CN103086513B - 一种控制农业面源污染提高农田n、p利用率的生态沟渠 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠。本发明的控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠针对农业面源污染的特点，利用生态学原理和生物学特性，通过提高沟渠湿地生态系统生物量，利用系统协同作用，实现对水体污染物质的阻挡、降解、吸收、利用，达到减少排出水体中污染物质，提高农田氮、磷利用率。
Description
技术领域：
本发明属于面源污染控制和水污染生物处理技术领域，特别涉及一种控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠，适用于N、P利用率低、农业污染严重的耕作区。
背景技术：
随着农业的发展，化肥和农药的施用量增加，面源污染负荷所占比重逐年增大，成为水体污染的主要来源之一，并已成为当今世界普遍存在的严重环境问题，对控制面源污染技术和措施的研究，成为当前备受关注的主要环境问题。相对于控制点源污染，在很多方面控制面源污染的难度更大，目前尚没有统一的适用方法进行较好的治理。
国内外目前主要采用较为成熟的人工湿地、前置库、植被缓冲带、水陆交错带、水土保持和农业生态工程等生态工程进行面源污染的治理。国内外已有大量关于湿地去除氮、磷营养物的机理及去除能力的研究，充分肯定了湿地在净化面源污染方面所发挥的作用，但长期以来，人们忽视了沟渠湿地生态系统的净化能力。
近年来国内外诸多学者就利用沟渠来处理污水进行了相关研究。如《用于农田非点源污染控制的生态拦截型沟渠系统及其效果》结合太湖地区实际情况提出了一种新的生态工程学解决办法，并通过试验表明该沟渠系统对农田径流中氮、磷的去除效果明显。《水生植物对农田排水沟渠中氮、磷的截留效应》通过动态模拟实验研究对比不同排水沟渠对农田流失氮、磷的截留作用，同时通过静态模拟实验重点探讨了水生植物对氮、磷在水-沉积物-水生植物微观系统中的截留机理，结果表明沟渠中茭白和菖蒲对氮、磷的截留和转化效果明显，水生植物可使水中氮、磷快速减少。《生态沟渠对农田排水中氮磷的去除机理初探》通过实验研究表明生态沟渠对农田排水中氮磷的高效去除机理主要在基质吸附和植物吸收、减缓流速和沉降泥沙等方面。《珠三角典型稻田生态沟渠型人工湿地的非点源污染削减功能》提出了一种适应珠三角地区的生态沟渠型人工湿地构建技术，并进行了示范工程建设和防治效果评价，结果表明该沟渠对营养型和颗粒态污染物净化效果较好，对有机型污染物净化效果有限。
目前，生态沟渠的发明也为解决农业面源污染问题提出了很好的思路，如CN 1621622A公开了一种平原河网区面源污染强化净化前置库系统，其特点是由生态沟渠、沉降子系统、生态透水坝和前置库库区四部分依次串联共同发挥作用；CN 101696059A公开了一种阻控农业面源污染的生态沟渠，其特点是适用于山地、丘陵农业耕作区流域，在流域集水区构建人工沟渠，在径流入口处设物理格栅，并在格栅间放置生物球，格栅下部设沉淀池，沟渠中种植挺水植物、漂浮植物和沉水植物，沟渠侧壁镶嵌生物球，污水中接种附生藻菌和浮游藻菌类，通过利用微生物、水草和藻类的生命活动规律实现对水体污染物的阻拦、降解、吸收和利用。
目前，国内外学者对生态沟渠的研究主要集中在生态沟渠的净化机理、生态沟渠种植植物的净化效果等方面，而在沟渠的设计及对农业面源污染物的净化效果方面研究相对较少。
已发明的生态沟渠因农业面源污染和人地矛盾的区域差异，占地面积大，缺乏普遍利用性和持续利用性等问题有待进一步改善。
发明内容：
为了解决上述现有技术存在的占地面积大，缺乏普遍利用性和持续利用性等问题，本发明提供了一种集约用地，控制农业面源污染，提高农田N、P利用率，可持续利用的控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠。
本发明针对农业面源污染的特点，利用生态学原理和生物学特性，通过提高沟渠湿地生态系统生物量，利用系统协同作用，实现对水体污染物质的阻挡、降解、吸收、利用，达到减少排出水体中污染物质，提高农田氮、磷利用率的目的，从而实现了本发明的目的。
本发明的控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠，包括沟渠，其特征在于，所述的沟渠包括渠壁上部、渠壁下部和渠底，渠壁上部和渠壁下部是以枯水期水位为界，渠壁上部由中部具有孔的生态混凝土预制板块排列而成，渠壁下部和渠底用碎石或卵石铺设，在渠壁上部的生态混凝土预制板块的孔和生态混凝土预制板块之间的空隙处、渠壁下部和渠底的碎石或卵石之间的空隙处填充耕作土，然后在渠壁上部、渠壁下部和渠底的耕作土上种植挺水植物，在渠底养殖浅水水产品，沿沟渠水流方向在沟渠侧壁每隔30～50米设置生态阶梯连通渠底和渠顶，生态阶梯的阶梯平面上具有凹槽，凹槽中具有耕作土，在耕作土上种植浅水水底菌藻，在沟渠沿水流方向每隔50～100米拦有生态混凝土制成的生态板，其高度略低于丰水期水位，生态板的上部具有若干个生态孔，其高度略高于枯水期水位，在生态板顶端设有凹槽，凹槽内具有种植土，在种植土上种植有挺水植物，形成植物栅栏。
所述的中部具有孔的生态混凝土预制板块优选为正六边形，孔的数量为3～6个，均匀分布。所述的中部具有均匀分布的3～6个孔的生态混凝土预制板块由植物相容型生态混凝土筑造。该生态混凝土预制块不仅能减少水流对沟渠侧壁的冲刷，而且能保障沟渠侧壁两侧的物质能量交流，生态混凝土沟渠侧壁具有大量孔隙，有利于作物多样性生长。生态混凝土预制板块中部的孔具有良好的透气、透水等性能，渗透植物所需营养，适应绿色植物生长、可进行植被作业，具有保护环境、改善生态条件的功能。
所述的种植于渠壁上部的挺水植物为空心菜、豇豆等本土具有经济价值的植物。将植物合理搭配种植，充分利用有限空间，增加生物量，不仅能有效净化排水水质，还能增加经济收入。
所述的种植于渠壁下部的挺水植物为水芹等本土具有经济价值的植物，种植于渠底的挺水植物为茭白。
所述的浅水水产品为螺蛳、鲫鱼、泥鳅等水底生物，它们是湿地生态系统的一部分，它们的加入有利于沟渠湿地生态系统的稳定，促进沟渠排水污染物的净化。
生态阶梯一方面能减缓局部水流速度，促进对排水污染物的吸附、降解，为菌藻提供营养物质，另一方面有利于青蛙、蚯蚓、蛇等渠底动物迁移。
所述的生态板，其高度优选为沟渠深度的五分之三，略低于丰水期水位，用于减缓水流速度，使沟渠更充分地发挥其湿地生态系统的功能，沟渠中植物、底泥和生态板更充分地吸收和阻截沟渠排水中的污染物，生态板的厚度优选为0.15～0.25米，其顶端的凹槽深度为0.10～0.15米，凹槽内种植茭白等挺水植物形成生态板上部的植物格栅，用于阻挡较大体积的漂浮污染物，所述的若干个生态孔，其为3～5个，直径为0.03～0.06米的圆形孔，其高度略高于枯水期水位，生态板将沟渠中的水流截住，使其从生态孔中流出。
本发明的控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠针对农业面源污染的特点，利用生态学原理和生物学特性，通过提高沟渠湿地生态系统生物量，利用系统协同作用，实现对水体污染物质的阻挡、降解、吸收、利用，达到减少排出水体中污染物质，提高农田氮、磷利用率。
附图说明：
图1是本发明的控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠的结构示意图；
图2是生态混凝土预制板块的结构示意图；
图3是生态沟渠的侧壁结构示意图；
其中1、渠壁上部；2、渠壁下部；3、渠底；4、生态混凝土预制板块；5、渠壁上部的挺水植物；6、渠壁下部的挺水植物；7、浅水水产品；8、生态阶梯；9、生态板；10、生态孔；11、植物栅栏；12、渠底的挺水植物。
图4是悬浮物浓度变化趋势曲线图；
图5是总氮浓度变化趋势曲线图；
图6是总磷浓度变化趋势曲线图；
图7是沟渠底泥中氮、磷变化趋势图。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
将本发明的控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠应用于某地农业面源污染拦截工程进行试验研究。研究范围长约2000米，宽约1000米，总面积2.00平方公里。据相关研究表明，试验区域平均水土流失厚度为0.40cm/a，平均流失量为5000t/(hm.a)，磷的平均流失量为2.23t/(hm.a)，氮的平均流失量为7.90t/(hm.a)。据调查，该区域沟渠枯水期水位为0.3～0.4米，丰水期水位为0.8～1.2米。
如图1、图2和图3所示，本发明根据该区域土壤营养成分流失情况，设计一条用于控制农业面源污染的控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠，该生态沟渠包括沟渠，所述的沟渠包括渠壁上部1、渠壁下部2和渠底3，渠壁上部1和渠壁下部2是以枯水期水位为界，渠壁上部1由中部具有孔的生态混凝土预制板块4按照图3所示的方式排列而成，渠壁下部2和渠底3用碎石或卵石铺设，在渠壁上部1的生态混凝土预制板块4的孔和生态混凝土预制板块4之间的空隙处、渠壁下部2和渠底3用碎石或卵石之间的空隙处填充耕作土，然后在渠壁上部1、渠壁下部2和渠底3的耕作土上分别种植挺水植物，在渠底养殖浅水水产品7，沿沟渠水流方向在沟渠侧壁每隔30～50米设置生态阶梯8连通渠底3和渠顶，生态阶梯8的阶梯平面上具有凹槽，凹槽中具有耕作土，在耕作土上种植浅水水底菌藻，在沟渠沿水流方向每隔50～100米拦有生态混凝土制成的生态板9，其高度略低于丰水期水位，生态板9的上部具有若干个生态孔10，其高度略高于枯水期水位，在生态板9顶端设有凹槽，凹槽内具有种植土，在种植土上种植有植物，形成植物栅栏11。
以下对本实施例的控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠的各个结构单元进行详细描述。
自然沟渠的渠壁是自然和历史结合的产物，经常年水力冲刷，主要由土壤、砂石和土著植物构成。沟渠中土著植物对渠壁土壤具有一定保持作用，对沟渠排水中的农业污染物具有一定吸附和吸收作用。但丰水期沟渠排水量大，水体流速急，经冲刷大量泥沙随沟渠排水进入沟渠，增加水体泥沙负荷和水体营养负担。所以，针对该区域降水、地形等特点，用生态混凝土制成生态混凝土预制板块4，其结构如图2所示，形状为正六边形，边长为40厘米，为保障沟渠与周围土壤的物质、能量交换和枯水期农田景观的美观性，上述正六边形的生态混凝土预制板板4中间留有四个直径为0.05米的圆形孔，生态混凝土预制板块4的厚度为10厘米。将生态混凝土预制板块4按照如图3所示的组合方法排列固定形成渠壁上部1，在渠道下部2以直径0.02～0.03米的卵石铺设。以垂直高度0.3～0.4米为界将沟渠侧壁划分为渠壁上部1和沟渠下部2上下两部分。
为保持生态沟渠底部泥土，保障渠底的物质、能量交换，将渠底设计成用直径为0.02～0.03米的卵石铺设。
生态沟渠依据原有沟渠的自然状态，用小型挖掘机和人工挖掘对沟渠进行改造。沟渠深度为2米，沟底宽1.5米，生态沟渠侧壁与渠底的夹角为60度。将生态混凝土预制板块4铺设于沟渠侧壁，具体排列方式如图3所示，形成渠壁上部2。
为保障渠底动物的迁移活动，在沟渠侧壁上每隔30～50米交错设置生态阶梯8，该生态阶梯8用生态混凝土制成，它连接渠底3和渠顶，宽度约为0.1～0.2米，每一阶高度为0.03～0.05米，阶梯平面的宽度约为0.03～0.05米，在生态阶梯的阶梯面上具有凹槽，凹槽中具有耕作土，在耕作土上种植浅水水底菌藻。
根据实验区域降水和地形特点，每隔50～100米设置一个生态板9，用于减缓水流速度，加强对排水中污染物的吸附、吸收，降低排水中泥沙负荷和水体营养负担，收集排水中的营养物质以便返田再利用。生态板9的高度为0.8～1.2米，略低于丰水期水位，厚度为0.1～0.2米，其顶端凹槽宽度为0.06～0.14米，凹槽深度为0.1～0.2米，凹槽中添加0.04～0.1米的耕作土，并播种茭白等较挺拔的挺水植物；生态板9的生态孔10的高度为0.3～0.4米，生态孔10为3个，直径为0.03～0.06m，略高于实验区域枯水期水深高度，挺水植物能长成植物栅栏11。
生态沟渠框架建好后，将当地耕作土铺设于渠壁上部1的生态混凝土预制板4的孔以及生态混凝土预制板4之间的空隙，渠壁下部2和渠底3卵石间的空隙中。在渠底3播种挺水植物12，如茭白，其播种密度为20g/m2；在生态阶梯8的凹槽的耕作土中播种浅水水底藻菌，其播种密度为10g/m2；在渠底3放养螺蛳等浅水水底动物7，其养殖密度约为10只/m2。在渠壁下部2上播种挺水植物6，如水芹，其播种密度为20g/m2,，在渠壁上部1上播种空心菜，豇豆等挺水植物5，其播种密度分别为15g/m2和25g/m2。
本实施例的控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠A由自然沟渠改造形成，总长度为200米，用以上施工设计、程序和方法进行施工。本实验选择在植物生长旺盛，降水量较大的5、6、7月进行，历时90天。沟渠改造前的相关数据来源于与实验沟渠改造前环境相近的沟渠B。实验中分别对生态沟渠A和沟渠B下雨期间进、出口端流水的成分进行分析，主要包括对悬浮物浓度、总磷、总氮浓度以及底泥中氮磷含量的分析。分析结果见图4、图5、图6和图7。
从图4中可以发现，生态沟渠A改造前后出口处取水中的悬浮物浓度都比入口处取水中的悬浮物浓度要高。这是因为正值实验区域降雨高峰期，沟渠排水量大，流水冲刷力大，致使上游沟渠中泥沙随流水移动，水流速度较快，生态沟渠长度较短，流水在生态沟渠中的停留时间较短，导致拦截悬浮物的效果不明显。生态沟渠A和沟渠B排水中的总氮和总磷浓度的变化趋势相同，不同时间的样本分析结果都有所变化。从图5和图6中可知，实验第1天出水口取水中总磷和总氮浓度均高于入水口取水，分别是入水口取水中的1.4和1.6倍，植物生长45天的时候，出水口取水中总磷和总氮浓度分别是入水口取水中的1.3和1.5倍，在工程运行90天后，生态沟渠拦截污染物的浓度明显提升，出水口总磷和总氮浓度分别是入水口取水中的1.1和1.3倍。分析其原因主要是该生态沟渠A运行初期沟渠生态系统尚不稳定，植物处于成长期，新的生态沟渠A生态系统中生物量较小，随着时间的变化，气温上升，降雨增加，沟渠生态系统中的生物量迅速增加，沟渠生态系统日趋稳定，其拦截面源污染物的功能得以充分发挥。
如图7所示，实验前生态沟渠底泥中的氮、磷含量分别为95.12ppm和20.53ppm；实验期第45天，分别为98.57ppm和21.24ppm；实验期第90天，分别为100.42ppm和22.13ppm。
实验期生态沟渠共收获空心菜约260公斤，豇豆约100公斤，创造经济价值约1600元。这些经济作物吸收了沟渠排水中约15.60公斤的总氮和1.89公斤的总磷，减少了沟渠植物对沟渠排水造成的二次污染。
实验结果表明，针对农业面源污染问题设计的生态沟渠可用于实验区域农业面源污染的治理。人工新组建的沟渠生态系统需要一个过程，因此生态沟渠建设完成后，需要一定时间才能充分发挥沟渠生态系统的净化功能。实验期第45天生态沟渠已经表现出一定的净化功能，但因沟渠种植植物和其他群落都处于适应期，生物量较小，生态系统不稳定，其净化功能不明显；随着沟渠生态系统的稳定，沟渠中种植植物、藻菌等生物量增加，生态沟渠净化面源污染物的效果明显。
Claims (5)
1.一种控制农业面源污染提高农田N、P利用率的生态沟渠，包括沟渠，其特征在于，所述的沟渠包括渠壁上部、渠壁下部和渠底，渠壁上部和渠壁下部是以枯水期水位为界，渠壁上部由中部具有孔的生态混凝土预制板块排列而成，渠壁下部和渠底用碎石或卵石铺设，在渠壁上部的生态混凝土预制板块的孔和生态混凝土预制板块之间的空隙处、渠壁下部和渠底的碎石或卵石之间的空隙处填充耕作土，然后在渠壁上部、渠壁下部和渠底的耕作土上种植挺水植物，在渠底养殖浅水水产品，沿沟渠水流方向在沟渠侧壁每隔30～50米设置生态阶梯连通渠底和渠顶，生态阶梯的阶梯平面上具有凹槽，凹槽中具有耕作土，在耕作土上种植浅水水底菌藻，在沟渠沿水流方向每隔50～100米拦有生态混凝土制成的生态板，其高度略低于丰水期水位，生态板的上部具有若干个生态孔，其高度略高于枯水期水位，在生态板顶端设有凹槽，凹槽内具有种植土，在种植土上种植有挺水植物，形成植物栅栏；
所述的中部具有孔的生态混凝土预制板块为正六边形；
所述的生态板，其高度略低于丰水期水位，生态板的厚度为0.15～0.25米，其顶端的凹槽深度为0.10～0.15米，凹槽内种植茭白形成生态板上部的植物格栅，生态孔为直径为0.03～0.06米的圆形孔。
2.根据权利要求1所述的生态沟渠，其特征在于，所述的种植于渠壁上部的挺水植物为空心菜和豇豆。
3.根据权利要求1所述的生态沟渠，其特征在于，所述的种植于渠壁下部的挺水植物为水芹。
4.根据权利要求1所述的生态沟渠，其特征在于，所述的种植于渠底的挺水植物为茭白。
5.根据权利要求1所述的生态沟渠，其特征在于，所述的浅水水产品为螺蛳、鲫鱼、泥鳅。
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