CN108793309A - 一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统及控制方法，生物质炭与生物质醋液混合后施用于农田，生物质炭吸附的氮、磷等营养元素可被作物重新利用，生物质炭和生物质醋液中也含有K，Ca，Mg，Zn，Mn，Fe等作物生长所必须的矿物质元素，因此可为作物提供额外的营养元素；同时，生物质炭施用于土壤后可改善土壤团聚体结构，提高土壤保水保肥的能力，提高肥料利用率，同时再配合基肥减量施用，实现农田污染物减排—肥料增效—化肥减施的良性循环。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统及控制方法，属于面源污染控制技术领域。
背景技术
随着工业废水和城市生活污水等点源污染得到有效控制，农村面源污染已经取代点源，成为水环境污染的最重要来源。农村面源污染是指在农业生产和生活活动中，溶解的或固体的污染物，如氮、磷、农药及其他有机或无机污染物质，从非特定的地域，通过地表径流、农田排水和地下渗漏进入水体引起水质污染的过程。农田面源污染分布面积广，污染物排放随机性强。
国内研究学者通过大量研究，总结出了农田面源污染治理的“4R”控制技术，即源头减量、过程阻断、养分再利用和生态修复技术。其中“过程阻断”是农田面源污染控制技术中可实施性最高，也最易推广应用的一项技术。目前，过程阻断技术研究中的主要手段有人工湿地净化、滨岸缓冲带拦截控制和生态沟渠净化等。人工湿地净化技术和滨岸缓冲带拦截控制技术由于占地面积大，维护费用高，在推广和应用方面受到限制。生态沟渠净化技术是目前广泛使用的一种面源污染物原位拦截技术，其具有占地面积小、布置灵活等优点。目前大多数种类的生态沟渠拦截方法都是在现有的农田排水沟渠中种植水生植物或布设一些净化装置，这些措施虽然在一定程度上降低了农田排水中污染物的浓度，但沟渠内水流量随季节变化明显，水生植物需频繁更换维护；沟渠内放置的吸附填料也需定期更换，且废弃后的填料如果处置不当会造成二次污染。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统，结构设计简单、施工便捷，能够减少农田径流退水中的氮、磷浓度，降低水体污染风险，实现农田污染物减排—肥料增效—化肥减施的良性循环。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统，基于农田两侧分别所设置的灌溉渠和排水渠控制农田灌溉的径流方向，实现农田面源污染控制，包括生物质炭墙、渗水层、排水装置和排水渠；
其中，生物质炭墙包括相邻对接组合的各个农田生物质炭箱，各个农田生物质炭箱分别均包括箱体、以及填充于箱体内的生物质炭；生物质炭墙沿农田相对灌溉渠的另一侧设置，灌溉渠与生物质炭墙之间、各农田间各田埂的两端分别对接灌溉渠和生物质炭墙；生物质炭墙埋设于其所设位置的土壤中，生物质炭墙的顶面与农田的土壤表面相平齐，各农田生物质炭箱中箱体上除背向农田的表面以外、其余各表面上均设置贯穿箱体内外空间的各个透水孔；
渗水层沿生物质炭墙底部进行设置，渗水层的顶面敞开、且与生物质炭墙中各农田生物质炭箱的箱体底部相对接，渗水层上除其顶面以外的其余各面均覆盖防渗层；
排水渠沿生物质炭墙、设置于生物质炭墙背向农田的外侧，排水渠两侧顶边的高度不低于生物质炭墙，且排水渠内底面的高度低于渗水层的高度；
排水装置包括各根排水管，各根排水管的其中一端置于渗水层中，各根排水管的另一端分别依次穿过渗水层、土壤和排水渠墙体至排水渠中，连通渗水层与排水渠。
作为本发明的一种优选技术方案：所述生物质炭墙还包括隔板，隔板活动贴设于所述各农田生物质炭箱上与农田相对接一侧的表面，隔板沿竖直方向上、下移动，实现隔板高出土壤表面高度的调节，隔板的顶边最高位置高于土地表面，且隔板的底边活动对接防渗层，以及隔板的底边不高于所述防渗层的最高位置。
作为本发明的一种优选技术方案：所述生物质炭墙包括两组子生物质炭墙，各子生物质炭墙分别均包括相邻对接组合的各个农田生物质炭箱，两组子生物质炭墙相对所述农田、内外侧并排相邻设置，内外侧两子生物质炭墙中各农田生物质炭箱上、除背向农田的表面以外、其余各表面上均设置贯穿箱体内外空间的各个透水孔；
渗水层沿生物质炭墙底部进行设置，渗水层的顶面敞开、且与生物质炭墙中各子生物质炭墙中各农田生物质炭箱的箱体底部相对接。
作为本发明的一种优选技术方案：还包括分布设置于所述排水渠底部的各组沟渠生物质炭箱，各组沟渠生物质炭箱分别均包括箱体、以及填充于箱体内的生物质炭，各组沟渠生物质炭箱中箱体的各表面上分别设置各个透水孔；各组沟渠生物质炭箱分别横跨其所设排水渠底部的两侧进行设置。
作为本发明的一种优选技术方案：各组沟渠生物质炭箱分别均还包括旋转轴、浮力棒、连线；各组沟渠生物质炭箱中的箱体侧视结构为楔形，各组沟渠生物质炭箱中箱体两侧直角三角形的直角顶点连线分别经对应旋转轴设置于所述排水渠底部的对应位置，旋转轴所在直线与排水渠水流方向相垂直，各组沟渠生物质炭箱中箱体分别以所连旋转轴为轴进行转动；各组沟渠生物质炭箱的浮力棒分别通过对应连线、对接于对应箱体两侧直角三角形上面向水流上游方向一侧的对应锐角顶点连线上。
与上述相对应，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统的控制方法，克服现有农田面源污染控制技术中施工、维护复杂，连续单一拦截农田污染物的缺陷，能够减少农田径流退水中的氮、磷浓度，降低水体污染风险，实现农田污染物减排—肥料增效—化肥减施的良性循环。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统的控制方法，包括农田灌溉径流水过滤方法，如下：
由灌溉渠针对各块农田进行灌溉操作，灌溉的径流水经过农田至生物质炭墙，并流过隔板、经子生物质炭墙中各农田生物质炭箱过滤，然后流入渗水层，并通过排水装置流入排水渠，进入排水渠中的径流水依次通过各组沟渠生物质炭箱进行过滤，最后排放，其中，排水渠中各组沟渠生物质炭箱的箱体分别在对应所接浮力棒的作用下、随水位上升而以对应旋转轴转动。
作为本发明的一种优选技术方案：在执行农田灌溉径流水过滤方法的同时，当系统运行一季作物后，执行如下单侧农田生物质炭箱更换步骤：
步骤A1. 在下季作物种植前，将生物质炭墙中对接农田的子生物质炭墙中的各农田生物质炭箱中的生物质炭全部转移至不漏水容器中，并在该容器中加入与生物质炭干重相等的生物质醋液，搅匀后浸泡24小时待用；然后在农田翻耕时将容器内生物质炭与生物质醋液的混合物一并施入土壤中；
步骤A2. 将生物质炭墙中对接农田的子生物质炭墙与外侧的子生物质炭墙进行位置对调，随后对空的农田生物质炭箱重新填装新制备的生物质炭；
步骤A3. 种植下一季作物并施用基肥，以未采用农田面源污染控制系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的75%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
作为本发明的一种优选技术方案：在执行农田灌溉径流水过滤方法的同时，当系统运行两季作物后，执行如下单侧农田生物质炭箱更换，以及沟渠生物质炭箱更换步骤：
步骤B1. 在下季作物种植前，将生物质炭墙中对接农田的子生物质炭墙中的各农田生物质炭箱中的生物质炭、以及各沟渠生物质炭箱中的生物质炭全部转移至不漏水容器中，并在该容器中加入与生物质炭干重相等的生物质醋液，搅匀后浸泡24小时待用；然后在农田翻耕时将容器内生物质炭与生物质醋液的混合物一并施入土壤中；
步骤B2. 将生物质炭墙中对接农田的子生物质炭墙与外侧的子生物质炭墙进行位置对调，并向各空的沟渠生物质炭箱和农田生物质炭箱的箱体中填装新制备的生物质炭；
步骤B3. 种植下一季作物并施用基肥，以未采用农田面源污染控制系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的65%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
作为本发明的一种优选技术方案，所述生物质醋液为所述生物质炭烧制过程中，气态产物经冷凝回收得到的液体产物，并通过静置取上部澄清液体，精馏去除醋液中的焦油、酚对植物和动物有害或不利的物质。
作为本发明的一种优选技术方案，所述生物质炭为金属元素改良生物质炭，并采用如下方法获得：
烧制前将水稻、小麦、玉米作物秸秆或蔬菜残体等生物质粉碎为预设长度的小段，并用金属盐溶液浸渍2小时，然后离心去除上清液，随后将烘干的生物质在炭化炉中烧制，炭化终点温度为450℃—750℃。
本发明所述一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统及控制方法，以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）本发明所设计基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统及控制方法中，沟渠生物质炭箱采用浮力旋转结构，可根据沟渠水量，自动调节高度，达到最佳净化效果，同时，沟渠生物质炭箱采用楔形，水量较大时，不会影响沟渠排水；
（2）本发明所设计基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统及控制方法中，吸附氮、磷的生物质炭与生物质醋液混合后，可使生物质炭吸附的部分氮、磷洗脱释放，施入农田后更易被作物吸收利用；生物质炭与生物质醋液混合有助于降低生物质炭的pH值，减少生物质炭施用后造成农田氨挥发增加的风险；
（3）本发明所设计基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统及控制方法中，生物质炭与生物质醋液混合后施用于农田，生物质炭吸附的氮、磷等营养元素可被作物重新利用，生物质炭和生物质醋液中也含有K，Ca，Mg，Zn，Mn，Fe等作物生长所必须的矿物质元素，因此可为作物提供额外的营养元素；同时，生物质炭施用于土壤后可改善土壤团聚体结构，提高土壤保水保肥的能力，提高肥料利用率，同时再配合基肥减量施用，实现农田污染物减排—肥料增效—化肥减施的良性循环。
附图说明
图1是本发明所设计系统的俯视结构示意图；
图2是本发明所设计系统中沿沟渠方向的截面示意图；
图3是本发明所设计系统中沟渠生物质炭箱的俯视示意图；
图4是本发明所设计系统中沟渠生物质炭箱的侧视示意图。
其中，1. 农田，2. 灌溉渠，3. 生物质炭墙，4. 渗水层，5. 沟渠生物质炭箱，6.排水渠，7. 农田生物质炭箱，8. 田埂，9. 透水孔，10. 防渗层，11. 排水管，12. 隔板，13.子生物质炭墙，14. 旋转轴，15. 浮力棒，16. 连线。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明所设计一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统，基于农田1两侧分别所设置的灌溉渠2和排水渠6控制农田1灌溉的径流方向，实现农田1面源污染控制，如图1所示，包括生物质炭墙3、渗水层4、排水装置和排水渠6，以及分布设置于排水渠6底部的各组沟渠生物质炭箱5。
其中，结合图2所示，生物质炭墙3包括隔板12和两组子生物质炭墙13，各子生物质炭墙13分别均包括相邻对接组合的各个农田生物质炭箱7，各个农田生物质炭箱7分别均包括箱体、以及填充于箱体内的生物质炭；两组子生物质炭墙13沿农田1相对灌溉渠2的另一侧、内外侧并排相邻设置；生物质炭墙3中的两组子生物质炭墙13埋设于其所设位置的土壤中，生物质炭墙3的顶面与农田1的土壤表面相平齐；灌溉渠2与生物质炭墙3之间、各农田1间各田埂8的两端分别对接灌溉渠2和生物质炭墙3；内外侧两子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7上、除背向农田1的表面以外、其余各表面上均设置贯穿箱体内外空间的各个透水孔9。
实际应用中，隔板12采用PVC材质制成，隔板12活动贴设于内侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7上与农田1相对接一侧的表面，隔板12沿竖直方向上、下移动，实现隔板12高出土壤表面高度的调节，隔板12的顶边最高位置高于土地表面，且隔板12的底边活动对接防渗层10，以及隔板12的底边不高于所述防渗层10的最高位置。
渗水层4沿生物质炭墙3底部进行设置，渗水层4的顶面敞开、且与生物质炭墙3中各子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7的箱体底部相对接，渗水层4上除其顶面以外的其余各面均覆盖防渗层10。
排水渠6沿生物质炭墙3、设置于生物质炭墙3背向农田1的外侧，排水渠6两侧顶边的高度不低于生物质炭墙3，且排水渠6内底面的高度低于渗水层4的高度。
排水装置包括各根排水管11，各根排水管11的其中一端置于渗水层4中，各根排水管11的另一端分别依次穿过渗水层4、土壤和排水渠墙体至排水渠6中，连通渗水层4与排水渠6。
各组沟渠生物质炭箱5分别均包括旋转轴14、浮力棒15、连线16、箱体、以及填充于箱体内的生物质炭，各组沟渠生物质炭箱5中的箱体侧视结构为楔形，各组沟渠生物质炭箱5中箱体的各表面上分别设置各个透水孔9；各组沟渠生物质炭箱5分别横跨其所设排水渠6底部的两侧进行设置，其中，如图3和图4所示，各组沟渠生物质炭箱5中箱体两侧直角三角形的直角顶点连线分别经对应旋转轴14设置于所述排水渠6底部的对应位置，旋转轴14所在直线与排水渠6水流方向相垂直，各组沟渠生物质炭箱5中箱体分别以所连旋转轴14为轴进行转动，且最大旋转角度为90°；各组沟渠生物质炭箱5的浮力棒15分别通过对应连线16、对接于对应箱体两侧直角三角形上面向水流上游方向一侧的对应锐角顶点连线上。
与上述所设计基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统相对应，本发明还设计了基于上述系统的控制方法，包括农田灌溉径流水过滤方法，如下：
由灌溉渠2针对各块农田1进行灌溉操作，灌溉的径流水经过农田1至生物质炭墙3，并流过隔板12、经子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7过滤，然后流入渗水层4，并通过排水装置流入排水渠6，进入排水渠6中的径流水依次通过各组沟渠生物质炭箱5进行过滤，最后排放，其中，排水渠6中各组沟渠生物质炭箱5的箱体分别在对应所接浮力棒15的作用下、随水位上升而以对应旋转轴14转动。
在执行农田灌溉径流水过滤方法的同时，当系统运行一季作物后，执行如下单侧农田生物质炭箱更换步骤：步骤A1至步骤A3。
步骤A1. 在下季作物种植前，将生物质炭墙3中对接农田1的子生物质炭墙13中的各农田生物质炭箱7中的生物质炭全部转移至不漏水容器中，并在该容器中加入与生物质炭干重相等的生物质醋液，搅匀后浸泡24小时待用；然后在农田翻耕时将容器内生物质炭与生物质醋液的混合物一并施入土壤中。
步骤A2. 将生物质炭墙3中对接农田1的子生物质炭墙13与外侧的子生物质炭墙13进行位置对调，随后对空的农田生物质炭箱7重新填装新制备的生物质炭。
步骤A3. 种植下一季作物并施用基肥，以未采用农田面源污染控制系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的75%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
不仅如此，在执行农田灌溉径流水过滤方法的同时，当系统运行两季作物后，执行如下单侧农田生物质炭箱7更换，以及沟渠生物质炭箱5更换步骤：步骤B1至步骤B3。
步骤B1. 在下季作物种植前，将生物质炭墙3中对接农田1的子生物质炭墙13中的各农田生物质炭箱7中的生物质炭、以及各沟渠生物质炭箱5中的生物质炭全部转移至不漏水容器中，并在该容器中加入与生物质炭干重相等的生物质醋液，搅匀后浸泡24小时待用；然后在农田翻耕时将容器内生物质炭与生物质醋液的混合物一并施入土壤中。
步骤B2. 将生物质炭墙3中对接农田1的子生物质炭墙13与外侧的子生物质炭墙13进行位置对调，并向各空的沟渠生物质炭箱5和农田生物质炭箱7的箱体中填装新制备的生物质炭。
步骤B3. 种植下一季作物并施用基肥，以未采用农田面源污染控制系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的65%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
上述所设计控制方法中涉及到的生物质醋液，为所述生物质炭烧制过程中，气态产物经冷凝回收得到的液体产物，并通过静置取上部澄清液体，精馏去除醋液中的焦油、酚等对植物和动物有害或不利的物质。
对于所涉及到的生物质炭，为金属元素改良生物质炭，并采用如下方法获得：
烧制前将水稻、小麦、玉米作物秸秆或蔬菜残体等生物质粉碎为预设长度的小段，并用金属盐溶液浸渍2小时，然后离心去除上清液，随后将烘干的生物质在炭化炉中烧制，炭化终点温度为450℃—750℃。
将上述所设计基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统及控制方法，应用于实际操作当中，
制作田埂所用土壤中生物质炭的添加量为土壤干重的0.5%—2%；农田生物质炭箱7为长方体结构，长（沿沟渠方向，与沟渠平行方向），宽（沟渠至农田方向），高（渗水层至箱顶部方向）分别为0.5—1 m、0.2—0.3 m、0.4—0.6 m；沟渠生物质炭箱为楔形结构，楔形厚边厚度为0.2—0.3 m，楔形宽度与沟渠底部宽度相同，楔形厚边至薄边长度为0.5—0.7 m；农田生物质炭箱和沟渠生物质炭箱内侧有一层无纺布，无纺布内填充生物质炭填料；浮力棒为直径为0.2m—0.3m的圆柱体结构。
当降雨、灌溉或农田排水时，农田中的径流水流过隔板12后进入农田生物质炭箱7，农田生物质炭箱7横向排列，对于内外侧设置的两组子生物质炭墙13，当径流水量较小时，径流水主要通过靠近农田一侧的农田生物质炭箱7过滤，由此可提高另一侧农田生物质炭箱7的使用寿命，延长系统有效工作时间；径流水经农田生物质炭箱7过滤后流入渗水层4，然后通过渗水层4底部的排水管11流入排水渠6；进入排水渠6的农田径流水沿排水渠6水流方向依次通过各沟渠生物质炭箱5，当沟渠水层足够高时，浮力棒15上浮，抬升沟渠生物质炭箱5，减缓水流速度。
将上述所设计基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统及控制方法，具体应用于如下各实施例当中。
实施例1：
农田为稻-麦轮作系统，于稻季移栽前布置该系统，制作田埂所用土壤中生物质炭的添加量为土壤干重的1%；农田生物质炭箱7的长、宽、高分别为0.5 m、0.2 m、0.4 m；沟渠生物质炭箱5楔形的厚边厚度为0.2 m，楔形宽度0.7 m，楔形厚边至薄边长度为0.6 m；浮力棒15直径为0.2 m，长度为0.65 m；隔板12高出土壤表面5 cm，可使稻田保持5 cm高水层。
系统初次完成安装后，适时施用基肥并移栽水稻，肥料施用量和施肥次数及时间与常规施肥管理相同。
当灌溉水量较大，或降雨产生径流时，农田径流水从隔板12上方流出农田，进入生物质炭墙3种内侧子生物质炭墙13的各农田生物质炭箱7，经生物质炭过滤后流入渗水层4，并经排水管11流入排水渠6，且经过各沟渠生物质炭箱5。
当排水渠6中水流量较小，水位较低时，各沟渠生物质炭箱5与排水渠6底部完全接触，水流与沟渠生物质炭箱5接触面积最大；当排水渠6中水层足够高时，浮力棒15上浮，抬升沟渠生物质炭箱5，减缓水流速度，延长水力滞留时间。
水稻成熟收获后，于小麦种植前，将靠近农田的内侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7中的生物质炭填料倾倒至较大的不漏水容器中，然后在容器中加入与生物质炭干重等重量的生物质醋液，浸泡24小时后连同生物质炭和生物质醋液作为基肥施入土壤并进行翻耕；麦季不需要田埂时，可将田埂直接翻耕入农田；将靠近沟渠一侧的农田生物质炭箱换置于靠近农田一侧，以新制生物质炭填装农田生物质炭箱并放置于靠近沟渠一侧；施用基肥时，以未采用该系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的75%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
小麦种植后，将隔板12高度降至与农田土壤表面齐平；
小麦成熟收获后，于下季水稻种植前，将靠近农田的内侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7中的生物质炭填料，和各沟渠生物质炭箱5中的生物质炭填料倾倒至较大的不漏水容器中，然后在容器中加入生物质醋液，浸泡24小时后连同生物质炭和生物质醋液作为基肥施入土壤（需制作田埂时，所用土壤中生物质炭的添加量为土壤干重的1%）；同时，将靠近排水渠6一侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7置换于靠近农田一侧，以新制生物质炭填装农田生物质炭箱并放置于靠近排水渠6一侧，以新制生物质炭填装沟渠生物质炭箱5，并放置于排水渠6底部；施用基肥时，以未采用该系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的65%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
第二年继续循环。
实施例2：
农田为双季稻（一年2季稻）系统，于春-夏季稻移栽前布置该系统，制作田埂所用土壤中生物质炭的添加量为土壤干重的1%；农田生物质炭箱7的长、宽、高分别为0.5 m、0.3 m、0.5 m；楔形的沟渠生物质炭箱5厚边厚度为0.3 m，楔形宽度1 m，楔形厚边至薄边长度为0.7 m；浮力棒15直径为0.3 m，长度为0.95 m；隔板12高出土壤表面5 cm，可使稻田保持5cm高水层。
系统初次完成安装后，适时施用基肥并移栽水稻，肥料施用量和施肥次数及时间与常规施肥管理相同。
当灌溉水量较大，或降雨产生径流时，农田径流水从隔板12上方流出农田，进入靠近农田的内侧子生物质炭墙13，经生物质炭过滤后流入渗水层4，并经排水管11流入排水渠6，依次通过各沟渠生物质炭箱5。
当排水渠6中水流量较小，水位较低时，沟渠生物质炭箱5与排水渠6底部完全接触，水流与沟渠生物质炭箱5接触面积最大；当沟渠水层足够高时，浮力棒15上浮，抬升沟渠生物质炭箱5，减缓水流速度，延长水力滞留时间；
水稻成熟收获后，于第二季水稻种植前，将靠近农田的内侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7的生物质炭填料倾倒至较大的不漏水容器中，然后在容器中加入与生物质炭干重等重量的生物质醋液，浸泡24小时后连同生物质炭和生物质醋液作为基肥施入土壤并进行翻耕；将靠近排水渠6一侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7置换于靠近农田一侧，以新制生物质炭填装各农田生物质炭箱7并放置于靠近沟渠一侧；施用基肥时，以未采用该系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的65%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
第二季水稻成熟收获后，将靠近农田的内侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7中的生物质炭填料，和各沟渠生物质炭箱5中的生物质炭填料倾倒至较大的不漏水容器中，然后在容器中加入生物质醋液，浸泡24小时后连同生物质炭和生物质醋液作为基肥施入土壤（需制作田埂时，所用土壤中生物质炭的添加量为土壤干重的1%）；同时，将靠近排水渠6一侧子生物质炭墙13的各农田生物质炭箱7置换于靠近农田一侧，以新制生物质炭填装各农田生物质炭箱7并放置于靠近排水渠6一侧，以新制生物质炭填装各沟渠生物质炭箱5并放置于排水渠6底部；施用基肥时，以未采用该系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的65%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
第二年继续循环。
实施例3：
农田为夏玉米-冬小麦轮作系统，于玉米季开始前布置该系统，视农田实际需要确定是否制作田埂，制作田埂所用土壤中生物质炭的添加量为土壤干重的2%；农田生物质炭箱7的长、宽、高分别为0.5 m、0.2 m、0.4 m；楔形沟渠生物质炭箱5的厚边厚度为0.2 m，楔形宽度0.6 m，楔形厚边至薄边长度为0.6 m；浮力棒直径为0.2 m，长度为0.55 m；隔板与土壤表面齐平。
系统初次完成安装后，适时施用基肥并播种玉米，肥料施用量和施肥次数及时间与常规施肥管理相同。
当灌溉水量较大，或降雨产生径流时，农田径流水从隔板12上方流出农田，进入靠近农田的内侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7，经生物质炭过滤后流入渗水层4，并经排水管11流入排水渠6，依次通过各沟渠生物质炭箱5。
当排水渠6中水流量较小，水位较低时，沟渠生物质炭箱5与排水渠6底部完全接触，水流与沟渠生物质炭箱5接触面积最大；当沟渠水层足够高时，浮力棒15上浮，抬升沟渠生物质炭箱5，减缓水流速度，延长水力滞留时间。
玉米成熟收获后，于冬小麦种植前，将靠近农田的内侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7中的生物质炭填料倾倒至较大的不漏水容器中，然后在容器中加入与生物质炭干重等重量的生物质醋液，浸泡24小时后连同生物质炭和生物质醋液作为基肥施入土壤并进行翻耕；将靠近排水渠6一侧子生物质炭墙13的各农田生物质炭箱7换置于靠近农田一侧，以新制生物质炭填装各农田生物质炭箱7并放置于靠近排水渠6一侧；施用基肥时，以未采用该系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的80%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量与常规基肥中钾肥施用量一致；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
小麦成熟收获后，将靠近农田的内侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7中的生物质炭填料，和各沟渠生物质炭箱5中的生物质炭填料倾倒至较大的不漏水容器中，然后在容器中加入生物质醋液，浸泡24小时后连同生物质炭和生物质醋液作为基肥施入土壤（需制作田埂时，所用土壤中生物质炭的添加量为土壤干重的1%）；同时，将靠近排水渠6一侧子生物质炭墙13的各农田生物质炭箱7换置于靠近农田一侧，以新制生物质炭填装农田生物质炭箱7并放置于靠近排水渠6一侧，以新制生物质炭填装各沟渠生物质炭箱5并放置于排水渠6底部；施用基肥时，以未采用该系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的65%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
第二年继续循环。
实施例4：
农田为番茄-莴苣-芹菜设施蔬菜轮作系统，于番茄季开始前布置该系统，视农田实际需要确定是否制作田埂，制作田埂所用土壤中生物质炭的添加量为土壤干重的2%；农田生物质炭箱7的长、宽、高分别为0.5 m、0.2 m、0.4 m；楔形的沟渠生物质炭箱5的厚边厚度为0.2 m，楔形宽度0.6 m，楔形厚边至薄边长度为0.6 m；浮力棒直径为0.2 m，长度为0.55 m；隔板12与土壤表面齐平。
系统初次完成安装后，适时施用基肥并移栽番茄，肥料施用量和施肥次数及时间与常规施肥管理相同。
当灌溉水量较大，或揭棚期降雨产生径流时，农田径流水从隔板12上方流出农田，进入靠近农田的内侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7，经生物质炭过滤后流入渗水层4，并经排水管11流入排水渠6，依次通过各沟渠生物质炭箱5。
当排水渠6中水流量较小，水位较低时，沟渠生物质炭箱5与排水渠6底部完全接触，水流与沟渠生物质炭箱5接触面积最大；当沟渠水层足够高时，浮力棒15上浮，抬升沟渠生物质炭箱5，减缓水流速度，延长水力滞留时间。
番茄完全收获后，于莴苣种植前，将靠近农田的内侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7中的生物质炭填料倾倒至较大的不漏水容器中，然后在容器中加入与生物质炭干重等重量的生物质醋液，浸泡24小时后连同生物质炭和生物质醋液作为基肥施入土壤并进行翻耕；将靠近排水渠6一侧子生物质炭墙13的各农田生物质炭箱7换置于靠近农田一侧，以新制生物质炭填装各农田生物质炭箱7并放置于靠近排水渠6一侧；施用基肥时，以未采用该系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的80%（有机肥中的氮含量以元素态氮计算，下同），基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%（有机肥中的磷含量以P2O5计算，下同），基肥中的钾肥施用量与常规基肥中钾肥施用量一致；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
莴苣收获后，不对该系统做额外处理；适时种植芹菜，施用基肥时，以未采用该系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的80%（有机肥中的氮含量以元素态氮计算，下同），基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%（有机肥中的磷含量以P2O5计算，下同），基肥中的钾肥施用量与常规基肥中钾肥施用量一致；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
芹菜收获后，将靠近农田的内侧子生物质炭墙13中各农田生物质炭箱7中的生物质炭填料，和各沟渠生物质炭箱5中的生物质炭填料倾倒至较大的不漏水容器中，然后在容器中加入生物质醋液，浸泡24小时后连同生物质炭和生物质醋液作为基肥施入土壤（需制作田埂时，所用土壤中生物质炭的添加量为土壤干重的1%）；同时，将靠近排水渠6一侧子生物质炭墙13的各农田生物质炭箱7换置于靠近农田一侧，以新制生物质炭填装农田生物质炭箱7并放置于靠近排水渠6一侧，以新制生物质炭填装各沟渠生物质炭箱5并放置于排水渠6底部；施用基肥时，以未采用该系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的65%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%（有机肥中的钾含量以K2O计算）；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
第二年继续循环。
基于上述基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统及控制方法，在实际应用中的实施，其中，对于生物质醋液的应用，可以有效减少氨的挥发量，在具体的实施例中，农田为稻-麦轮作系统，氮肥（尿素）施用量为300 kg/hm2，氮肥以4:3:3的比例分为基肥、分蘖肥与穗肥施用。试验分为施用生物质醋液的优化处理和不施用生物质醋液的对照处理。优化处理在水稻移栽前，将生物质醋液原液稀释100倍后施用于农田，施用量为750kg/hm2（原液）。监测水稻生长期间的氨挥发量，优化处理与对照处理相比农田氨挥发量减少了38.5%，减少量为12.3 kg/hm2。
不仅如此，整个设计系统的实际应用，对于面源的污染能够起到有效的控制，在具体的实施例中，农田为稻-麦轮作系统，氮肥（尿素）施用量为240 kg/hm2，氮肥以4:3:3的比例分为基肥、分蘖肥与穗肥施用。试验分为土壤添加生物质炭的优化处理和不添加生物质炭的对照处理。优化处理在小麦收获后，农田翻耕时，将生物质炭添加于农田，添加量为2%土壤干重。监测水稻施肥后田面水中的氮浓度，优化处理与对照处理相比，三次施肥后田面水中氮浓度分别降低了22.6%、24.5%和17.1%。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统，基于农田（1）两侧分别所设置的灌溉渠（2）和排水渠（6）控制农田（1）灌溉的径流方向，实现农田（1）面源污染控制，其特征在于：包括生物质炭墙（3）、渗水层（4）、排水装置和排水渠（6）；
其中，生物质炭墙（3）包括相邻对接组合的各个农田生物质炭箱（7），各个农田生物质炭箱（7）分别均包括箱体、以及填充于箱体内的生物质炭；生物质炭墙（3）沿农田（1）相对灌溉渠（2）的另一侧设置，灌溉渠（2）与生物质炭墙（3）之间、各农田（1）间各田埂（8）的两端分别对接灌溉渠（2）和生物质炭墙（3）；生物质炭墙（3）埋设于其所设位置的土壤中，生物质炭墙（3）的顶面与农田（1）的土壤表面相平齐，各农田生物质炭箱（7）中箱体上除背向农田（1）的表面以外、其余各表面上均设置贯穿箱体内外空间的各个透水孔（9）；
渗水层（4）沿生物质炭墙（3）底部进行设置，渗水层（4）的顶面敞开、且与生物质炭墙（3）中各农田生物质炭箱（7）的箱体底部相对接，渗水层（4）上除其顶面以外的其余各面均覆盖防渗层（10）；
排水渠（6）沿生物质炭墙（3）、设置于生物质炭墙（3）背向农田（1）的外侧，排水渠（6）两侧顶边的高度不低于生物质炭墙（3），且排水渠（6）内底面的高度低于渗水层（4）的高度；
排水装置包括各根排水管（11），各根排水管（11）的其中一端置于渗水层（4）中，各根排水管（11）的另一端分别依次穿过渗水层（4）、土壤和排水渠墙体至排水渠（6）中，连通渗水层（4）与排水渠（6）。
2.根据权利要求1所述一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统，其特征在于：所述生物质炭墙（3）还包括隔板（12），隔板（12）活动贴设于所述各农田生物质炭箱（7）上与农田（1）相对接一侧的表面，隔板（12）沿竖直方向上、下移动，实现隔板（12）高出土壤表面高度的调节，隔板（12）的顶边最高位置高于土地表面，且隔板（12）的底边活动对接防渗层（10），以及隔板（12）的底边不高于所述防渗层（10）的最高位置。
3.根据权利要求1或2所述一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统，其特征在于：所述生物质炭墙（3）包括两组子生物质炭墙（13），各子生物质炭墙（13）分别均包括相邻对接组合的各个农田生物质炭箱（7），两组子生物质炭墙（13）相对所述农田（1）、内外侧并排相邻设置，内外侧两子生物质炭墙（13）中各农田生物质炭箱（7）上、除背向农田（1）的表面以外、其余各表面上均设置贯穿箱体内外空间的各个透水孔（9）；
渗水层（4）沿生物质炭墙（3）底部进行设置，渗水层（4）的顶面敞开、且与生物质炭墙（3）中各子生物质炭墙（13）中各农田生物质炭箱（7）的箱体底部相对接。
4.根据权利要求3所述一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统，其特征在于：还包括分布设置于所述排水渠（6）底部的各组沟渠生物质炭箱（5），各组沟渠生物质炭箱（5）分别均包括箱体、以及填充于箱体内的生物质炭，各组沟渠生物质炭箱（5）中箱体的各表面上分别设置各个透水孔（9）；各组沟渠生物质炭箱（5）分别横跨其所设排水渠（6）底部的两侧进行设置。
5.根据权利要求4所述一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统，其特征在于：各组沟渠生物质炭箱（5）分别均还包括旋转轴（14）、浮力棒（15）、连线（16）；各组沟渠生物质炭箱（5）中的箱体侧视结构为楔形，各组沟渠生物质炭箱（5）中箱体两侧直角三角形的直角顶点连线分别经对应旋转轴（14）设置于所述排水渠（6）底部的对应位置，旋转轴（14）所在直线与排水渠（6）水流方向相垂直，各组沟渠生物质炭箱（5）中箱体分别以所连旋转轴（14）为轴进行转动；各组沟渠生物质炭箱（5）的浮力棒（15）分别通过对应连线（16）、对接于对应箱体两侧直角三角形上面向水流上游方向一侧的对应锐角顶点连线上。
6.一种基于根据权利要求5所述一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统的控制方法，其特征在于，包括农田灌溉径流水过滤方法，如下：
由灌溉渠（2）针对各块农田（1）进行灌溉操作，灌溉的径流水经过农田（1）至生物质炭墙（3），并流过隔板（12）、经子生物质炭墙（13）中各农田生物质炭箱（7）过滤，然后流入渗水层（4），并通过排水装置流入排水渠（6），进入排水渠（6）中的径流水依次通过各组沟渠生物质炭箱（5）进行过滤，最后排放，其中，排水渠（6）中各组沟渠生物质炭箱（5）的箱体分别在对应所接浮力棒（15）的作用下、随水位上升而以对应旋转轴（14）转动。
7.根据权利要求6所述一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统的控制方法，其特征在于：在执行农田灌溉径流水过滤方法的同时，当系统运行一季作物后，执行如下单侧农田生物质炭箱更换步骤：
步骤A1. 在下季作物种植前，将生物质炭墙（3）中对接农田（1）的子生物质炭墙（13）中的各农田生物质炭箱（7）中的生物质炭全部转移至不漏水容器中，并在该容器中加入与生物质炭干重相等的生物质醋液，搅匀后浸泡24小时待用；然后在农田翻耕时将容器内生物质炭与生物质醋液的混合物一并施入土壤中；
步骤A2. 将生物质炭墙（3）中对接农田（1）的子生物质炭墙（13）与外侧的子生物质炭墙（13）进行位置对调，随后对空的农田生物质炭箱（7）重新填装新制备的生物质炭；
步骤A3. 种植下一季作物并施用基肥，以未采用农田面源污染控制系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的75%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
8.根据权利要求6所述一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统的控制方法，其特征在于：在执行农田灌溉径流水过滤方法的同时，当系统运行两季作物后，执行如下单侧农田生物质炭箱（7）更换，以及沟渠生物质炭箱（5）更换步骤：
步骤B1. 在下季作物种植前，将生物质炭墙（3）中对接农田（1）的子生物质炭墙（13）中的各农田生物质炭箱（7）中的生物质炭、以及各沟渠生物质炭箱（5）中的生物质炭全部转移至不漏水容器中，并在该容器中加入与生物质炭干重相等的生物质醋液，搅匀后浸泡24小时待用；然后在农田翻耕时将容器内生物质炭与生物质醋液的混合物一并施入土壤中；
步骤B2. 将生物质炭墙（3）中对接农田（1）的子生物质炭墙（13）与外侧的子生物质炭墙（13）进行位置对调，并向各空的沟渠生物质炭箱（5）和农田生物质炭箱（7）的箱体中填装新制备的生物质炭；
步骤B3. 种植下一季作物并施用基肥，以未采用农田面源污染控制系统时的常规施肥量为基准，基肥中的氮肥施用量为常规基肥中氮肥施用量的65%，基肥中的磷肥施用量为常规基肥中磷肥施用量的90%，基肥中的钾肥施用量为常规基肥中钾肥施用量的90%；追肥时所用肥料与常规施肥量一致。
9.根据权利要求7或8所述一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统的控制方法，其特征在于，所述生物质醋液为所述生物质炭烧制过程中，气态产物经冷凝回收得到的液体产物，并通过静置取上部澄清液体，精馏去除醋液中的焦油、酚对植物和动物有害或不利的物质。
10.根据权利要求6所述一种基于生物质炭和生物质醋液的农田面源污染控制系统的控制方法，其特征在于，所述生物质炭为金属元素改良生物质炭，并采用如下方法获得：
烧制前将水稻、小麦、玉米作物秸秆或蔬菜残体粉碎为预设长度的小段，并用金属盐溶液浸渍2小时，然后离心去除上清液，随后将烘干的生物质在炭化炉中烧制，炭化终点温度为450℃—750℃。
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