CN105706691A

CN105706691A - 一种利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法

Info

Publication number: CN105706691A
Application number: CN201610090623.1A
Authority: CN
Inventors: 卓慕宁; 李定强; 谢真越; 韦高玲
Original assignee: Guangdong Institute of Eco Environment and Soil Sciences
Current assignee: Guangdong Institute of Eco Environment and Soil Sciences
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2016-06-29

Abstract

本发明公开了一种利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法。本发明利用生物炭对氮、磷的高吸附性，将水生植物种植在含生物炭的土壤基质中，并以框体的形式安置在农田排水沟渠中，以控制生态沟渠中水生植物的分布格局，通过水生植物及土壤基质中生物炭对沟渠水体氮、磷的吸收、吸附作用，降低沟渠水体中的氮、磷浓度，达到减少土壤氮、磷流失的目的，又可避免沟渠水生植物生长过于茂密，从而保持沟渠水流通畅。本发明方法投入成本低，操作简单，易于实施。

Description

一种利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法

技术领域

本发明涉及农业非点源污染控制领域，更具体地，涉及一种利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法。

背景技术

珠江三角洲平原区土地肥沃，是广东省重要的农产品生产基地，区内农田排水沟渠纵横密布，在土地复种指数高和短历时暴雨频繁的条件下，土壤氮、磷极易随农田排水流失，最终进入河涌水体，造成水体富营养化。已有研究表明，利用水生植物构建生态沟渠，可以明显降低沟渠水体中的氮、磷浓度。但由于珠江三角洲平原区地下水位较高，在雨季汛期农田常发生渍涝问题，如果将水生植物直接种植在沟渠中，那么在经过一段时间生长后水生植物往往会布满整条沟渠。而若沟渠中水生植物生长过于茂密，则易发生排水不畅、加剧农田渍涝的问题。而且随着时间的推移，沟渠底泥氮、磷不断积累，生态沟对氮、磷的削减效应也大为降低。

发明内容

本发明针对利用水生植物构建生态沟渠方面存在的上述技术缺陷，提供一种利用生物炭减少氮磷流失的方法，是一种新的利用水生植物构建生态沟渠方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

提供一种利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法，包括以下步骤：

S1.设置基质框，所述基质框与农田沟渠两侧中的至少一侧保留一定宽度；在所述基质框设置便于沟渠水流正常通过的孔隙；

S2.在所述基质框中底部铺设砾石（细砾石），然后填入由土壤基质和生物炭组成的混合基质；

S3.在混合基质中移栽水生植物苗；

S4.将基质框置于农田排水沟渠，基质框距沟渠两侧保留一定宽度的距离，农田排水沟渠中按照常规排水，在常规排水过程中实现减少氮磷的流失。

优选地，所述基质框与农田沟渠两侧中分别保留一定宽度以利沟渠水流通畅。进一步优选地，步骤S1所述基质框的宽度控制在农田排水沟渠宽度的2/3～3/4。基质框体积不宜过大，以方便操作和水流通过为宜，本发明经长期大量实验总结发现，将框的宽度控制在沟宽的3/4时效果最佳。

优选地，步骤S1所述孔隙为条带状孔隙。所述孔隙可以设置于框体周边和/或底部。以便沟渠水流可正常通过。

进一步地，所述条带状孔隙设置于框体周边和底部。

进一步地，所述条带状孔隙的宽度按照砾石颗粒大小确定，以砾石不从基质框中掉落为标准。

优选地，所述砾石的粒径为1～2cm，所述条带状孔隙的宽度为0.8～1.2cm。

优选地，所述砾石的铺设采用平铺的的方式，平铺的厚度优选3～5cm。

优选地，步骤S2所述土壤基质和生物炭的混合比例按照生物炭占土壤基质重量的为2%～8%确定，进一步优选地，所述生物炭占土壤基质重量的8%。

优选地，步骤S2所述混合基质的装填厚度为15～20cm。

优选地，步骤S3所述水生植物苗为挺水植物苗，优选梭鱼草、菖蒲和/或鸢尾。进一步地，可以在沟渠的上半段基质框中种植鸢尾，下半段基质框中种植梭鱼草或菖蒲。优选地，本发明方法在挺水植物苗长至15cm的时候移栽入混合基质。

优选地，步骤S4所述的基质框距沟渠两侧保留一定宽度的距离可以为10～30cm，以利沟渠水流通畅。

本发明所述基质框的长度视沟渠的长度而定，优选按照基质框长度为沟渠长度的1/2的比例设置基质框的尺寸。

优选地，所述基质框***为根据农田沟渠长度方向设置的若干个基质框构成；采用若干个基质框时，优选按照基质框***总长度为沟渠长度的1/2的比例设置基质框的尺寸和数量。

根据农田沟渠的宽度和操作的方便，可以设置多排并列设置的基质框。如果设置多排基质框，靠近沟渠两侧的基质框距沟渠两侧保留一定宽度的距离为10～30cm。

进一步优选地，所述若干基质框***中，基质框与基质框之间长度和/或宽度方向的间隔为40cm。

所述基质框内种植的水生植物视生长情况可适时收割。

本发明的有益效果如下：

本发明利用生物炭对氮、磷的高吸附性，将水生植物种植在含生物炭的土壤基质中，并以框体的形式按一定的间隔安置在农田排水沟渠中，以科学控制生态沟渠中水生植物的分布格局，一方面通过水生植物及土壤基质中生物炭对沟渠水体氮、磷的吸收、吸附作用，降低沟渠水体中的氮、磷浓度，从而达到减少土壤氮、磷流失的目的；另一方面又可避免沟渠水生植物生长过于茂密，从而保持沟渠水流通畅。以本发明所述方法构建的生态沟，可综合土壤基质中生物炭与水生植物对氮、磷的削减作用，既能控制生态沟水生植物的分布格局，又不至于因水生植物面积减小而降低生态沟削减氮、磷的效应。本发明技术构建生态沟的材料仅需少量生物炭、基质框、水土植物苗和细砾石等，投入成本低，操作简单，易于实施。

附图说明

图1基质框示意图。

图2基质框示意图（带尺寸设计）。

图3利用生物炭构建生态沟平面示意图。

图4不同比例生物炭对土壤氮的削减效果。

图5不同比例生物炭对土壤磷的削减效果。

图6不同水生植物品种对氮、磷的削减效果。

图7本发明技术构建的生态沟对氮的削减效果。

图8本发明技术构建的生态沟对磷的削减效果。

图9土壤基质未加生物炭构建的生态沟对氮的削减效果。

图10土壤基质未加生物炭构建的生态沟对磷的削减效果。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明。下述实施例仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

实施例1

在广州城郊蔬菜地随机选择一段农田排水沟，按照以下步骤进行构建生物炭基质框***。

S1.设置基质框，见图1所示，所述基质框的宽度控制在农田排水沟渠宽度的3/4或以下，在所述基质框设置便于沟渠水流正常通过的孔隙；

S2.在所述基质框中底部平铺一层细砾石，然后填入由土壤基质和生物炭组成的混合基质；

S3.在混合基质中移栽水生植物苗；

S4.基质框置于农田排水沟渠，基质框距沟渠两侧保留一定宽度的距离。

具体地，本实施例中，农田排水沟沟宽0.8～1.2m，平均宽度1.0m。根据沟宽制备长（m）、宽（1.0m）、高（m）分别为60cm、40cm、20cm的塑料框作为基质框，框体周边及底部均带有宽约1cm的条带状孔隙，可透水，见图2所示。水生植物选用梭鱼草和鸢尾两个品种，本实施例在市场批量购买一批盆栽苗备用，另购一批粒径为1～2cm的细砾石备用。水生植物种植时先在基质框底部平铺一层细砾石，再将水生植物去掉花盆连同土壤一起移栽到基质框中，并加入生物炭，每框基质按土壤重量比加入8%的生物炭，表面及周边用细砾石固定，之后将种植水生植物的基质框依次放入排水沟中，基质框之间保留40cm的间隔，基质框与排水沟两侧的距离10～30cm，见图3所示。可以保证排水沟水流通畅，水流经过基质框时亦可以透过框体空隙通过。共放置50个基质框，形成50m的水生植物生态沟，其中上半段水生植物为鸢尾，下半段水生植物为梭鱼草。构建生态沟投入的材料成本约为45元/m。生态沟水生植物根据长势情况进行收割管理。

实施例2

实施步骤参见实施例1。实施试验于2015年8月实施，具体实施方法同上。

采用室内模拟土柱淋溶试验的方法，试验生物炭对土壤氮、磷流失的影响，将生物炭加入土壤中的比例分别为2%、4%、6%和8%，另设不添加处理作为对照，结果见图4和图5所示（图4和图5中右列数字1～10表示试验加水淋溶次数）。试验结果表明，生物炭处理与对照之间存在显著差异（p<0.05），生物炭添加量越大，土壤TN、TP淋溶损失量越小。因此，生物炭可有效降低土壤TN、TP的淋溶损失量。

采用室内水培试验的方法，试验水生植物对氮、磷的削减效果，供试水生植物品种为铜钱草、睡美人、梭鱼草、鸢尾、水蕹菜和芦苇共6种，结果见图6所示，其中，图6每组方框图中，左边方框为TN，右边方框为TP。试验结果表明，不同水生植物对TN、TP的削减率均显著高于对照（p<0.05），不同水生植物对TN、TP均有一定的吸收消减作用，平均削减率分别为29.0%～31.0%、53.0%～55.3%，其中梭鱼草和菖蒲对TN、TP的去除效果均显著优于其他植物。

为试验本技术的实施效果，在本发明技术构建的生态沟上游（鸢尾前）、中游（鸢尾与梭鱼草交界处）和下游末端（梭鱼草后）分别设置采样断面，在试验期间避免生态沟两侧有侧沟排水汇入，于一次降雨后连续采样监测水体氮、磷浓度的变化，结果见图7和图8所示，其中图7和图8中的每组方框图中，从左至右分别为雨后当天、雨后3天、雨后7天、雨后40天。从图7和图8可见，生态沟中游及下游断面水体TN、TP浓度呈明显下降趋势，经计算，与上游断面相比，下游断面水体TN、TP浓度分别降低了47.5%、35.7%，中游断面水体TN、TP浓度分别降低了35.5%、24.3%。另设一段以同样方法构建但土壤基质未加入生物炭的生态沟作为对照进行监测，结果见图9和图10，其中图9和图10中的每组方框图中，从左至右分别为雨后当天、雨后3天、雨后7天、雨后40天。与上游断面相比，基质未加入生物炭的生态沟下游断面TN、TP浓度分别降低了31.9%、10.2%，而中游断面TN、TP则未表现出明显的降低。对比试验监测结果表明，本发明技术构建的生态沟降低氮、磷浓度效果较好。

实施例3

实施试验以2015年4月实施，具体实施方法同上，试验实施用生物炭及水生植物对氮、磷的削减效果同实施例1。为试验本发明技术的实施效果，在本发明技术构建的生态沟上游（鸢尾前）和下游末端（梭鱼草后）分别设置采样断面，于一次降雨后连续采样监测氮、磷浓度的变化，另选50m农田自然排水沟（沟两侧自然生长杂草）作为对照进行同期监测，结果见表1。表1结果表明，本发明技术构建的生态沟一次降雨后TN、TP去除率平均分别为27.3%、20%，比自然沟对氮、磷的自净能力平均提高了7.3%、6.0%。

表1　本技术构建生态沟与自然沟雨后不同时期的氮、磷去除率比较（%）

项目	监测断面	2015.8.16	2015.8.19	2015.8.23	2015.9.24	平均
							TN	生态沟	20.4	23.9	31.6	33.3	27.3
	自然沟	13.8	9.7	0	49.8	16.5
							TP	生态沟	11.7	49.7	0.0	18.7	20.0
	自然沟	0	10.3	6.8	27.3	10.5

Claims

1.一种利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.设置基质框，所述基质框与农田沟渠两侧中的至少一侧保留一定宽度，在所述基质框设置便于沟渠水流正常通过的孔隙；

S2.在所述基质框中底部平铺砾石，然后填入由土壤基质和生物炭组成的混合基质；

S3.在混合基质中移栽水生植物苗；

S4.将基质框置于农田排水沟渠，基质框距沟渠两侧保留一定宽度的距离；农田排水沟渠中按照常规排水，在常规排水过程中实现减少氮磷的流失。

2.根据权利要求1所述利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法，其特征在于，步骤S1所述基质框的宽度控制在农田排水沟渠宽度的2/3～3/4。

3.根据权利要求1所述利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法，其特征在于，步骤S1所述孔隙为一定宽度的条带状孔隙，所述条带状孔隙的宽度按照砾石颗粒大小确定；所述孔隙设置于框体周边和/或底部。

4.根据权利要求1或3所述利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法，其特征在于，所述砾石的粒径为1.5～2cm；所述条带状孔隙的宽度为0.8～1.2cm。

5.根据权利要求1、3或4任一项所述利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法，其特征在于，所述砾石铺设的厚度为3～5cm。

6.根据权利要求1所述利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法，其特征在于，步骤S2所述土壤基质和生物炭的混合比例按照生物炭占土壤基质重量的2%～8%确定，优选地，所述生物炭占土壤基质重量的8%。

7.根据权利要求1所述利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法，其特征在于，步骤S3所述水生植物苗为挺水植物苗，优选梭鱼草、菖蒲和/或鸢尾。

8.根据权利要求7所述利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法，其特征在于，沟渠的上半段基质框中种植鸢尾，下半段基质框中种植梭鱼草或菖蒲。

9.根据权利要求1所述利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法，其特征在于，步骤S4所述的基质框距沟渠两侧保留一定宽度的距离为10～30cm。

10.根据权利要求1所述利用生物炭减少农田排水沟渠氮磷流失的方法，其特征在于，所述基质框的数量按照沟渠长1/2的比例设置基质框的数量；基质框与基质框之间的间隔为40cm。