基于生态混凝土的农田生态排水沟构建与环境效应

　　摘要:针对我国农业生产中面源污染严重的问题，以多孔生态混凝土为基质构建农田生态排水沟，研究新型农田生态排水沟对稻田排水中氮磷的去除效果及机制。结果表明，基于多孔生态混凝土技术构建的生态排水沟对稻田排水中TN、TP的去除率大于土质及混凝土排水沟，有效增强了对稻田排水中氮磷的去除效果。稻田施肥后10d，生态排水沟对稻田排水中TN的去除率均值为86．57%，分别较土质(82．05%)及混凝土排水沟(83．55%)增加4．52%及3．02%;对稻田排水中TP的去除率均值为37．86%，分别较土质(25．62%)及混凝土排水沟(33．53%)增加12．24%及4．33%。研究结果完善了农田生态排水沟的构建技术，可为农业面源污染防治提供技术指导。

　　关键词:稻田;生态排水沟;农业面源污染

　　目前，我国农业生产中为追求粮食高产，普遍存在过量施用化肥等现象［1，2］，加之不合理的农田灌溉排水措施，使得农田大量营养元素经农田径流进入周边水体，引起水环境恶化，进而导致严重的农业面源污染问题［3，4］。农田排水沟是农田排水进入周边水体的主要通道，农田排水中的营养物质在排水沟的流动过程中可以通过底泥吸附、植物吸收和微生物降解等多种机制被吸收、固定或脱离排水沟［5，6］。因此，充分发挥农田排水沟的环境功能，构建农田生态排水沟成为了国内外农业面源污染防治研究的热点。目前，我国学者在土质排水沟与混凝土排水沟的基础上结合控制排水、适宜植物选型及工程技术开展了一系列生态排水沟的研究［4，7－9］。然而，以土质排水沟为基础的生态排水沟工程耐久性较差，加大了后期工程维护工作量，同时土质边坡稳定性较差，增加了水土流失的风险;以普通混凝土材料构建生态排水沟，材料透水性能较差，影响排水沟降渍功能与农田水分循环过程，此外，选用混凝土材质无法体现基质对农田排水中氮磷等营养物质的吸附作用。本研究以多孔生态混凝土为基质构建农田生态排水沟，研究农田生态排水沟对稻田排水中氮磷的去除效果及机制，为农业面源污染防治提供技术指导。

　　1材料与方法

　　1．1试区概况

　　试验区位于江苏省南京市高淳区桠溪镇尚义村，属于亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量丰沛，年平均气温16．2°C，年降雨量1194．7mm，年蒸发量861．9mm，日照时数2027．6h，平均无霜期245d。当地习惯稻麦轮作，土壤为渗育水稻土。

　　1．2试验处理

　　在承接相同稻田排水的条件下，分别建立土质、混凝土、生态排水沟系统，排水沟为平坡，长度均为50m，排水沟断面按照当地习惯设计，深度为50cm，底宽为30cm，边坡系数为0．3。其中土质排水沟的沟壁与沟底均为土壤，混凝土排水沟的沟壁与沟底为传统的混凝土板材，生态排水沟的沟壁与沟底为生态混凝土板材，两种板材规格均为30cm×30cm×8cm(长×宽×厚)。生态混凝土板材利用多孔混凝土制备，水灰比0．3，灰骨比0．2，骨料采用1020mm单粒级沸石与普通砾石，其中沸石占骨料质量的50%。

　　2结果与分析

　　2．1不同排水沟氮素浓度变化特征

　　各排水沟水体中TN浓度在稻田施肥后的变化特征较为一致，排水沟水体中TN浓度在稻田施肥后较高，随时间进程迅速下降，在肥后10d左右降至很低的水平(图1)。例如，稻田施用分蘖肥后，各排水沟水体中TN浓度为11．424mg/L，肥后第3d，混凝土、生态及土质排水沟水体中TN浓度分别降至10．827、10．439及11．259mg/L，且随着时间进程，各排水沟水体中TN浓度持续下降，在肥后第11d，混凝土、生态及土质排水沟水体中TN浓度分别降至2．703、1．720及2．593mg/L，稳定在较低水平。

　　2．2不同排水沟磷素浓度变化特征

　　各排水沟水体中TP浓度在稻田施肥后的变化特征较为一致，排水沟水体中TP浓度随时间进程持续下降，在肥后第6d左右TP浓度下降速度减缓(图2)。稻田施用分蘖肥与穗肥后，各排水沟水体中TP初始浓度均较低，这是由于稻田仅在施用基肥时补充了120kg/hm2磷肥，且施入稻田的磷肥只有小部分呈离子态的磷酸盐能被作物吸收［13］，大部分被土壤吸持转化为难溶性磷酸盐类，在后期灌水和降雨反复的冲刷、击溅作用下以颗粒态磷随水排入农沟［14］。本研究中首次水样采集时距稻田基肥施用已17d，部分磷肥已经以颗粒态磷流失，导致各排水沟水体中TP浓度保持在较低水平。

　　3结语

　　(1)生态排水沟对稻田排水中TN、TP的去除率大于土质及混凝土排水沟，有效增强了对稻田排水中氮磷的去除效果。稻田施肥后10d，生态排水沟对稻田排水中TN的去除率均值为86．57%，分别较土质(82．05%)及混凝土排水沟(83．55%)增加4．52%及3．02%;对稻田排水中TP的去除率均值为37．86%，分别较土质(25．62%)及混凝土排水沟(33．53%)增加12．24%及4．33%。

　　(2)土质排水沟对稻田排水中TN去除效果强于混凝土排水沟，对稻田排水中TP的去除效果弱于混凝土排水沟。稻田施肥后10d，土质排水沟对稻田排水中TN的去除率较混凝土排水沟增加1．50%，对稻田排水中TP的去除率较混凝土排水沟降低7．91%。

　　参考文献:

　　［1］PengSB，BureshRJ，HuangJL，etal．StrategiesforovercominglowagronomicnitrogenuseefficiencyinirrigatedricesystemsinChina［J］．FieldCropsResearch，2006，96(1):37－47．

　　［2］MaQ，YuWT，ShenSM，etal．Effectsoffertilizationonnutrientbudgetandnitrogenuseefficiencyoffarmlandsoilunderdifferentpre-cipitationsinNortheasternChina［J］．NutrientCyclinginAgroecosys-tems，2010，88(3):315－327．

　　［3］WuY，HuZ，YangL．Strategiesforcontrollingagriculturalnon－pointsourcepollution:Reduce－retain－restoration(3R)theoryanditspractice［J］．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngi-neering，2011，27(5):1－6．

　　和玉璞1，洪大林1，徐烁1，芮旭倩1，杨幸福2，芮卫国2，芮伟宏3

《基于生态混凝土的农田生态排水沟构建与环境效应》

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