一种农林湿复合生态净化系统
1.技术领域
2.本发明涉及生态修复技术领域，尤其是一种农林湿复合生态净化系统，适用于农田面源污染生态净化、保护生物多样性、提升生态服务功能的系统。
背景技术：
3.如何有效控制农业面源污染是农业发展过程中面临的瓶颈问题。在农业面源污染物质进入水体之前，通过建立生态拦截系统，有效阻断径流水中的氮磷等污染物质输出，是控制农业面源污染物的重要技术手段。有相关研究结合提出了生态拦截型沟渠系统，能减缓流速，促进流水携带颗粒物质的沉淀，有利于构建植物对沟壁、水体和沟底中逸出养分的立体式吸收和拦截，从而实现对农田排出养分的控制。但是，农耕区可用于建设生态沟渠的土地面积极为有限，这使得农田排水在生态沟渠中的停留时间往往很短，因此很难真正发挥处理效果。近年来，在过去单项技术突破的基础上，对面源污染实行系统控制，形成“源头减量-前置阻断-循环利用-生态修复”的技术体系，从而达到全类型、全过程、全流域（区域）的控制。然而同样地，农耕区土地的紧约束性造成上述系统性控制措施缺乏实施空间。
4.另一方面，土地治理中的生物多样性保护正逐渐得到重视并积累了许多宝贵的经验，如鼓励农民建立农田边界，通过构建带状非农作性生境连接不同的地块形成高异质性的农田镶嵌体，在增加经济效益的同时对生物多样性起到了较好的保护作用；如在农作区河流沿岸的植树造林，形成沿河生态保护系统。上述技术方案主要通过提高农业系统生境斑块异质性、廊道的连通性和水路田林网的多样性，使农田生态系统得到有效保护。然而，兼顾考虑面源污染控制和生物多样性保护的技术方法还较为缺乏。
5.在大部分农业生产区，都会保留一部分林地、水塘湿地等，以起到防风、涵养水源等作用。如果能将林地、湿地进一步复合利用，构建农林湿复合生态净化系统，营造生物栖息地和农林湿地景观，将有可能发挥湿地的水质清洁作用和生物栖息地效应，在保护生物多样性的同时提升生态系统服务，为农业生产和人类活动提供基础支撑。
技术实现要素：
6.本发明的目的是对农田及邻近林地区域，利用林地、湿地等生态空间，构建包括多功能水耕湿地、清水涵养区、水上森林、林间湿地的复合生态净化系统，发挥湿地的水质清洁作用和生物栖息地效应，为当地农业生产和人类活动提供生态系统服务。
7.本发明的另一个目的是利用林地、湿地、现状土地，合理调配，形成具有高效生产能力，高效自净能力的新型生态循环农业系统。
8.本发明的技术方案如下：根据已有地形，利用现有林地空间，在不改变用地性质，对靠近农田一侧的苗木林地区域，构建包括生态水耕湿地、清水涵养区、水上森林区、林间湿地区等的复合生态净化系统，发挥湿地的水质清洁作用和生物栖息地效应。该系统包括：
数级生态水耕区区域分布有湿地及沟渠，单片湿地与湿地之间为高地，宽度至少6m，种植耐水湿乔木；区域断面水深至多0.5m，进水来自农田排水，水表层设置浮床，种植水生经济作物，通过生态沉淀、植物吸收作用去除来水中大颗粒悬浮物质和营养物质；所述生态水耕区为数级，各级生态水耕区依次连通；清水涵养区连接末级生态水耕区，区域外围土方围合，利用林下空间，开挖浅沟浅塘形成能够蓄水的空间，水深至多0.5m，浅塘内种植耐荫湿生植物和水生植物；进水来自末级生态水耕区，出水为两部分，一部分作为农田备用水源，一部分进入下一区域；水上森林区连接清水涵养区，进水来自清水涵养区的一部分出水，区域外围用土方围合，区内种植耐淹树种并设置水深至少0.3m的浅塘湿地，浅塘间以槽沟相连，浅塘周边堆高形成生态岛，岛内种植乔木林，林下用于消纳秸秆及水生植物残体；所述生态岛的高程比周边高约2m,坡度调节在10-15
°
；林间湿地区连接水上森林区，水上森林区出水进入林间湿地区，平均水深至多0.5m，利用林下空间，以林内排水沟渠为基础，适实开挖土方，形成由水塘、芦苇湿地串联形成的多级复合型林间湿地；林间湿地采用自然式堤岸，沿岸以湿生植物护坡，在水流急湍段采用人工松木桩垂直驳岸；区域出水一部分进入河道，一部分提供农田灌溉水源。
9.本发明系统中生态水耕区、清水涵养区、水上森林区、林间湿地区之间用沟渠依次相连，农田排水通过水泵提升后依次流经生态水耕区、清水涵养区获得净化，部分净化出水补给农田，剩余净化出水继续依次流经水上森林区、林间湿地区，进一步净化之后排入外围河道。
10.所述湿生植物为具有耐阴性和水质净化作用的本地挺水植物，包括芦苇、再力花、石菖蒲、旱伞草等；所述水生植物为耐阴性和水质净化作用的本地沉水植物，包括苦草，狐尾藻等；所述水生经济作物为水芹菜、空心菜等可以在水面栽培的经济作物。
11.本发明系统区域内及周边配置耐水湿的乔木、灌木与草本，通过乔、灌、草相结合的多层次植物群落的构筑和原有片林对空间的围合，在有限的绿地范围内达到最大的生态效益，并产生最大的景观效果。
12.本发明的系统构建具体包括：1）生态水耕区为沟渠状嵌入林间，水表层设置浮床，种植水生经济作物，通过生态沉淀、植物吸收等作用去除来水中大颗粒悬浮物质和营养物质；2）清水涵养区利用林下空间，依据地势开挖浅沟浅塘形成可以蓄水的空间，出水分两部分：一部分作为农田备用水源，一部分进入水上森林区；3）水上森林区内种植耐淹树种，利用多余土方在周边堆高形成生态岛，岛内种植乔木，林下用于消纳秸秆、水生植物残体等；4）林间湿地区域，利用林间空间，适当开挖土方，形成由水塘、芦苇湿地串联形成的多级复合型林间湿地，出水进入河道。
13.本发明的有益效果在于：1）通过生态沉淀、植物吸收等作用去除农田排水中大颗
粒悬浮物质和营养物质，具备水质清洁功能，同时涵养优质水源，出水可直排入河道以及作为农田灌溉水源；2）形成林湿复合结构提供不同类型生物栖息地，满足蛙类、鸟类、有益昆虫等动物不同生活史阶段的生境需求，有利于提高生物多样性和增加生物数量；3）形成生态型的湿地景观，在有限的林湿空间范围内达到最大的生态效益，并产生较好的景观效果；并且能够取得较好农业经济效益。
附图说明
14.图1为本发明农林湿复合生态净化系统示意图；图2为生态水耕区示意图；图3为清水涵养区示意图；图4为水上森林区示意图；图5为林间湿地区示意图。
具体实施方式
15.结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
16.本发明的系统包括生态水耕区、清水涵养区、水上森林区、林间湿地区。农田排水首先进入生态水耕区，然后进入清水涵养区；清水涵养区出水分两部分：一部分作为农田备用水源，一部分进入水上森林区；水上森林区内种植耐淹树种，利用多余土方在周边堆高形成生态岛，岛内种植乔木林；水上森林区出水进入林间湿地区域，利用林间空间，适当开挖土方，形成由水塘、芦苇湿地串联形成的多级复合型林间湿地；林间湿地区域出水进入河道。
17.本发明系统中各区具体内容：1）生态水耕区农田排水经由水泵提升之后，进入生态水耕区。生态水耕区断面平均水深至多0.5m。农田灌溉排水先汇入排水农沟，再经过水泵提升至布水渠，农田排水进入布水渠后通过生态水耕湿地穿过整个生态水耕区，汇入集水渠后，进入通过漫流的方式进入清水涵养区。生态水耕区单片湿地之间为高地，宽度至少为6m，种植耐水湿乔木，两行以上，最大冠幅不超过4m。
18.2）清水涵养区清水涵养区平均水深不超过0.2m，整个区域外围土方围合，内部设置水深最大为0.5m的方型浅塘，浅塘与浅塘之间间隔3m，开土沟相连，农田排水通过多级生态水耕区然后通过漫流方式进入清水涵养区；清水涵养区出水分两部分：一部分作为农田备用水源，一部分进入水上森林区。
19.3）水上森林水上森林区域平均水深不超过0.2m，种植耐淹树种，区域外围用土方围合。多余土方在周边堆高形成生态岛，生态岛的高程比周边高约2m，坡度调节在10
°-
15
°
，岛内种植乔木林，
并用于消纳秸秆、水生植物残体等。
20.4）林间湿地水上森林区出水进入林间湿地区域，平均水深不超过0.5m，林间湿地构建利用现有林下空间，以生态涵养林内现有排水沟渠为基础，适当开挖土方，形成由水塘、芦苇湿地串联形成的多级复合型林间湿地。林间湿地区域出水进入河道。
21.林间湿地采用自然式堤岸，沿岸以湿生植物护坡，在水流较急湍区域采用人工松木桩垂直驳岸；水生植物方面选择当地优势挺水、浮叶及沉水植物；区域内及周边配置耐水湿的乔木、灌木与草本，通过乔、灌、草相结合的多层次植物群落的构筑和原有片林对空间的围合，在有限的绿地范围内达到最大的生态效益，并产生最大的景观效果。
实施例
22.本实施例针对的是一个面积14.28公顷，其中耕地面积11.08公顷，林地面积1.39公顷，其他农用地0.79公顷，其余为河流水面的区域。区域内多为蔬菜地与部分苗圃，西侧原为坑塘，现为杂草地，现状地势较低洼，无种植经济作物，无灌溉和排水设施，将通过整治形成约100亩精品农田；东侧为生态涵养林，毗邻向阳河，地势较为平坦，林相较为单一，以杉树为主向，香樟、水杉意杨林成排规整种植，滨河区域有少量竹林。各个处理单元构建过程如下： 1）生态水耕区参阅图1、图2，农田排水经由水泵提升之后，进入生态水耕区，通过生态沉淀、植物吸收等作用去除来水中大颗粒悬浮物质和营养物质，然后在进入清水涵养区。根据地形特点和净化功能发挥的需求，生态水耕区划分为三级：生态水耕区i：占地面积约2000 m2，断面平均水深不超过0.5m，常水位3.5m。其中底标高3.0m，水面标高3.5m，整个生态水耕区i外围土方标高3.6m，保证区域内水体不溢流。西侧精品农田灌溉排水先汇入排水农沟，水位2.90m左右，再经过水泵提升至布水渠，农田排水进入布水渠后通过横向4块并联的生态水耕湿地穿过整个生态水耕区i，汇入东侧集水渠后，进入生态水耕区ii。其中生态水耕区i进水口处为南北走向的布水渠，布水渠连接4块并联的生态水耕湿地，出口连接南北走向的集水渠；布水渠、生态水耕湿地、集水渠宽度均为4米，布水渠长35m，单片生态水耕湿地长度均为50m，集水渠长度为40m；其中布水渠与生态水耕湿地均匀分布直接相连，生态水耕湿地与集水渠之间通过长度为4m，宽度为0.4m的明沟连接。并联的4块生态水耕湿地均使用生态浮岛的方式净化来水水质，湿地前半段浮岛种植旱伞草+西伯利亚鸢尾，后半段采用生物栅填料+微孔曝气的方式；集水渠亦使用生物栅填料，使出水流向生态水耕区ii的过程中得到进一步净化。
23.生态水耕区ii,iii：生态水耕区ii占地面积2400m2，平均水深不超过0.3m，常水位在3.45m，其中底标高3.0m，水面标高3.45m，整个区域外围土方标高3.55m；生态水耕区iii占地面积2300 m2，平均水深不超过0.3m，常水位在3.4m左右，其中底标高3.0m，水面标高3.35m，整个区域外围土方标高3.5m。生态水耕区i的出水首先流入生态水耕区ii的布水渠，然后通过两行4块并联的生态水耕湿地穿过整个生态水耕区ii，汇入北侧集水渠后，进去生态水耕区iii。其中生态水耕区ii进水口处为东西向的布水渠，布水渠连接4块并联的生态水耕湿地，这4块并联的过水沟渠分别串联相同大小的4块生态水耕湿地，出口连接东西走
向的集水渠；布水沟渠、生态水耕湿地、集水渠宽度均为4m，布水渠长34m，单片生态水耕湿地长度均为14m，集水沟渠长度34m；其中布水渠与生态水耕区，串联的生态水耕区之间以及生态水耕区与集水渠之间均通过长度为4m，宽度为0.4m的明沟连接。生态水耕区iii与生态水耕区ii面积接近，区域内布局一致，水流从生态水耕区ii流出以同样的方式进入生态水耕区iii，再以同样的方式流过生态水耕区iii，最后通过漫流的方式进入清水涵养区。
24.在生态水耕区浅水及近岸区域种植耐阴湿生地植被：石菖蒲和西伯利亚鸢尾，水深超过20cm区域种植苦草，并利用生态浮岛水耕花卉，再力花、旱伞草等等，通过水耕植物净化来水，同时取得一定农业经济效益。生态水耕区单片湿地之间为高地，宽度6m以上，种植耐水湿乔木，两行以上，最大冠幅3-4m。
25.2）清水涵养区参阅图3，清水涵养区占地面积3200m2, 平均水深不超过0.2m，常水位维持在3.35m左右，其中底标高3.0m，水面标高3.35m，整个区域外围土方标高3.5m。主要用于涵养优质水源，并提供生物栖息地功能。农田排水通过多级生态水耕区然后通过漫流方式进入清水涵养区；清水涵养区出水分两部分：一部分作为农田备用水源，一部分进入水上森林区。清水涵养区有两部分构成：靠近农田一侧面积为125m2的溢流区，农田备用水从此区域通过溢流口流入农田水渠,剩余区域内均匀分布20个4m
×
4m浅塘，浅塘水深为0-35cm，0-20cm浅水处种植耐水淹的草本植物、再力花、水葱、旱伞草等，20-40cm较深处种植苦草。
26.3）水上森林区水上森林区域占地面积2500m2, 平均水深不超过0.2m，底标高3.1m，水面标高3.3m，区域外围标高3.5m。参阅图4，利用多余土方在周边堆高形成坡度为10
°
的生态岛，最大高程为6m，岛内种植乔木，并用于消纳秸秆、水生植物残体等。水上森林区内种植耐淹树种，通过适当挖深和围合形成自由水面，控制水深20cm以内。森林品种选择耐水表现较好的池杉，通过光影变化增加空间层次感。林下设置通行的木栈道，营造生态保育教育区。
27.4）林间湿地区水上森林区出水进入林间湿地区域，占地面积23000m2, 平均水深不超过0.5m，其中地面标高3.5m，渠底标高3.0，水面标高3.3m。参阅图5，林间湿地构建利用现有林下空间，以生态涵养林内现有排水沟渠为基础，适当开挖土方，形成由水塘、芦苇湿地串联形成的多级复合型林间湿地。
28.基于现有树种，选择性保留耐水湿的种类，在林间湿地外围的乔木林间湿地区域补种枫杨、乌桕等耐水湿乔木，灌木区补种耐水湿与喜阴的灌木，栽种并且补种适应水边与水中生长的池杉、落羽杉等树木品种，同时对林下进行苗木改造；林间湿地0-20cm浅水区种植挺水植物再力花、旱伞草等，20-40cm较深处种植耐寒矮化苦草，并营造多个串联小型生物栖息地。林间湿地区域出水一部分进入周边河道。
29.本发明的系统已经在运行，在系统运行期间，主要指标达到：系统平均日处理水量500m3以上（暴雨期最高日处理1000m3/d，超出时外排），出水水质达到地表水v类以上标准，生物多样性提高10%以上，生长期近岸栖息地中蝌蚪、蜻蜓幼虫等数量增加15%以上。
30.本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
技术特征：
1.一种农林湿复合生态净化系统，其特征在于，该系统包括：数级生态水耕区区域分布有湿地及沟渠，单片湿地与湿地之间为高地，宽度至少6m，种植耐水湿乔木；区域断面水深至多0.5m，进水来自农田排水，水表层设置浮床，种植水生经济作物，通过生态沉淀、植物吸收作用去除来水中大颗粒悬浮物质和营养物质；所述生态水耕区为数级，各级生态水耕区依次连通；清水涵养区连接末级生态水耕区，区域外围土方围合，利用林下空间，开挖浅沟浅塘形成能够蓄水的空间，水深至多0.5m，浅塘内种植耐荫湿生植物和水生植物；进水来自末级生态水耕区，出水为两部分，一部分作为农田备用水源，一部分进入下一区域；水上森林区连接清水涵养区，进水来自清水涵养区的一部分出水，区域外围用土方围合，区内种植耐淹树种并设置水深至少0.3m的浅塘湿地，浅塘间以槽沟相连，浅塘周边堆高形成生态岛，岛内种植乔木林，林下用于消纳秸秆及水生植物残体；所述生态岛的高程比周边高2m,坡度调节在10-15
°
；林间湿地区连接水上森林区，水上森林区出水进入林间湿地区，平均水深至多0.5m，利用林下空间，以林内排水沟渠为基础，适实开挖土方，形成由水塘、芦苇湿地串联形成的多级复合型林间湿地；林间湿地采用自然式堤岸，沿岸以湿生植物护坡，在水流急湍段采用人工松木桩垂直驳岸；区域出水一部分进入河道，一部分提供农田灌溉水源。2.根据权利要求1所述的农林湿复合生态净化系统，其特征在于，所述系统中生态水耕区、清水涵养区、水上森林区、林间湿地区之间用沟渠依次相连，农田排水通过水泵提升后依次流经生态水耕区、清水涵养区获得净化，部分净化出水补给农田，剩余净化出水继续依次流经水上森林区、林间湿地区，进一步净化之后排入外围河道。3.根据权利要1所述的农林湿复合生态净化系统，其特征在于，所述湿生植物为具有耐阴性和水质净化作用的本地挺水植物，包括芦苇、再力花、石菖蒲和旱伞草；所述水生植物为耐阴性和水质净化作用的本地沉水植物，包括苦草和狐尾藻；所述水生经济作物为水芹菜、空心菜等可以在水面栽培的经济作物。4.根据权利要求1所述的农林湿复合生态净化系统，其特征在于，所述系统区域内及周边配置耐水湿的乔木、灌木与草本，构筑成乔木、灌木与草本相结合的多层次植物群落。
技术总结
本发明公开了一种农林湿复合生态净化系统，系统包括生态水耕区、清水涵养区、水上森林区、林间湿地区等复合生态净化单元。农田排水首先进入生态水耕区，然后进入清水涵养区，出水部分作为农田备用水源，部分进入水上森林区；水上森林区内种植耐淹树种，并设置水塘湿地，水塘间以槽沟相连，周边堆高形成生态岛；水上森林区出水进入林间湿地区域，林间适当开挖土方，形成由水塘、芦苇湿地串联形成的多级复合型林间湿地；林间湿地区域出水部分进入河道。该系统充分利用工程区域内林地、湿地等生态空间，构建农林湿复合生态净化系统，保护生物多样性,提升生态系统服务，为农业生产和人类活动提供基础支撑。类活动提供基础支撑。类活动提供基础支撑。
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