CN104094692A - 一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法 - Google Patents
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Abstract
一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，它涉及构建一种可伸缩式基于ADP改性生物碳的生态田埂。本发明的布设方法为，首先在坡耕地坡面垂直方向、每隔预定距离开设一条地埂，该地埂由混合预定比例生物碳的土壤堆砌而成，形成缓冲带。缓冲带上开设预定数量排水口，每个排水口后端挖一个深坑，深坑内放置一个可伸缩式净化装置，由石子带-生物碳带-粘土带三层组合而成，形成过滤带。在靠近坡底处的最后一条过滤带后端开设一个排水渠道，与河道相连，从而形成完整的生态田埂布局。该方法可以提高现有坡耕地对营养物质和水分的利用效率并有效防止地表径流、潜流所引起的泥沙下泻迁移和重金及有机污染物污染的问题。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种改良的坡耕地生态田埂布局方法。尤其涉及一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，属于农业环境保护技术领域。
【背景技术】
中国是农业大国，伴随着农业活动所产生的面源污染问题也日趋严重。尤其是化肥、农药的大量施用后通过迁移、转化、吸附、降解等过程进入环境和生态***，不可避免的造成环境污染问题，包括对动物、植物、微生物以及土壤和水体的污染。我国大部分耕地都是存在一定坡度的坡耕地，且存在局部顺坡耕作的模式，耕地的垄沟促进了地表径流的汇集与潜流的形成，加剧了降水形成的径流对农田耕层土壤的冲刷与侵蚀。一方面下泻的泥沙对N、P等营养物质具有很强的吸附作用，导致其易随流失土壤进入水体；另一方面可溶性重金属及有机污染物易随降水或灌溉形成的径流进入水体造成面源污染。田埂是防治坡耕地水土流失的一种简易工程措施，可以减缓径流对地表的侵蚀,达到保土、拦沙的效果。因此不断建立和完善新型的生态田埂布局方法对于降低坡耕地面源污染具有重要意义。
生物碳是指生物质在无氧条件下高温热解后的固态产物。《生物碳对污染土壤的治理、恢复和还原潜在作用的研究综述》研究表明生物碳的多孔性，较大的比表面积，芳香结构决定了其具有良好的吸附作用，对土壤污染物有很强的固定作用，对污染物在土壤中的环境归向有重要的影响。《甜菜残渣经厌氧消化制备的生物碳对溶液中磷酸盐去除作用的研究》证实生物碳能够吸附磷酸盐，重金属(Cu、Cd、Pb等)和有机污染物等。因此以农业废弃物(如秸秆)为原料，经过碳化处理转化为生物碳和生物质能，不但能减少直接燃烧带来的污染，减轻秸秆储存和运输的成本，还可以作为天然的土壤改良剂，对环境保护以及在农业方面的应用具有深远的意义。
鉴于此背景利用生物碳改良土壤，构建新型生态田埂布局对于农业发展和环境保护是极其重要的。相关农业技术领域和环境保护领域的研究也在不断发展，例如申请号为200910232224.4，名称为一种具有减缓农业面源污染功能的农田布局，公开号为CN101715663B，开设灌溉渠道和排水渠道，利用隔离装置将农田分成常规耕作区和缓冲区，从而拦蓄农田养分流失、促进作物生长，取得经济效益和生态效益的双赢。又如申请号为201110172489.7，名称为构建基于生物强化截留清除面源污染的生态护坡的方法，公开号为CN102829632A，通过筛选高效去除面源污染的高效菌或构建能去除难降解有机污染物的基因工程菌，然后在中空六面体生态护坡中种植植物，从而减少入河污染负荷，降低面源污染给河流生态***带来的潜在生态风险。还如申请号为201310373032.1，名称为一种降低稻田面源污染侧渗的生态田埂，公开号为CN103410118A，通过构建一种包含砾石带、生物碳带和粘土带的生态田埂，从而提高稻田的利用效率并防止侧渗所带来的水分和养分损失的问题。然而上述专利虽提出了一些减缓面源污染的田埂布局方法，但未能针对我国坡耕地面源污染问题提出有效地解决方案和具体的布局方法，并且对生物碳的利用和改良不够充分。因此开发一种降低坡耕地面源污染的生态田埂的布局方法，并利用一种ADP改性生物碳的可伸缩式净化装置进行改良，对于提高养分和水分的利用率，有效降低污染，推进农业环境保护技术的发展起到积极作用。
【发明内容】
1、目的：本发明的目的是提供一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，从而提高坡耕地对营养物质和水分的利用效率，有效防止地表径流、潜流所引起的泥沙下泻迁移问题和重金属及有机污染物污染问题。
2、技术方案：本发明的技术方案：一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，其特征在于，首先在坡耕地坡面垂直方向、每隔预定距离开设一条地埂，该地埂由混合预定比例生物碳的土壤堆砌而成，形成缓冲带。缓冲带上开设预定数量排水口，每个排水口后端挖一个深坑，深坑内放置一个可伸缩式净化装置，由石子带-生物碳带-粘土带三层组合而成，形成过滤带。在靠近坡底处的最后一条过滤带后端开设一个排水渠道，与河道相连，从而形成完整的生态田埂布局。该生态田埂的整体布局沿坡面俯瞰方向，缓冲带间隔均匀、过滤带呈棋盘式交互排列。
综上所述，本发明一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：布设生态田埂。选取具有一定坡度的耕地作为布设区域，根据坡耕地面积大小与实际污染状况选取缓冲带与过滤带布设位置，使生态田埂的整体布局沿坡面俯瞰方向，缓冲带间隔均匀、过滤带呈棋盘式交互排列；
步骤二：设置缓冲带。根据所选取坡耕地实际情况，沿坡面垂直方向，每隔预定距离开设一条地埂，该地埂由生物碳与土壤按预定比例混合堆砌成预定高度和宽度，从而形成缓冲带；
步骤三：开设排水口。在每条缓冲带上按预定间距开设预定数量排水口，该排水口高度与坡耕地地面高度齐平，起引流作用；
步骤四：开设深坑。在每个排水口后开设一个预定长度、宽度、高度的深坑，用于放置可伸缩式净化装置；
步骤五：设置过滤带。在深坑内放置一可伸缩式净化装置，该装置可通过调节折叠支架长度和栅格袋层数改变装置大小，并根据坡耕地具体需求选择在栅格袋内填充不同层数的石子带、生物碳带和粘土带，从而形成由石子带-生物碳带-粘土带三层组合而成的过滤带。
步骤六：在靠近坡底处的最后一条过滤带后端开设一个排水渠道，与河道相连，从而形成完整的生态田埂布局。
其中，步骤二中所述地埂即缓冲带的高度为20～30cm、宽度为30～50cm。
其中，步骤二中所述地埂即缓冲带的生物碳与土壤预定混合比例为1％～10％。
其中，步骤三中所述排水口宽度为30～100cm。
其中，步骤四中所述深坑的长度为100cm、宽度为30～100cm、高度为50～100cm。
其中，步骤五中所述可伸缩式净化装置，是由折叠支架和多层栅格袋构建成的折叠结构，二者通过滑块连接，调节滑块位置可改变装置大小；折叠支架材质为加强型合金钢管，支架分成若干段，各段之间以铰链连接，通过调节螺母可改变折叠支架长度；栅格袋材质为不锈钢筛网，呈折叠式袋状结构，展开规格为100*10*100cm3，最多可展开10层，筛网孔径有0.5、1、5、10mm等尺寸可供选择使用。
其中，步骤五中所述栅格袋可根据当地污染状况在3～10之间选择展开层数，每层宽度为10cm，具体展开层数由石子带、生物碳带和粘土带的填充层数决定，石子带可选择填充1～4层，生物碳带可选择填充1～3层，粘土带可选择填充1～4层。
其中，步骤五中所述石子带由粒径为3～5mm的砾石、5～20mm的卵石和5～25mm的碎石按预定比例混合而成，石子带宽度为10～40cm。
其中，步骤五中所述生物碳带以玉米芯、玉米秆、大豆秸秆和水稻秸秆作为原料，在350～650℃低温条件下，采用缺氧控温碳化法，并添加改性剂NH4H2PO4(ADP)作为碳纤维的前驱体处理剂，制备产生高性能生物碳，生物碳带宽度为10～30cm。
其中，步骤五中所述粘土带由粘土与茎秆、芦苇、木屑等环境友好材料按预定比例混合而成，粘土带宽度为10～40cm。
3、优点及功效：本发明的有益效果：
本发明所述的生态田埂，使用生物碳作为土壤改良剂，以玉米芯、玉米秆、大豆秆和水稻秆4种常见的生物质作为原料，不但减少了直接燃烧带来的污染，减轻秸秆储存和运输的成本，还提高了土壤对污染物的吸附能力。而且经过ADP改性的生物碳产出效率和吸附效率都大大提高。
本发明所述的过滤带为可伸缩式净化装置，无需进行大规模的耕地结构改造，只需根据具体使用地区的地形地貌特点和污染状况，决定过滤带的摆放位置以及石子带、生物碳带和粘土带各自的填充层数。不但解决了传统田埂布局方法的地域限制，更极大的降低了田埂布局过程中人力与物力的投资，操作简单，易于推广，取得了经济效益和环境效益的双赢。
本发明所述的石子带、生物碳带、粘土带所用材料均来自田间有机废弃物，在节约资源与能源的同时降低了产生二次污染的风险，利用环境友好材料形成过滤带进行缓冲拦蓄，能够使养分和水分被充分利用，同时有效阻控径流、潜流引起的泥沙、土壤N、P养分等的流失。
【附图说明】
图1为本发明的生态田埂布局结构示意图，图中1为耕地，2为缓冲带，3为排水口，4为排水渠道，5为河道，6为过滤带；
图2为本发明生态田埂布局侧视图，图中1为耕地，2为缓冲带，6为过滤带，i为耕地坡度；
图3为缓冲带与过滤带的空间布局示意图，图中2为缓冲带，5为河道，6为过滤带；
图4为过滤带可伸缩净化装置示意图，图中7为滑块，8为铰链，9为折叠支架，10为螺母，11为栅格袋。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
见图1—图4，本发明一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：布设生态田埂。选取具有一定坡度的耕地1作为布设区域，根据坡耕地面积大小与实际污染状况选取缓冲带2与过滤带6布设位置，使生态田埂的整体布局沿坡面俯瞰方向，缓冲带2间隔均匀、过滤带6呈棋盘式交互排列；
步骤二：设置缓冲带2。根据所选取坡耕地实际情况，沿坡面垂直方向，每隔预定距离开设一条地埂，该地埂由生物碳与土壤按预定比例混合堆砌成预定高度和宽度，从而形成缓冲带2；
步骤三：开设排水口3。在每条缓冲带2上按预定间距开设预定数量排水口3，该排水口3高度与坡耕地地面高度齐平，起引流作用；
步骤四：开设深坑。在每个排水口3后开设一个预定长度、宽度、高度的深坑，用于放置可伸缩式净化装置；
步骤五：设置过滤带6。在深坑内放置一可伸缩式净化装置，该装置可通过调节折叠支架9长度和栅格袋11层数改变装置大小，并根据坡耕地具体需求选择在栅格袋11内填充不同层数的石子带、生物碳带和粘土带，从而形成由石子带-生物碳带-粘土带三层组合而成的过滤带6。
步骤六：在靠近坡底处的最后一条过滤带6后端开设一个排水渠道4，与河道5相连，从而形成完整的生态田埂布局。
具体实施方式1：
一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，首先在耕地1坡面垂直方向、每隔预定距离开设一条地埂，该地埂由混合预定比例生物碳的土壤堆砌而成，形成缓冲带2。缓冲带2上开设预定数量排水口3，排水口宽度为100cm，每个排水口3后端挖一个深坑，深坑内放置一个可伸缩式净化装置，由石子带-生物碳带-粘土带三层组合而成，形成过滤带6。可伸缩式净化装置，是由折叠支架9和多层栅格袋11构建成的折叠结构，二者通过滑块7连接，调节滑块7的位置可改变装置大小；折叠支架9材质为加强型合金钢管，它分成若干段，各段之间以铰链8连接，通过调节螺母10可改变折叠支架9长度；栅格袋11材质为不锈钢筛网，呈折叠式袋状结构，展开规格为100*10*100cm3，展开10层，筛网孔径为5mm；在靠近坡底处的最后一条过滤带6后端开设一个排水渠道4，与河道5相连，从而形成完整的生态田埂布局。所述缓冲带2地埂高度为25cm、宽度为40cm，生物碳占土壤混合比例为5％。所述排水渠道4与靠近坡底的过滤带6间距为50cm。所述深坑长度为100cm、宽度为100cm、深度为100cm。石子带由砾石、卵石和碎石按1:1:1比例混合而成，填充3层，宽度为30cm。生物碳带以玉米芯、玉米秆、大豆秸秆和水稻秸秆作为原料，在450℃低温条件下，采用缺氧控温碳化法，并添加改性剂NH4H2PO4(ADP)作为碳纤维的前驱体处理剂，制备产生高性能生物碳，填充3层，宽度为30cm。粘土带由粘土与茎秆、芦苇、木屑三种环境友好材料按7:1:1:1比例混合而成，填充4层，宽度为40cm。
通过以下实施例验证本发明的有益效果。
实例位于三江平原东北部的八五九农场，选取玉米旱田上缓坡的耕地1为实施对象。该耕地1坡度为5°左右，坡面范围长*宽约100*200m2。布设生态田埂时，首先沿等高线设置3条地埂形成3条缓冲带2，规格为上顶宽30cm、下底宽40cm的梯形断面，高度为25cm。各缓冲带2之间间距为65m左右，分别位于距坡顶约65m、130m和195m的位置上。在距坡顶65m的缓冲带2上开设3个排水口，排水口宽度为100cm，排水口分别位于距离耕地1左端边界20m、50m和90m处；在距坡顶130m的缓冲带2上开设3个排水口，排水口宽度为100cm，排水口3分别位于距离耕地1左端边界10m、40m、80m处；在距坡顶195m的缓冲带2上开设4个排水口，排水口宽度为100cm，其中有2个排水口分别开设在紧贴耕地1的左边界和右边界的位置，另外2个排水口分别位于距离耕地1左端边界30m和60m处。每个排水口3后放置1个可伸缩式净化装置形成过滤带6，过滤带6在空间上呈棋盘式交互排列，因此沿坡面垂直方向排水口3的开设位置应不在一条直线上，而是沿纵轴线方向交错开设。过滤带6的具体布设方式为：首先在距坡顶65m处的3个排水口3后端挖3个规格为长*宽*高为100*100*100cm3的深坑，每个深坑内放置一个完全展开的可伸缩式净化装置，每个装置填充3层石子带，宽度为30cm，3层生物碳带，宽度为30cm，4层粘土带，宽度为40cm，形成规格为长*宽*高为100*100*100cm3的过滤带6。然后在距坡顶130m处的3个排水口3后端挖3个规格为长*宽*高为100*80*100cm3的深坑，每个深坑内放置一个部分展开的可伸缩净化装置，分别填充3层石子带，宽度为30cm，2层生物碳带，宽度为20cm，3层粘土带，宽度为30cm，形成规格为长*宽*高为100*80*100cm3的过滤带6。最后在坡底195m处的4个排水口3后端挖4个规格为长*宽*高为100*60*50cm3的深坑。每个深坑内放置一个部分展开的可伸缩净化装置，分别填充2层石子带，宽度为20cm，1层生物碳带，宽度为10cm，3层粘土带，宽度为30cm，形成规格为长*宽*高为100*60*50cm3的过滤带6。其中所用生物碳以玉米秆作为原料，在450℃低温条件下，采用缺氧控温碳化法，通过添加改性剂NH4H2PO4(ADP)处理制得，缓冲带2生物碳与土壤混合比例为5％。石子带由砾石、卵石和碎石按1:1:1比例混合，逐层加入并压实。生物碳带的生物碳与土壤混合比例为3％。粘土带由添加10％茎秆碎屑、10％芦苇碎屑和10％木屑的粘土堆砌而成。
以上生态田埂布局方法，对除草剂阿特拉津的吸附率达到58％，对重金属铅的吸附率高达99％，对有机磷去除率高达100％。
Claims (10)
1.一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：布设生态田埂；选取具有一定坡度的耕地作为布设区域，根据坡耕地面积大小与实际污染状况选取缓冲带与过滤带布设位置，使生态田埂的整体布局沿坡面俯瞰方向，缓冲带间隔均匀、过滤带呈棋盘式交互排列；
步骤二：设置缓冲带；根据所选取坡耕地实际情况，沿坡面垂直方向，每隔预定距离开设一条地埂，该地埂由生物碳与土壤按预定比例混合堆砌成预定高度和宽度，从而形成缓冲带；
步骤三：开设排水口；在每条缓冲带上按预定间距开设预定数量排水口，该排水口高度与坡耕地地面高度齐平，起引流作用；
步骤四：开设深坑；在每个排水口后开设一个预定长度、宽度、高度的深坑，用于放置可伸缩式净化装置；
步骤五：设置过滤带；在深坑内放置一可伸缩式净化装置，该装置通过调节折叠支架长度和栅格袋层数改变装置大小，并根据坡耕地具体需求选择在栅格袋内填充不同层数的石子带、生物碳带和粘土带，从而形成由石子带-生物碳带-粘土带三层组合而成的过滤带；
步骤六：在靠近坡底处的最后一条过滤带后端开设一个排水渠道，与河道相连，从而形成完整的生态田埂布局。
2.根据权利要求1所述的一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，其特征在于：步骤二中所述地埂即缓冲带的高度为20～30cm、宽度为30～50cm。
3.根据权利要求1所述的一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，其特征在于：步骤二中所述地埂即缓冲带的生物碳与土壤预定混合比例为1％～10％。
4.根据权利要求1所述的一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，其特征在于：步骤三中所述排水口宽度为30～100cm。
5.根据权利要求1所述的一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，其特征在于：步骤四中所述深坑的长度为100cm、宽度为30～100cm、高度为50～100cm。
6.根据权利要求1所述的一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，其特征在于：步骤五中所述可伸缩式净化装置，是由折叠支架和复数层栅格袋构建成的折叠结构，二者通过滑块连接，调节滑块位置能改变装置大小；折叠支架材质为加强型合金钢管，支架分成复数段，各段之间以铰链连接，通过调节螺母改变折叠支架长度；栅格袋材质为不锈钢筛网，呈折叠式袋状结构，展开规格为100*10*100cm3，最多展开10层，筛网孔径有0.5、1、5、10mm尺寸供选择使用。
7.根据权利要求1所述的一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，其特征在于：步骤五中所述栅格袋根据当地污染状况在3～10之间选择展开层数，每层宽度为10cm，具体展开层数由石子带、生物碳带和粘土带的填充层数决定，石子带选择填充1～4层，生物碳带选择填充1～3层，粘土带选择填充1～4层。
8.根据权利要求1所述的一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，其特征在于：步骤五中所述石子带由粒径为3～5mm的砾石、5～20mm的卵石和5～25mm的碎石按预定比例混合而成，石子带宽度为10～40cm。
9.根据权利要求1所述的一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，其特征在于：步骤五中所述生物碳带以玉米芯、玉米秆、大豆秸秆和水稻秸秆作为原料，在350～650℃低温条件下，采用缺氧控温碳化法，并添加改性剂NH4H2PO4作为碳纤维的前驱体处理剂，制备产生高性能生物碳，生物碳带宽度为10～30cm。
10.根据权利要求1所述的一种降低坡耕地面源污染的生物碳改良生态田埂的方法，其特征在于：步骤五中所述粘土带由粘土与茎秆、芦苇、木屑材料按预定比例混合而成，粘土带宽度为10～40cm。
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