CN115067105B - 一种兼备控污减排效果的生态陂塘***及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼备控污减排效果的生态陂塘***，包括水塘、太阳能水泵、水稻湿地等单元要素。周边农田排水首先汇入水塘，然后依靠水塘上架设的太阳能光伏电板发电供给水泵运行，将水泵入水稻湿地；水稻湿地中布置田埂，引导来水以折流形式充分流经稻田；水稻湿地末端布置管道，将水体再次汇入水塘，从而形成内循环。本发明充分利用区域内原有的水塘与水田，构建生态陂塘***，净化周边农田排水，减少温室气体排放，保护生物多样性，并且生产高品质的绿色生态稻米。

Description

一种兼备控污减排效果的生态陂塘***及其构建方法

技术领域

本发明涉及生态修复技术领域，尤其涉及一种兼备控污减排效果的生态陂塘***及其构建方法，适用于净化周边农田排水、减少温室气体排放、保护生物多样性并生产高品质绿色生态稻米的***。

背景技术

广泛分布的水稻田被认为是温室气体的重要排放源。水稻田虽然有较大的固碳潜力，但由于长期淹水形成的厌氧环境、水稻田中丰富的有机物以及种植期较高的温度，使得土壤中存在大量的厌氧性微生物，促进了CH₄和N₂O的形成，而CH₄和N₂O产生的温室效应分别为CO₂的21倍和310倍。有相关研究提出采用免耕直播的种植方式，向土壤中添加硝化抑制剂，以及通过转基因技术控制水稻根部向土壤释放有机物以抑制产甲烷菌活性，能够减少CH₄和N₂O的排放。然而，兼顾农田排水净化和温室气体排放控制的技术方法还较为缺乏。

另一方面，传统的水稻种植过程中，化肥的施用量普遍超过农田的实际需求，导致大量氮磷等养分在农田排水、下渗的过程中进入环境水体，不仅流失了营养物质、降低了化肥的利用率，更是增加了周围受纳水体富营养化的风险，进而形成农业面源污染。目前解决农业面源污染问题常见的方法是利用生态拦截型沟渠***。此类沟渠作为农田和周围水体间的缓冲过渡带，通过沉积物-植物-微生物***，对氮磷等养分进行截流和降解。但是利用沟渠***净化农业面源污染物，可能将产生二次污染问题。由于沟渠中的野生植物不具有高经济价值，到秋冬季不会被农民收割利用，而植物地上部分死亡后，残体分解释放营养物质，进而对排水产生二次污染。另外，沟渠***去除面源污染物的能力很大程度上取决于沟渠宽度和面积，而在农耕区土地紧约束的现状下，难有足够空间支持沟渠***有效发挥净化功能。除了生态沟渠技术之外，人工湿地常常被用于控制农田面源污染，现有技术包括表面流、地下潜流、垂直流等不同类型人工湿地，实践证明能取得较好的氮磷去除效果，但仍存在占用农田或周边的生态用地的问题。

在我国传统农业模式中，常常在耕作区域兴作陂塘，具有调蓄雨水、河水，供给农业生产用水的功能；而从水稻自身生物学特征来看属于湿生植物，水稻田也可以视为人工湿地的特殊类型；同时由于水稻田甲烷排放受到土壤氧化还原条件的影响，适当的水体流动会对甲烷起到强烈的抑制作用。有基于此，吸取古代陂塘耕作的经验，可将农田局部区域进行适当改造，构建田间水塘和水稻湿地联动的生态陂塘***，结合水流调控措施，用于调蓄农田排水并去除氮磷污染物，同步削减甲烷排放，同时还避免了占地问题，并可以进一步利用生态陂塘***，营造多样化的生物栖息地和水田湿地景观。

发明内容

本发明的目的是对水稻种植区域，利用水田、水塘等生态空间，构建生态陂塘***，实现对灌溉水的净化、调蓄、循环利用，同时控制温室气体排放、保护生物多样性，并且生产高品质的绿色生态稻米，提供良好的生态***服务。本发明实现水体氮磷去除、甲烷排放控制的技术手段和原理在于：构建了水稻田、水塘、水稻湿地一体化协同的***，利用水塘收纳高氮磷稻田排水，利用光伏电板发电带动水泵提升水塘水体流入稻田，通过溢流口将排水重新汇入水塘，实现灌溉水循环流动、养分有效利用；水稻湿地中低流速水流扰动，增加水体溶解氧、土壤氧化还原电位和溶质的垂向对流迁移，从而促进对营养盐的土壤吸附、水稻吸收、微生物硝化反硝化作用，抑制产甲烷菌的异养呼吸生成甲烷。本发明的技术方案如下：利用现有水塘或根据地势开挖浅塘，通过管道布置连接水田和水塘，依靠水塘上架设的太阳能光伏电板发电供给水泵运行，将水泵入水田，充分流经后再次汇入水塘，构建一种生态陂塘***，实现低施肥、低能耗和负排放的新型耕作。

本发明***包括：

水塘：水塘断面平均水深约0.8-2m，水塘与水田面积比0.05-0.2；塘内收集陂塘***内水田或周边农田的排水；根据作物生产、水质净化、太阳能发电等不同功能发挥的需求，水塘大致分为三个区域：

沉水植物区：水底种植能够净化稳定水质、为动物提供食物和栖息场所的本地沉水植物，水底约30％区域种植本地沉水植物，包括黑藻、狐尾藻、金鱼藻、苦草、菹草等；多种沉水植物搭配，以20株/㎡的密度等面积片植，总种植面积占水塘面积30％；当水塘生态***建立后，植被群落实际演替形成沉水植物的最终分布。

水生经济作物区：水面约30％区域布置浮床，栽培水芹菜、空心菜等可食用的经济作物，塘中养殖泥鳅、鲫鱼等水产，每亩不超过200尾鱼苗，实现鱼菜共生；适当捕捞水产和收割蔬菜，可在水稻收获的同时增加额外的经济收入，并且将氮、磷营养物质彻底从***中移除，避免二次污染；同时利用鱼类对浮游植物的取食，进一步控制水塘的蓝藻生长，通过构建食物网链使***更加稳定。

光伏电板区：在水塘上架设太阳能光伏电板，安装角度约25°，小倾角排列的方式，铺设面积占水塘面积30％；不仅为水泵运转提供足够电力，还能起遮光作用，一定程度上抑制蓝藻的生长，减少水塘中水华的风险，实现渔光互补。

太阳能水泵：水泵放置于水塘与水稻湿地之间，靠近光伏电板区以便电力运输，提升水塘水体流入水稻湿地，确保水稻田内水流流速15-30m/h；水泵入水口布置拦网，防止输水同时携带塘中鱼苗，造成鱼苗损失。

水稻湿地：水田中亩栽4-5万穴，每穴1-2苗，栽插深度2-3cm；根据已有地形对现有水田稍加改造，布置导流土埂引导来水以折流形式充分流经稻田，提高有效水力停留时间，其中导流土埂高度10-20cm，导流土埂间距10-20m，导流土埂和农田田埂之间留出缺口，缺口与田埂长度之比为0.5-0.8；田面水水深控制在3-5cm；水流在水稻湿地内通过距离100-200m；水体由太阳能水泵输入水稻湿地后以较低流速推流式前进，流速控制在15-30m/h，此类低强度水流扰动将增加水体溶解氧含量与土壤氧化还原电位，促进营养盐垂向迁移、渗入土壤深层，有利于水稻根系对营养盐的吸收作用，并抑制还原条件、减少温室气体排放；在水稻湿地末端高5-10cm处布置溢流口，通过管道将水再次汇入水塘，形成内循环。

本发明的***构建方法具体包括：

1)利用周边现有水塘或根据地势开挖浅塘，通过管道布置连接水田和水塘，水塘收集***内水田或周边农田排水，水底种植本地沉水植物，水面布置浮床栽培水生经济作物，塘内养殖水产；通过沉淀、土壤吸附、植物吸收等过程，去除来水中部分大颗粒悬浮物和氮磷等养分；

2)太阳能水泵依靠架设于水塘上的光伏电板发电供给运行，将塘水泵入水稻湿地，同时起到遮光作用抑制塘内蓝藻生长，实现渔光互补；

3)水稻湿地中布置田埂引导来水折流式、低流速充分流经稻田，水稻湿地末端布置溢流口，通过管道出水再次汇入水塘，从而形成内循环。

本发明的有益效果在于：

1)循环使用水体，充分利用其中的营养盐，通过水塘和水稻湿地的沉淀作用、土壤吸附、植物吸收、微生物硝化反硝化作用等，去除农田排水中的大颗粒悬浮物和氮磷等养分，实现对灌溉水的净化和营养物质的再次利用，降低周围受纳水体富营养化的潜在风险；

2)水稻湿地内形成低流速水流扰动，有利于增加水体溶解氧含量与土壤氧化还原电位，抑制还原条件，从而减少CH₄和N₂O等温室气体的排放；促进了沉积物与水体间的营养盐交换和扩散过程,有利于养分渗入土壤深层；

3)形成水田景观，营造多样化的生境，为蛙类、鸟类、底栖动物等提供栖息地和食物来源，提高区域内的生物多样性；

4)创造低施肥、低能耗和负排放的新型耕作方式，生产高品质的绿色生态稻米。

5)复合利用空间资源，实现鱼菜共生、渔光互补，水稻收获的同时增加额外的经济收入

6)本发明水质净化、温室气体减排、营养物质有效再利用等功能的发挥，关键在于水稻田水稻湿地、水塘的有机组合，和内循环流动的形成，和水体流速的合理控制。

本发明充分利用区域内原有的水塘与水田，构建生态陂塘***，净化周边农田排水，减少温室气体排放，保护生物多样性，并且生产高品质的绿色生态稻米。

附图说明

图1为本发明生态陂塘***示意图；

图2为水塘示意图；

图3为水稻湿地示意图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

本发明的***包括水塘、太阳能水泵、水稻湿地。周边农田排水首先汇入水塘，水塘底部种植本地沉水植物、水面布置浮岛栽培水生经济作物，塘内养殖水产；依靠水塘上架设的太阳能光伏电板发电供给水泵运行，将塘水泵入水稻湿地；水稻湿地中布置导流土埂，引导来水以折流形式充分流经稻田；水稻湿地末端布置管道，出水再次汇入水塘，从而形成内循环。

本发明***中各区具体内容：

1)水塘

塘内收集陂塘***内水田或周边农田的排水；水塘断面平均水深0.8-2m，水塘与水田面积比0.05-0.2；水底约30％区域种植本地沉水植物；水面约30％区域布置浮床，栽培水芹菜、空心菜等可食用的经济作物；塘中养殖泥鳅、鲫鱼等水产，每亩不超过200尾鱼苗。

2)太阳能水泵

在水塘上架设太阳能光伏电板，安装角度约25°，铺设面积占水塘面积30％；水泵放置于水塘与水稻湿地之间，提升水塘水体流入水稻湿地，确保水稻田内水流流速15-30m/h。

3)水稻湿地

水田中亩栽4-5万穴，每穴1-2苗，栽插深度2-3cm；在水稻田中布置高10cm的导流土埂，导流土埂间距10-20m，导流土埂和农田田埂之间留出缺口，缺口与田埂长度之比0.5-0.8；田面水水深控制在3-5cm；水流在水稻湿地内通过距离100-200m；末端高5-10cm处布置溢流口，出水重新汇入水塘。

实施例

本实施例针对的是一个面积3026㎡，其中水塘面积875.5㎡，耕地面积2150.5㎡的区域。区域整体呈矩形，东北角为水塘，现状水质混浊，无种植经济作物，无水产养殖；西南侧原为地势平坦的耕地，内无田埂，将修筑东西向成排、保留断口以导流的田埂；南端原有排水口与排水沟渠，将稍加改造形成汇入水塘的出水口。各个处理单元构建过程如下：

1)水塘

参阅图1、图2，塘内收集陂塘***内水田或周边农田的排水，通过沉淀、土壤吸附、植物吸收等过程，去除来水中部分大颗粒悬浮物和氮磷等养分，然后通过太阳能水泵将水输入水稻湿地。水塘总面积约875.5㎡，断面平均水深约0.8m，其中底标高3.0m，水面标高3.8m，整个水塘***土方标高4.0m，保证区域内水体不溢流。塘内投放100尾鲫鱼苗和100尾泥鳅苗。根据作物生产、水质净化、太阳能发电等不同功能发挥的需求，水塘大致分为三个区域：

水生经济作物区：位于水塘东北角，约占水塘面积30％。栽培区水面布置浮床，浮床宽8m、长25m，种植水芹菜、空心菜。

沉水植物区：位于水塘东南角，约占水塘面积30％。塘底种植黑藻、狐尾藻、金鱼藻、苦草、菹草等能够净化稳定水质、为生物提供栖息空间的本地沉水植物。

光伏电板区：位于水生经济作物区和沉水植物区的西侧，约占水塘面积30％。

2)太阳能水泵

参阅图2，在水塘内西侧区域，采用1.2m高固定式支架、25°小倾角排列的方式架设太阳能光伏电板，其中包含20块电板组件。水泵架设在水塘西北角，流量控制在15-30m/h范围内。水泵入水口布置拦网，防止输水同时携带塘中鱼苗，造成鱼苗损失。

3)水稻湿地

参阅图3，水稻湿地总面积约2150.5㎡，平均水深控制在5cm左右，其中底标高3.80m，水面标高3.85m，整个水田***土方标高4.00m。进水口位于该区域东北角，由水泵运输来水；出水口位于东南角，在***土方距田底高约5cm处；同时布置管道连接出水口与水塘，将出水再次汇入水塘。水稻湿地内布置导流土埂引导来水以折流形式充分流经稻田。导流土埂呈东西向排列分布；导流土埂高度10cm、宽度20cm，相邻导流土埂间距离约10m；缺口与田埂长度之比约0.7。水稻亩栽4.5万穴，每穴2苗，栽插深度约3cm。

***建成后，连续监测结果显示，***能够截留>90％的农田排水，氮磷削减率达到90％以上，甲烷排放量削减>20％；同时水稻产量和对照田相比没有下降。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

Claims (5)

1.一种兼备控污减排效果的生态陂塘***，其特征在于，包括水塘、太阳能水泵、水稻湿地；

所述水塘断面平均水深为0.8-2m，水塘与水田面积比为0.05-0.2；塘内收集陂塘***内水田或周边农田的排水；根据作物生产、水质净化、太阳能发电不同功能发挥的需求，水塘分为三个区域：

水生经济作物区：水面30％区域布置浮床，栽培可食用的经济作物，塘中养殖水产，每亩不超过200尾鱼苗；

沉水植物区：水底30％区域种植本地沉水植物，以20株/㎡的密度等面积片植，总种植面积占水塘面积30％；当水塘生态***建立后，植被群落实际演替形成沉水植物的最终分布；

光伏电板区：在水塘上架设太阳能光伏电板，铺设面积占水塘面积30％；所述太阳能光伏电板以小倾角排列的方式，安装角度为25°，为太阳能水泵运转提供电力、起遮光作用，抑制蓝藻的生长，减少水塘中水华的风险，实现渔光互补；

所述太阳能水泵包括：太阳能水泵放置于水塘与水稻湿地之间，靠近光伏电板区以便电力运输，提升水塘水体流入水稻湿地；水泵入水口布置拦网，防止输水同时携带塘中鱼苗；

所述水稻湿地包括：水田中亩栽4-5万穴；布置导流土埂引导来水以折流形式充分流经稻田，导流土埂和农田田埂之间留出缺口，所述缺口与田埂长度之比0.5-0.8；田面水水深控制在3-5cm；水流在水稻湿地内通过距离100-200m；水体由太阳能水泵输入水稻湿地后以较低流速推流式前进，流速在15-30m/h，增加水体溶解氧、土壤氧化还原电位和溶质的垂向对流迁移，从而促进对营养盐的土壤吸附、水稻吸收、微生物硝化反硝化作用，抑制产甲烷菌的异养呼吸生成甲烷；

在水稻湿地末端高5-10cm处布置溢流口，充分流经后通过管道将水再次汇入水塘，形成内循环，构建生态陂塘***，净化周边农田排水，减少温室气体排放，保护生物多样性，实现低施肥、低能耗和负排放的新型耕作；所述水稻田内水流流速达到15-30m/h。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述本地沉水植物包括黑藻、狐尾藻、金鱼藻、苦草、菹草，所述可食用的经济作物包括水芹菜、空心菜，所述水产包括泥鳅、鲫鱼。

3.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述亩栽每穴1-2苗，栽插深度2-3cm。

4.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述导流土埂高度10-20cm，导流土埂间距10-20m。

5.一种如权利要求1-4之任一项所述的兼备控污减排效果的生态陂塘***的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：利用周边现有水塘或根据地势开挖浅塘，通过管道布置连接水田和水塘，水塘收集***内水田或周边农田排水，水底种植本地沉水植物，水面布置浮床栽培水生经济作物，塘内养殖水产；

步骤2：太阳能水泵依靠架设于水塘上的光伏电板发电供给运行，将塘水泵入水稻湿地；

步骤3：水稻湿地中布置田埂引导来水折流式、低流速充分流经稻田，水稻湿地末端布置溢流口，通过管道出水再次汇入水塘，从而形成内循环。