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Abstract

一种具有减缓农业面源污染功能的农田布局方法，首先提高农田作业区四周田埂的高度，然后在农田作业区相对的两边分别开设灌溉渠道和排水渠道，在农田作业区内，靠近排水渠道的一侧装设隔离装置，隔离装置将农田作业区分成两块，靠近灌溉渠道的是常规操作区，靠近排水渠道的是缓冲区，再在灌溉渠道内开设灌水口与常规操作区相通，由排水渠道内开设出水口与缓冲区相通。该方法不但可以利用缓冲带拦截农田的养分流失，减缓农田因养分流失对周围水环境的污染，而且缓冲带内种植的作物可以利用拦截的养分来满足作物生长，取得经济效益和生态效益的双赢。

Description

一种具有减缓农业面源污染功能的农田布局方法
一、技术领域
本发明属于农业技术领域，特别涉及一种改进的农田布局方法，该方法通过农田布局设计，有效减缓农业面污染源对农田的影响。
二、背景技术
农业面源污染，目前已成为影响水体环境质量的重要污染源。世界上许多国家和地区的研究结果已证实面源污染是导致水环境质量恶化的主要原因(A.MDuda.Addressing non-point sources of water pollution must become an internationalpriority[J].Water Sci.Technol.，1993，28：1-11)，而面源污染物中，又以农业面源污染所占有的份额最大(Humenik，F.J.，et al.Pollution from non-point sources：Where we are.Where we should go.Envi.Sci.Tech.1987，21(8)：737-742)。有关研究表明太湖流域农业面源氮的入湖量占总量的72％～75％(张振克.太湖流域湖泊水环境问题、成因与对策[J].长江流域资源与环境，1999，9(8)：81-87)，可见农业面源污染是造成太湖氮污染和富营养化的主要原因之一。
控制面源污染的植物生态工程技术有人工湿地、植物浮床、植物塘、缓冲带等技术。人工湿地对氮磷的去除率分别在60％、90％以上(吴晓磊.人工湿地废水处理机理[J].环境科学，1995，16(3)：83-86)，但是人工湿地需要占用大面积的土地，估计每公顷湿地仅能处理10～20人的生活污水废水(Brij Gopal.Natural andconstructed wetlands for wastewater treatment：potentials and problems[J].Wat.Sci.Tech.，1999，40：27-35)，因此在人口稠密地区的使用受到限制。植物浮床、植物塘利用植物系统对水体中的氮磷的吸收能力来净化污水，对水体中的N、P具有很好的去除率(宋祥甫等.浮床水稻对富营养化水体中氮、磷的的去除效果及规律研究[J].环境科学学报，1998，189(5)：489-494；许航等.水生植物塘脱氮除磷的效能及机理研究[J].哈尔滨建筑大学学报，1999，32(4)：69-73)，但这种方法属于先污染后治理的一种措施。缓冲带是与附近水体相邻的、对污染物、沉积物和洪水具有一定缓冲功能的水陆交错带生态系统研究人员曾于1998～2001年在意大利北部构建有交替种植的树和灌木丛组成的缓冲带，具有很好的养分拦截效果，缓冲带减少了78％的总流失物(Maurizio B.，et al.Effectiveness of buffer strips inremoving pollutants in runoff from a cultivated field in North-East Italy[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2005，105：101-114)。研究人员还以芦苇等群落等等作为缓冲带研究了它们的养分拦截效果(尹澄清等.白洋淀水陆交错带对陆源营养物质的截留作用初步研究[J].应用生态学报，1995，6(1)：76-80)，但却没有形成一种适用于我国耕地现状的、能减缓我国农田面源污染的农田布局模式。
三、发明内容
发明目的：针对上述技术缺陷，考虑到我国耕地的实际情况，出于“源头控制、提高生物吸收，到过程拦截”来控制农业面源污染的思路，结合缓冲带的生态拦截作用，本发明提供一种改进的农田布局方法，该方法可以减缓农业面污染源对农田的影响。
技术方案：一种具有减缓农业面源污染功能的农田布局方法，首先提高农田作业区四周田埂的高度，然后在农田作业区相对的两边分别开设灌溉渠道和排水渠道，在农田作业区内，靠近排水渠道的一侧装设隔离装置，隔离装置将农田作业区分成两块，靠近灌溉渠道的是常规操作区，靠近排水渠道的是缓冲区，再在灌溉渠道内开设灌水口与常规操作区相通，由排水渠道内开设出水口与缓冲区相通。
所述农田作业区四周的田埂高度为30～40cm。
所述隔离装置开设在农田靠近排水渠道一侧的3～4米处。
所述隔离装置为隔板或土堆。
所述隔离装置高度为20～25cm。
有益效果：该方法不但可以利用缓冲带拦截农田的养分流失，减缓农田因养分流失对周围水环境的污染，而且缓冲带内种植的作物可以利用拦截的养分来满足作物生长，取得经济效益和生态效益的双赢。
四、附图说明
图1是本发明的布局结构示意图，其中1灌溉渠道，2灌水口，3常规操作区(农田区中按照当地常规农田管理模式进行种植作物，包括施肥、灌水)，4缓冲区(缓冲带内种植作物，但不施用任何肥料)，5出水口，6排水渠道(农田排水最终经过排水渠输送，汇集到不同的水源中，如河流、湖泊等)，7隔离装置；
图2是宜兴示范方稻季田面水及灌溉水总氮浓度变化；
图3是常熟示范方稻季30及60cm渗漏水总氮浓度变化；
图4是常熟示范方稻季30及60cm渗漏水总磷浓度变化。
图5是常熟站实验区稻季30及60cm渗漏水总氮浓度变化
图6是常熟站实验区稻季30及60cm渗漏水总磷浓度变化
图7是常熟站实验区稻季30及60cm渗漏水硝态氮浓度变化
图8是常熟站实验区稻季30及60cm渗漏水铵态氮浓度变化
五、具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明：
实施例1
一种具有减缓农业面源污染功能的农田布局方法，首先提高农田作业区四周田埂的高度，然后在农田作业区相对的两边分别开设灌溉渠道1和排水渠道6，在农田作业区内，靠近排水渠道6的一侧装设隔离装置7，隔离装置7将农田作业区分成两块，靠近灌溉渠道的是常规操作区3，靠近排水渠道的是缓冲区4，再在灌溉渠道内开设灌水口2与常规操作区3相通，由排水渠道内开设出水口5与缓冲区4相通。所述隔离装置开设在农田靠近排水渠道一侧的3～4米处。所述隔离装置为隔板或土堆。所述农田作业区四周的田埂高度为30～40cm。所述隔离装置高度为20～25cm。
实施例2
实例(试验)位于太湖流域宜兴市大浦镇和常熟市杨园镇的“863”项目农业面源污染控制示范区内，示范区面积均为13hm2，提高示范区内农田四周的田埂，并在农田的排水侧设置一条宽3m的缓冲带，缓冲带中照常种植水稻，但不施化肥。试验设置优化施肥(Y)与优化施肥缓冲带(YL)、常规施肥(C)与常规施肥缓冲带(CL)2组共4个处理，采用大区处理，分别在示范区的优化施肥与常规施肥区中随机选取3个自然田块(面积0.08～0.12hm2)作为研究的3次重复，同时分别在优化施肥与常规施肥缓冲带中相应的位置布置3的个无肥对照区(面积70m2)。优化施肥的N、P、K用量分别为225、15、90kg hm-2，常规施肥分别为290、0、37.5kg.hm-2(示范区所在地习惯通常稻季不施磷肥)。在每个自然地块中分别埋设30cm、60cm深的简易渗漏水采样管，3次重复，分别测定田面水和30cm、60cm深的渗漏水以及灌溉水(IRRI)中的总氮、总磷浓度。
试验期间从2005年6月20日水稻移栽到10月20日水稻收获，整个水稻生长期的田间管理措施均按当地习惯方式进行，灌溉水为临近稻田的河水。
试验监测方法
水稻生长期间，施肥后每2天取样一次，连续采样4～5次，随后每10天取样1次。采取的水样包括灌溉水、田面水与30cm、60cm深的渗漏水，采样期从2005年水稻移栽至收获。所采水样经普通滤纸过滤后，用过硫酸钾高压氧化处理后，测定溶解性总氮(DTN)与总磷(DTP)，DTN测定采用紫外分光光度法，DTP测定采用钼蓝比色法。
水稻收获时在每个处理的重复地块内随机选取5个样方(1m×5m)收割测产，换算为每公顷产量。
结果分析
(1)产量比较
2005年宜兴大浦、常熟杨园示范方水稻样方测产表明，不同施肥处理下的田块与其缓冲带内的水稻产量相近，产量的变化幅度在2.0％～5.8％内。方差检验表明(表1)，施肥大田与缓冲带的产量差异不明显，说明缓冲带的应用不会造成水稻减产，缓冲带中截留大田侧渗的养分足够供应水稻生长发育之用。
表1不同处理下水稻的产量(kg hm-2)
  处理   宜兴优化   宜兴常规   常熟优化   常熟常规
  施肥大田   6902a*   8397a   7164a   7041a
  缓冲带   7226a   8570a   6942a   7452a
*在同一列内带有相同字母的平均值之间无显著差异(P＝0.05，新复级差测验)
(2)缓冲带与施肥大田田面水中氮素含量比较
宜兴大浦示范方不同处理稻季田面水中TN浓度变化表明(图2)，秧苗移栽后，田面水TN浓度较高，约10d后降到很低，直至水稻收获。常规施肥氮浓度高于优化施肥，说明施肥量高则田面水中的氮浓度高。缓冲带内田面水中氮的浓度在施肥后一周内明显低于大田，之后差别不明显。部分时间缓冲带内氮浓度下降不明显，这可能与肥水串灌有关。
优化施肥与其缓冲带内氮的平均浓度分别为20.3、13.8mg L-1，常规施肥与其缓冲带内氮的平均浓度分别为29.8、14.9mg L-1，缓冲带使田面水的DTN浓度减少31.7％～50.9％。研究表明太湖地区30m2的试验小区的整个稻季径流量为9601～10365L(赵建宁，沈其荣，冉炜.太湖地区侧渗水稻土连续施磷处理下稻田磷的径流损失.农村生态环境.2005，21(3)：29～33)，若以此为标准估算，水稻生长季由缓冲带截留的径流氮量在20.6～51.8kghm-2。这表明缓冲带具有较好的养分拦截作用，能作为控制农田氮素养分流失的一种有效措施。
(3)渗漏水中氮素含量的动态变化
常熟杨园示范方不同深度土壤渗漏水监测结果表明(图3)，秧苗移栽后氮素浓度呈先升后降的趋势，高峰时30cm深渗漏水氮素浓度高达18.0mg L-1；在水稻的整个生长期中，氮素在土壤剖面中的浓度变化基本呈上高下低的趋势，这表明土壤对氮素有吸附作用，稻田生态系统具有固定灌溉水中氮素养分的功能。
同深度的土壤渗漏水测定表明(图3)，在水稻的整个生长期中，缓冲带中DTN浓度均比施肥大田的浓度低。这说明下渗的氮素在随土壤水向周边水体迁移的过程中浓度逐渐降低，缓冲带对土壤养分氮素有拦截作用。缓冲带拦截的这部分养分可被缓冲带内种植的水稻吸收利用，从而减少了氮素养分向水体中的迁移。
(4)田面水中磷素含量的动态变化
宜兴大浦示范方稻田田面水中磷浓度监测表明，秧苗移栽后优化施肥大田与其缓冲带的田面水中总磷浓度均较高(常规施肥处理没有施用磷肥)，施肥后优化施肥处理的田面水中磷素浓度迅速升高，高峰时达到15.66mg L-1，大约十天后降到0.40mg L-1，与缓冲带的磷浓度水平相当，直到水稻收获。方差检验表明，缓冲带中田面水的磷浓度明显低于优化施肥的大田，在施肥初期这种差异尤为明显(表2)。
表2宜兴示范方不同处理稻田田面水磷素含量(mg L-1)
Figure G2009102322244D00051
*在同一列内带有相同字母的平均值之间无显著差异(P＝0.05，新复级差测验)
由于肥水串灌的原因，部分缓冲带中磷的浓度在施肥初期也有所升高，但其在整个稻季的平均浓度为1.01mg L-1，远远低于优化施肥处理(2.48mg L-1)。缓冲带拦截的径流磷占可溶性总磷的1/2多，同样以赵建宁测得的稻季径流量为标准计算，则缓冲带在稻季可截留径流磷的量在4.7～5.1kghm-2。这表明缓冲带对磷素的径流损失有较好的拦截作用，缓冲带减少田面水中磷向水体的输入量，减轻了施磷对水体的影响。
(5)土壤渗漏水中磷素浓度变化
常熟杨园示范方优化施肥大田不同深度土壤渗漏水磷浓度监测结果表明(图4)，磷浓度上层高于下层这表明稻田生态系统具有固定灌溉水中磷的作用。这是由土壤对磷素的吸附作用造成的，这种吸附作用与土壤的质地有关，质地较细的土壤更易吸附土壤水中的可溶性磷素。
同深度的土壤渗漏水中磷浓度测定结果表明(图4)，优化施肥的大田渗漏水中磷浓度大于缓冲带，尤其是30cm深的土壤渗漏水表现更为明显，方差检验表明，在施肥初期优化施肥大田和缓冲带之间浓度的差异显著，随着时间的推移，磷素的浓度逐渐降低，到水稻收获前期两者之间基本没有差异了。这表明稻田缓冲带对渗漏水中磷素的水平迁移具有拦截作用，其拦截效果在施肥初期尤为明显。
有益成果
(1)缓冲带与施肥的大田当年水稻产量没有显著差异，缓冲带利用大田流失的养分足够水稻生长发育之用，不会造成水稻减产，不会造成农民经济上的损失。
(2)缓冲带能显著地拦截径流养分，稻季拦截的DTN和DTP分别为20.6～51.8、4.7～5.1kg hm-2，而且对渗漏水中N、P养分的水平迁移具有明显的拦截效果。缓冲带减缓了农田氮、磷养分流失，是一种有效地减少农田面源污染的措施。
实施例3
实例(试验)位于常熟农业生态国家实验站农田试验区内，实验田面积均为760m2，提高试验田四周的田埂，并在农田的排水侧3m处设置一隔板将试验田分为常规操作区(F)和缓冲区(L)两部分，缓冲带中照常种植水稻，但不施化肥。在常规操作区和缓冲区中分别埋设30cm、60cm深的简易渗漏水采样管，监测田面水和30cm、60cm深的渗漏水中的DTN、DTP、NO3 --N、NH4 +-N浓度
试验期间从2006年、2007年6月20日水稻移栽到10月20日水稻收获，整个水稻生长期的田间管理措施均按当地习惯方式进行，灌溉水为临近稻田的河水。
试验监测方法
水稻生长期间，施肥后每2天取样一次，连续采样4～5次，随后每10天取样1次。采取的水样包括灌溉水、田面水与30cm、60cm深的渗漏水，采样期从水稻移栽至收获。DTN采用过硫酸钾高压氧化-紫外分光光度法测定，DTP采用钼蓝比色法测定，NO3 --N、NH4 +-N采用流动分析仪测定。
结果分析
(1)产量比较
水稻测产表明(表3)，常规操作区与缓冲区内的水稻产量相近，方差检验表明，常规操作区与缓冲区的水稻产量差异不明显，说明缓冲带的应用不会造成水稻减产，缓冲带中截留常规操作区侧渗的养分足够供应水稻生长发育之用。
表3常熟站常规操作区和缓冲区水稻的产量比较kg/ha
  处理   2006年   2007生
  常规操作区   7207a   8097a
  缓冲区   6684a   6567a
*在同一列内带有相同字母的平均值之间无显著差异(P＝0.05，新复级差测验)
(2)缓冲区与常规操作区田面水中N、P素含量比较
整个水稻生育期的养分浓度可发现(表4)，常规操作区田面水中养分浓度均高于缓冲区内的养分浓度。这表明缓冲带具有较好的养分拦截作用，可以减少田面水向水体的养分输入量，减轻了施肥对水体的影响，能作为控制农田养分流失的一种有效措施。
表4熟站试验田田面水中养分浓度(mg.L-1)
  DTN   NH4 +-N   NO3--N   DTP
  施肥大田   3.969   2.516   1.462   0.196
  拦截带   3.585   1.679   1.396   0.143
(3)缓冲区与常规操作区渗漏水中N、P素含量比较
缓冲区与常规操作区中同深度的土壤渗漏水测定表明(图5，6，7，8)，在水稻的整个生长期中，缓冲区中DTN、DTP、NO3 --N、NH4 +-N浓度比常规操作区的浓度低，经方差检验每次施肥初期两者的差异显著，随着时间的推移，养分浓度的逐渐降低，到水稻收获前期两者之间基本没有差异。这说明缓冲带对土壤养分具有拦截作用。缓冲带拦截的这部分养分可被缓冲带内种植的水稻吸收利用，从而减少了N、P养分向水体中的迁移。
有益成果
(1)常规操作区与缓冲区的水稻产量差异不明显，缓冲带的应用不会造成水稻减产，不会造成农民经济上的损失。
(2)缓冲带具有较好的养分拦截作用，可以减少田面水、渗漏水向水体的养分输入量，拦截的养分供缓冲带种植的作物吸收利用，提高了肥料的利用效率，取得经济效益和生态效益的双赢。

Claims (5)

1.一种具有减缓农业面源污染功能的农田布局方法，其特征在于首先提高农田作业区四周田埂的高度，然后在农田作业区相对的两边分别开设灌溉渠道(1)和排水渠道(6)，在农田作业区内，靠近排水渠道(6)的一侧装设隔离装置(7)，隔离装置(7)将农田作业区分成两块，靠近灌溉渠道的是常规操作区(3)，靠近排水渠道的是缓冲区(4)，再在灌溉渠道内开设灌水口(2)与常规操作区(3)相通，由排水渠道内开设出水口(5)与缓冲区(4)相通。
2.根据权利要求1所述的具有减缓农业面源污染功能的农田布局方法，其特征在于所述农田作业区四周的田埂高度为30～40cm。
3.根据权利要求1所述的具有减缓农业面源污染功能的农田布局方法，其特征在于所述隔离装置开设在农田靠近排水渠道一侧的3～4米处。
4.根据权利要求1所述的具有减缓农业面源污染功能的农田布局方法，其特征在于所述隔离装置为隔板或土堆。
5.根据权利要求1所述的具有减缓农业面源污染功能的农田布局方法，其特征在于所述隔离装置高度为20～25cm。
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