CN105659962B

CN105659962B - 一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法

Info

Publication number: CN105659962B
Application number: CN201610019955.0A
Authority: CN
Inventors: 崔远来; 赵树君; 董斌; 茆智; 杨洋; 罗玉峰; 许亚群; 刘方平
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2036-01-13
Also published as: CN105659962A

Abstract

本发明公开了一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法，从农业面源污染流出农田到进入下游受纳水体的整个过程入手，提出三道防线的具体减污技术，以田间节水灌溉与水肥综合调控减少农业面源污染排放的源头控制为第一道防线，生态沟对农业面源污染的去除净化为第二道防线，塘堰湿地对农业面源污染的去除净化为第三道防线，三道防线之间为串联关系，即首端为第一道防线，其次联接到第二道防线，最后联接到第三道防线。本发明方法对农业面源污染中的氮磷排放净化效果好，提高了氮磷利用率，建设成本和运行成本均较低廉，丰富了水稻灌区植物多样性，适合在南方种植水稻的地区进行推广。

Description

一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法

技术领域

本发明涉及农业水利技术领域，具体地说是涉及一种综合源头控制、生态沟及塘堰湿地三道防线的水稻种植区农业面源污染生态治理方法，尤其适用于南方水稻灌区农业面源污染的治理。

背景技术

近年来，由于土地资源的限制，提高粮食单产是我国提高粮食产量的主要措施，目前增加粮食单产的措施之一是肥料等资源的高投入，造成资源利用率低及环境污染加剧。据统计，目前我国单位面积化肥投入为世界平均水平的2.6倍，化肥投入过量已成为农业面源污染的主要原因之一，必须提高肥料养分利用效率。由于过量施肥、过量施药及水肥管理措施不当，我国来自农田的面源污染排放占农业面源污染的30%以上，水稻种植区的氮磷面源污染排放尤其严重。

目前,水稻种植区中存在水肥资源管理不合理的问题，导致水稻种植耗水量大且水资源浪费严重；而肥料的施用以底肥为主且追肥比例不合理，导致肥料利用率偏低，其流失还加重了农业面源污染。与此同时，水肥的不合理使用还降低了水稻产量。

水稻种植区中的排水系统和塘堰湿地可用于农业面源的去除^[1-3]，但现有未加改进的排水沟和塘堰还存在不少问题。例如，现有的排水沟：（1）采取横断面衬砌使排水沟不具有生态功能，不利于动植物生长；（2）天然的窄深式横断面边坡较陡，排水沟易淤积泥沙和边坡坍塌；（3）边坡长有无明显去污效应的杂草，不利于污染物的去除和净化；（4）无合理的控制建筑物，排水不能被有效再利用。

同时，现有的塘堰主要存在以下问题：（1）日常水位较深，不利于水生植物尤其是挺水植物的生长，造成去污功能下降；（2）平面形态不规整，水流流径通常较短，存在“死水区”等无法流经的区域，去污潜力不能充分发挥；（3）单块塘堰面积大小不合理：面积过小容易淤塞，面积过大则日常水位较高影响植物生长且占地面积较大不利于推广。

当前，塘堰湿地对农业面源污染去除的研究极少，关于排水沟改造成生态沟治理农业面源污染已有不少实践，但仅是从该单一环节进行污染净化，并未结合农业面源污染的源头控制和塘堰湿地的去污功能，因此，水稻种植区中农业面源污染的治理能力仍有很大的提升空间。

参考文献：

1. 沟渠及塘堰湿地系统对稻田氮磷污染的去除实验[J].农业环境科学学报,2011,30(9):1872-1879.

2. 生态灌区农田排水沟塘湿地系统的构建和运行管理[J]. 中国农村水利水电,2012.

3. 沟塘湿地对农田面源污染的降解试验[J]. 水电能源科学,2012,30(10).

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法。

本发明的技术方案为：

一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法，包括三道防线：第一道防线为农业面源污染的源头控制，即通过田间节水灌溉与田间水肥综合调控减少氮磷流失；第二道防线为生态沟对农业面源污染的去除净化；第三道防线为塘堰湿地对农业面源污染的去除净化；三道防线之间为串联关系，即首端为第一道防线，其次联接到第二道防线，最后联接到第三道防线。通过三道防线的协同运行，采用生态方法达到削减和治理农业面源污染的目的。

所述第一道防线为农业面源污染的源头控制，即通过田间节水灌溉与田间水肥综合调控减少氮磷流失，其设计方案主要包括：

（1）水稻田间节水灌溉，采用干湿交替间歇灌溉方法，即在水稻返青期保持10~40mm水层，分蘖末期晒田3~7天，黄熟期自然落干；其余阶段，灌水后水层深度达30~40mm，至水层消耗完并使土壤含水率下降到饱和含水率的80％左右时再次灌水，如此进行反复地干（无水层，土壤水分在饱和含水率以下）湿（有水层）交替。在这些阶段的无雨条件下，一般每隔6~8天灌水一次，灌水量50~60mm，形成每次灌水后田间有水层4~5天、无水层2~3天，反复进行。为了减少氮磷等养分的源头流失，采用浅水层泡田，并缩短泡田时间，尽量减少施入基肥通过渗漏及田面排水流失。泡田时间早稻以2~3天为宜，晚稻1~2天为宜，泡田水深在满足耕作的前提下尽量浅，土地平整后田面保持20~30mm的水层。

（2）水稻氮肥分次施用，氮肥采用施基肥与二次追肥的方法，即第一次追肥在分蘖初期，即插秧后10~12天左右（分蘖肥），第二次在拔节初期（约插秧后35~40天左右，拔节孕穗肥）。各地农民原有施肥习惯之总施肥量（其中氮肥为150~225kg/公顷）不变，但氮肥在基肥量中占50％左右，二次追肥比例分别为30%、20%。即基肥：分蘖肥：拔节肥=5：3：2。其他钾肥、磷肥的施肥量及时间与各地农民原有施肥习惯一样。

（3）按以上水稻水肥综合调控方法进行水肥管理，每次追肥时，根据天气预报选择适宜的时机。要求追肥时田面有水层，以利于肥料养分溶解于水并分布均匀，但田面水层不宜太深，以控制在30mm以内为宜，同时特别要避免施肥后2~3天之内由于降雨而产生田面排水，引起肥料养分流失，因为一般施肥2~3天之内，田间水层及土壤溶液中氮磷浓度很高。

所述第二道防线为生态沟对农业面源污染的去除净化，包括生态沟的设计和运行技术要点两部分。所述生态沟设计方案主要包括：

（1）总体原则：避免进行硬化处理，在满足设计排涝排渍要求前提下，尽量采用宽浅式横断面，采用较平缓的纵坡；生态沟主要由排水沟主体、生态沟护坡型式、排水沟种植泥、沟底部的水生植物以及每隔一段距离设置的多级闸板构成。

所述生态沟的具体设计技术要点如下：

（a）按照排涝排渍标准要求，设计生态沟成梯形横断面或者复式断面。

（b）生态沟在满足《灌溉与排水技术规范》排水要求的基础上，底坡适当平缓，以利于植物生长。

（c）为防止沟坡坍塌及有利于植物生长，采用可降解的生态袋填装混有草籽的土之后，呈阶梯状垒叠在生态沟两岸作为护岸，通水后草籽发芽生长，形成沟中湿地植物。

（d）生态沟中的湿地植物，以主要沉水植物或挺水植物为宜。比如苦草、金鱼藻、水蕴草、黑藻、狐尾藻、菹草（沉水植物）；菖蒲、灯芯草、莲藕、香蒲、鸢尾（挺水植物）；睡莲等浮水植物。

（e）在生态沟中每隔300~500m设置拦水闸，该闸门采用多级闸板，可对生态沟中水位进行调节，日常水位维持在20~60cm为宜。

（f）根据需要，在闸门一侧设置量水刻度，便于进行水量计量。

所述生态沟的运行技术要点主要包括：

（1）优选地，在汛期时打开所有级别的闸板，让排水快速通过，满足排涝的要求。

（2）优选地，在日常情况且满足排渍目标的前提下，根据排水流量大小，通过闸板控制不同的沟中水深，降低水流速度，增加水流停留时间，达到对氮磷面源污染充分净化的效果。

（3）优选地，植物收割期定在11月左右，对生态沟中的植物进行收割，防止沟中植物地上部分死亡以后，残体发生分解造成营养物质的释放，产生二次污染。同时，若植物为经济作物，及时收割可以产生经济效益。

（4）对于多年运行后的生态沟湿地应做清淤处理，对底泥进行疏浚，深度宜控制在20~60cm的范围，底泥疏浚可以有效降低底层水体的耗氧量和腐殖质的含量，并有利于沉水植物的恢复。疏挖出的淤泥应合理处置，防止影响农作物耕种、边坡稳定以及造成水土流失。

所述第三道防线为塘堰湿地对农业面源污染的去除净化，包括塘堰湿地的设计和运行技术要点两部分；所述塘堰湿地主要由塘堰主体、塘堰草皮生态护坡、塘堰底种植泥以及水生植物构成。所述塘堰湿地的设计方案主要包括：

（1）单个塘堰湿地面积：根据拦截稻田排水面积及地表径流的大小，一般每个塘堰面积300m²~1000m²。

（2）稻田与塘堰湿地面积比：75%保证率下，对应的稻田与湿地面积比为8:1；50%保证率下，稻田与湿地面积比控制在12:1 较适宜；25%保证率下，稻田与湿地面积比为16:1。因此，综合考虑合理利用土地及达到适宜的净化效果，一般按15:1~20:1。

（3）塘堰湿地平面形状：一般应根据自然形成的洼地修建塘堰湿地，其形状根据自然形成的洼地扩建而成。在完全平整的土地上新修塘堰湿地宜采用椭圆形，椭圆的长短比在3:1左右，宽度在10m以上，并使进出水流通道沿椭圆的长边方向，这样有利于延长水力停留时间。

（4）边坡系数：塘埂边坡应根据稳定性计算确定，一般迎水面边坡不陡于1:1，背水面边坡不陡于1:1.5。

（5）边坡护坡型式：塘埂的护坡型式除必须采用硬护坡的塘埂外，应采用草皮生态护坡等。背水面坡脚可根据需要设反滤、排水设施。迎水面上部草坡生态护坡不宜低于1m。

（6）蓄水深度：塘堰湿地水深推荐设置为：植物全部覆盖区水深0.6~0.9m，无植物覆盖区水深1.2~1.5m，进口区域水深1.0m。一般0.6m~1.5m，如兼有蓄水灌溉的要求，可适当增加蓄水深度。

（7）塘堰湿地植物：选择适宜当地种植的植物。在南方湿润地区，适宜的湿地塘堰植物为白莲、莲藕、菖蒲、茭白等。

所述塘堰湿地的运行技术要点主要包括：

（1）总体运行规则：塘堰蓄水在正常蓄水位（设计水位）以下，尽量拦截田面排水和地表径流，储蓄在塘堰湿地中进行自然净化处理，并重复应用于灌溉；超过正常蓄水位时，将经过湿地净化后的储水预先排出，腾空部分库容，以便拦蓄下一阶段污染负荷较大的田面排水。

（2）塘堰湿地的水力停留时间：排水进入塘堰湿地后3~4天内，随水流停留时间延长农业面源污染的去除率总体呈上升趋势，之后，去除效果没有随水流停留时间延长而明显改善，即湿地最佳水力停留时间为3~4天。如果达不到3~4天的水力停留时间，宜通过塘堰湿地的出口闸阀进行调控，使排水进入塘堰湿地3~4天后再排出。

（3）水流方向：为增加水力停留时间，提高净化效率，应使水流沿塘堰湿地的最长方向进出湿地，也即使水流通过塘堰湿地的通道尽量长。为达到此目的，可考虑在塘堰湿地中修建导水墙或小岛，以延长水流路径。

（4）水量分配：为使净化效果最佳，应尽量使进出塘堰湿地的水能够均匀分配，同时避免湿地中出现水流的“死区”，可设置多个进出水口。

（5）植物收割：在11月后对湿地中植物进行收割，防止塘堰湿地中植物死亡后，残体发生分解造成营养物质的释放，产生二次污染。同时，若植物为经济作物，及时收割可产生经济效益。

（6）清淤：对于多年运行后的塘堰湿地，应对底泥进行疏浚，深度宜控制在20~60cm的范围，底泥疏浚可以有效降低底层水体的耗氧量和腐殖质含量，并有利于沉水植物的恢复。疏挖出的淤泥应结合周边地形地貌及作物类型，合理进行处置。防止影响农作物耕种、塘岸稳定以及造成水土流失。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

1）方法创新：目前针对单一环节（防线）对氮磷面源污染的净化效果有一些初步研究，然而，很少将源头控制、生态沟及塘堰湿地去除到进入水体的整个过程综合治理。本发明综合了农业面源污染源头控制、生态沟及塘堰湿地三道防线，从田间节水灌溉与水肥综合调控减少农业面源污染排放的源头控制（第一道防线），生态沟对农业面源污染的去除净化（第二道防线），塘堰湿地对农业面源污染的去除净化（第三道防线），从农业面源污染流出农田到进入下游受纳水体的整个过程入手，最大限度减少农业面源污染对水体造成危害。

2）治污效果理想：一种水稻种植区农业面源污染治理方法对水体中氮磷有较好净化效果，三道防线去除农业面源污染效果见表1。

表1 三道防线去除农业面源污染效果

三道防线	总氮减排率	总磷减排率
			田间源头	24.4%	14.9%
生态沟	23.7%	14.9%
			塘堰湿地	65.7%	64.0%
总体	80.2%	73.9%

其中，三道防线的总体的总氮减排率的计算公式为：RE _t=1－(1－RE _f)(1－RE _d)(1－RE _p)，式中，RE _t、RE _f、RE _d、RE _p分别为总体、田间源头、生态沟及塘堰湿地的总氮减排率。三道防线的总体的总磷减排率的计算公式同上。

附图说明

图1是本发明一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法工艺流程图；

图2是本发明一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法整体流程图；

图3是本发明一种田间水肥综合调控方法图；

图4是本发明一种生态沟横断面图；

图5是本发明一种生态沟纵断面图；

图6是本发明一种塘堰湿地横剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例1对本发明作进一步描述：

实施例1：

一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法，具体如下：

A、将面积为1万亩的示范区划分为10块，并将整个示范区内的塘堰、生态沟分段进行治理与生态修复，工艺流程和整体流程分别见图1和图2。

B、第一道防线：从水稻高产的角度出发，开展节水灌溉与合理施肥的源头控制，即水肥综合调控方法，具体方法如图3所示。稻田采用间歇灌溉，在水稻返青期保持10~40mm水层，分蘖末期晒田3~7天，黄熟期自然落干；其余阶段，灌水后水层深度达30~40mm，至水层消耗完并使土壤含水率下降到饱和含水率的80％左右时再次灌水，如此进行反复地干（无水层，土壤水分在饱和含水率以下）湿（有水层）交替。

C、氮肥肥料配比为基肥：蘖肥：穗肥=5：3：2，并进行二次追肥，施氮量定在180kg/hm²左右；与传统水肥方法相比（淹灌，氮肥肥料配比为基肥：蘖肥=1：1，只有一次追肥，施氮量为180/hm²），总氮流失总量早晚稻合计每年平均减排3.12kg/ hm²，平均减排率24.4%；总磷流失总量早晚稻合计每年平均减排0.077kg/ hm²，平均减排率14.9%。

D、第二道防线：建立生态沟，共分为5段，长度介于65m~175m，全长620m。生态沟断面形式因地制宜的选择梯形断面、矩形断面和阶梯状复式断面，边坡设置为1:0.5~1:1，底宽B介于0.8m~1.6m，设计水深H介于0.5m~1.0m，并在坡脚处种植湿地植物，生态沟横断面如图4所示。

E、在生态沟内种植湿地植物，有利于生态沟对氮磷净化的湿地挺水植物首选高杆灯芯草和茭白（一丛2m²），依次交替带状种植；沉水植物为苦草、狐尾藻和水蕴草，沉水植物栽种在挺水植物空隙中。

F、如图5所示，在生态沟中每隔30m设置拦水闸，闸门采用多级闸板对生态沟水位进行调节，同时在生态沟出水口处设置量水建筑物并用小闸门做进水控制。11月份后对生态沟中的植物进行收割，防止沟中植物地上部分死亡后，残体发生分解造成营养物质的释放导致二次污染，同时可带来额外经济效益。示范生态沟对农田排水总氮和总磷的去除率分别达到23.7%，14.9%。

G、第三道防线：在生态沟出口处设置塘堰湿地，稻田与湿地面积比为12:1，塘堰湿地横剖面图见图6。采用自由表面流人工湿地（塘堰湿地），即格栅池+自由表面流人工湿地。污水通过生态沟汇集后先经过格栅去除污水中大的漂浮物、悬浮物，随后自流自由表面流人工湿地（塘堰湿地）进行处理。

H、塘堰湿地先修整边坡并进行清淤，后在塘堰湿地进水口处种植茎叶粗壮、生物量大的湿地植物美人蕉，塘堰四周种上湿地植物，三种湿地植物依次交替带状种植，分别为莲藕、茭白、常绿植物西伯利亚鸢尾。再次、塘堰湿地由西至东两块中央各栽植2m²浮水植物睡莲，睡莲采取局限性栽植。其中，茭白和莲藕具有较好的经济价值，适合推广。

I、塘堰湿地采用蓄水减污管理方法和非蓄水减污管理方法结合，水力停留时间设置为3~4天，超过5天湿地对总氮和总磷的去除率增幅明显变慢，同时，塘堰湿地最佳水位应为40cm；在夏季降雨量较大情况下，采用蓄水减污管理方法，总氮、总磷去除率达到70%和40%；在非雨季和平时小流量稻田排水情况时，采用非蓄水减污管理方法，塘堰湿地对排水总氮和总磷的去除率分别达到了52.7%和50%，净化效果好。

Claims

1.一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法，其特征在于：包括三道防线：

第一道防线为农业面源污染的源头控制，即通过田间节水灌溉与田间水肥综合调控减少氮磷流失；所述田间节水灌溉方法采用干湿交替间歇灌溉方法，所述田间水肥综合调控为水稻氮肥的分次施用技术，氮肥采用施基肥与二次追肥的方法；

第二道防线为生态沟对农业面源污染的去除净化，包括生态沟的设计和运行技术两部分；所述生态沟的设计，包括生态沟的断面形式、生态护坡方法、以及在生态沟中种植湿地植物并设置拦水闸；所述生态沟的运行技术，是通过控制拦水闸来调节沟中水位、水流速度以及水力停留时间；

第三道防线为塘堰湿地对农业面源污染的去除净化，包括塘堰湿地的设计和运行技术两部分；所述塘堰湿地的设计，包括稻田与塘堰湿地面积比、塘堰湿地平面形状、边坡系数和蓄水深度；所述塘堰湿地的运行技术，包括控制塘堰湿地的水力停留时间和水流方向；

三道防线之间为串联关系，即首端为第一道防线，其次联接到第二道防线，最后联接到第三道防线。

2.根据权利要求1所述的一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法，其特征在于：田间节水灌溉主要采用干湿交替间歇灌溉方法；在水稻返青期保持10~40mm水层，分蘖末期晒田3~7天，黄熟期自然落干；其余阶段，灌水后水层深度达30~40mm，至水层消耗完并使土壤含水率下降到饱和含水率的80％左右时再次灌水，如此进行反复地干湿交替。

3.根据权利要求1所述的一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法，其特征在于：田间节水灌溉过程中采用浅水层泡田，泡田时间早稻以2~3天为宜，晚稻1~2天为宜，泡田水深在满足耕作的前提下尽量浅，土地平整后田面保持20~30mm的水层；要求追肥时田面有水层，控制在30mm以内为宜，同时要避免施肥后2~3天之内由于降雨而产生田面排水。

4.根据权利要求1所述的一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法，其特征在于：田间水肥综合调控过程中，氮肥采用施基肥与二次追肥，第一次追肥在分蘖初期，第二次追肥在拔节孕穗初期，故第一次追肥也称蘖肥，第二次追肥也称穗肥，所施氮肥总量为150~225kg/hm²，氮肥肥料配比为基肥：蘖肥：穗肥=5：3：2。

5.根据权利要求1所述的一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法，其特征在于：生态沟的设计中，采用宽浅式横断面和较平缓的纵坡，并使用可降解的生态袋填装混有草籽的土，呈阶梯状垒叠在生态沟两岸作为护岸，通水后草籽发芽生长形成沟中湿地植物。

6.根据权利要求1所述的一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法，其特征在于：生态沟中每隔300~500m设置拦水闸，该拦水闸采用多级闸板对生态沟中水位进行调节，日常水位维持在20~60cm。

7.根据权利要求1所述的一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法，其特征在于：塘堰湿地的平面形状，当根据自然形成的洼地修建塘堰湿地时，塘堰湿地的平面形状根据自然形成的洼地扩建而成；在完全平整的土地上新修塘堰湿地时，塘堰湿地的平面形状宜采用长轴与短轴长度比为2:1~5:1，短轴长度在10m以上的椭圆形；稻田与塘堰湿地面积比为15:1~20:1；塘堰湿地的塘埂边坡迎水面边坡不陡于1:1，背水面边坡不陡于1:1.5；塘堰湿地水深设置为0.6m~1.5m。

8.根据权利要求1所述的一种水稻种植区农业面源污染生态治理方法，其特征在于：塘堰湿地在运行过程中，水在塘堰湿地的水力停留时间为3~4天；水流方向应使水流沿塘堰湿地的最长方向进出湿地，即水流通道沿椭圆形塘堰湿地的长轴方向布置。