一種利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及農業非點源污染控制領域，更具體地，涉及一種利用生物炭減少農田 排水溝渠氮磷流失的方法。
【背景技術】
[0002] 珠江三角洲平原區土地肥沃，是廣東省重要的農產品生產基地，區內農田排水溝 渠縱橫密布，在土地復種指數高和短歷時暴雨頻繁的條件下，土壤氮、磷極易隨農田排水流 失，最終進入河涌水體，造成水體富營養化。已有研究表明，利用水生植物構建生態溝渠，可 以明顯降低溝渠水體中的氮、磷濃度。但由于珠江三角洲平原區地下水位較高，在雨季汛期 農田常發生漬澇問題，如果將水生植物直接種植在溝渠中，那么在經過一段時間生長后水 生植物往往會布滿整條溝渠。而若溝渠中水生植物生長過于茂密，則易發生排水不暢、加劇 農田漬澇的問題。而且隨著時間的推移，溝渠底泥氮、磷不斷積累，生態溝對氮、磷的削減效 應也大為降低。

【發明內容】

[0003] 本發明針對利用水生植物構建生態溝渠方面存在的上述技術缺陷，提供一種利用 生物炭減少氮磷流失的方法，是一種新的利用水生植物構建生態溝渠方法。
[0004] 本發明的目的通過以下技術方案予以實現： 提供一種利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法，包括以下步驟： 51. 設置基質框，所述基質框與農田溝渠兩側中的至少一側保留一定寬度;在所述基質 框設置便于溝渠水流正常通過的孔隙； 52. 在所述基質框中底部鋪設礫石(細礫石），然后填入由土壤基質和生物炭組成的混 合基質； 53. 在混合基質中移栽水生植物苗； 54. 將基質框置于農田排水溝渠，基質框距溝渠兩側保留一定寬度的距離，農田排水溝 渠中按照常規排水，在常規排水過程中實現減少氮磷的流失。
[0005] 優選地，所述基質框與農田溝渠兩側中分別保留一定寬度以利溝渠水流通暢。進 一步優選地，步驟Sl所述基質框的寬度控制在農田排水溝渠寬度的2/3~3/4。基質框體積 不宜過大，以方便操作和水流通過為宜，本發明經長期大量實驗總結發現，將框的寬度控制 在溝寬的3/4時效果最佳。
[0006] 優選地，步驟Sl所述孔隙為條帶狀孔隙。所述孔隙可以設置于框體周邊和/或底 部。以便溝渠水流可正常通過。
[0007] 進一步地，所述條帶狀孔隙設置于框體周邊和底部。
[0008] 進一步地，所述條帶狀孔隙的寬度按照礫石顆粒大小確定，以礫石不從基質框中 掉落為標準。
[0009] 優選地，所述礫石的粒徑為1~2cm，所述條帶狀孔隙的寬度為0 · 8~1 · 2cm。
[0010] 優選地，所述礫石的鋪設采用平鋪的的方式，平鋪的厚度優選3~5cm。
[0011] 優選地，步驟S2所述土壤基質和生物炭的混合比例按照生物炭占土壤基質重量的 為2%~8%確定，進一步優選地，所述生物炭占土壤基質重量的8%。
[0012]優選地，步驟S2所述混合基質的裝填厚度為15~20 cm。
[0013]優選地，步驟S3所述水生植物苗為挺水植物苗，優選梭魚草、菖蒲和/或鳶尾。進一 步地，可以在溝渠的上半段基質框中種植鳶尾，下半段基質框中種植梭魚草或菖蒲。優選 地，本發明方法在挺水植物苗長至15cm的時候移栽入混合基質。
[0014] 優選地，步驟S4所述的基質框距溝渠兩側保留一定寬度的距離可以為10~30cm， 以利溝渠水流通暢。
[0015] 本發明所述基質框的長度視溝渠的長度而定，優選按照基質框長度為溝渠長度的 1/2的比例設置基質框的尺寸。
[0016] 優選地，所述基質框系統為根據農田溝渠長度方向設置的若干個基質框構成;采 用若干個基質框時，優選按照基質框系統總長度為溝渠長度的1/2的比例設置基質框的尺 寸和數量。
[0017] 根據農田溝渠的寬度和操作的方便，可以設置多排并列設置的基質框。如果設置 多排基質框，靠近溝渠兩側的基質框距溝渠兩側保留一定寬度的距離為10~30cm。
[0018] 進一步優選地，所述若干基質框系統中，基質框與基質框之間長度和/或寬度方向 的間隔為40cm〇
[0019] 所述基質框內種植的水生植物視生長情況可適時收割。
[0020] 本發明的有益效果如下： 本發明利用生物炭對氮、磷的高吸附性，將水生植物種植在含生物炭的土壤基質中，并 以框體的形式按一定的間隔安置在農田排水溝渠中，以科學控制生態溝渠中水生植物的分 布格局，一方面通過水生植物及土壤基質中生物炭對溝渠水體氮、磷的吸收、吸附作用，降 低溝渠水體中的氮、磷濃度，從而達到減少土壤氮、磷流失的目的；另一方面又可避免溝渠 水生植物生長過于茂密，從而保持溝渠水流通暢。以本發明所述方法構建的生態溝，可綜合 土壤基質中生物炭與水生植物對氮、磷的削減作用，既能控制生態溝水生植物的分布格局， 又不至于因水生植物面積減小而降低生態溝削減氮、磷的效應。本發明技術構建生態溝的 材料僅需少量生物炭、基質框、水土植物苗和細礫石等，投入成本低，操作簡單，易于實施。
【附圖說明】
[0021 ]圖1基質框不意圖。
[0022] 圖2基質框示意圖（帶尺寸設計）。
[0023] 圖3利用生物炭構建生態溝平面示意圖。
[0024]圖4不同比例生物炭對土壤氮的削減效果。
[0025]圖5不同比例生物炭對土壤磷的削減效果。
[0026] 圖6不同水生植物品種對氮、磷的削減效果。
[0027] 圖7本發明技術構建的生態溝對氮的削減效果。
[0028] 圖8本發明技術構建的生態溝對磷的削減效果。
[0029]圖9 土壤基質未加生物炭構建的生態溝對氮的削減效果。
[0030] 圖10 土壤基質未加生物炭構建的生態溝對磷的削減效果。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合具體實施例進一步說明本發明。下述實施例僅用于示例性說明，不能理 解為對本發明的限制。
[0032] 實施例1 在廣州城郊蔬菜地隨機選擇一段農田排水溝，按照以下步驟進行構建生物炭基質框系 統。
[0033] SI.設置基質框，見圖1所示，所述基質框的寬度控制在農田排水溝渠寬度的3/4或 以下，在所述基質框設置便于溝渠水流正常通過的孔隙； 52. 在所述基質框中底部平鋪一層細礫石，然后填入由土壤基質和生物炭組成的混合 基質； 53. 在混合基質中移栽水生植物苗； 54. 基質框置于農田排水溝渠，基質框距溝渠兩側保留一定寬度的距離。
[0034]具體地，本實施例中，農田排水溝溝寬0.8~1.2m，平均寬度1.0m。根據溝寬制備長 (m)、寬（I .Om)、高(m)分別為60cm、40cm、20cm的塑料框作為基質框，框體周邊及底部均帶有 寬約I cm的條帶狀孔隙，可透水，見圖2所示。水生植物選用梭魚草和鳶尾兩個品種，本實施 例在市場批量購買一批盆栽苗備用，另購一批粒徑為1~2cm的細礫石備用。水生植物種植 時先在基質框底部平鋪一層細礫石，再將水生植物去掉花盆連同土壤一起移栽到基質框 中，并加入生物炭，每框基質按土壤重量比加入8%的生物炭，表面及周邊用細礫石固定，之 后將種植水生植物的基質框依次放入排水溝中，基質框之間保留40cm的間隔，基質框與排 水溝兩側的距離10~30cm，見圖3所示?？梢员ＷC排水溝水流通暢，水流經過基質框時亦可 以透過框體空隙通過。共放置50個基質框，形成50m的水生植物生態溝，其中上半段水生植 物為鳶尾，下半段水生植物為梭魚草。構建生態溝投入的材料成本約為45元/m。生態溝水生 植物根據長勢情況進行收割管理。
[0035] 實施例2 實施步驟參見實施例1。實施試驗于2015年8月實施，具體實施方法同上。
[0036]采用室內模擬土柱淋溶試驗的方法，試驗生物炭對土壤氮、磷流失的影響，將生物 炭加入土壤中的比例分別為2%、4%、6%和8%，另設不添加處理作為對照，結果見圖4和圖5所 示（圖4和圖5中右列數字1~10表示試驗加水淋溶次數）。試驗結果表明，生物炭處理與對照 之間存在顯著差異(P〈 0.05)，生物炭添加量越大，土壤TN、TP淋溶損失量越小。因此，生物 炭可有效降低土壤TN、TP的淋溶損失量。
[0037] 采用室內水培試驗的方法，試驗水生植物對氮、磷的削減效果，供試水生植物品種 為銅錢草、睡美人、梭魚草、鳶尾、水蕹菜和蘆葦共6種，結果見圖6所示，其中，圖6每組方框 圖中，左邊方框為TN，右邊方框為TP。試驗結果表明，不同水生植物對TN、TP的削減率均顯著 高于對照(P〈 0.05)，不同水生植物對TN、TP均有一定的吸收消減作用，平均削減率分別為 29.0%~31.0%、53.0%~55.3%，其中梭魚草和菖蒲對了1了？的去除效果均顯著優于其他植 物。
[0038] 為試驗本技術的實施效果，在本發明技術構建的生態溝上游(鳶尾前）、中游(鳶尾 與梭魚草交界處)和下游末端(梭魚草后)分別設置采樣斷面，在試驗期間避免生態溝兩側 有側溝排水匯入，于一次降雨后連續采樣監測水體氮、磷濃度的變化，結果見圖7和圖8所 示，其中圖7和圖8中的每組方框圖中，從左至右分別為雨后當天、雨后3天、雨后7天、雨后40 天。從圖7和圖8可見，生態溝中游及下游斷面水體TN、TP濃度呈明顯下降趨勢，經計算，與上 游斷面相比，下游斷面水體TN、TP濃度分別降低了47.5%、35.7%，中游斷面水體TN、TP濃度分 別降低了35.5%、24.3%。另設一段以同樣方法構建但土壤基質未加入生物炭的生態溝作為 對照進行監測，結果見圖9和圖10,其中圖9和圖10中的每組方框圖中，從左至右分別為雨后 當天、雨后3天、雨后7天、雨后40天。與上游斷面相比，基質未加入生物炭的生態溝下游斷面 TN、TP濃度分別降低了 31.9%、10.2%，而中游斷面TN、TP則未表現出明顯的降低。對比試驗監 測結果表明，本發明技術構建的生態溝降低氮、磷濃度效果較好。
[0039] 實施例3 實施試驗以2015年4月實施，具體實施方法同上，試驗實施用生物炭及水生植物對氮、 磷的削減效果同實施例1。為試驗本發明技術的實施效果，在本發明技術構建的生態溝上游 (鳶尾前)和下游末端(梭魚草后)分別設置采樣斷面，于一次降雨后連續采樣監測氮、磷濃 度的變化，另選50m農田自然排水溝(溝兩側自然生長雜草)作為對照進行同期監測，結果見 表1。表1結果表明，本發明技術構建的生態溝一次降雨后TN、TP去除率平均分別為27.3%、 20%，比自然溝對氮、磷的自凈能力平均提高了7 · 3%、6 · 0%。
[0040]表1本技術構建生態溝與自然溝雨后不同時期的氮、磷去除率比較(％)


【主權項】
1. 一種利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法，其特征在于，包括以下步驟：51. 設置基質框，所述基質框與農田溝渠兩側中的至少一側保留一定寬度，在所述基質 框設置便于溝渠水流正常通過的孔隙；52. 在所述基質框中底部平鋪礫石，然后填入由土壤基質和生物炭組成的混合基質；53. 在混合基質中移栽水生植物苗；54. 將基質框置于農田排水溝渠，基質框距溝渠兩側保留一定寬度的距離;農田排水溝 渠中按照常規排水，在常規排水過程中實現減少氮磷的流失。2. 根據權利要求1所述利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法，其特征在于，步 驟S1所述基質框的寬度控制在農田排水溝渠寬度的2/3~3/4。3. 根據權利要求1所述利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法，其特征在于，步 驟S1所述孔隙為一定寬度的條帶狀孔隙，所述條帶狀孔隙的寬度按照礫石顆粒大小確定； 所述孔隙設置于框體周邊和/或底部。4. 根據權利要求1或3所述利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法，其特征在 于，所述礫石的粒徑為1 · 5~2cm;所述條帶狀孔隙的寬度為0 · 8~1 · 2cm〇5. 根據權利要求1、3或4任一項所述利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法，其 特征在于，所述爍石鋪設的厚度為3~5cm。6. 根據權利要求1所述利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法，其特征在于，步 驟S2所述土壤基質和生物炭的混合比例按照生物炭占土壤基質重量的2%~8%確定，優選 地，所述生物炭占土壤基質重量的8%。7. 根據權利要求1所述利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法，其特征在于，步 驟S3所述水生植物苗為挺水植物苗，優選梭魚草、菖蒲和/或鳶尾。8. 根據權利要求7所述利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法，其特征在于，溝 渠的上半段基質框中種植鳶尾，下半段基質框中種植梭魚草或菖蒲。9. 根據權利要求1所述利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法，其特征在于，步 驟S4所述的基質框距溝渠兩側保留一定寬度的距離為10~30cm。10. 根據權利要求1所述利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法，其特征在于， 所述基質框的數量按照溝渠長1/2的比例設置基質框的數量;基質框與基質框之間的間隔 為40cm。
【專利摘要】本發明公開了一種利用生物炭減少農田排水溝渠氮磷流失的方法。本發明利用生物炭對氮、磷的高吸附性，將水生植物種植在含生物炭的土壤基質中，并以框體的形式安置在農田排水溝渠中，以控制生態溝渠中水生植物的分布格局，通過水生植物及土壤基質中生物炭對溝渠水體氮、磷的吸收、吸附作用，降低溝渠水體中的氮、磷濃度，達到減少土壤氮、磷流失的目的，又可避免溝渠水生植物生長過于茂密，從而保持溝渠水流通暢。本發明方法投入成本低，操作簡單，易于實施。
【IPC分類】A01B79/00, A01G1/00, A01B79/02
【公開號】CN105706691
【申請號】CN201610090623
【發明人】卓慕寧, 李定強, 謝真越, 韋高玲
【申請人】廣東省生態環境與土壤研究所