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】
[0001] 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】
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 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： 51. 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； 52. 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； 53. 在混合基质中移栽水生植物苗； 54. 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。
[0005] 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Sl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。
[0006] 优选地，步骤Sl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。
[0007] 进一步地，所述条带状孔隙设置于框体周边和底部。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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%。
[0012]优选地，步骤S2所述混合基质的装填厚度为15~20 cm。
[0013]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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 优选地，所述基质框系统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，优选按照基质框系统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。
[0017] 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。
[0018] 进一步优选地，所述若干基质框系统中，基质框与基质框之间长度和/或宽度方向 的间隔为40cm〇
[0019] 所述基质框内种植的水生植物视生长情况可适时收割。
[0020] 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】
[0021 ]图1基质框不意图。
[0022] 图2基质框示意图（带尺寸设计）。
[0023] 图3利用生物炭构建生态沟平面示意图。
[0024]图4不同比例生物炭对土壤氮的削减效果。
[0025]图5不同比例生物炭对土壤磷的削减效果。
[0026] 图6不同水生植物品种对氮、磷的削减效果。
[0027] 图7本发明技术构建的生态沟对氮的削减效果。
[0028] 图8本发明技术构建的生态沟对磷的削减效果。
[0029]图9 土壤基质未加生物炭构建的生态沟对氮的削减效果。
[0030] 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】
[0031] 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。
[0032] 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系 统。
[0033] SI.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； 52. 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； 53. 在混合基质中移栽水生植物苗； 54. 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。
[0034]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（I .Om)、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I cm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。
[0035] 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。
[0036]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。
[0037] 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了1了？的去除效果均显著优于其他植 物。
[0038] 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。
[0039] 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%。
[0040]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(％)
【主权项】
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：51. 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；52. 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；53. 在混合基质中移栽水生植物苗；54. 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〇5. 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，所述烁石铺设的厚度为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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】A01B79/00, A01G1/00, A01B79/02
【公开号】CN105706691
【申请号】CN201610090623
【发明人】卓慕宁, 李定强, 谢真越, 韦高玲
【申请人】广东省生态环境与土壤研究所