CN107055797A

CN107055797A - 一种削减农田面源污染物的方法

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Publication number: CN107055797A
Application number: CN201710266774.2A
Authority: CN
Inventors: 万玉文; 茆智; 李新建; 崔远来; 粟世华; 余金凤; 赵树君; 甘幸; 魏保兴; 黄绘; 郭长强; 方崇; 潘乐
Original assignee: Guangxi College of Water Resources and Electric Power
Current assignee: Guangxi College of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2017-08-18
Anticipated expiration: 2037-04-21
Also published as: CN107055797B

Abstract

本发明公开了一种削减农田面源污染物的方法，包括以下步骤：S1.通过采用间歇灌溉结合分次施肥的方式降低农田的氮磷流失；S2.农田排出的水流入经过优化的排水草沟进行过滤；S3.排水草沟排出的水流入塘堰湿地，水生植物对污染物的沉降和吸附吸收；S4.塘堰湿地排出的水流入骨干生态沟，对湿地排出的水再次净化。

Description

一种削减农田面源污染物的方法

技术领域

本发明涉及降低农业排放污染物技术领域，具体涉及一种削减农田面源污染物的方法。

背景技术

近些年来，稻田施用化肥、农药过量，不仅利用率低，而且随稻田排水流失的氮磷等元素量大，造成严重的农业面源污染，因其随机性大、涉及范围广、排放点不固定、污染负荷的时空变幅大，污染控制和治理的难度与代价均比较大，已成为头号环境治理难题。我国《2010年第一次全国污染源普查公报》显示，2007年由农业形成的总氮、总磷排放量占污染物排放总量的57.2％、67.4％，可见农业面源污染已成为我国环境污染的主要来源。农业面源污染中，种植业主要水污染物流失量：总氮159.78万t，总磷10.87万t，占流失总量的33.8%和25.7%。其中，引起水污染物产生主要的原因是氮肥、磷肥没有得到农作物的有效吸收，而导致氮、磷流失，以及灌溉排水系统没有对农田排出的水进行有效处理。

传统灌溉排水系统的局限性：传统的灌溉排水系统是为适应传统的生产方式而发展起来，主要功能是将水源的水适时适量输送到农田，为作物产高产提供良好水分条件，又将农田多余水分及时排除，同时控制地下水位，以保持适宜高产水分条件，减少涝渍危害。其重点解决水少（干旱）、水多（涝、渍）和盐碱化的问题，与之相应的工程措施是灌溉渠道系统和排水沟道系统。传统的灌溉排水系统主要从水量方面调节土壤水分，除为盐碱化土壤改良外，没有考虑改善水质与环境问题，也没有提供有利于解决此问题的手段。即传统灌溉排水系统未能从根本上解决农田面源污染问题。因此，急需研究一种削减农田面源污染物的方法，既解决水量问题又解决水质问题。

发明内容

本发明提供了一种削减农田面源污染物的方法，能降低农田排水量，同时还能够有效降低农田面源污染物。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种削减农田面源污染物的方法，包括以下步骤：

S1.通过采用间歇灌的方式降低农田的氮磷流失；

S2.农田排出的水流入排水草沟，所述排水草沟纵断面为梯形，上底宽于下底0.05~0.2m，深度为0.2~0.5m，纵坡1/900~1/1500，长度为50~300m，排水草沟内种植有沉水植物；

S3.排水草沟排出的水流入塘堰湿地，塘堰湿地结构设置为前部浅、中部深、后部浅，前部和后部的平均水深为0.30~0.45m，中部的平均水深0.40~0.60m，塘堰湿地面积与承接排水的农田面积比为1：10~15，塘堰湿地中种植有水生植物；

S4.塘堰湿地排出的水流入骨干生态沟，所述骨干生态沟的纵断面为梯形，上底宽于下底0.6~1m，深度为1~2m，纵坡1/1500~1/2500，长度为80~300m，骨干生态沟中的水面低于骨干生态沟上底所在平面0.1~0.5m；骨干生态沟中种植有水生植物。

进一步的，所述步骤（1）中，氮肥分四次施入，当所述农田种植为水稻时，底肥施入氮肥总重量的25~32%，移栽后10～12 天施入氮肥总重量的25~32%作为分蘖肥，移栽后35～40天施入氮肥总重量的25~32%作为拔节肥，移栽后60～65天施入剩余的氮肥作为穗肥。

优选的，所述步骤（2）中，所述排水草沟纵断面的上底为0.3m、下底为0.2m、深度为0.25m，纵坡1/1000。

优选的，所述步骤（3）中，所述塘堰湿地的前部平均水深为0.30m，中部的平均水深为0.50m，后部的平均水深为0.30m，整个塘堰湿地的平均水深0.45m，塘堰湿地面积与承接排水的农田面积比为1：14。

优选的，所述步骤（4）中，骨干生态沟的纵断面上底为2 m、下底为1.2m、深度为1.2m，纵坡1/2000。

优选的，所述排水草沟内种植有包括野苦麻、水花生、辣草和水草在内的沉水植物；所述塘堰湿地中种植有包括美人蕉、茭白、莲藕、睡莲和水葫芦在内的水生植物；所述骨干生态沟中种植有包括水草、辣草和水葫芦在内水生植物。

优选的，所述排水草沟中，以排水草沟的长度计算种植密度，野苦麻的种植密度为1~2株/m，水花生的种植密度为8~12株/m，辣草的种植密度为18~25株/m，水草的种植密度为70~90株/m。

优选的，所述塘堰湿地划分为2~5块相互连通的塘堰部分，每个塘堰部分设有独立的进水口和出水口；至少其中一个塘堰部分种植有包括美人蕉、茭白和莲藕的水生植物，其中另一个塘堰部分种植有包括莲藕、睡莲和茭白的水生植物；在塘堰湿地中水生植物的种植密度为5~11株/m²。

优选的，所述骨干生态沟分为依次连通的前段生态沟、中段生态沟和后段生态沟，前段生态沟长度为1/50至1/20骨干生态沟的长度，中段生态沟长度为1/2至2/3骨干生态沟的长度，剩余为后段生态沟；以骨干生态沟的长度计算种植密度，前段生态沟中，水草的种植密度为70~90株/m，水葫芦的种植密度为40~50株/m；中段生态沟中，水草的种植密度为100~210株/m，水葫芦的种植密度为30~50株/m；后段生态沟中，水草的种植密度为15~40株/m，水葫芦的种植密度为30~50株/m。

本发明还进一步提供了塘堰湿地的另外一种设置方式，所述塘堰湿地划分为4块依次连通的1号塘堰部分、2号塘堰部分、3号塘堰部分和4号塘堰部分；所述1号塘堰部分和3号塘堰部分从上部进水，下部出水，种植浮叶植物、沉水植物、漂浮植物和采用无土栽培漂浮于水面上的蔬菜中的一种或多种；所述2号塘堰部分和4号塘堰部分从下部进水，上部出水，种植挺水植物；所述浮叶植物包括睡莲，所述沉水植物包括黑藻和狐尾藻；所述漂浮植物包括水葫芦；所述蔬菜包括空心菜、西洋菜、生菜；所述挺水植物包括芦苇和芦竹。

以上所述的削减农田面源污染物的方法，具有以下优点：

（1）本发明从产生农田水污染物的源头进行控制，通过改良水肥管理模式提高氮肥、磷肥其他肥料的利用率，降低氮、磷的排放量。

（2）本发明设置了合理的排水草沟的过流断面，梯形断面有利于植物的生长，且配合合适的断面上底、下底、高以及纵坡，保证了进入和排出排水草沟的水流量适宜，另外还在排水草沟中种植了沉水植物，实现了对农田排水的第一层过滤，对农田排水的总氮和总磷负荷削减率分别为21.84%和25.85%。

（3）本发明在排水草沟后面设置了塘堰湿地，在塘堰湿地中种植水生植物，且做出了前部浅、中部深、后部浅的结构设计，提高了水生植物对污染物的沉降和吸附吸收时间，实现了对农田排水的第二层过滤，对总氮和总磷负荷的削减率均达到了23%左右。

（4）本发明在塘堰湿地后面设置了生态骨干沟，生态骨干沟设计了合理的断面，保持合理的水流流速，并在生态骨干沟中不同地段种植不同的水生植物，实现了对农田排水的第三层过滤，骨干生态沟对总氮和总磷负荷削减率分别达到16.25%和14.36%。

（5）本发明中的排水草沟可以利用现有的排水系统，塘堰湿地可以利用南方现有的水塘和洼地改造，生态骨干沟可以充分利用目前田间排水沟道，投资少，见效快，有利于在南方大规模推广。

（6）本发明相当于设置有“四道防线”：第一道防线，田间节水减排，田间节水灌溉、控制排水结合水肥高效利用，系减少面源污染排放的源头控制；第二道防线，排水草沟，主要承接农田地表排水、地下渗漏水而将其引入塘堰湿地，对田间排水进行净化；第三道防线：塘堰湿地，通过植物吸收、底泥吸附、微生物降解等综合作用，对排水进行净化；第四道防线，生态骨干沟，将塘堰湿地排水带入各类容泄区系，对湿地排出的水再次净化。通过上述四道防线，能降低农田排水量，同时能有效降低农田面源污染物，既解决水量问题又解决水质问题。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于以下实施例。

实施例1

一种削减农田面源污染物的方法，包括以下步骤：

S1.灌溉方式：通过采用间歇灌的方式降低农田的氮磷流失；施肥方式：四次施入氮肥的施肥方法，底肥施入氮肥总重量的30%，移栽后10～12 天施入氮肥总重量的30%作为分蘖肥，移栽后35～40天施入氮肥总重量的30%作为拔节肥，移栽后60～65天施入氮肥总重量的30%作为10%的穗肥，即4次氮肥施肥比为3:3:3:1。

S2.农田排出的水流入排水草沟，所述排水草沟纵断面为梯形，上底为0.3m、下底为0.2m、深度为0.25m，纵坡1/1000，长度为96.5m，排水草沟内种植有沉水植物，沉水植物实地测量结果见表1；

表1 草沟植物平均高度及密度

植物种类	平均高度（cm）	密度（株/m）
			水草	30	80
水花生	40	10
			辣草	40	21
野苦麻	30	1

S3.排水草沟排出的水流入塘堰湿地，塘堰湿地结构设置为前部浅、中部深、后部浅，前部和后部的平均水深为0.30m，中部的平均水深0.50m，整个塘堰湿地的平均水深为0.45m；塘堰湿地面积与承接排水的农田面积比为1：14；塘堰湿地划分为相互连通的1号塘堰部分和2号塘堰部分，1号塘堰部分为225m²，2号塘堰部分为192m²，每个塘堰部分设有独立的进水口和出水口；至少其中1号塘堰部分种植有美人蕉、茭白和莲藕，2号塘堰部分种植有莲藕、睡莲和茭白。

对1号塘堰部分的植物种类、高度和数量进行实地测量，测量结果见表2：

表2 1号塘堰部分植物平均高度及数量

植物种类	平均高度（cm）	数量（株）
			美人蕉	120	85
茭白	220	2160
			莲藕	120	20
荷叶	90	380

2号塘堰部分的地块，对植物的种类、高度和数量进行了实地测量。植物种类有荷叶、睡莲、茭白，另有零星水花生，湿地出口处有43株禾苗，测量结果如表3：

表3 2号塘堰部分植物平均高度及密度

植物种类	平均高度（cm）	数量（株）
			莲藕	110	9
睡莲	5	112
			茭白	218	1280

S4.塘堰湿地排出的水流入骨干生态沟，湿地出口到骨干生态沟入口距离为20m，骨干生态沟的纵断面为梯形，上底为2 m、下底为1.2m、深度为1.2m，纵坡1/2000，长度为102m，骨干生态沟中种植有水生植物，水深为1m。骨干生态沟分为依次连通的前段生态沟、中段生态沟和后段生态沟，前段生态沟为自骨干生态沟入口起计算2.2m的长度，中段生态沟长度为50m，剩余为后段生态沟；

对骨干生态沟的植物种类、平均高度和数量进行了实地调查，其中，对前段生态沟选取了2m长度进行数据测量，测量结果如表4：

表4 前段生态沟植物平均高度及密度

植物种类	平均高度（cm）	密度（株/m）
			水草	40	80株
水葫芦	60	50株

对中段生态沟选取了50m长度进行数据测量，测量结果如表5：

表5 中段生态沟植物平均高度及密度

植物种类	平均高度（cm）	密度（株/m）
			水草	50	200
辣草	30	40

对后段生态沟选取了50m长度进行数据测量，测量结果如表6：

表6后段生态沟植物平均高度及密度

植物种类	平均高度	密度（株/m）
			水草	40	16
水葫芦	60	40

试验效果：

（1）早稻品种的种植

2013-2014年，为充分验证第一道防线的净化效果，在桂林灌溉试验中心站内同步开展水肥综合调控对比试验，共设置12个试验小区，开展2个处理，6次重复，试验分为常规灌溉W1和间歇灌溉W2，每个小区的尺寸为5m×15m，每个小区面积为75m²，试验设计处理表，如表7所示，其中W1N1F1为当地常规的水肥管理方式。

表7 站内试验小区处理设计

处理编号	灌溉	施氮肥（kg·hm^-2）	施肥次数
				W1N1F1	淹灌	180	2
W2N1F2	间歇灌溉	180	4

W1——传统淹灌模式；

W2——间歇灌溉；

N1——氮肥：180 kg·hm^-2；

F1——氮肥分2次施肥，其中：底肥50%，移栽后10天50%的分蘖肥，即氮肥施肥比基肥：蘖肥=5：5，该模式与当地农民的模式相同；

F2——氮肥分4次施肥，其中：底肥30%，移栽后10～12 天 30%的分蘖肥，移栽后35～40天30%的拔节肥，移栽后60～65天10%的穗肥，即4次氮肥施肥比为3:3:3:1。

除灌溉模式及施氮肥次数不同外，各处理其他条件相同，施氮肥总量均为180kg·hm^-2，氮肥底肥为碳酸氢铵，追肥为尿素，各处理施磷肥总量为40 kg·hm^-2（以P₂O₅计），施钾肥总量为70 kg·hm^-2（以K₂O计），磷肥、钾肥作为底肥一次性施入。

不同灌溉模式处理的灌溉标准见表8。

表8不同灌溉模式处理的灌溉标准单位：mm

（2）灌溉及水肥综合调控的效果：

2014年早稻生育期试验典型处理：（a）W1N1F1——传统淹灌模式，磷肥、钾肥1次施肥，氮肥分2次施肥；（b）W2N1F2——间歇灌溉，磷肥、钾肥1次施肥，氮肥分4次施肥。这两种模式比较，其排水量分别为1574和1020m³/hm^-2。在N1施肥模式下，间歇灌溉W2比常规灌溉W1减少排水35.2％，间歇灌溉W2的稻田排水量明显减少。

另外，不同施肥处理稻田排水污染物分析见表9：

表9 施肥处理稻田排水氮磷浓度分析表

由表9可以看出，除氨态氮外，W2N1F2模式比W1N1F1模式各类污染物均有所削减，从分析结果可以看出，W2N1F2模式是能减少稻田排水量、降低排水氮磷浓度（除AN外）的优选模式。

（3）排水草沟、塘堰湿地和骨干生态沟对水质的改良效果：

2014年至2016年期间，为了验证排水草沟、塘堰湿地和骨干生态沟对水质的改良效果，在（1）的试验地上继续采用W2N1F2模式种植早稻、中稻或晚稻。具体数据分析如下：

2014年早稻期间，排水草沟对农田排水的总氮和总磷起到了较好的去除效果，负荷削减率分别为21.84%和25.85%。

2015年早稻期间，排水草沟对农田排水中总氮和总磷的负荷削减率分别为8.3%和8.8%；晚稻期间，排水草沟对总氮和总磷的负荷削减率分别为19.4%和19.0%。2015年水稻全生育期（早稻和晚稻），排水草沟对农田排水中总氮和总磷的负荷去除率分别为17.4%和17.1%。

2016年中稻期间，由于降雨量较大，排水草沟进出口的氮磷负荷排放均较大，而后期随着降雨的减少，氮磷负荷逐渐降低并趋于零值，总氮和总磷负荷的变化趋势一致，排水草沟对总氮和总磷的负荷削减率分别为23.6%和-8.1%。

2014年早稻期间，塘堰湿地对总氮总磷负荷的削减率较高，均达到了23%左右。

2015年早稻期间，塘堰湿地对农田排水中总氮和总磷的负荷削减率分别为25.7%和7.4%；晚稻期间，塘堰湿地对总氮、总磷的负荷负荷削减率分别为4.3%和14.1%。2015年水稻全生育期（早稻和晚稻），塘堰湿地对农田排水中总氮和总磷的负荷负荷削减率分别为12.6%和11.7%。

2016年中稻期间，塘堰湿地对总氮和总磷的负荷去除率分别为22.2%和45.0%。可见，2016年中稻期间，塘堰湿地对稻田排水中的总氮和总磷不受雨水影响，仍然具有较好的去除效果。

2014年早稻期间，骨干生态沟体现出了较好的氮磷负荷去除效果，总氮和总磷负荷削减率分别达到16.25%和14.36%。

2015年早稻期间，塘堰湿地对农田排水中总氮和总磷的负荷削减率分别为20.3%和4.7%；晚稻期间，塘堰湿地对总氮和总磷的负荷削减率分别为17.8%和11.3%。2015年水稻全生育期（早稻和晚稻），塘堰湿地对农田排水中总氮和总磷的负荷削减率分别为18.0%和9.7%。

2016年中稻期间，骨干生态沟出口的总氮和总磷浓度在大部分时段都小于或等于干沟进口的浓度，且变化趋势相同，前期由于降雨较多，故负荷量大，总氮、总磷负荷随着后期降雨的减少而逐渐降低，2016年中稻期间干沟对总氮和总磷的负荷削减率分别为12.9%和12.9%。

由上述试验效果可以看出，灌溉及水肥综合调控、排水草沟、塘堰湿地和骨干生态沟构成“四道防线”，每道防线对总氮（TN）、总磷（TP）等负荷的削减均有一定效果，尤其是塘堰湿地削减效果最好，各防线协同运行综合治理效果更为明显，能有效削减农田面源污染物。

实施例2

本实施例的S1、S2、S4的步骤均与实施例1相同，仅对S3的步骤做了另外一种处理。

塘堰湿地划分为4块依次连通的1号塘堰部分、2号塘堰部分、3号塘堰部分和4号塘堰部分； 1号塘堰部分和3号塘堰部分从上部进水，下部出水，种植浮叶植物、沉水植物、漂浮植物和采用无土栽培漂浮于水面上的蔬菜中的一种或多种； 2号塘堰部分和4号塘堰部分从下部进水，上部出水，种植挺水植物；浮叶植物包括睡莲，沉水植物包括黑藻和狐尾藻；漂浮植物包括水葫芦；蔬菜包括空心菜、西洋菜、生菜；挺水植物包括芦苇和芦竹。

种植方法：睡莲、芦苇、芦竹在陆地上采用盆栽种植后再移入塘中，种植密度为15~18株/m²，黑藻、狐尾藻、水葫芦等直接抛入塘内即可种植，覆盖塘内密度约为80%；空心菜、西洋菜、生菜等浮水植物采用无土栽培技术种植于厚约2cm的泡沫板上，使其漂浮在生物塘水面上，种植密度为20~30株/m²。

试验效果：

在各个塘堰部分分别单独种植黑藻、水葫芦、芦苇、狐尾藻和空心菜，芦苇种于下部进水、上部出水的塘堰部分，黑藻、水葫芦、狐尾藻和空心菜上部进水、下部出水种于的塘堰部分，污染物去除分析结果见表13：

表10植物贡献去除率

植物种类	COD去除率	TN去除率	TP去除率
				黑藻	4%	5%	6%
水葫芦	6%	10%	9%
				芦苇	3%	8%	4%
狐尾藻	4%	11%	5%
				空心菜	7%	10%	9%

由表13可见，上述水生植物可有效提高COD、TN、TP去除率。

Claims

1.一种削减农田面源污染物的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1.通过采用间歇灌的方式降低农田的氮磷流失；

2.根据权利要求1所述的削减农田面源污染物的方法，其特征在于：

所述步骤（1）中，氮肥分四次施入，当所述农田种植为水稻时，底肥施入氮肥总重量的25~32%，移栽后10～12 天施入氮肥总重量的25~32%作为分蘖肥，移栽后35～40天施入氮肥总重量的25~32%作为拔节肥，移栽后60～65天施入剩余的氮肥作为穗肥。

3.根据权利要求1所述的削减农田面源污染物的方法，其特征在于：

所述步骤（2）中，所述排水草沟纵断面的上底为0.3m、下底为0.2m、深度为0.25m，纵坡1/1000。

4.根据权利要求1所述的削减农田面源污染物的方法，其特征在于：

所述步骤（3）中，所述塘堰湿地的前部平均水深为0.30m，中部的平均水深为0.50m，后部的平均水深为0.30m，整个塘堰湿地的平均水深0.45m，塘堰湿地面积与承接排水的农田面积比为1：14。

5.根据权利要求1所述的削减农田面源污染物的方法，其特征在于：

所述步骤（4）中，骨干生态沟的纵断面上底为2 m、下底为1.2m、深度为1.2m，纵坡1/2000。

6.根据权利要求1所述的削减农田面源污染物的方法，其特征在于：

所述排水草沟内种植有包括野苦麻、水花生、辣草和水草在内的沉水植物；所述塘堰湿地中种植有包括美人蕉、茭白、莲藕、睡莲和水葫芦在内的水生植物；所述骨干生态沟中种植有包括水草、辣草和水葫芦在内水生植物。

7.根据权利要求6所述的削减农田面源污染物的方法，其特征在于：

所述排水草沟中，以排水草沟的长度计算种植密度，野苦麻的种植密度为1~2株/m，水花生的种植密度为8~12株/m，辣草的种植密度为18~25株/m，水草的种植密度为70~90株/m。

8.根据权利要求1或6所述的削减农田面源污染物的方法，其特征在于：

所述塘堰湿地划分为2~5块相互连通的塘堰部分，每个塘堰部分设有独立的进水口和出水口；至少其中一个塘堰部分种植有包括美人蕉、茭白和莲藕的水生植物，其中另一个塘堰部分种植有包括莲藕、睡莲和茭白的水生植物；在塘堰湿地中水生植物的种植密度为5~11株/m²。

9.根据权利要求1或6所述的削减农田面源污染物的方法，其特征在于：

所述骨干生态沟分为依次连通的前段生态沟、中段生态沟和后段生态沟，前段生态沟长度为1/50至1/20骨干生态沟的长度，中段生态沟长度为1/2至2/3骨干生态沟的长度，剩余为后段生态沟；以骨干生态沟的长度计算种植密度，前段生态沟中，水草的种植密度为70~90株/m，水葫芦的种植密度为40~50株/m；中段生态沟中，水草的种植密度为100~210株/m，水葫芦的种植密度为30~50株/m；后段生态沟中，水草的种植密度为15~40株/m，水葫芦的种植密度为30~50株/m。

10.根据权利要求1所述的削减农田面源污染物的方法，其特征在于：

所述塘堰湿地划分为4块依次连通的1号塘堰部分、2号塘堰部分、3号塘堰部分和4号塘堰部分；所述1号塘堰部分和3号塘堰部分从上部进水，下部出水，种植浮叶植物、沉水植物、漂浮植物和采用无土栽培漂浮于水面上的蔬菜中的一种或多种；所述2号塘堰部分和4号塘堰部分从下部进水，上部出水，种植挺水植物；所述浮叶植物包括睡莲，所述沉水植物包括黑藻和狐尾藻；所述漂浮植物包括水葫芦；所述蔬菜包括空心菜、西洋菜、生菜；所述挺水植物包括芦苇和芦竹。