沟渠,是实现农业水土资源优化配置和有效耦合的重要基础设施,是灌区的重要组成部分。农田沟渠系统承担着农业小流域非点源污染物向地表水体运移的重要作用,其污染物的输出直接影响受纳水体质量,组成的运输通道对污染物拦截作用不可忽视。现阶段人们对维护生态资源及景观品质的要求日益提高,在农地整理中沟渠工程对农田生态影响方面的研究逐渐受到重视。 在农田系统中多数沟渠设计的主要技术目标是为了方便生产通行以及提高水的利用率,忽略了对生态环境的保护,缺乏系统化、生态化设计,不仅影响了农田物种的生存与扩散,还导致了生物栖息环境的退化。
沟渠,是实现农业水土资源优化配置和有效耦合的重要基础设施,是灌区的重要组成部分。农田沟渠系统承担着农业小流域非点源污染物向地表水体运移的重要作用,其污染物的输出直接影响受纳水体质量,组成的运输通道对污染物拦截作用不可忽视。现阶段人们对维护生态资源及景观品质的要求日益提高,在农地整理中沟渠工程对农田生态影响方面的研究逐渐受到重视。
在农田系统中多数沟渠设计的主要技术目标是为了方便生产通行以及提高水的利用率,忽略了对生态环境的保护,缺乏系统化、生态化设计,不仅影响了农田物种的生存与扩散,还导致了生物栖息环境的退化。
以往的沟渠设计存在的问题具体表现在:
1)对混凝土衬砌的沟渠采用混凝土浇筑,其透水性远不如自然土壤,不利于农田的降渍;
2)改变了沟壁多孔土壤介质对农田流失的磷、氮等物质的吸附基础,增加了沟渠的富营养化负担;
3)改变了沟渠中水生生物与植物的生长条件,减少了水生生物与植物对农田排水中有害物质的吸收;
4)青蛙、蟾蜍等动物失去了越冬生存的场所和农田施药时的避难场所;
5)渠道大面积的防渗衬砌改变了地下水的补给条件,减少了下游地区回归水的总量,可能会对地下水及下游地区水环境产生不利影响。
因此,为实现农田沟渠水利功能和生态功能的双赢,协调沟渠的功能性、生态性、经济性和可持续性,本研究以生态沟渠工程建设项目为例,从渠道的断面形式、衬砌方式、护坡样式、水生植物、生态景观等方面进行综合考虑,设计了一种新型生态化精细灌排沟渠,并对其进行生态化综合效果评价,总结了生态化精细沟渠构建的设计原则和关键技术,提出了一些可用于实际工程且具有现实意义的先进理念。
▲旧农田沟渠、沟塝经常垮塌、污染严重
带你走进现代化设施大棚里栽培着香蕉、木瓜、桑葚、火龙果等,长势喜人。在一处生产基地,有条沟渠引起了笔者的好奇,与农田里常见的“三面光”沟渠不同,这条沟渠的左右两面用一块块方形的生态砖砌成,边上种植的菖蒲等挺水植物花繁叶茂。
而这条沟渠于去年底建成投用,全名叫“农田氮磷生态拦截沟渠系统”。目前像这样的沟渠共建好了54条。
▲生态拦截沟渠系统
“这条沟看似不起眼,其实设有不少‘机关’,作用还真不小。”在靠近沟渠末端的位置,里面安装了底泥捕获井、透水坝以及放置了活性炭的脱氮除磷模块。
沟壁采用了生态混凝土的作用是稳定沟边泥土,防止水土流失。底泥捕获井、透水坝大都设在沟的中间或末端。井的作用是让流下来的少部分泥土沉积下去,坝的功能是让水流速度慢下来,便于脱氮除磷模块最大限度吸附流失的氮磷。脱氮除磷模块的作用如同脱排油烟机里的过滤网,用久了可以取出来。
可以看到,在生态拦截沟的尾部,装有小型节制阀,沟渠里的水通过阀门排入了河流。
一般情况下,节制阀是不开的,沟渠水在内部循环利用。碰到暴雨,沟渠水位高时,节制阀才会打开。在天宫庄园,生态拦截沟目前已建成3条,合计长度2192米,受益面积350余亩。通过低成本、低能耗的工程手段,将原有的排水沟改造成生态拦截沟,不仅有效控制了农业面源污染,也大大提升了农村的整体生态环境。
据了解,农田化肥尾水排出水质接近五类。生态拦截沟发挥作用后,水质已稳定在四类,“我们的目标是达到三类水质”。
作为一项农业面源污染治理标志性成果,农田氮磷生态拦截沟渠系统采用建筑工程技术、生物技术和管理技术相结合的污染物阻控措施,在确保农田排水的基础上,实现氮磷拦截、景观提升和生态修复。相比简易土质排水沟渠和混凝土板型沟渠,生态沟渠表现出对农田径流水中氮磷元素明显的拦截作用。
各选取一条生态拦截沟渠系统实施水质监测。结果显示,水体中化学需氧量(COD)的平均去除率为30.78%,总磷的平均去除率为29.14%,总氮的平均去除率为23.77%,氨氮的平均去除率为22.76%。
治理区域农田排水得到有效净化,农业面源污染氮磷向河道排放减少,河道周边生态环境得到明显改善。“之前沟渠里杂草丛生,水体化肥农药污染较为严重。”生态拦截沟渠建成后,水体变得洁净,农业面源污染得到有效控制。
除了防治农业面源污染,生态拦截沟渠还成为田间地头的一道美丽风景。
在沟渠建设过程中,将生态修复与景观设计紧密结合,像景点一样去规划建设,沟渠内种植的蒲草、荷花、美人蕉等生态植物,有效提升了农田的“颜值”。一条沟渠就是一条风景带,勾勒出美丽田园风光。
生态沟渠技术因其不需额外占用耕地等优势,是其中应用比较广泛的农业面源污染过程拦截技术。
一、生态沟渠
生态沟渠是指具有一定宽度和深度,由水、土壤和生物组成,具有自身独特结构并发挥相应生态功能的农田沟渠生态系统,也称之为农田沟渠湿地生态系统。这主要是利用沟渠在农田与河塘湖库之间水流“连通器”的优势,通过在渠内种植水生植物并建造透水坝、沉泥池、反硝化除磷装置等设施,从而实现底泥截留吸附、植物吸收与微生物降解转化等多种途径持留、吸收、固定或转移农田排水中的氮磷等营养物质。农田氮磷生态拦截沟渠建设是贯彻落实乡村振兴战略、推进农业绿色发展、美丽田园建设的重要举措。
二、生态沟渠去除机理
植物吸收:生态沟渠中的植物通过物理、生物及化学作用结合可吸收水体中8%-16%的氮。无机氮可被植物直接吸收利用,参与植物的生长发育,植物吸收利用后将植物进行收割可有效去除;有机氮在碱性水体条件下,可吸附在土壤表层,同时在微生物的胺化作用及矿化作用下转化为氨氮;植物可以通过根部来吸收溶解态的无机磷;有机磷则需要在微生物作用下转化为无机磷后被植物吸收利用。
截留沉降:基于自身的特殊结构及沟渠中的植物系统组成生态拦截型沟渠,这不仅能使水流速度降低、增加水力滞留时间、促进流动中的悬浮物质及颗粒物沉积,还能利用水生植物及沟渠土壤对水体污染物质进行吸附和交换等,从而有效拦截污染物质的扩散及迁移。
生态吸附:主要是通过沟渠基质底泥及沟渠中沉淀物质等来吸附沟渠中还原态氨氮。吸附过程前期作用效果明显,伴随水体中氨氮浓度的降低,吸附作用逐渐减弱,达到吸附平衡,当水体中氨氮浓度发生变化时,平衡就会被打破,逐渐又形成新的平衡。通过生态吸附方式可有效去除氨氮,但吸附平衡存在,除氮效果有限。吸附作用是沟渠去除磷的重要方式,在非碱性条件下,溶解态的无机磷可与一些高价阳离子如三价铁、三价铝等互相吸附并形成磷酸铁和磷酸铝沉淀;而在碱性条件下,磷可与钙离子发生吸附作用形成磷酸钙并产生沉淀。然而这种沉淀并不稳定,随着水体中磷浓度降低,小部分磷会重新回到水体之中,即当吸附达到饱和时,可能会因释放出去的磷形成二次污染。总体来讲,仍可有效降低水体中磷含量。
微生物作用:由于沟渠中存在大量水生植物,而植物的根系发育,根茎网络呈现出大面积的分布,再加上植物的呼吸作用及光合作用可使植物根茎周围产生有氧环境和厌氧环境,有氧环境条件下可使微生物进行硝化作用,而在厌氧环境下可以进行反硝化作用;两种作用的存在促进微生物吸收转化氮磷等营养物质,大大降低环境中氮磷污染水平。微生物的作用有效去除的氮素与总氮的比值可达到 80%以上,微生物同样对磷产生作用,在有氧条件下,好氧微生物将有机磷和难溶的无机磷吸附转化为可溶的无机磷,进而通过植物吸收、吸附沉降等作用降低水体中磷浓度;厌氧微生物可将过量累积的结合态磷转化为可吸收利用的溶解态磷。
生态沟渠:采用生态混凝土,植物根系自然穿透生长
三、生态沟渠类型
固着藻类生态沟渠:固着藻类广泛存在于自然界水体中,基于固着藻类形成的固着藻膜净化系统,通过吸收代谢利用、吸附和络合等过程去除水体污染物质。该沟渠主要具备生物量大、水质响应灵敏、N、P去除效果好以及藻类细胞回收利用价值高等优点,它主要适合用作废水生物处理出水的深度处理。
水生植物生态沟渠:在沟渠系统中种植水生植物,这既可以通过水生植物的吸收拦截等效应减少农田养分向下游迁移,还可以将收割的水生植物作为饲料或用于覆盖还田,实现了水生植物的资源化利用,一举两得。
灌区生态沟渠:指从水源取水,为农田进行调配水和排除田间多余水分等目的而人工修建的工程系统,通常分为干、支、斗、农四级固定沟渠。该沟渠不仅可以提高灌溉水有效利用系数,还可以改善水生态环境,实现农业稳产高产。
湿地生态沟渠:该装置可以起到存水的作用,当湿地水涨高时,它可以起到防止水淹没农田的作用。
四、生态沟渠的优点
1. 减缓水速,延长流水停留时间,促进流水携带的颗粒物沉淀、吸收和拦截沟壁、水体以及沟底中溢出的养分。2. 池内种植高效富集氮磷植物,这不仅可以吸纳氮磷以及水体中残留农药,改善净化水质,促其循环再利用外;还可以利用水生植物来加速氮、磷界面的交换和传递,从而使污水中氮、磷的浓度快速减小,具有良好的净化效果。3. 沟渠中水生植物对污水中的氮、磷有很好的吸收能力,水生植物能被农民收割,从而解决了二次污染问题。4. 建造灵活、无动力消耗、运行成本低廉。5. 有效控制农业面源污染的扩散,维持农田生态环境和谐稳定,保障食品质量安全。五、生态沟渠的缺点
1. 由于生态沟渠体系较为复杂,需要继续进行改进和完善。2. 收割的植物及清淤的底泥是极好的营养物质,但如果直接利用,将会造成二次污染,所以要将其进行合理的处理及回收利用。3. 我国生态沟渠研究开展较晚,需要加强生态沟渠管理养护方向的研究,提出适应我国农业情况的沟渠管理方案。