土地整治中生態(tài)溝渠建設(shè)研究

董曉亮 陳克勤 李正兵

(1.山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心，山東 濟(jì)南 250000；2.金田產(chǎn)業(yè)發(fā)展(山東)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

引言

山東省作為農(nóng)業(yè)大省，糧食產(chǎn)量居全國前列，農(nóng)業(yè)健康發(fā)展是人民幸福安康、社會和諧穩(wěn)定發(fā)展的基礎(chǔ)。目前中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化水平日益提升，規(guī)?；a(chǎn)養(yǎng)殖迅速發(fā)展，中國農(nóng)村新型城市化迅速普及，但化學(xué)農(nóng)藥和肥料的過量利用，無害化性處理畜禽糞便污水技術(shù)發(fā)展滯后，中國農(nóng)村面源環(huán)境污染在山東省農(nóng)村的問題也日益突出。不但對土壤和地下水產(chǎn)生污染，同時對河流、水庫等造成污染，使江河水體更加富營養(yǎng)化，在維護(hù)農(nóng)村自然生態(tài)環(huán)境問題上也越來越關(guān)鍵[1]。十九大開幕后，黨和國家十分重視環(huán)境保護(hù)、環(huán)境治理等方面問題，山東省也頒布了相關(guān)文件，明確說明要加快發(fā)展、推廣農(nóng)業(yè)新動能，引領(lǐng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向高效綠色方向轉(zhuǎn)變。

農(nóng)業(yè)問題是生態(tài)問題中較為突出的問題，目前山東省內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉方式仍以漫灌為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的化學(xué)農(nóng)藥、肥料的過量利用和無害化性處理畜禽糞便污水技術(shù)的發(fā)展滯后，使得農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境開始惡化且逐漸加重。溝渠在這些問題發(fā)展的過程中成為一個重要的“角色”。所以建設(shè)生態(tài)溝渠，可以解決水污染問題，實(shí)現(xiàn)在生態(tài)環(huán)境下達(dá)到自然凈化，避免生態(tài)環(huán)境二次污染，有效改善水生態(tài)環(huán)境和溝渠生態(tài)環(huán)境。

生態(tài)溝渠是在現(xiàn)有的溝渠基礎(chǔ)上進(jìn)行生態(tài)建設(shè)，溝渠建設(shè)是在水生環(huán)境中進(jìn)行開挖和建設(shè)的農(nóng)田溝渠生態(tài)系統(tǒng)，與當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境相結(jié)合，由一系列人為干預(yù)工程組成。生態(tài)溝渠建設(shè)是解決山東省農(nóng)村地區(qū)耕地污染嚴(yán)重問題、建設(shè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要途徑。通過查閱大量文獻(xiàn)，本文以山東省內(nèi)生態(tài)溝渠出現(xiàn)的問題作為案例分析，從其治理現(xiàn)狀、出現(xiàn)的問題及解決方法、保護(hù)效益等方面對山東省內(nèi)土地整治中生態(tài)溝渠研究進(jìn)行綜述[2]。

1 生態(tài)溝渠治理研究現(xiàn)狀

經(jīng)查閱國內(nèi)外資料和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學(xué)者對于生態(tài)溝渠污染治理主要集中在溝渠去除水中微量元素和污染物2方面。通過對國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析，西方國家對生態(tài)環(huán)境的研究起步較早，取得了許多成果，雖然中國研究起步較晚，但也取得了許多有意義的成就。農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境營養(yǎng)閾值過高會造成水體缺氧，進(jìn)而影響生物多樣性和溝渠的農(nóng)業(yè)功能[2,3]。土壤中養(yǎng)分和重金屬的積累以及施肥方式對相鄰排水溝水質(zhì)有顯著影響，排水溝的水質(zhì)會隨季節(jié)變化而變化[2,4]。

2018年，山東省濟(jì)寧市參考部分發(fā)達(dá)城市在農(nóng)田生態(tài)保護(hù)建設(shè)上的措施和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合珠三角地區(qū)生態(tài)溝渠人工濕地構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)[5]，設(shè)計(jì)了采用生物措施有效攔截農(nóng)田系統(tǒng)流失氮磷等物質(zhì)的生態(tài)溝渠，以達(dá)到保護(hù)生態(tài)的目的。

采用生物措施對溝渠進(jìn)行生態(tài)保護(hù)和治理，是污染性最小的措施。水生植物和沉積物可以較好地吸附水體中的營養(yǎng)元素。適宜的水生植物可在溝渠建設(shè)中降低磷流失風(fēng)險[6]。研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)溝渠在對不同水力負(fù)荷、生態(tài)溝渠基質(zhì)、溝渠覆蓋植被類型和污染物含量等條件下可以有效去除營養(yǎng)污染物質(zhì)[7]。

2 田間溝渠常見問題

2.1 田間溝渠工程設(shè)計(jì)問題

在實(shí)地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，田間溝渠一般存在斷面尺寸較小、邊坡設(shè)計(jì)不合理、非汛期和非灌溉季節(jié)渠道內(nèi)水流動性差等問題。在非灌溉季節(jié)的山丘灌區(qū)內(nèi)，農(nóng)田渠道內(nèi)經(jīng)常干枯無水，但遇強(qiáng)降水則沖刷程度加劇，邊坡不穩(wěn)定，兩岸沖刷破壞嚴(yán)重，底部堆積雜草和碎石，導(dǎo)致淤塞嚴(yán)重。

在山丘灌區(qū)為保證灌溉和排水的要求，護(hù)砌以剛性護(hù)坡為主，這種護(hù)砌方式材料用量大，占用較多的溝渠斷面，局部沉降影響防滲效果，且維修成本高。使用混凝土護(hù)砌，農(nóng)田溝渠內(nèi)的水體一般情況下流動性較差，由于混凝土本身具有一定的堿性，大量混凝土長期浸泡在水體內(nèi)，使得水體堿性增強(qiáng)。同時，混凝土在施工中使用的各種添加劑，也會影響水質(zhì)和水環(huán)境及水生態(tài)[8]。采用大規(guī)模封閉式護(hù)砌，原有的生態(tài)環(huán)境遭到破壞，生態(tài)平衡被打破，原有的生物鏈結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)缺失，降低了溝渠內(nèi)水體的自凈能力。

2.2 田間溝渠生態(tài)污染問題

對灌區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，大部分溝渠內(nèi)由于富營養(yǎng)物質(zhì)堆積，已經(jīng)長滿雜草，且在水源貧瘠的地方發(fā)現(xiàn)農(nóng)民在溝道上修建臨時擋水設(shè)施以滿足對排水和渠道內(nèi)回水重復(fù)利用的行為，這些都會減緩排水的速度，造成污染物的集聚和區(qū)域性污染。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的影響下，生態(tài)灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式中化學(xué)農(nóng)藥、肥料的過量利用和無害化性處理畜禽糞便污水技術(shù)的發(fā)展滯后，不僅造成環(huán)境的污染，而且使耕地質(zhì)量嚴(yán)重下降，土壤肥力逐漸流失。

3 生態(tài)溝渠改建措施

3.1 嚴(yán)格設(shè)計(jì)要求

應(yīng)嚴(yán)格按照排水和灌溉標(biāo)準(zhǔn)，開展排水和灌溉網(wǎng)絡(luò)空間布局和設(shè)計(jì)。加強(qiáng)溝渠兩側(cè)緩沖帶建設(shè)，積極開展生態(tài)護(hù)坡，有效控制面源污染，控制水土流失，營造景觀廊道，提高生態(tài)景觀服務(wù)功能。護(hù)坡植被宜采用灌木、地被植物相結(jié)合，保持環(huán)保自然，保障溝渠的蓄、排、緩、凈功能。維系多級生態(tài)廊道的連通性，并注意在特殊地段保留小池塘，營造小微濕地生態(tài)環(huán)境，提供生物棲息地和保護(hù)景觀多樣性。

3.2 主要措施

3.2.1 生態(tài)溝渠建設(shè)主要措施

田間溝渠在灌溉期水位高、流速大，但非灌溉期干涸無水，水位變化明顯，是影響渠道間主要生態(tài)因素之一[9]。綜合渠道防滲措施和生態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出生態(tài)溝渠建設(shè)主要措施。

3.2.1.1 規(guī)范化氮磷生態(tài)攔截溝渠

針對溝渠排水不暢、外來入侵植物叢生、本土優(yōu)勢植物缺失等所造成的生態(tài)功能退化問題，優(yōu)化溝渠結(jié)構(gòu)，清挖淤泥，清除雜物和外來入侵植物，加固邊坡，合理配置水生植物，建設(shè)節(jié)制閘、攔截壩、攔水坎、反硝化除磷裝置及水質(zhì)水量動態(tài)監(jiān)測點(diǎn)等設(shè)施。

3.2.1.2 高標(biāo)準(zhǔn)氮磷生態(tài)攔截溝渠

針對硬化溝渠(三面光)生物親和性差、生態(tài)功能表現(xiàn)欠佳等問題，在規(guī)范化生態(tài)攔截溝渠基礎(chǔ)上，在溝渠內(nèi)和承泄區(qū)因地制宜地建設(shè)底泥污染捕獲攔截、階梯污染截流、復(fù)合式生態(tài)浮床、透水壩、循環(huán)生態(tài)水塘等有利于提升溝渠和承泄區(qū)凈化能力和生態(tài)修復(fù)的設(shè)施，采用植生型材料改善溝渠生態(tài)環(huán)境，優(yōu)化配置本土優(yōu)勢植物，營造出美麗宜人的田園景觀。

3.2.2 生態(tài)防護(hù)優(yōu)化治理主要改建措施

3.2.2.1 緩坡與天然草木設(shè)計(jì)

在農(nóng)田溝渠合理占用耕地的前提下，利用緩坡形成連續(xù)生態(tài)環(huán)境，可使兩棲動物或哺乳動物穿越溝渠。同時，緩坡設(shè)計(jì)可以減少渠內(nèi)水位變化帶來的生態(tài)影響。天然植被護(hù)坡和天然草、林、木護(hù)坡，在滿足溝渠排灌功能的基礎(chǔ)上，形成生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和景觀效應(yīng)。

3.2.2.2 使用塊石混凝土

渠道澆筑混凝土?xí)r加入塊石，利用凸出的石頭表面創(chuàng)造出表面粗糙、多孔介質(zhì)的環(huán)境，孔間可留存較多水分，為動植物生存生長提供環(huán)境。同時，為減少對輸水效率的影響，以設(shè)計(jì)水位為基準(zhǔn)，水位以上使用塊石混凝土，以下使用混凝土襯砌。

3.2.2.3 設(shè)置生態(tài)孔洞與護(hù)面防滲

在原有混凝土渠道護(hù)岸設(shè)置孔洞，表面鋪設(shè)土壤、碎石，創(chuàng)造生物生長生存環(huán)境[10]。通過生態(tài)化設(shè)計(jì)以協(xié)調(diào)溝渠的功能性與生態(tài)性。在預(yù)制塊的縫隙處填土種草，完善生態(tài)保護(hù)體系，形成植被緩沖帶和防護(hù)帶的沿線生態(tài)帶；防護(hù)林采用混交林，以鄉(xiāng)土樹種為主。通道周圍設(shè)置以灌木和草類為主的植被緩沖帶。

3.2.2.4 深槽設(shè)計(jì)

農(nóng)田溝渠中干、支溝渠可在一定距離的間隔中做深槽設(shè)計(jì)，使溝渠在非灌溉期仍有余水，供水中生物或兩棲動物生存。

3.2.2.5 動物脫逃斜坡與生物保育設(shè)計(jì)

農(nóng)田溝渠生態(tài)化治理考慮生物的保育設(shè)計(jì)。在溝渠深且坡度大時，為防止生物掉入渠中無法逃脫，在溝渠縱向每隔一定距離設(shè)置一段單側(cè)或雙側(cè)的下行梯步和階梯式生態(tài)板斜坡設(shè)施幫助動物脫逃。農(nóng)田溝渠生態(tài)防護(hù)優(yōu)化治理主要利用渠道的工程設(shè)計(jì)與植物設(shè)計(jì)，通過工程部分與邊坡植物根系的錨固作用達(dá)到溝渠邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提高防護(hù)縱向雨水和橫向水流的沖蝕能力的同時，也保護(hù)了農(nóng)田溝渠的生態(tài)環(huán)境。

3.2.2.6 其它生態(tài)保護(hù)措施

格賓生態(tài)網(wǎng)格護(hù)砌多用于防護(hù)大斷面的干、支溝渠，按照工程設(shè)計(jì)要求對農(nóng)田溝渠邊坡進(jìn)行防護(hù)；完善渠道生態(tài)保護(hù)體系，修建渠道防護(hù)林帶及植被緩沖帶，形成有效農(nóng)田渠道生態(tài)帶，防護(hù)林采用混交林，以鄉(xiāng)土樹種為主；在渠道周圍設(shè)置以灌木、草類為主的植被緩沖帶。

推行生物有機(jī)肥處理工藝，將固體排泄物制成有機(jī)肥，免費(fèi)提供給農(nóng)戶，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中替代化肥，液體排泄物經(jīng)沼氣池處理后進(jìn)行溫室大棚保溫使用。對周圍農(nóng)戶生活區(qū)采用生活用水凈化處理，并利用生活區(qū)廢棄池塘、溝渠構(gòu)建多級濕地凈化系統(tǒng)，降低生活污染對渠道的負(fù)荷，在渠道建設(shè)過程中選擇適當(dāng)位置構(gòu)建景觀濕地。在區(qū)域內(nèi)小流域農(nóng)田比重大、山塘溝渠水系發(fā)達(dá)的地區(qū)，對農(nóng)田面源污染采取種養(yǎng)結(jié)合、測土配方等防控措施，降低農(nóng)藥、化肥使用量，以達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。

4 生態(tài)溝渠的保護(hù)效益

在對山東省生態(tài)溝渠研究過程中，發(fā)現(xiàn)農(nóng)田面源污染在流入河道前，溝渠中的水生植物及土壤可以對氮、磷進(jìn)行有效吸收和吸附，溝渠中的微生物也可對氮、磷污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化和吸收，起到了對水中氮、磷等良好的去除和凈化作用[11]。生態(tài)溝渠環(huán)境通過物理、生物化學(xué)作用等方式利用溝渠中的生物自身作用吸收水體中的氮元素，降低水體中氮、磷元素的含量，達(dá)到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用[12]。

田間溝渠中水生植物進(jìn)行呼吸作用和光合作用時，在周圍產(chǎn)生有氧環(huán)境和厭氧環(huán)境。在微生物的作用下可在有氧環(huán)境條件中進(jìn)行硝化作用，厭氧環(huán)境下進(jìn)行反硝化作用，使其吸收轉(zhuǎn)化氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，降低水體污染[13]。

5 結(jié)語

農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和改善是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)領(lǐng)域，通過大量國內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，生態(tài)溝渠可有效減少農(nóng)業(yè)面源污染，保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，保障作物質(zhì)量安全。農(nóng)田生態(tài)溝渠系統(tǒng)在原有農(nóng)田灌排渠道進(jìn)行生態(tài)化建設(shè)，減少耕地浪費(fèi)，對改善農(nóng)村景觀結(jié)構(gòu)、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村具有較高的應(yīng)用價值，是山東省實(shí)現(xiàn)生態(tài)灌區(qū)的重要措施。