一种生态田埂的构筑方法及其结构与流程

1.本发明涉及田埂防渗技术领域，具体为一种生态田埂的构筑方法及其结构。


背景技术：

2.我国是人均水资源量贫乏的农业大国，农业用水一直是我国耗水大户，2020年全国农业用水量3612.4亿立方米，占全国供水总量的62.14％，农业用水效率低，农业节水潜力大且非常必要；
3.一般认为农业种植除了植物根系吸水，侧渗、土壤蒸发和下渗是田块排水的主要方式，某些田间试验表明，侧渗占灌溉水损失最高达到了75％，田埂是农田环境的重要组成部分之一，是水土保持的重要措施之一，起到保水保肥的作用，也可减轻农业面源污染，有研究发现不减产情况下，田埂防渗后可减少灌溉水量50％以上，证明侧渗是稻田水流失的主要途径，伴随水分有大量的氮磷等营养物流失和农药有机物排放，造成水资源利用率低，也带来了较大的环境污染风险，因此，田埂的防渗能力对提高农田灌溉水利用效率，减少污染输出非常重要；
4.据检索，当前关于生态田埂的相关专利还非常少，且还是聚焦在植物种植、工程设置等方面，如基于绿色生态袋技术的生态田埂(cn 112281871 a)，解决了生态田埂的边坡位置绿化效果不够理想，使得对农田生态改良效果还有待进一步提高的问题，一种降低稻田面源污染侧渗的生态田埂(cn 103410118 b)，是在田埂外侧挖深70-100cm的梯形沟，布设过滤袋，提高了田埂使用效率，但是该技术存在占地和工程量大的特点，一种削减农田径流冲击和面源污染的改良生态田埂的构建方法(cn 111101479 a)，采用增高和加宽田埂埂体尺寸，改良田埂结构和形状，以及在田埂埂体中布设具有不同功能作用的拦截层的方法起到削减农业面源污染的作用，可看出，当前的技术主要是围绕削减农田污染物输出的问题而提出，但还没有解决水资源流失的问题，也都存在操作性不强的特点。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种生态田埂的构筑方法及其结构，可实现农业固废资源的再利用，便于被大规模使用。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种生态田埂的构筑方法，包括以下步骤：
8.s1、对土壤进行电荷分析：
9.s1-1、将除去植物根系和碎石的土样在去离子水中浸泡20～28h，然后用h2o2除去土样中的有机质；
10.将以上处理过的土样使用超声波清洗仪进行分散处理，所述超声波清洗仪频率范围为35khz～45khz，然后利用0.045mm孔径的筛对土样进行过滤，用沉降法提取胶体样品，将样品制成ca
2+
质胶体；
11.s1-2、采用返滴定法测定表面电荷，称取1.00g步骤s1-1制备得到的土壤无机胶体
样品，将样品放于100ml烧杯中并在烧杯中加入50ml浓度为0.01moll
－1
的ca(no3)2溶液，将烧杯放置于磁力搅拌器上搅拌至烧杯中悬浮液的ph值达到恒定；
12.向烧杯中的悬浮液滴加0.1moll
－1
hno3，每加0.1ml须平衡2～3min，滴加0.1moll
－1
hno3直至悬浮液的ph值降到3；
13.再将待测悬浮液平衡2～3min后以0.005moll
－1
ca(oh)2溶液进行滴定，滴定速率为1ml/min，记录悬浮液的ph值，将悬浮液的ph值从3滴定至ph值为10；
14.s1-3、电荷计算：
15.根据进行土壤电荷计算，若计算结果为负电荷，需要向土壤中加入石灰石调节表面电荷性质，使得电荷为正电性；
16.因生物炭表面一般带负电荷，为了能形成更加稳定的核-壳结构，需要调节使得土壤颗粒表面带正电荷，通过静电作用使得土壤与生物炭更加紧密聚合。
17.s2、制备疏水生物炭：
18.选用农作物：棉花、小麦、向日葵、水稻、玉米中的一种秸秆或多种秸秆组合为原料，采用惰性气体保护条件下高温碳化工艺，制备得到疏水生物炭；
19.s3、筑埂材料的制备：
20.按体积份数计，将1～2份土壤与2～5份步骤s2制备的疏水生物炭充分搅拌混匀，采用物理混合的方法，使得所述土壤均匀附着在所述疏水生物炭颗粒表面形成核-壳结构，制备得到核-壳结构的生物炭-土壤复合物原料，即得到所述筑埂材料；
21.s4、生态田埂的构筑：
22.用步骤s3制备得到的生物炭-土壤复合物进行田埂构筑，首先将原有田埂去除，采用实法构筑田埂，然后在田地平面的基础上下挖20～30cm的沟渠，将生物炭-土壤复合物填充在沟渠，并使得生物炭-土壤复合物高出田地10～20cm；
23.继续在生物炭-土壤复合物覆土10～15cm，使得最后生态田埂高出田块20～35cm，所述生态田埂的宽度为40～60cm。
24.优选地，步骤s1-1中的土样，对于石灰性土样，采用ph为5.0的醋酸—醋酸钠溶液洗去游离碳酸钙盐，再将土样的ph值调节为6.0～6.5。
25.优选地，步骤s1-1中的土样，对酸性、中性的土样，采用浓度为0.5moll-1
naoh溶液，将土样的ph值调节为7～8。
26.优选地，步骤s2中疏水生物炭的具体制备过程为将原料去泥土后，在氮气保护条件下利用马弗炉对原料进行碳化，设定温度750℃～850℃，碳化时间160～200min。
27.优选地，步骤s3中，取生物炭-土壤复合物压实成块，进行透水测试，生物炭-土壤复合物的渗透系数需小于10-6
cm/s方可满足使用需求。
28.优选地，利用上述方法构筑的生态田埂结构包括构筑在田地里的田埂主体以及设置在所述田埂主体侧面的复合填充层；
29.所述田埂主体包括田埂基层以及覆盖在所述田埂基层顶部的田埂覆盖层；
30.所述田埂基层与所述田埂覆盖层之间具有加固网；
31.所述复合填充层由多个阻水砖组成，所述阻水砖在田埂主体两侧各铺设2～3层。
32.优选地，所述田埂基层与所述田埂覆盖层之间具有加固网，所述加固网由尼龙绳
编织的网。
33.优选地，所述田埂主体横截面为梯形结构，所述田埂主体侧面倾角为45
°
～60
°
。
34.说明：该结构的田埂主体具有更好的稳固性，不易发生垮塌。
35.优选地，所述阻水砖由生物炭-土壤复合物压制而成，所述阻水砖的厚度为5～10cm。
36.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明专利针对当前农田通过田埂的侧渗量大，导致水资源利用率低，对环境潜在风险大的问题。提出了利用材料表面疏水性质来防渗的理念，设计了一种生物质疏水生态田埂，采用农业秸秆和本地土壤为原材料，田埂具有优异的防渗性能，还可有效吸收残留农药有机物，可明显减少水分通过田埂侧渗流失，提高了水资源的利用效率，减少了污染物输出；
37.本发明结构设计合理，利用生物质为田埂主体材料，与土壤颗粒形成稳定的核壳结构，颠覆以往通过种植植物、混凝土改造等手段，选用农作物秸秆作为筑埂主材料，实现农业固废资源化利用同时兼有生态环境友好的特点，利用生物炭疏水性防渗止水，一方面由于生物质高疏水特性，水分子难以渗透，达到防渗透的效果，可保水保肥，提高用水效率；另一方面生物炭将亲油，可对田块内有机类农药吸附和降解，起到净化污染物降低环境风险的效果。通过本技术改造的田埂，经检测渗透系数小于10-6
cm/s，满足实际使用需求。
附图说明
38.图1是本发明中生态田埂结构的结构示意图。
39.图中，10-田埂主体、11-田埂基层、12-田埂覆盖层、13-加固网、20-复合填充层、21-阻水砖。
具体实施方式
40.下面结合图1对本发明进行详细说明，为叙述方便，现对下文所说的方位规定如下：下文所说的上下左右前后方向与图1本身投影关系的上下左右前后方向一致。
41.实施例1：
42.一种生态田埂的构筑方法，包括以下步骤：
43.s1、对土壤进行电荷分析：
44.s1-1、将除去植物根系和碎石的土样在去离子水中浸泡20h，然后用h2o2除去土样中的有机质；
45.对于石灰性土样，采用ph为5.0的醋酸—醋酸钠溶液洗去游离碳酸钙盐，再将土样的ph值调节为6.0；
46.对酸性、中性的土样，采用浓度为0.5moll-1
naoh溶液，将土样的ph值调节为7；
47.将以上处理过的土样使用超声波清洗仪进行分散处理，所述超声波清洗仪频率为35khz，然后利用0.045mm孔径的筛对土样进行过滤，用沉降法提取胶体样品，将样品制成ca
2+
质胶体；
48.s1-2、采用返滴定法测定表面电荷，称取1.00g步骤s1-1制备得到的土壤无机胶体样品，将样品放于100ml烧杯中并在烧杯中加入50ml浓度为0.01moll
－1
的ca(no3)2溶液，将烧杯放置于磁力搅拌器上搅拌至烧杯中悬浮液的ph值达到恒定；
49.向烧杯中的悬浮液滴加0.1moll
－1
hno3，每加0.1ml须平衡2min，滴加0.1moll
－1
hno3直至悬浮液的ph值降到3；
50.再将待测悬浮液平衡2min后以0.005moll
－1
ca(oh)2溶液进行滴定，滴定速率为1ml/min，记录悬浮液的ph值，将悬浮液的ph值从3滴定至ph值为10；
51.s1-3、电荷计算：
52.根据进行土壤电荷计算，若计算结果为负电荷，需要向土壤中加入石灰石调节表面电荷性质，使得电荷为正电性；
53.s2、制备疏水生物炭：
54.选用农作物：棉花、小麦的秸秆按照质量比1:1组合为原料，采用惰性气体氮气保护条件下高温碳化工艺，制备得到疏水生物炭；
55.疏水生物炭的具体制备过程为将原料去泥土后，在氮气保护条件下利用马弗炉对原料进行碳化，设定温度750℃，碳化时间200min；
56.s3、筑埂材料的制备：
57.按体积份数计，将1～2份土壤与2～5份步骤s2制备的疏水生物炭充分搅拌混匀，采用物理混合的方法，使得所述土壤均匀附着在所述疏水生物炭颗粒表面形成核-壳结构，制备得到核-壳结构的生物炭-土壤复合物原料，即得到所述筑埂材料；
58.取生物炭-土壤复合物压实成块，进行透水测试，生物炭-土壤复合物的渗透系数需小于10-6
cm/s方可满足使用需求；
59.s4、生态田埂的构筑：
60.用步骤s3制备得到的生物炭-土壤复合物进行田埂构筑，首先将原有田埂去除，采用实法构筑田埂，然后在田地平面的基础上下挖20cm的沟渠，将生物炭-土壤复合物填充在沟渠，并使得生物炭-土壤复合物高出田地10cm；
61.继续在生物炭-土壤复合物覆土10cm，使得最后生态田埂高出田块20cm，所述生态田埂的宽度为40cm。
62.实施例2：
63.一种生态田埂的构筑方法，包括以下步骤：
64.s1、对土壤进行电荷分析：
65.s1-1、将除去植物根系和碎石的土样在去离子水中浸泡24h，然后用h2o2除去土样中的有机质；
66.对于石灰性土样，采用ph为5.0的醋酸—醋酸钠溶液洗去游离碳酸钙盐，再将土样的ph值调节为6.2；
67.对酸性、中性的土样，采用浓度为0.5moll-1
naoh溶液，将土样的ph值调节为7；
68.将以上处理过的土样使用超声波清洗仪进行分散处理，所述超声波清洗仪频率为45khz，然后利用0.045mm孔径的筛对土样进行过滤，用沉降法提取胶体样品，将样品制成ca
2+
质胶体；
69.s1-2、采用返滴定法测定表面电荷，称取1.00g步骤s1-1制备得到的土壤无机胶体样品，将样品放于100ml烧杯中并在烧杯中加入50ml浓度为0.01moll
－1
的ca(no3)2溶液，将烧杯放置于磁力搅拌器上搅拌至烧杯中悬浮液的ph值达到恒定；
70.向烧杯中的悬浮液滴加0.1moll
－1
hno3，每加0.1ml须平衡2.5min，滴加0.1moll
－1
hno3直至悬浮液的ph值降到3；
71.再将待测悬浮液平衡2.5min后以0.005moll
－1
ca(oh)2溶液进行滴定，滴定速率为1ml/min，记录悬浮液的ph值，将悬浮液的ph值从3滴定至ph值为10；
72.s1-3、电荷计算：
73.根据进行土壤电荷计算，若计算结果为负电荷，需要向土壤中加入石灰石调节表面电荷性质，使得电荷为正电性；
74.s2、制备疏水生物炭：
75.选用农作物：向日葵、玉米的秸秆按照质量比1:1组合为原料，采用惰性气体氮气保护条件下高温碳化工艺，制备得到疏水生物炭；
76.疏水生物炭的具体制备过程为将原料去泥土后，在氮气保护条件下利用马弗炉对原料进行碳化，设定温度850℃，碳化时间160min；
77.s3、筑埂材料的制备：
78.按体积份数计，将1～2份土壤与2～5份步骤s2制备的疏水生物炭充分搅拌混匀，采用物理混合的方法，使得所述土壤均匀附着在所述疏水生物炭颗粒表面形成核-壳结构，制备得到核-壳结构的生物炭-土壤复合物原料，即得到所述筑埂材料；
79.取生物炭-土壤复合物压实成块，进行透水测试，生物炭-土壤复合物的渗透系数需小于10-6
cm/s方可满足使用需求；
80.s4、生态田埂的构筑：
81.用步骤s3制备得到的生物炭-土壤复合物进行田埂构筑，首先将原有田埂去除，采用实法构筑田埂，然后在田地平面的基础上下挖25cm的沟渠，将生物炭-土壤复合物填充在沟渠，并使得生物炭-土壤复合物高出田地15cm；
82.继续在生物炭-土壤复合物覆土12cm，使得最后生态田埂高出田块25cm，所述生态田埂的宽度为50cm。
83.实施例3：
84.一种生态田埂的构筑方法，包括以下步骤：
85.s1、对土壤进行电荷分析：
86.s1-1、将除去植物根系和碎石的土样在去离子水中浸泡28h，然后用h2o2除去土样中的有机质；
87.对于石灰性土样，采用ph为5.0的醋酸—醋酸钠溶液洗去游离碳酸钙盐，再将土样的ph值调节为6.5；
88.对酸性、中性的土样，采用浓度为0.5moll-1
naoh溶液，将土样的ph值调节为8；
89.将以上处理过的土样使用超声波清洗仪进行分散处理，所述超声波清洗仪频率为40khz，然后利用0.045mm孔径的筛对土样进行过滤，用沉降法提取胶体样品，将样品制成ca
2+
质胶体；
90.s1-2、采用返滴定法测定表面电荷，称取1.00g步骤s1-1制备得到的土壤无机胶体样品，将样品放于100ml烧杯中并在烧杯中加入50ml浓度为0.01moll
－1
的ca(no3)2溶液，将烧杯放置于磁力搅拌器上搅拌至烧杯中悬浮液的ph值达到恒定；
91.向烧杯中的悬浮液滴加0.1moll
－1
hno3，每加0.1ml须平衡3min，滴加0.1moll
－1
hno3直至悬浮液的ph值降到3；
92.再将待测悬浮液平衡3min后以0.005moll
－1
ca(oh)2溶液进行滴定，滴定速率为1ml/min，记录悬浮液的ph值，将悬浮液的ph值从3滴定至ph值为10；
93.s1-3、电荷计算：
94.根据进行土壤电荷计算，若计算结果为负电荷，需要向土壤中加入石灰石调节表面电荷性质，使得电荷为正电性；
95.s2、制备疏水生物炭：
96.选用以下农作物秸秆：棉花、小麦、向日葵、水稻、玉米，按照质量比1:1:1:1:1组合为原料，采用惰性气体氮气保护条件下高温碳化工艺，制备得到疏水生物炭；
97.疏水生物炭的具体制备过程为将原料去泥土后，在氮气保护条件下利用马弗炉对原料进行碳化，设定温度800℃，碳化时间180min；
98.s3、筑埂材料的制备：
99.按体积份数计，将1～2份土壤与2～5份步骤s2制备的疏水生物炭充分搅拌混匀，采用物理混合的方法，使得所述土壤均匀附着在所述疏水生物炭颗粒表面形成核-壳结构，制备得到核-壳结构的生物炭-土壤复合物原料，即得到所述筑埂材料；
100.取生物炭-土壤复合物压实成块，进行透水测试，生物炭-土壤复合物的渗透系数需小于10-6
cm/s方可满足使用需求；
101.s4、生态田埂的构筑：
102.用步骤s3制备得到的生物炭-土壤复合物进行田埂构筑，首先将原有田埂去除，采用实法构筑田埂，然后在田地平面的基础上下挖30cm的沟渠，将生物炭-土壤复合物填充在沟渠，并使得生物炭-土壤复合物高出田地20cm；
103.继续在生物炭-土壤复合物覆土15cm，使得最后生态田埂高出田块35cm，所述生态田埂的宽度为60cm。
104.实施例4：
105.如图1所示，利用上述实施例1～3的方法构筑的生态田埂结构包括构筑在田地里的田埂主体10以及设置在所述田埂主体10侧面的复合填充层20；
106.所述田埂主体10包括田埂基层11以及覆盖在所述田埂基层11顶部的田埂覆盖层12；
107.所述田埂基层11与所述田埂覆盖层12之间具有加固网13；
108.所述复合填充层20由多个阻水砖21组成，所述阻水砖21在田埂主体10两侧各铺设2层；
109.所述田埂基层11与所述田埂覆盖层12之间具有加固网13，所述加固网13由尼龙绳编织的网；
110.所述田埂主体10横截面为梯形结构，所述田埂主体10侧面倾角为45
°
；
111.所述阻水砖21由生物炭-土壤复合物压制而成，所述阻水砖21的厚度为5cm。
112.实施例5：
113.与实施例4不同之处在于，所述阻水砖21在田埂主体10两侧各铺设3层；所述田埂
主体10横截面为梯形结构，所述田埂主体10侧面倾角为60
°
；所述阻水砖21的厚度为8cm。
114.实施例6：
115.与实施例4不同之处在于，所述阻水砖21在田埂主体10两侧各铺设3层；所述田埂主体10横截面为梯形结构，所述田埂主体10侧面倾角为50
°
；所述阻水砖21的厚度为10cm。