太湖流域農田灌排系統生態化改造技術及相關標準

薛利紅　段婧婧　楊林章

摘要： 農田面源污染已成為中國農業綠色發展以及水環境質量改善的主要限制因子，如何保障國家糧食安全的同時有效減少農田面源污染是“十四五”的關注重點。本研究結合中國高標準農田建設的最新需求，指出了農田灌排系統生態化改造是高標準農田建設與面源污染防控的有機結合點，重點闡述了農田灌排系統生態化改造的建設目標、基本原則、適用技術和相關標準，并提出了當前農田灌排系統生態化改造的主要研究方向，以期為太湖流域生態農田建設提供相關參考，促進農業面源污染防控與高標準農田的融合，助推中國耕地數量、質量、生態“三位一體”保護。

關鍵詞： 太湖流域;面源污染;高標準農田建設;灌排系統生態化改造

中圖分類號： S277 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-4440（2022）01-0081-06

Abstract： Farmland non-point source pollution in China has become the main limiting factor for the green development of agriculture and the improvement of water environment quality. How to ensure national food security and effectively reduce farmland non-point source pollution is the focus of the 14th five-year plan. Based on the latest requirements of high-standard farmland construction in China， this paper pointed out that the ecological transformation of farmland irrigation and drainage system was the organic combination of high standard farmland construction and non-point source pollution prevention and control. Construction objectives， basic principles， applicable technologies and relevant standards of farmland irrigation and drainage system ecological transformation were discussed emphatically， and the main research direction in the future was put forward. It is expected to provide relevant reference for the construction of ecological farmland in Taihu Lake Basin， promote the integration of agricultural non-point source pollution prevention and control and high-standard farmland， and boost the trinity protection of quantity， quality and ecology of arable land in China.

Key words： Taihu Lake Basin;non-point pollution;high-standard farmland construction;ecological transformation of farmland irrigation and drainage system

根據《第二次全國污染源普查公報》，2017年中國農業源總氮、總磷排放量占排放總量的46.5%和67.2%，其中50.85%的總氮和35.94%的總磷來自種植業，已經成為中國水體富營養化的主要貢獻因素[1]。太湖流域素有“魚米之鄉”的美譽，糧食產量年可達1.3×107～1.4×107 t，是中國主要的糧食生產基地。耕地主要以稻田為主，稻季平均施氮量352 kg/hm2，最高可達450 kg/hm2 [2]。加上區域內河網密布、降雨量（年均降雨1 181 mm）大且集中在5-9月，農田面源污染風險高，水體富營養化問題比較突出。據觀測，在多雨年份，太湖流域稻麥輪作農田年流失氮（含徑流和淋洗）可達84.8 kg/hm2 [3]。如何在保障糧食安全的前提下實現農田面源污染的有效防控，是中國“十四五”期間需要解決的重大問題。

隨著“藏糧于地”國家戰略的深入落實，高標準農田建設已在全國范圍內廣泛開展，對提高國家糧食安全和促進農民增收等方面發揮了重要作用。然而，早期建設的高標準農田側重產能提升而對改善農田生態環境重視不夠，在項目設計與施工各環節未能充分體現綠色發展理念，存在簡單硬化溝渠道路、破壞生物多樣性等問題，導致農田面源污染防控等生態系統服務功能未能有效發揮[4-7]。為此，國家2021年對《高標準農田建設 通則》（GB/T 30600）進行了修訂，明確將綠色生態列為高標準農田建設基本原則之一，并增加了農田防護與生態環境保持工程的相關內容。然而修訂的《高標準農田建設 通則》只給出了指導性意見，缺乏具體可落地的技術與相關工程建設標準，迫切需要各地因地制宜地開展生態型高標準農田建設試點研究，探索農業面源污染防控與高標準農田建設的融合之路，形成一些可推廣可復制的技術模式并形成相關標準。

太湖流域農田排放的污染物主要是氮、磷等，主要來自降雨產生的地表徑流以及人為排水，多經農田排水口排出或田埂溢出后進入排水溝渠，再匯入周邊塘浜，最終進入河流。因此，利用物理、生物和生態等方法對污染物從農田向河流遷移的過程進行阻斷攔截，是農業面源污染控制的一個重要環節[7-8]。農田生態攔截溝渠、生態田埂、生態凈化塘等技術相繼被提出并在太湖流域及其他流域得到廣泛應用[9-14]。此外，氮、磷進入水體變身為污染物，但對于農田生態系統是必不可少的養分資源，如何對農田排水尤其是降雨初期產生的高濃度地表徑流進行科學調蓄和循環利用，也是農業面源污染控制中重要的一環[7，15]。江蘇省農業科學院楊林章研究團隊率先利用團隊提出的農業面源污染控制的“源頭減量-過程攔截-養分再利用-生態修復”4R理念與技術體系，在土地綜合整理的基礎上，因地制宜開展農田灌排系統生態化改造等工程，分別在南京市江寧區湯山街道阜莊村、常州市武進區新康村打造了丘陵區和平原水網區的生態高標準農田建設樣板，實現了土壤地力和農產品質量的雙提升以及生產、生活與生態的有機融合，并受到了農業農村部、國土資源部及環境保護部的高度認可。為此，本文系統總結已有的相關研究結果，結合江蘇省生態型高標準農田建設試點項目的實踐經驗，重點聚焦農田灌排單元的生態化改造，提出相關建設目標和原則、通用技術及相關標準等，以期為太湖流域生態農田建設提供參考，促進農業面源污染防控與高標準農田的融合，助推中國耕地數量、質量、生態“三位一體”保護。

1 農田灌排系統生態化改造的基本原則和要求

高標準農田建設中最重要的就是灌排設施的建設，確保能灌能排，旱澇保收。農田灌排系統生態化改造的目標就是在保證耕地糧食生產產能的前提下，通過灌排單元內的水系及灌排設施的合理規劃和排水系統的生態化改造，提升對農田排水中氮、磷等的攔截凈化及循環利用水平，減少農田面源污染排放。由于地形地勢的差異，丘陵區和平原水網區農田灌排系統也有所不同，生態化改造中均應遵循因地制宜、生態處理、循環利用的總體原則，對已有灌排水系（溝渠、塘堰、河浜）進行疏通連接，充分利用泵、閘等對水資源進行科學調度和管理，促進農田排水在灌排單元內的有效蓄滯與循環利用，并盡量優先利用塘浜對降雨初期產生的高濃度農田地表徑流進行匯集后循環灌溉，盡量不外排。如南京江寧湯山生態高標準農田建設中，充分發揮其地勢高程差，農田排水匯流到溝渠，進入區域內的河浜，通過閘控制其向外河的排放，并利用提水泵站將其提升至區域內高處的魚塘，然后通過管道自流灌溉至稻田，從而實現了農田內部用水的循環。而地處平原河網區的武進新康村，在高標準農田建設中，通過建設地表徑流匯集池，利用提水泵站將排水提升至荷花生態凈化塘中，不僅實現了農田排水的匯流凈化，還打造了生態景觀。此外，排水系統生態化改造工程宜在原有排水系統基礎上進行生態化改造提升，盡量不額外占用土地，保證排水通暢的同時采用相應技術措施對農田退水進行凈化后再排放至水體。可采用的技術包括生態田埂、農田排水促沉凈化裝置、生態溝渠、生態凈化塘等。

2 農田灌排系統生態化改造技術及相關標準

2.1 生態田埂

生態田埂是在田埂原有田塊分界和蓄水功能的基礎上，通過適當調節田埂和排水口高度、在條田田埂上種植植物等措施來減少農田徑流發生、提升農田生物多樣性和農田生態景觀。在湯山高標準生態農田建設中，通過小田變大田，每塊田1～2 hm2左右，并將田埂加寬加高至30 cm左右，田塊之間的田埂上種植黃花菜、飼料桑等多年生固土植物，在田兩頭（近路或近渠）的田埂上種植一些病蟲的“驅-誘”植物或者益蟲植物如大豆、芝麻、四路玉米、香根草等，并搭配種植燈芯草、鳶尾、菖蒲等本土水生植物，從而形成隔離帶。多年實踐證明，生態田埂可有效攔截地表徑流帶走的氮、磷，并起到以“草”壓“草”、以“草”控“病蟲”的功能，農田生物多樣性和景觀多樣性明顯提高。研究發現，太湖流域田塊25 cm高的田埂能減少徑流量約91.1%，對總磷的攔截率最高可達31.4%[16]。除了高度外，田埂寬度對氮、磷截流效果也有影響，40 cm寬的田埂對銨態氮和磷酸鹽截留率均超過50%[17];近溝渠田埂由于受側滲的影響，田埂寬度在80～130 cm時對側滲攔截效果最好[18]。考慮到建設成本及占地情況，建議太湖流域田埂高度以20～25 cm為宜，普通田埂寬度以30～40 cm為宜，溝渠邊田埂寬度以80 cm為宜。此外，排水口是田埂的有機組成部分，為了減少灌排水時的工作量，當前太湖流域多采用平水缺的方法，平水缺的高度一般在5～8 cm，這個高度不能有效攔蓄雨水。因此，根據水稻的耐淹水深和耐淹時間以及太湖地區稻田的蓄雨上限，推薦稻田的排水口高度在水稻返青期以5 cm為宜，分蘗期、抽穗開花期及乳熟期以10 cm為宜，而拔節孕穗期則可提高到20 cm。

2.2農田排水促沉凈化裝置

農田排水促沉凈化裝置是指建設在農田排水口處或排水溝渠兩端的、內部填有吸附填料，可對農田排水中的泥沙和氮、磷等污染物進行沉降、吸附和攔截的裝置，2014年由上海市農業科學院的劉福興等[19]提出。在武進新康村、太倉東林和鎮江姚橋等多地高標準農田建設中的應用實踐表明，農田排水促沉凈化池對排水中懸浮物和氮的攔截效果分別可達52%～78%和14%～38%[12]。農田排水促沉凈化池分初沉室和主沉室，農田排水首先經進水管進入初沉室，自上而下經填料吸附凈化后由初沉室內壁底部的水孔進入主沉室，然后自下而上逐漸上溢，排入溝渠或河道。農田排水促沉池的形狀和大小可因地制宜。填料宜采用對氮、磷有較好吸附作用的沸石、火山巖、陶粒、生物炭等材料或其組合。灌排兩用溝渠可以在農田排水口處安裝簡易的促沉凈化裝置，高度和田埂一致，由有機玻璃或PVC板材制成，內部由擋板將裝置均勻分割成4～5個室，擋板高度低于促沉凈化裝置高度10 cm左右，可使水流彎曲通過，填料填裝高度與擋板持平，既可延長排水停留時間，增加對懸浮物和氮、磷的攔截效果，又可避免大暴雨時排水不暢。此外，灌水時還能將通過吸附攔截在促沉凈化裝置內填料上的氮、磷重新沖刷回農田，起到反沖洗功能，延長填料的使用時間。

2.3 生態溝渠

2005年楊林章在國內率先提出生態型攔截溝渠的概念并應用于太湖流域，其主要通過對現有排水溝渠的生態化改造和功能強化，利用物理、化學和生物的聯合作用對污染物（主要是氮、磷）進行攔截和凈化[9]。生態攔截溝渠系統主要由工程部分和植物部分組成，溝渠采用帶孔的硬質板材構建而成， 溝內每隔一定距離設置一小型的攔截壩，也可放置一些多孔的攔截箱，攔截箱內裝有氮、磷吸附填料，溝底、溝壁及攔截箱內均可種植氮、磷高效吸收植物。農田排水中的氮、磷通過植物吸收、基質吸附、泥沙沉降以及微生物脫氮等方式而被有效去除。自生態型攔截溝渠概念提出后，被因地制宜地進行改進升級并廣泛應用到全國各地農業面源污染控制中，對氮、磷的攔截凈化效率一般在40%以上，最高可達80%左右[9-10，14，20-28]。生態溝渠對農田排水中氮、磷的攔截效果受溝渠的構造、規格、填料類型以及植物配置等的綜合影響[25-29]。經江寧湯山、武進新康等多地實踐應用，總結提出了生態溝渠的相關建設標準如下：（1）生態溝渠宜利用原有農田排水溝渠通過生態化改造構建，不應影響農田正常排水。（2）生態溝渠應包括渠體、植物和水位調節裝置，可因地制宜增加填料凈化模塊。（3）渠體斷面一般為倒等腰梯形，口寬不小于 0.8 m，深度不小于 0.6 m，具體規格因地制宜，確保排水通暢。溝壁宜采用適合植物生長的土質或有孔穴的植草磚鋪設，應保證邊坡穩定;溝底宜為土質。（4）植物應配置耐污能力強、根系發達、生物量大的挺水植物、沉水植物和浮水植物，可一種或幾種搭配栽種，以不影響正常排水為前提;常水位以上溝坡宜種植草本植物。（5）在生態溝渠的末端布設攔截堰，用以維持溝渠中一定的水位（20～30 cm）。（6）生態溝渠內可適當布設填料凈化模塊，填料宜采用爐渣、沸石、加氣混凝土、陶粒等多孔凈化無機材料，一種或幾種組合置于網箱或生態袋內， 模塊高度不宜超過溝渠高度的1/2。

2.4 生態塘浜調蓄凈化系統

太湖流域水網發達，塘浜密布[30]，農田排水入河入湖速度快。因此，因地制宜利用已有的塘浜對農田排水進行蓄存、循環利用和凈化是當前最經濟高效的技術之一。大量研究結果表明，生態塘對農田尾水中氮、磷的凈化率可達40%以上[11，31-33]。“十一五”期間，本研究團隊在無錫市胡埭鎮通過水池匯流菜地氮、磷高濃度排水再回用到稻田中，可實現菜地徑流排水中79%的全氮被凈化回用[34]。在鎮江姚橋，結合村莊搬遷整治和高標準農田建設，利用廢棄的垃圾堆放場建設了13 000 m2生態塘調蓄凈化系統，結合生態溝渠和攔截溢流堰，可實現26.7 hm2農田排水的蓄存凈化。連續2年的監測結果表明，生態塘調蓄凈化系統對排水中氮、磷攔截率最高可達78.0%和68.4%，經凈化后，19次農田排水中僅3次全氮質量濃度略高于2 mg/L，其余均達到地表水V類水標準[12]。

稻麥輪作農田的模擬降雨徑流數據顯示，初始徑流期是稻田氮素流失的高濃度風險期，前10%的徑流中氮排放量占總氮排放量的40%～50% [35-37]，前25%的徑流攜帶了87%的氮和48%的磷[38]。因此，收集池只需收集前期10%或25%的高濃度地表徑流即可攔蓄50%以上的污染物。依據太湖流域蘇州、無錫及常州三地的降雨規律，降雨次數中99%的降雨量在66 mm以內，因此以66 mm降雨量作為收集池容積的計算依據，正常情況下稻田田埂可攔蓄3 cm左右的雨水。據此，在武進新康村，在已有高標準農田三面光水泥溝渠的基礎上，建設了農田地表徑流匯集池，并利用提水泵站將農田氮、磷高濃度排水提升至荷花生態凈化塘中，實現了農田排水的匯流凈化。連續一年的第三方監測結果顯示，農田排水經荷花生態塘凈化后全氮質量濃度由0.63～5.88 mg/L下降至0.57～1.68 mg/L，全磷質量濃度由0.14～0.37 mg/L下降至0.05～0.18 mg/L，達到了地表水IV水標準，農田排水全氮質量濃度>2 mg/L和全磷質量濃度>0.4 mg/L時的氮、磷攔截率均超過50%以上。

為盡量減少占地，生態塘浜調蓄凈化系統建議由廢棄的低洼地或者已有的塘浜改造而成，由高濃度排水收集池和生態塘組成。條件不具備時可僅建設高濃度排水收集池，安裝小型水泵進行農田灌溉回用。生態塘建設應因地制宜，水深以1.5～2.0 m比較適宜，優先選用具有經濟價值的水生作物，如茭白、蓮藕、荸薺、水芹等，適當種植菖蒲、蘆葦、茭草、黑麥草等對氮、磷高效吸收的水生植物。收集池和生態塘之間建設溢流閘壩，農田氮、磷高濃度徑流排水匯入收集池，當收集池滿之后，排水直接通過溢流壩流入生態塘，起到攔污的作用，并保證氮、磷高濃度排水優先被農田回用。大雨來臨前應及時降低生態塘中的水位，為匯集凈化農田徑流排水騰出庫容。生態塘設置排水管道與河道相連，大暴雨時生態塘滿后才排入河道。

3 小結與展望

3.1 農田灌排系統生態化改造主要包括生態田埂、農田排水促沉凈化裝置、生態溝渠以及生態塘浜調蓄凈化系統等

生態田埂是農田灌排系統生態化改造的第一要素，在生態高標準農田建設中最容易落實，田埂高度以20～25 cm為宜，并根據水稻生育時期對排水口高度進行動態管理，普通田埂寬度以30～40 cm為宜，排水渠邊田埂宜適當加寬，并因地制宜種植具有固土攔蓄或抑制病蟲害功能的植物。排水溝渠的生態化改造是農田灌排系統生態化改造的重點，建設中應因地制宜選用不同植物的組合及填料，可結合農田排水促沉凈化裝置一并建設。生態塘浜調蓄凈化系統是農田灌排系統生態化改造的關鍵，應在高標準農田建設前結合區域地形、水系特征進行頂層設計，以農田氮、磷高濃度排水的蓄存回用為核心，1 hm2建設45 m3的收集池就能實現農田排水中氮、磷回用率達到50%以上。

3.2 農田灌排系統生態化改造還要加強相關工程配置參數和技術的物化和標準化研究，實現生態功能、環境功能和景觀功能的協調統一

目前對農田排水中氮、磷等污染物的攔截凈化研究主要集中在技術工藝及其應用效果，對于工程建設參數，尤其是工程配置參數的研究相對薄弱。要實現農田退水的“達標”排放，對河道不造成污染，需要配置多長的生態溝渠、多大的生態塘，如何根據農田排放污染負荷及周邊水系特征進行科學合理配置，并綜合考慮經濟和生態環境效益，實現投入最小化和污染防控效果最大化，這些都需要借助于相關面源污染模型深入系統地開展情景模擬研究，并提出一套普適性的簡單設計算法。此外，灌排系統生態化改造中還要加強生物多樣性的研究，合理科學配置不同植物，充分發揮鄉土物種的功能，提高農田系統的生態服務功能并打造美麗田園[39]。最后，技術要大面積推廣應用，必須與市場密切結合，對技術進行物化和標準化，并開發配套的作業設備，減少工程建設作業成本，提高作業效率。如生態溝渠建設中需要用到的對植草磚進行填土壓實并播種草籽的小型機械、一些硬質化的帶草籽的植生板材、可模塊化應用批量化生產的即裝即用式高效除磷脫氮裝置等。

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（責任編輯：陳海霞）

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