 除了依赖有机物质以外，可利用生物学控制来控制可入侵的害虫。例如，蕈蚊是一种已知的寄生在园艺培养基中的小的蝇类虫害。它们的幼虫主要以真菌和有机物质为食，也会以根部为食，因此在温室、苗圃地、盆栽植物和室内植物景观中会成为问题。生物学控制的措施对蕈蚊种群的控制是有效的。例如，作为土壤浸液的诸如斯氏线虫和杆菌属亚种苏云金杆菌(Bti)的线虫可以全部作为蕈蚊蛹的天然捕食者而使用。
[0077] 作为另外一个例子，可向土壤中添加诸如哈茨木霉(T.harzianum)、绿色木霉(T.viride)和钩状木霉(T.hamatum)的木霉属(Trichoderma)。木霉属被用于控制真菌根病，可使其存在于园艺培养基中。
[0078] II.对使用后的土壤或园艺培养基进行补给
[0079] 在本发明的另一个方面，为再次使用，对使用后的土壤或园艺培养基进行补给和重新配制。使用后的土壤或园艺培养基能够为使用本发明改进的方式制备可再利用的土壤或园艺培养基提供基底。图6提供了一个在本发明整个过程中使用的对土壤或园艺培养基进行补给的流程图。第一步骤31为评价使用后的土壤或园艺培养基的组成。在步骤33中，对土壤或园艺培养基进行堆肥以在堆肥过程中获得至少140华氏度的温度从而杀死不期望的植物、杂草种子、害虫以及病原体。
[0080] 在堆肥步骤之后，实施如上论述并在图1中做出概括的制备新的土壤或园艺培养基的方法，该方法略有改进。参见图6，可根据需要添加诸如椰壳纤维的附加基底培养基从而在步骤35中获得期望的培养基的黏稠度和孔隙率。在步骤37中，根据需要还可添加附加的营养素。为确保激活熟化过程，可在步骤39中添加通过如上论述并在图1中做出概括的方法制备的菌剂，例如蚯蚓粪便或新的土壤或园艺培养基。再次参见图6，按照上述论述实施步骤41的熟化过程以保持其为有氧过程。在最后的步骤43中，可将附加的营养素、基底培养基或其他添加剂混入重新制备的土壤或园艺培养基中以制备具有期望的营养素、空气流动和水供给特性的最终的培养基。应当注意的是，只要不脱离本发明的主旨，可改变图6中概括的处理过程的步骤的顺序。
[0081] a.对使用后的培养基的组成进行评价
[0082] 在作为第一步的步骤31中测定使用后的土壤或园艺培养基的组成。对使用后的土壤进行补给的过程及其补给还取决于对使用后的土壤所期望的用途。在实施该步骤期间，可测定使用后的土壤或园艺培养基的物理、生物以及化学特性。评价土壤或园艺培养基的物理、生物和化学特性的方法有很多。在这里不一一列举。在后述段落中论述的特性和测定方法仅仅是测量土壤或园艺培养基特性的可行的方法中的一些可行的例子。
[0083] 测定的物理特性包括土壤或园艺培养基的堆积密度(每单位体积的质量)。可通过广泛建立的传统方法对其进行测定并与规定的临界值进行比较。一个重要的物理学标准为园艺培养基的总孔隙率和土壤饱和后在重力作用下流失的部分。
[0084] 还可以测定化学特性，包括土壤的pH和培养基的营养素供给特性。在有营养的浓稠培养基中所面临的挑战是对土壤或园艺培养基随时间供给营养素的潜能进行预期。之所以称之为挑战是因为标准的测量手段(例如广泛使用的饱和培养基提取方法)仅提供了及时测定土壤溶液中的营养素这一点。然而，在营养素浓稠的土壤中，要求对由有机材料的矿化(分解)引起的营养素释放的潜能进行测定。
[0085] 在本发明中，将从使用后的园艺培养基中释放的经测定的营养素与目标情况进行比较，并且根据需要用包含材料的营养素进行改进。在一个变形例中，可用(通过蒸馏、去离子、反渗透或类似方法制备的)纯水或诸如氯化钾(KCl)、硫酸钾(K2SO4)的稀释盐溶液对培养基的样品进行过滤从而制备起始培养基，然后可将材料在标准温度下培养一段时间(数天至数周)，同时可通过测量在后续过滤中释放的营养素来测定水分含量和矿化的营养素。在另一个变形例中，可利用阴离子或阳离子交换树脂回收释放的营养素。
[0086] b.对使用后的培养基进行再处理
[0087] 在某些方面，对使用后的土壤进行堆肥(步骤33)从而对其进行消毒并且清除土壤中的害虫、病原体或疾病。典型地，堆肥是使温度上升到至少140°F以上。可使用任意不同的堆肥方法。该步骤的关键在于温度等于或高于所需温度以杀死使用后的土壤或园艺培养基中的病原体、杂草种子和其他不期望的物质。使用培养基种植植物或用于其他目的很容易引入不期望的物质。事实上，在该堆肥步骤期间是否转变为厌氧状态并不重要。对含有诸如病原体、杂草种子和其他不期望的物质的使用后的培养基进行清洗是非常重要的。图4、7和8描述了三种不同的可用于对使用后的培养基进行堆肥从而使其消毒的方法。用于制备上述新的培养基的该三种方法的不同之处在于通气，并且对温度的控制也有所不同。例如，要求达到并保持足够的消毒温度从而控制病原体，并且可对空气流动进行改进从而可在三天内在图7的旋转系统或图4的容器中达到期望的处理条件。另一方面，使用堆料法可将对消毒必要的厌氧过程保持15天。在优选的实施方式中，温度至少为140°F是必要的。
[0088] c.进一步添加基底培养基
[0089] 一旦对生长培养基的物理学特性做出评价并通过堆肥清除不期望的病原体、杂草种子和其他不期望的物质，则有必要对其进行调节以满足期望的新用途或者在补给过程中为下一步做准备。生长培养基的孔隙率是可调节的一个方面。可能有必要对其进行调节以满足空气和水孔隙率的要求。对于孔隙率和其相关问题已在“I.b.制备基底培养基”部分进行了充分地论述并且可用于该步骤。如果使用后的生长培养基在这一点上满足要求则不必在这一步骤添加诸如椰壳纤维的基底培养基。
[0090] d.添加营养素
[0091] 一旦对土壤做出评价并对土壤的物理、化学和生物特性进行测定，则可考虑选择添加营养素。尽管可以理解在少数情况下可能没必要实施这一步骤，但在多数情况下是有必要的。在任何情况下，添加营养素的步骤都与上述“I.c.添加营养素”的部分完全相同。
[0092] e.注入菌剂
[0093] 如上述I.d.所论述的，在该步骤中如果有必要则添加诸如通过图1概括的处理过程制备的蚯蚓粪便、园艺或土壤培养基的菌剂。其目的是开启熟化或固化过程。
[0094] f.熟化
[0095] 在对土壤进行补给的过程中实施的熟化过程与上述“I.e.对培养基进行熟化”部分相同。
[0096] g.混入附加成分
[0097] 混入附加成分以满足补给的园艺培养基或土壤培养基的步骤与上述“I.f.对培养基进行微调”的部分基本相同。该步骤可在熟化步骤之前、之后或期间实施。
[0098] 除非另有明确说明，否则都不应当将在本发明中阐述的任何方法解释为其步骤必须以特定的顺序实施。因此，在实际没有阐述方法权利要求中的步骤必须遵循其顺序或者在权利要求书和说明书没有特别说明这些步骤必须以特定的步骤实施的情况下，都不应当试图去推测以任何特定的顺序实施。
[0099] 本领域技术人员显而易见地知晓，只要不脱离本发明的主旨和范围，对本发明做出的各种改进和变化都是允许的。既然本领域技术人员能够实施包含本发明的主旨和物质的实施方式的改进组合、子组合以及变化，那么应当将本发明解释为包括权利要求和其等同的权利要求的全部范围。
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