强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法

摘要

本发明公开了一种强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法，该浅沟能够在冬季增强生态浅沟在冬季对农田面源污染的治理能力。其构建方法包括以下步骤：步骤1：用板材模拟建造生态浅沟，纵向从上至下分为三层，上层土壤层，为植物种植区；中层填料层，为火山石填充区；下层垫层，为砾石填充区，每层之间用土工布分隔，将生态浅沟沿长度方向用隔板均分为3个隔间；步骤2：对生态浅沟进行保温处置：用厚泡沫保温材料粘贴于浅沟四周及底部外表面；在浅沟四周罩上加厚白色透明农膜，顶部农膜高出浅沟表面1.2m－1.8m，农膜与地面接触处的缝隙用木板压实；每日中午温度较高时揭开农膜对浅沟换气，下午3点后重新覆盖，如此循环。

说明书

技术领域

本发明涉及一种浅沟的构建方法，更具体地说涉及一种强化冬季削减农田面源污染的保 温型生态浅沟的构建方法，属于水污染治理技术领域。

背景技术

将农田排水沟渠进行生态改造后的生态浅沟，是农村空间纹理和环境生态系统中的重要 元素，除了担负农田灌排水任务外，还利用内部土壤、微生物、动植物等形成的生态系统， 达到削减农田排水和降雨形成的面源污染的目的。然而，在冬季低温下由于动植物休眠，微 生物数量锐减、活性降低等原因，生态浅沟削减面源污染效果明显降低，使得生态浅沟在一 年中运行效果不稳定，影响其在削减面源污染领域的应用和推广。因此需要研发一种新型保 温型生态浅沟的构建方法以解决目前生态浅沟存在的不足与问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题与不足，提供一种强化冬季削减农田面源污染 的保温型生态浅沟的构建方法，利用本发明构建的生态浅沟能够在冬季具有保温功能，增强 生态浅沟在冬季对农田面源污染的治理能力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法，其包括以下步骤：

步骤1：用板材模拟建造生态浅沟，尺寸为长2.5m—3.5m，宽0.5m—0.8m，高0.7m—0.9m， 纵向从上至下分为三层，上层土壤层，为植物种植区，厚度在150mm—250mm之间，依不同 种植植物进行调整；中层填料层，为火山石填充区，厚度为250mm—350mm；下层垫层，为 砾石填充区，厚度为100mm—200mm，生态浅沟每层之间用土工布分隔，将生态浅沟沿长度 方向用隔板均分为3个隔间，每个隔间长度为0.8m—1.2m，从左往右依次种植万年青、美人 蕉和菖蒲；

步骤2：对生态浅沟进行保温处置：用30mm—50mm厚泡沫保温材料粘贴于生态浅沟四 周及底部外表面；在生态浅沟四周用竹棍搭设支撑，罩上加厚白色透明农膜，顶部农膜高出 浅沟表面1.2m－1.8m，农膜与地面接触处的缝隙用木板压实；每日中午温度较高时揭开农膜 对生态浅沟换气，下午3点后重新覆盖，如此循环。

本发明的强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法，其进一步的技术方 案是所述的板材为PVC板材，所述隔板为PVC隔板。

本发明的强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法，其进一步的技术方 案还可以是所述的火山石的粒径为20mm—30mm。

本发明的强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法，其进一步的技术方 案还可以是所述的砾石粒径为20mm—40mm。

本发明的强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法，其进一步的技术方 案还可以是所述的温度较高时为中午11：30－13：30。

本发明的强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法，其进一步的技术方 案还可以是所述的3个隔间在其填料层底设取水样口，共有3个取水样口，考察冬季保温效 果时，将三个取样口采集的水样等量混合。

本发明的强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法，其进一步的技术方 案还可以是所述的3个隔间每个隔间右上角用多孔隔板隔出便于植物根系、土壤和填料采集 取样的一个小空间。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

本发明的保温型生态浅沟可在冬季使土壤表层气温保持在10℃以上，与未保温的生态浅 沟（简称普通生态浅沟，下同）比，植物生长相对活跃，根系相对发达，植物根系处的微生 物数量明显增加，在试验时段内，保温型生态浅沟对有机物、总氮、总磷的去除率分别由普 通生态浅沟的48%、22%、33%上升为65%、54%、44%，植物根系处的细菌总数浓度由2265000 个·g^-1上升为2573000个·g^-1。同时本发明的构建方法简单方便，所使用的材料成本较低，具 有很好推广应用能力。

附图说明

图1-1是本发明生态浅沟剖面结构示意图。

图1-1中：1-泡沫保温材料；2-隔板；3-取水样口；4-土壤层；5-填料层；6-垫层；7-万 年青种植区；8-美人蕉种植区；9-菖蒲种植区；10-排放口；

图1-2是本发明生态浅沟平面结构示意图。

图1-2中：1-泡沫保温材料；2-隔板；3-取水样口；11-多孔隔板；

图2是本发明生态浅沟与普通生态浅沟COD去除率变化对比图。

图3是本发明生态浅沟与普通生态浅沟TN去除率变化对比图。

图4是本发明生态浅沟与普通生态浅沟氨氮去除率变化对比图。

图5是本发明生态浅沟与普通生态浅沟TP去除率变化对比图。

图6是本发明生态浅沟与普通生态浅沟不同部位细菌总数浓度对比图。

具体实施方式

实施例1：强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法，包括以下步骤：

步骤1：以PVC板材为原材料模拟建造生态浅沟，尺寸为长3m，宽0.6m，高0.8m，纵 向从上至下分为三层：土壤层：植物种植区，厚度依不同种植植物各异，在150mm—250mm 之间；填料层：为火山石填充（粒径20mm—30mm），厚度为300mm；垫层：为砾石填充（粒 径20mm—40mm），厚度为150mm。为防止互相混杂，生态浅沟每层之间用土工布分隔。将 生态浅沟沿长度方向用PVC隔板均分为3个隔间，每个隔间长度为1.0m，从左往右依次种 植万年青、美人蕉和菖蒲。在适当光照、浇灌条件下培育40天，三种植物生长状态良好。

步骤2：冬季时段下，对生态浅沟进行保温处置：（1）用40mm厚泡沫保温材料粘贴于 生态浅沟四周及底部外表面；（2）在生态浅沟四周用竹棍搭设支撑，罩上加厚白色透明农膜， 顶部农膜高出浅沟表面1.5m，农膜与地面接触处的缝隙用木板压实；（3）每日温度较高时（中 午12点）揭开农膜对生态浅沟换气，下午3点重新覆盖，如此循环。

图1为构建的具有强化冬季削减农田面源污染效果的生态浅沟（白色透明农膜未画出）。 在每个隔间的填料层底设取水样口，共有3个取水样口，从左往右依次编号1#、2#、3#。考 察冬季保温效果时（不考虑不同植物的影响），将三个取样口采集的水样等量混合。每个隔间 右上角用多孔隔板隔出一个小空间，便于植物根系、土壤、填料等的采集取样。

另建一生态浅沟与上述装置相同，但不进行保温处理（即普通生态浅沟），用同样方法采 集水样作为对比。

按照本方法进行保温处理的生态浅沟具有良好的保温效果。表1将普通生态浅沟与保温 型生态浅沟在冬季的表层气温作了对比，结果显示，经保温处理后，表层气温可升高10℃左 右。

表1两种生态浅沟表层气温对比

实施例2：强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法如实施例1，其构建 的保温型生态浅沟强化冬季削减农田面源污染效果的验证，包括以下步骤：

步骤1：以基肥施加后第二天稻田水体中污染物浓度为依据，配置模拟农田面源径流的 废水，其中有机物的质量体积比浓度（以化学需氧量COD计，下同）为139mg·L^-1，总氮（记 作TN，下同）的质量体积比浓度为118mg·L^-1，氨氮的质量体积比浓度为9.2mg·L^-1，总磷（记 作TP，下同）的质量体积比浓度为2.1mg·L^-1。

步骤2：取模拟废水0.30m³一次性加入到生态浅沟内进行静态试验，试验中生态浅沟不 加水、不排水。从三个取样口各接出一根橡胶管，将橡胶管插入取样瓶底部，每隔72小时取 样一次，将三个取样瓶的水样等量混合，共取得6批次水样，存放于冰箱。

步骤3：用同样的方法取得普通生态浅沟的水样，于24小时内采用重铬酸钾法测定水样 的COD浓度。

图2对比了两种生态浅沟出水中COD去除率随时间的变化情况。两种生态浅沟出水中 COD的去除率均随时间变化而稳步上升，且均在前期的去除率更高，主要表现为前三批次（即 对应于取样时间72h，144h，216h）。但保温型生态浅沟的COD去除率明显高于普通生态浅 沟，在取样时间432h时，保温型和普通生态浅沟对COD的去除率分别约为65%和48%。

在冬季，普通生态浅沟的气温长期在0℃左右，植物基本处于休眠状态，生长停止。保 温型生态浅沟表层气温保持在10℃以上，植物生长相对活跃，枝叶更为繁茂，根系相对发 达，对土壤层和上层填料的富氧能力加强，使得微生物数量增加，活性增强，因此对有机物 的降解能力相对较强。

实施例3：强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法如实施例1，其构建 的保温型生态浅沟强化冬季削减农田面源污染效果的验证，包括以下步骤：

步骤1：以基肥施加后第二天稻田水体中污染物浓度为依据，配置模拟农田面源径流的 废水，其中COD的质量体积比浓度为139mg·L^-1，TN的质量体积比浓度为118mg·L^-1，氨氮 的质量体积比浓度为9.2mg·L^-1，TP的质量体积比浓度为2.1mg·L^-1。

步骤2：取模拟废水0.30m³一次性加入到生态浅沟内进行静态试验，试验中生态浅沟不 加水、不排水。从三个取样口各接出一根橡胶管，将橡胶管插入取样瓶底部，每隔72小时取 样一次，将三个取样瓶的水样等量混合，共取得6批次水样，存放于冰箱。

步骤3：用同样的方法取得普通生态浅沟的水样，于24小时内采用碱性过硫酸钾消解 紫外分光光度法测定水样的TN浓度。

两种生态浅沟出水中TN去除率变化情况见图3。两条曲线表现出较大的差异，保温型生 态浅沟出水中TN去除率随时间稳步上升，在432h时去除率约为54%；普通生态浅沟出水中 TN去除率较低，在试验时间段内出现波动，在432h时去除率约为22%。

生态浅沟内氮素存在形式主要由有机态氮（尿素）、氨氮、硝态氮、亚硝态氮、N₂O及 溶解的N₂。氮的去除机理较为复杂，主要通过挥发，土壤吸附、植物根系吸收和微生物硝 化、反硝化等过程去除。

气温为0℃左右的低温下，植物生长基本停滞，微生物数量大为减少，且温度低于12℃ 时，硝化菌活性明显下降，温度低于0℃时，反硝化菌的活性终止，这些因素均会对TN的 去除产生不利影响。保温型生态浅沟的表层气温基本在12℃以上，植物根系的吸收能力和 微生物的除氮效果均有较大改观。

实施例4：强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法如实施例1，其构建 的保温型生态浅沟强化冬季削减农田面源污染效果的验证，包括以下步骤：

步骤1：以基肥施加后第二天稻田水体中污染物浓度为依据，配置模拟农田面源径流的 废水，其中COD的质量体积比浓度为139mg·L^-1，TN的质量体积比浓度为118mg·L^-1，氨氮 的质量体积比浓度为9.2mg·L^-1，TP的质量体积比浓度为2.1mg·L^-1。

步骤2：取模拟废水0.30m³一次性加入到生态浅沟内进行静态试验，试验中生态浅沟不 加水、不排水。从三个取样口各接出一根橡胶管，将橡胶管插入取样瓶底部，每隔72小时取 样一次，将三个取样瓶的水样等量混合，共取得6批次水样，存放于冰箱。

步骤3：用同样的方法取得普通生态浅沟的水样，于24小时内采用纳氏试剂分光光度法 测定水样的氨氮浓度。

图4考察了两种生态浅沟氨氮去除率随时间的变化。两种生态浅沟出水中氨氮去除率在 试验时间段内均出现较大波动，总体看，保温型生态浅沟的氨氮去除效果明显好于普通生态 浅沟。

氨氮的去除机理与TN类似，主要通过挥发，土壤吸附、植物根系吸收和微生物硝化、 反硝化等过程去除，因此其去除效果受到植物根系的吸收能力和微生物的活性关系的影响很 大。在试验的某个取样时段内（如图4中的144h，216h），氨氮去除率出现下降现象，与有 机氮的转化过程有关，氨氮是有机氮向无机氮转化过程中的中间产物，因此中间某个时间氨 氮数量短暂积累，出现去除率下降的现象。

实施例5：强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法如实施例1，其构建 的保温型生态浅沟强化冬季削减农田面源污染效果的验证，包括以下步骤：

步骤1：以基肥施加后第二天稻田水体中污染物浓度为依据，配置模拟农田面源径流的 废水，其中COD的质量体积比浓度为139mg·L^-1，TN的质量体积比浓度为118mg·L^-1，氨氮 的质量体积比浓度为9.2mg·L^-1，TP的质量体积比浓度为2.1mg·L^-1。

步骤2：取模拟废水0.30m³一次性加入到生态浅沟内进行静态试验，试验中生态浅沟不 加水、不排水。从三个取样口各接出一根橡胶管，将橡胶管插入取样瓶底部，每隔72小时取 样一次，将三个取样瓶的水样等量混合，共取得6批次水样，存放于冰箱。

步骤3：用同样的方法取得普通生态浅沟的水样，于24小时内采用钼锑抗分光光度法测 定水样的TP浓度。

两种生态浅沟出水中TP去除率变化情况见图5。两种生态浅沟出水中TP的去除率均随 时间变化而稳步上升，且均在前期的去除率更高，主要表现为前三批次（即对应于取样时间 72h，144h，216h）。保温型生态浅沟的TP去除率高于普通生态浅沟，在取样时间432h时， 保温型和普通生态浅沟对TP的去除率分别约为44%和33%。

磷主要通过土壤吸附、植物根系吸收和生物除磷等过程去除，因此其去除效果与植物根 系和微生物的状态有关。保温型生态浅沟的根系较普通生态浅沟更为发达，对磷的吸收能力 更强。微生物中具有除磷效果的是聚磷菌，低温下聚磷菌的生长速率受到一定抑制，但相对 来说，低温对生物除磷的影响比生物除氮小，研究表明，在8℃—9℃的低温时仍具有较为稳 定的除磷效果。综合上述两方面原因，普通生态浅沟仍具有一定的除磷效果。

实施例6：强化冬季削减农田面源污染的保温型生态浅沟的构建方法如实施例1，对普通 生态浅沟和保温型生态浅沟的植物根系、土壤及填料内细菌总数进行计数测定，研究细菌特 征，包括以下步骤：

步骤1：样品采集

剪取三种植物根系各约80.00g，用灭菌后的剪刀将其剪碎后混合均匀；取三种种植土壤 各约80.00g，用灭菌后的研钵将其研碎后混匀；取填料层的火山石约100.00g，用灭菌后的研 钵将其研碎后混匀，待用。各个取样点位置见表2，对两种生态浅沟各取3个批次，各批次 间间隔72h。

步骤2：菌悬液制备

称取采集到的各植物根系、土壤和火山石样品各10.00g，分别加入到带玻璃珠的100mL 无菌水中，在生物摇床上以200r·min^-1的转速振荡30min，得到三种菌悬液。用无菌移液器分 别吸取三种菌悬液1.0mL各自加入到9.0mL无菌水中，得到稀释10倍的菌悬液，再从此菌 悬液分别吸取1.0mL加入到9.0mL无菌水中，得到稀释100倍的菌悬液，以同样的方法，依 此类推，分别得到稀释10³倍、10⁴倍、10⁵倍、10⁶倍、10⁷倍的菌悬液。

步骤3：细菌培养

另用1mL无菌移液器从浓度最小的10⁷倍菌悬液开始，依次分别取0.5mL菌悬液于相应 培养皿内（培养皿提前编号），然后取加热融化并冷却至40℃—50℃的培养基15mL倾注入上 述盛有菌悬液的培养皿内，轻轻转动使培养基和菌悬液充分混合均匀，冷却制成平板，培养 72小时。

步骤4：细菌计数

在肉眼观察细菌菌落特征的基础上，运用数码生物显微镜对培养皿内的微生物形态进行 观察。采用计数器法对细菌菌落个数进行计数，将培养后的平板置于菌落计数器上，用计数 笔点击每个菌落，计数器自动对点击到的菌落进行累加计数。并计算细菌总数浓度。

表2取样点位置

注：各取样点在生态浅沟内的深度：以沟渠内各个种植区土壤表面为参考面。

保温型和普通生态浅沟的植物根系、土壤及填料内细菌总数浓度测定结果见图6。由图可 知：普通生态浅沟内，植物根系处的细菌总数浓度呈下降趋势，土壤内略有上升，填料层内 相对稳定；保温型生态浅沟内，植物根系处细菌总数浓度呈上升趋势，土壤内和填料层内均 相对稳定。从总体上看，保温型生态浅沟各部位的细菌总数浓度均高于普通生态浅沟，其中， 植物根系处三批次的平均细菌总数浓度为2573000个·g^-1，明显高于普通生态浅沟的2265000 个·g^-1。

普通生态浅沟内，随着气温降低，植物生长逐渐停滞，根系活力降低，呼吸作用减弱， 植物根系处的细菌逐渐失去了有利的生长环境而开始衰亡，而土壤及填料细菌总数基数小， 水样中营养物质不是细菌生长的限制条件，细菌总数无较大变化。保温型生态浅沟，表层气 温保持在10℃以上，植物生长得以继续，根系区域活性恢复，根系区域内细菌总数得到增殖， 数量开始增加。

另外，两种生态浅沟内不同部位内，均为植物根系细菌总数浓度最多，在1968000个·g^-1—2653000个·g^-1范围内，其次为土壤，总数浓度为118000个·g^-1—173000个·g^-1，填料层最 少，总数浓度为17500个·g^-1—25000个·g^-1。细菌总数呈现如此分布，原因与生态浅沟构建初 期，植物根系、土壤及填料内细菌总数本底浓度及植物生物量有关。