清洁空气降低城市热岛症的数字生态经济循环体系统
文献发布时间:2023-06-19 12:00:51
技术领域
本发明涉及传统农业升级为数字生态经济领域和城市大气污染防治领域的交叉融合领域,特指清洁空气降低城市热岛症的数字生态经济循环体系统,依据城市风向,在上风口灌区构建上百个数字生态经济循环体构成系统,每个数字生态经济循环体在1平方公里农田上,由阳光、水、农田、设施灌排水、耐盐耐寒饲草轮种、青贮、牛羊养殖厂、代谢物处理厂、屠宰厂和城市风向风速农田土壤空气温湿度共10项要素构建,将农田原有的冬小麦和夏玉米轮作方式,改为夏季甜高粱和盐地碱蓬,冬季黑麦草和盐地碱蓬的轮作模式,充分利用光热水肥,充分或趋于饱和的使用植物的生态功能,上百个循环体构成数字生态经济循环体系统,春夏秋三季,在35℃以上的晴热天,大量使用灌区河水通过设施灌溉农田,每天每亩农田通过植物叶片最多蒸腾10-20吨水汽;500-1000平方公里的城市主城区,预计城市上风口近郊灌区农田,需构建300-500个循环体即45-75万亩农田,每天多蒸腾450-1500万吨水汽,顺风输送,必然每天清洁空气降低空气温度,同时增加空气湿度,必然每天增大水汽与臭氧雾霾的碰撞概率,顺风输送至城市主城区,预计降低臭氧和雾霾浓度6-8%,必然每天降低室外空气温度,必然提高城市公民对干净空气的获得感,对耐盐耐寒植物的轮作进行7-9次刈割,必然增加经济收入。形成要素合力,改变过去传统农业灌溉是灌溉,种植是种植,青贮是青贮,养殖是养殖,环保是环保的各管一段局面,实现传统农业升级为数字生态经济模式的创新式发展,更好的为城市服务,是缩小城乡差距,紧密城乡联系的一种生态环境系统性功能性改造,是振兴乡村经济的基础构架。
背景技术
现阶段组织开展臭氧复合污染控制科技攻关,支撑PM2.5和臭氧的协同治理,进一步提升大气污染治理的科学性、精准性,持续实施大气污染防治行动,确实做了大量基础研究工作。目前污染气象学并不考虑污染物的存在对气象状态的反作用。例如,排放二氧化碳会引起全球气候变暖和气候变化,目前不属于空气污染气象学的研究范围。
我们根据我国大中城市生态环境和大气环境的实际情况,在中国专利申请号202010445163.6阐述的生态能效理论由阳光、水、土壤、植物、大气五种要素构成的生态能效系统的基础上,进一步开拓创新,更务实高效,从生态经济的角度进一步提出数字生态经济模式,指在1平方公里农田上,由阳光、水、农田、设施灌排水、耐盐耐寒饲草轮种、青贮、牛羊养殖厂、代谢物处理厂、屠宰厂和城市风向风速农田土壤空气温湿度共10项要素共同构建的数字生态经济循环体,迫切需要提高要素间协作效率。依据城市面积大小和夏季主要风向风速,在上风口灌区构建上百个循环体构成数字生态经济系统。每5年为1个周期,每个循环体1500亩农田,每年夏季种植耐盐植物甜高粱和盐地碱蓬(以下简称盐植),每年秋季种植黑麦草和盐地碱篷,每年多灌溉60-90万吨水。在30℃晴热天,蒸腾1吨水汽可吸收2.4302x10
发明内容
本发明所述的运用数字生态经济理论清洁空气降低城市热岛症的数字生态经济循环体系统,首先是建立上百个数字生态经济循环体,按下列要素和步骤执行:
数字生态经济循环体,是指在1平方公里农田上,由阳光、水、农田、设施灌排水、耐盐耐寒饲草轮种、青贮、牛羊养殖厂、代谢物处理厂、屠宰厂和城市风向风速土壤空气温度湿度共10项要素共同构建的基础构架,迫切需要提高要素间的协作效率。依据城市面积大小,在上风口灌区构建上百个数字生态经济循环体构成系统。每5年1个周期,每个循环体有基础农田1500亩,每年夏季种植耐盐植物甜高粱和盐地碱蓬,秋冬种植一年生黑麦草和盐地碱蓬,每年多灌溉并蒸腾水量60-90万吨,晴热天充分供给灌溉水,充分利用光热水肥,促进和保障盐植生长和叶片蒸腾水汽清洁空气的功能,也同时促进光合作用,产生的可持续清洁清凉气团顺风飞向城市主城区,实现清洁空气降低城市热岛症的功能,设施灌排水保障农田灌溉及在暴雨季将明水排出,实现旱涝保收。建立植物动物微生物循环生态链,形成数字生态经济循环体系统。在天时地利政通人和的条件下,在日照水利盐植风顺俱备的基础上,城市夏季35度的晴热天,每个循环体每天可灌溉并蒸腾1.5-3万吨水汽,每年多蒸腾60-90万吨水汽,上百个数字生态经济循环体,必然清洁空气降低城市热岛症。每年每个循环体的1500亩农田进行耐盐和耐寒植物轮作并旺盛生长,平均刈割7-9次,预计生产1-1.5万吨的青贮饲草;高地势区配建200亩牛羊养殖厂和100亩代谢物处理厂,沼气沼液沼渣就地利用和还田;10-30个循环体配建1个国家标准屠宰厂,同时实现生态效益和经济效益的双丰收。
其中:阳光是指当地每年的日照时数;水是指当地的河流灌溉水;农田是指城市灌区所属的基本农田;设施灌排水是指灌区内设置的沟渠灌溉或滴灌系统及排涝设施;耐盐植物指甜高粱和盐地碱蓬,耐寒植物指一年生黑麦草;青贮是指上述植物刈割后,进行青贮和青饲用于喂养,青贮池建在牛羊养殖厂内;牛羊养殖厂是指养殖牛羊用于消化本地青贮饲草的工厂;代谢物处理厂指牛羊产生的粪便等排泄物和养殖产生的废水进行收集并集中处理的沼气池处理厂;屠宰厂是指每10-30个数字生态经济循环体正常运营后,配建一个占地100亩每年屠宰3万头牛或30万只羊的国家标准屠宰厂,屠宰牛羊的废弃物直接投入沼气池进行无害化处理;城市风向风速是指城市每年以夏季为主的风向风速,土壤空气温度湿度是指农田土壤的温度湿度和农田地表上方高3米处的监测仪监测的空气温度和湿度;以上10项要素构建的基础构架,共同构成数字生态经济的运营模式,上百个循环体组成数字生态经济系统,每年夏季晴热天的盐植在生长过程中蒸腾巨量水汽,实现清洁空气降低城市热岛症的功能;建立的植物动物微生物循环生态链,产生的沼渣沼液还田,提高农田土壤有机质,改善农田土壤的生态环境,沼气用于生产生活,本地化的牛羊屠宰,实现高节奏高效率的生产高质量牛羊肉的目标。
2.数字生态经济循环体系统以单个循环体形式发展,各循环体独立运营,相互支援协同生产,多个循环体形成规模效应,通过设施灌排水,充分利用植物动物微生物的循环生态链,共同构成数字生态经济循环体系统。
3.黑麦草和甜高粱的年度轮作模式,秋季10月中下旬,种植黑麦草和盐地碱篷,采取如下种植方式:
A.播种前整地要精耕细耙,施入有机肥底料,每亩施农家肥2000公斤,小麦复合肥40公斤,并浇足底墒水;每4行种子,种植3行黑麦草(冬牧70黑麦),种植1行盐地碱篷,其中黑麦草种子掺入20%的三叶草种子(含有白三叶和红三叶),与黑麦草混播,三叶草是豆科植物有固氮作用,用三叶草与黑麦草混播能促进黑麦草的生长。
B.各行间距20CM, 黑麦草与盐地碱篷间距20CM, 每亩地播种黑麦草冬牧70黑麦种子10公斤掺入2公斤三叶草种子,播种深度3-4CM,盐地碱蓬每亩播种量2-3公斤,播种深度3-4CM。
C.出苗后,晴热天采取小水勤浇的方式,每亩农田每次灌溉10吨水,依据土壤湿度,每次间隔3-10天;夜晚零度以下气候,每隔10-15天,白天日照时灌溉10吨水;待地温回升至5度以上时,恢复每隔8-10天灌溉一次的频率,地温10度以上时,每隔6-10天灌溉一次,每次10-20吨水,第2年开始,以上每次均按水肥比5:1的比例混入沼液,遇下雨天顺延,以0-20cm 土层土壤含水量 14%为补水判断。
D.当黑麦草长至平均高度50CM以上或40-50天时,秋冬季刈割1次,冬春刈割2-3次,留茬5~7厘米,每次刈割1-3天后,追加尿素2-5Kg和氯化钾混合肥10Kg一次并浇水以促其生长。5月中旬前,或气温达25℃以上时,全部收割。预计收获鲜草2-3吨。因盐地碱篷生长迅速,至30-50CM以上时,可通过人工采摘的方式先行收获盐地碱篷嫩苗,作为有机绿叶菜进行销售,增加经济收入,4月下旬-5月上中旬,气温进入25°度以上的天气时,最后一次刈割不留黑麦草茬的高度,保留盐地碱篷的草茬高度在5CM,准备种植甜高梁。
根据气温变化,每年夏季4月下旬-5月上中旬,种植甜高粱前,根据沼气池中沼液沼渣的存量和农田有机质的含量,按照如下步骤实施:
E. 按照每亩5-10吨的标准,均施沼渣沼液有机肥, 施尿素5-10Kg,然后,进行翻地和整地,注意不伤害盐地碱篷的留茬,然后机播甜高粱种子,行间距40CM, 每播种2行甜高粱种子,控制盐地碱篷留茬在甜高粱每2行之间保持相距20CM的距离,播种深度4-5CM,确保每米保有20-25株苗,每亩播种量1.5-2公斤。实现亩均正常生长甜高粱9000-11000的株苗。
F. 由于盐地碱篷草茬生长迅速,在生长至30-50CM高度时,进行人工嫩苗采摘,增加经济收入。
G. 灌溉生长期间,当甜高粱出苗后,25℃以上晴热天,根据农田土壤温湿度,每隔2-6天灌溉10-20吨水,每次按水肥比5:1的比例加入沼液,长高至60CM以上,35℃以上的晴热天时,每隔1-2天,每次灌溉20-40吨水,每次按水肥比4:1的比例加入沼液,当甜高粱生长高度0.7米以上封行时,停止采摘盐地碱篷嫩苗,出苗40-50天后,或平均长高至1.2米以上时开始第一次刈割,以刺激第二茬高产,以后每隔25-30天刈割一次,及时刈割是利用甜高粱的最好办法。植株在1.2-1.5米时,植株整体营养价值最高,每次刈割后,施尿素3-5Kg/亩。35℃以上的持续晴热天时,甜高粱长高至70-80CM以上时,每天每亩农田提前灌溉10-20吨水,增大农田植物蒸发量,实现清洁空气降低城市热岛症的生态功能,以 0-20cm 土层的土壤含水量 14-18%或每天每亩农田蒸腾10-20吨水为补水标准。每个循环体1500亩农田,在每个35℃以上的晴热天,每天预计蒸腾1.5-3万吨水汽,500个循环体共500平方公里即75万亩农田每天预计蒸腾750-1500万吨水汽。
H. 甜高粱再次长高至平均高度1.2米以上,及时进行刈割,每次刈割3天后,每亩追施沼液有机肥3-5吨,按3:1的水肥比例施沼液肥,以后,甜高梁每隔25-30天或平均长高达1.2米以上时,再次刈割。共刈割4-5次,每次留茬高度12-15CM,避免留茬过低和雨天收割,总计收获甜高粱和盐地碱篷鲜草6-8吨。
I. 进入10月中下旬,最后一次刈割后,进行翻地整地,每亩施沼渣有机肥5-10吨,全部使用代谢物处理厂沼气池中的沼液沼渣,并再次按3:1的比例条播种植黑麦草和盐地碱蓬,盐地碱蓬保持每年换位条播的方式轮作,吸收土壤中的盐分。除第1年根据土壤有机质施复合肥以外,第2-5年在甜高粱与黑麦草形成年度轮作模式后,每次种植前每亩施沼渣有机肥5-8吨即可,以后每次灌溉时按水肥比4:1,施入沼液肥即可。
J.虫害防治甜高粱抗病性较强,但抗虫性差,因茎叶中糖分含量较高,易受钻心虫和蚜虫的危害,应及早防治。防治方法:水和沼液1:1的比例混合液30-60千克/亩,在晴天午后进行喷洒综合防治。
4.青贮,刈割后的饲草除部分用于牛羊青饲,大部分进行青贮,循环体的1500亩农田,全年轮作黑麦草和甜高粱并套种盐地碱蓬,预计每亩刈割收获黑麦草3-4次,每次0.6-1吨左右,甜高粱4-5次,每次1-2.5吨左右,全年预计每亩收获8-10吨鲜草;共配建20座青贮池,均建在高地势区的牛羊养殖厂内,每池长100米,宽4米,平均深2米左右,池底最深处距离地下水6-8米的高度,可贮存800吨饲草,并设置与青贮池等高的全方位防水隔离层,在3天内必须贮满一座青贮池,控制刈割节奏,保持充分供给牛羊养殖厂鲜食草量。夏季甜高梁每次刈割收获量可装满2-4座青贮池,池间距6-8米,占地约30-40亩,可青贮16000-18000吨饲草。
5.配建占地200亩的牛羊养殖厂在高地势区,每厂只选牛或羊中的一种养殖,以循环体收获的总草量,按照草肉重量比20:1的数量,计划牛或羊的养殖数量,配建设施功能齐全的规模化养殖厂,牛羊养殖饲舍房顶设置太阳能光伏发电板,收集电量后,用于厂区照明和办公使用,厂房和动物运动场的道路两侧和空地种植竹柳和元宝枫,树下种植其它速生类生物量大营养价值高的饲草。
6.配建占地100亩的代谢物处理厂在高地势区的牛羊养殖厂隔壁,以牛羊的粪便和清洁牛羊圈舍的生产废水为来源,建设占地长100米,高3米,宽4米的罐状椭圆形半地下式,容积600-700立方米的软体沼气池30个,每个间距6-8米,道路两侧和空地种植竹柳和元宝枫以及其它速生类生物量大的饲草,可收集处理1.2-1.6万吨粪便,通过管网与养殖厂相连,每天可接收60吨以上的牲畜粪便和生产废水的排泄量,总计200天的粪便量,每年还田沼液沼渣20000吨以上,其中沼渣30%共6000吨以上,每年每亩农田施用沼渣肥5-10吨,日常施用沼液10-15吨。
7.屠宰场,每10-30个数字生态经济循环体配建1个国家标准屠宰场,屠宰后的牛羊废弃物直接进入代谢物处理厂环保处理,每年具备屠宰3万头牛或30万只羊的能力,道路两侧和空地种植竹柳和元宝枫以及其它速生类生物量大的饲草。
8.城市风向风速是指城市每年以夏季为主的风向风速,土壤空气温度湿度是指农田的土壤和空气的温度和湿度;在上风口灌区进行上百个数字生态经济循环体的规划与建设,与城市建成的主城区面积按照1:1的比例规划建设数字生态经济循环体面积,并保障在夏季风向确定,风速2米/秒的情况下,满足6-10小时内或直线40-80公里到达主城区的条件。实现灌区农田在保障增加经济效益的同时,充分提高农田的生态效益,建立新的灌溉体制机制,实现每年每亩农田,在原有400-600吨的基础上,再多灌溉500-800吨的生态用水量,建立新的灌溉体制机制,保障在晴热天按需充分供水,保障每亩农田每年多灌溉并蒸腾500-800吨水汽。在建立原有小麦玉米种植模式,每年每亩纯收入600-1000元本底台帐的基础上,实现光热水肥充分利用的数字生态经济循环体系统和灌溉运行新机制,实现农民收入增加后,按总收入的8-10%按年交纳水费,实现灌溉种植青贮养殖各环节的合作共赢。夏季晴热天植物蒸腾产生的清洁清凉气团,在气压梯度力和地转偏向力共同作用下,形成风向风速的动力源,源源不断的顺风输送,实现清洁空气降低城市热岛症的目标。
9.依据土壤污染筛查值标准,在10年或50年后,如果土壤检测后,预计超标的镉(Cd),铅(Pb),砷(As),铬(Cr)和汞(Hg)五种重金属中的任何一种,数字生态经济循环体则逐个开始进行1/3面积的超富集植物的夏季轮作,实现生物提取重金属技术,在刈割黑麦草后,进行整地施肥,每亩地施沼渣5-6吨后,进行翻地并平整,然后,在4月下旬至5月上旬,针对预计超标的重金属,针对性选择种植伴矿景天,蜈蚣草和李氏禾三种超富集植物中的一种,以条播方式进行扦插、移栽或播种,行间距20CM,并在9月中下旬,在超富集植物生物量最大或种子成熟时收割并留种,实现生物提取,使该项重金属指标恢复至正常范围内,并进行无害化处理。
本发明所述的运用数字生态经济理论清洁空气降低城市热岛症的数字生态经济循环体系统,实现的数字生态经济模式的创新点之一:通过给传统农业赋于大气环境和生态环境的治理功能,改变原有小麦玉米种植轮作品种和模式,实现经济效益和生态效益双丰收的局面。
数字生态经济模式的创新点之二:创建高效率的植物动物微生物循环生态链,为长期可持续的数字生态经济发展构造高质量模式。
数字生态经济模式的创新点之三:充分利用自然环境的规律和力量,实现盐植生产巨量水汽后,利用风向确定的水平方向风力,推送清凉气团,持续清洁空气和降低城市热岛症。
数字生态经济模式的创新点之四:新的种植轮作模式,使用最经济最有效的用水方式,实现充分或趋于饱和的使用盐植的蒸腾功能和光合功能,5年内,实现每亩农田水汽蒸腾量和固碳量1-3倍的增长,每亩农田纯收入1倍以上的增长。耐盐植物甜高粱属C4植物,是目前已知的作物中生物量最高的作物,有“高能作物”之称。有耐旱、耐涝、耐盐碱、耐高温、耐贫瘠,水分利用效率高的生物特性,具有很高的光和效率,在自然光照条件下,太阳光能转化率为18%-28%,而目前最好的光电板能量转换效率只有10%-18%,甜高粱能够大量吸收二氧化碳且利用率高,秸秆高大粗壮而富有糖分,叶片多而宽大,能够接受更多的光能辐射,将太阳能转化成糖分、淀粉和纤维素,是一个高效能源加工厂和储藏库,二氧化碳吸收量和固碳量是玉米的0.5-2倍。天然融入我国碳达峰碳中和的战略目标,也是数字生态经济循环体的使命和任务。
数字生态经济模式的创新点之五:数字生态经济循环体是经济效益和生态效益的有机复合体,必须实事求是、因地制宜的科学规划建设生产和运营。以5年为一个周期运行,预计在循环体数量与城市主城区面积规模在比例1:1情况下,5年内预计实现每年提高城市空气质量6-8%以上的预期目标,并彻底降低城市热岛症。
数字生态经济模式的创新点之六:数字生态经济理论是开创空气和水进行数字化清洁空气降低城市热岛症的数字生态经济基础,实现盐植+水利的生态能源降温模式,在城市实现生物能,水能,风能,太阳能四种自然能源的并驾齐驱和高效利用。
数字生态经济模式的创新点之七:数字生态经济循环体的功能增强,是持久战,每一天每一年都要高水平高质量高节奏高效率的实施管理和不间断的完善。
更进一步,乘势而上,科学规划,2021年开始,逐步开展运用数字生态经济循环体增加农民收入的同时,每年实现城市清洁空气治理臭氧雾霾和降低城市热岛症的战略规划与战术实施。对接现有小麦玉米轮作种植模式,实现种植品种切换,灌溉方式转变,以建立数字生态经济循环体为突破口,系统性治理城市空气污染难题,实现臭氧和雾霾的同步高效治理的数字生态经济模式。
具体实施例:
以西安市为例,
1.1 实施城市概况
西安市位于黄河流域中部关中盆地,东经107°40′—109°49′和北纬33°42′—34°45′之间。东以零河和灞源山地为界;西以太白山地及青化黄土台塬为界;南至北秦岭主脊;北至渭河,东北跨渭河。辖境东西长204千米,南北宽116千米。总面积10108平方千米,其中市区面积3582平方千米,秦岭山脉主脊海拔2000—2800米。渭河平原海拔400—700米,其中东北端渭河河床最低处海拔345米。西安城区建立在渭河平原的二级阶地上。海拔约400米左右。
西安市属暖温带半湿润大陆性季风气候,年主导风向各地有差异,西安市区常年盛行东北风,高陵、临潼为东北偏东风,蓝田为东风,周至、鄠邑区、长安为西风。2018年度,全市平均日照时数2054小时;全市年平均降水量587.9毫米,高温、伏旱全年35℃以上高温出现53天,40℃以上高温出现2天。
秦岭在我国的自然地理分布中,有着十分重要的意义,从气候来看,秦岭以南是亚热带季风气候,以北是温带季风气候。秦岭呈东西走向,大约位于北纬32°至北纬34°左右,东西绵延超过1500千米,南北宽180-200千米,山势十分陡峭。秦岭具有调节气候的作用,规模巨大的秦岭山脉就像位于我国中部地区的一个巨大“冷岛”;冬季季节,东西走向海拔较高的秦岭对来自北方的西北季风起到了显著的阻挡作用,使得冷空气南下受阻,位于秦岭以南的汉中谷地和四川盆地冬季较为暖和。秦岭被称为我国的“中央水塔”,其次秦岭地处夏季东南季风的迎风坡,暖湿空气受地形抬升,多地形雨,降水丰富。
西安市区在秦岭北侧,夏季盛行东北风,在城市的北郊和东北郊建立高标准农田灌区,在夏季35度的晴热天,充分供给灌溉水,饱和利用耐盐植物的蒸腾功能,蒸腾的巨量水汽清洁空气降低城市热岛症,之后,继续前进,最终吹至秦岭北侧,形成事实上的巨大迎风坡,凝滞巨量水汽,南北水汽团交锋,形成更多云雨。西安市辖区内秦岭东西绵延400—500千米,南北宽达100—150千米。海拔平均在2000—2800米,按平均抬高水汽2500米计算,事实上形成半开放空间的秦岭北坡水汽凝结收集体,形成事实上的半开放状态的水-汽-水循环体,水-汽的高节奏高效率的利用,是夏季每天迅速提升西安市主城区近地空气质量的关键。
此外,秦岭植被丰富,可以凝结水汽,涵养水源,水质洁净,秦岭山地确实是一个巨大的储水装置。秦岭被称为“中央水塔”的另一个重要原因,是因为秦岭是我国长江和黄河两大水系的分水岭,秦岭以南发育了长江最大的支流汉江,秦岭以北有黄河最大的支流渭河,其中源自秦岭的黄河水约占黄河总水量的三分之一。
从河流分布上看,秦岭水资源储量220多亿立方米,约占黄河水量的1/3、陕西水资源总量的一半,是陕西省最重要的水源涵养区。其中,秦岭南坡水资源储量182亿立方米,约占陕南水资源总量的58%,是嘉陵江、汉江、丹江的源头区,每年可向北京、天津等地供水100多亿立方米,是南水北调中线工程的重要水源涵养区。秦岭北坡水资源储量约40亿立方米,占关中平原地表水资源总量的51%,是渭河的主要补给水源地,也是西安市的主要水源区。西安地区自古有“八水绕长安”之美称。市区东有灞河、浐河,南有潏河、滈河,西有皂河、沣河,北有渭河、泾河,此外还有黑河、石川河、涝河、零河等较大河流。其中绝大多数属黄河流域的渭河水系。
渭河是黄河的最大支流,发源于甘肃省渭源县,于陕西潼关注入黄河。全长818公里,流域总面积134766平方公里,年径流量102亿立方米。渭河绕西安之北,横贯西安市境内约150千米。西安地下水储量估算总计19.91亿立方米,每年有7-8亿吨城市再生水流入渭河,市区日供自来水能力172万吨。
秦岭横卧在中国版图的中央,北接黄土高原,南握四川盆地,不仅以地理位置,更以显著的自然条件和地理特点,成为我国最重要的南北分界线和地理标志。
秦岭南坡阻隔太平洋副热带高压输送的潮湿海洋气团的入侵,使其不能影响到我国的西北内陆地区,北坡又起到了阻挡青藏高压寒潮的向南入侵。北上和南下的大型天气系统在此交锋,像两只军队,互相碰撞、消耗,形成更多的云雨润泽大地,造就了中国地理和气象的多样性。
陕西省的南水北调——引汉济渭工程于2014年进入全面实施阶段,这一工程分为调水和输配水工程,补给渭河流域地区。汉江支流子午河自流调水5亿立方米,汉江干流黄金峡水库提117米引水10亿立方米;工程设计最大输水流量70立方米每秒,水库总库容9.39亿立方米,泵站总装机功率15.65万千瓦,电站总装机容量18万千瓦,静态总投资168亿元。工程每年总调水规模15亿立方米。
2020年陕西省渭河流域节余(未用)灌溉用水合计5亿立方米。如果节余的水量用于西安东北部灌区农田的灌溉,按夏季50个35℃的晴热天灌溉使用计算,每天1000万吨的标准灌溉75万亩种植耐盐植物甜高粱的农田,如果全部蒸腾为1000万吨水汽,灌溉水利用系数按0.55计算,1.1%用于光合作用生成有机质,可生长6.05万吨左右的鲜草生物量,必然实现生态效益和经济效益的巨大丰收。
2020年国家统计局西安调查队统计显示,西安关中灌区农田大部分地区灌溉条件优越。西安全年粮食总产量144.6万吨,同比增长3.4%;粮食播种面积408.1万亩;粮食单产354.3公斤/亩,同比增长3.8%。其中夏粮小麦面积220.1万亩,总产量72.6万吨,亩产329.8公斤;秋粮玉米面积188万亩,产量72万吨,单产383公斤/亩。西安夏粮秋粮连续轮作面积为188万亩。
如果规划并引导到位,分批次使用其中的500平方公里,即75万亩改为黑麦草和甜高粱的轮作模式。夏季50个晴热天计算,每天多灌溉750-1500万立方米,合计多灌溉5亿立方米,每年每亩生产青贮饲草8-10吨按400元/吨计算,亩均可实现收入3200-4000元,规模化生产全年亩均成本按900元计算,扣除多灌溉水费600-800吨/亩共200-300元,丰年预计可实现2100-2800元/亩的纯收入。75万亩预计生产高质量饲草600-750万吨,以饲养肉羊全部喂青贮饲草计算,按草肉比20:1的比例,屠宰后酮体重50%计算,预计生产15-18.75万吨高品质生态羊酮体。西安市按1000万人口计算,每人每年15-18.75公斤牛羊肉,按30元/斤的价格销售生态羊,75万亩青贮饲草,可实现羊肉经济产值90-112.5亿元。5年内增加农民经济收入1倍以上是可以实现的。1吨水蒸腾吸收675度电的热量,每度电按0.6元计算,每吨水的生态降温效益405元,5亿吨总计2025亿元。
在我国开展高标准农田建设的基础上,解决农民种田收入偏低的短板,采取订单式农业,定购青贮饲草的方式,引导农民进行黑麦草和甜高粱轮作种植,并鼓励承包大户积极加入,进行全程技术指导,依据种植节奏和青贮饲草量,建设牛羊养殖厂和代谢物处理厂,生产的沼液沼渣有机肥还田,建立植物动物微生物生态循环体,增加农民收入,以招募和培育种植工程师、养殖工程师和微生物工程师的方式组建数字生态经济循环体,实现传统农业向数字生态经济的转型。
1.2具体实施步骤和办法:
1. 首先进行灌区农田规划,建立20-50个数字生态经济循环体模式的种植区,在种植区签订黑麦草和甜高粱轮作的订单农业。
2.与灌区水利部门协商更改灌溉模式后的保供水方案,并签订保供水合同。
3.与农户、土地承包人或以直接承包农田5-30年的方式,确定黑麦草和甜高粱的年度轮作模式,种植流程和步骤如下:
秋季10月中下旬,种植黑麦草和盐地碱篷,采取如下种植方式:
A播种前整地要精耕细耙,施入有机肥底料,每亩施农家肥2000公斤,小麦复合肥40公斤,并浇足底墒水;每4行种子,种植3行黑麦草(冬牧70黑麦),种植1行盐地碱篷,其中黑麦草种子掺入20%的三叶草种子(含有白三叶和红三叶),与黑麦草混播,三叶草是豆科植物有固氮作用,用三叶草与黑麦草混播能促进黑麦草的生长。
B 各行间距20CM, 黑麦草与盐地碱篷间距20CM, 每亩地播种黑麦草冬牧70黑麦种子10公斤掺入2公斤三叶草种子,播种深度4-5CM,盐地碱蓬每亩播种量2-3公斤,播种深度4-5CM。
C 出苗后,晴热天采取小水勤浇的方式,每亩农田每次灌溉10吨水,每次按水肥比5:1的比例加入沼液,依据土壤湿度,每次间隔3-10天;夜晚零度以下气候,每隔10-15天浇水10吨,白天日照时灌溉;待地温回升至5度以上时,恢复每隔8-10天灌溉一次的频率,地温10度以上时,每隔6-10天灌溉一次,每次10-20吨水,以上每次均按水肥比5:1的比例加入沼液,遇下雨天顺延,以 0-20cm 土层土壤含水量 14%为补水判断。
D 当黑麦草长至平均高度50CM以上或40-50天时,秋冬季刈割一次,冬春季刈割2-3次,留茬5~7厘米,每次刈割1-3天后,每亩追加尿素2-5Kg和氯化钾混合肥10Kg一次并浇水以促其生长。5月上中旬全部收割。预计收获鲜草2-3吨。因盐地碱篷生长迅速,至30-50CM以上时,可通过人工采摘的方式先行收获盐地碱篷嫩苗,吸收盐分并作为有机绿叶菜进行销售,增加经济收入,每年夏季4月下旬-5月上旬,或气温进入25°度以上的高温天3-5天时,最后一次刈割时,不留黑麦草茬的高度,保留盐地碱篷的草茬高度在5CM,准备种植甜高梁。
根据气温变化,每年夏季4月下旬-5月上旬种植甜高粱前,根据沼气池中沼液沼渣的存量和农田有机质的含量,按照如下步骤实施:
E.按照每亩5-10吨的标准匀施有机肥沼渣沼液,施尿素3Kg,然后,进行翻地和整地,注意不伤害盐地碱篷的留茬,然后机播甜高粱种子,行间距40CM, 每种植2行甜高粱种子,控制盐地碱篷留茬在甜高粱每2行之间保持相距20CM的距离,播种深度3-4CM,确保每米保有20-25株苗,每亩播种量1.5-2公斤。实现亩均正常生长甜高粱9000-11000的株苗。
F.由于盐地碱篷留茬生长迅速,在生长至30-50CM高度时,进行人工嫩苗采摘,增加经济收入。
G. 灌溉生长期间,当甜高粱出苗后,25℃以上晴热天,根据农田土壤温湿度,每隔2-6天灌溉10-20吨水,每次按水肥比5:1的比例加入沼液,长高至60CM以上,35℃以上的晴热天,每隔1-2天,每次灌溉10-20吨水,每次按水肥比4:1的比例加入沼液,40-50天后,当甜高粱生长高度0.7米以上封行时,停止采摘盐地碱篷嫩苗,在拔节期追施尿素3-5Kg/亩,长高至1.2米时开始第一次刈割,以刺激第二茬高产,以后每隔25-30天刈割一次。植株在1.2-1.5米时,植株整体营养价值最高,每次刈割后都施尿素3-5Kg/亩。35℃以上的持续晴热天时,甜高粱长高至70-80CM时,每1-2天每亩农田平均灌溉20-40吨水,晴热天实现数字生态经济循环体生态功能的充分利用,以 0-20cm 土层的土壤含水量 14-18%或每天每亩农田蒸腾10-20吨水为补水标准。每个循环体1500亩农田,在每个35度以上的晴热天,每天预计蒸腾1.5-3万吨水汽,500个循环体共75万亩农田,每天预计蒸腾750-1500万吨水汽,灌溉水有效系数按0.55计算,甜高梁蒸腾系数为250-300,按300计算,预计可生长甜高粱秸秆生物量4.53-9.07万吨左右。
H. 甜高粱长高至平均高度1.2米以上,进行刈割,每次刈割3天后,每亩追施沼液有机肥3-5吨,按3:1的水肥比例施沼液肥,以后,甜高梁每隔25-30天或平均长高达1.2米以上时,再次刈割。共刈割4-5次,每次留茬高度12-15CM,避免留茬过低和雨天收割,总计每亩收获甜高粱和盐地碱篷鲜草6-8吨。
I. 进入10月中下旬,最后一次刈割后,进行翻地整地,每亩施沼渣有机肥5-10吨,全部使用代谢物处理厂沼气池中的沼液沼渣,并再次按3:1的比例条播种植黑麦草和盐地碱蓬,盐地碱蓬保持每年换位条播的方式轮作,吸收土壤中的盐分,除第1年根据土壤有机质含量施复合肥以外,第2-5年在黑麦草与甜高粱形成年度轮作模式后,每次种植前每亩施沼渣有机肥5-8吨,以后不再用化肥,并且每次灌溉时按水肥比4:1,施入沼液肥灌溉。
J.虫害防治甜高粱抗病性较强,但抗虫性差,因茎叶中糖分含量较高,易受钻心虫和蚜虫的危害,应及早防治。防治方法: 水和沼液1:1的比例混合液30-60千克/亩,在晴天午后进行喷洒综合防治。
4.青贮,刈割后的饲草除部分用于牛羊青饲,大部分进行青贮,循环体的1500亩农田,全年轮作黑麦草和甜高粱并套种盐地碱蓬,预计每亩刈割收获黑麦草3-4次,每次0.8-1吨左右,甜高粱4-5次,每次1-2.5吨左右,全年预计每亩收获8-10吨鲜草;配建占地30-40亩的20座青贮池在高地势区的牛羊养殖厂内,每座青贮池可贮存800吨饲草,建成长100米,宽4米,平均深2米左右的斜坡式池体,池底最深处距离地下水6-8米以上,并设置与青贮池等高的全方位防水隔离层,在3天内必须贮满一座青贮池,控制刈割节奏,保持充分供给牛羊养殖厂鲜食草量。每次刈割收获量可装满4-6座青贮池,池间距6-8米,占地约30-40亩,可青贮16000-18000吨饲草。
5.配建占地200亩的牛羊养殖厂在高地势区,每厂只选牛或羊中的一种养殖,以循环体收获的总草量,按照草肉重量比20:1的数量,计划牛或羊的养殖数量,配建设施功能齐全的规模化养殖厂,牛羊养殖饲舍房顶设置太阳能光伏发电板,收集电量后,用于厂区照明和办公设施使用,厂房和动物运动场的道路两侧和空地种植竹柳和元宝枫以及其它速生类生物量大营养价值高的饲草。
6.配建占地100亩的代谢物处理厂在高地势区的牛羊养殖厂隔壁,以牛羊的粪便和清洁牛羊圈舍的生产废水为来源,建设长100米宽4米高3米的罐状椭圆形半地下式,容积600-700立方米的软体沼气池30个,每个间距6-8米,道路两侧和空地种植竹柳和元宝枫以及其它速生类生物量大的饲草,可收集处理1.2-1.5万吨粪便,通过管网与养殖厂相连,每天可接收60吨以上的牲畜粪便和生产废水的排泄量,总计200天的粪便量,每年还田沼液沼渣20000吨以上,其中沼渣30%共6000吨,每亩农田每次施用沼渣肥5-6吨,日常施用沼液10-15吨。
7.规划屠宰厂的地址,每10-30个数字生态经济循环体配建1个占地100亩的国家标准屠宰场,如循环体种植面积确定,饲草收获量基本确定,牛羊养殖厂建设完毕,并开始引进活羊活牛,具备一定的屠宰牛羊数量,养殖3-5个月后,就开始建设屠宰厂,屠宰后的牛羊废弃物直接投入附近的代谢物处理厂环保处理,每年具备屠宰3万头牛或30万只羊的能力,道路两侧和空地种植竹柳和元宝枫以及其它速生类生物量大的饲草。
8.对数字生态经济循环体农田的灌溉进行统一管理,依据西安市夏季晴热天,每天预报的风向风速,提前对数字生态经济循环体的农田进行灌溉,保障在东北风和北风时,风速一定的情况下,蒸腾巨量的水汽,实现灌区农田在保障增加经济效益的同时,充分提高农田的生态效益,建立新的灌溉体制,设置每年每亩农田600-800吨水的灌溉保底量,建立新的灌溉机制,保障在晴热天按需充分供水,保障每亩农田每年多灌溉并蒸腾600-800吨水汽,实现光热水肥充分利用的数字生态经济循环体运行机制,实现在水利种植养殖环节上的合作共赢。夏季晴热天植物蒸腾产生的湿凉空气团,在气压梯度力和地转偏向力共同作用下,形成风向固定,风速一定的源动力,源源不断的顺风输送,实现清洁空气降低城市热岛症的目标。
9. 依据农用地土壤污染风险筛查值标准,10年或50年后,如果检测后,预计有镉(Cd),铅(Pb),砷(As),铬(Cr)和汞(Hg)五种重金属中的任何一种即将超过土壤污染风险筛查值的标准,数字生态经济循环体系统立刻开展计划,循环体逐个开始进行1/3面积的超富集植物的夏季轮作,实现生物提取重金属技术,在刈割黑麦草后,进行整地施肥,每亩地施沼渣5-6吨后,进行翻地并平整,然后,在4月下旬至5月上旬,针对性种植伴矿景天,蜈蚣草和李氏禾三种超富集植物中的一种,以条播方式进行扦插、移栽或播种,行间距20CM,并在9月中下旬,在超富集植物生物量最大或种子成熟时收割并留种;并进行无害化处理,全部循环体轮作一遍,使重金属指标恢复至正常范围值。
数字生态经济循环体系统在依据西安市具体资源和自然地理条件下,实施城市臭氧雾霾攻坚战,西安市有得天独厚的条件,要特别说明,在每天的空气污染与反污染攻坚战中,是战略对决,空气质量的好转真的是靠风吹,靠的是通过上风囗灌区农田盐植蒸腾巨量水汽,产生的清洁清凉气团顺风对主城区空气的推移和替换形成。在35℃以上的晴热天,在东北方向距离城市主城区直线距离40-80公里的75万亩农田(长50公里,宽10公里的面积)预计每小时蒸腾100万吨水汽,30℃的晴热天,1吨水蒸腾为水汽可以使0.93平方公里高2米的空气块减低1度,100万吨水蒸腾为水汽,可使9300平方公里高200米的空气块降低1度,一天按10小时计算,可以连续实现十次这样的效果,预计蒸腾1000万吨水汽,持续产生的湿凉气团在以1天时间为单位尺度的近地表天气系统中,形成持续顺风输送清凉清洁空气的生态效益,在城市地表0-200米范围内与被污染的较高温度的近地表空气团对抗,就像两只军队,互相碰撞、消减和推搡,并以东北风的持续推送为动力,最终清洁清凉气团推移和替换原有湿热气团,实现北水南跨,大气磅礴,清洁空气降低城市热岛症的目的。清洁和降低城市热岛症的水汽并不会消失,而是顺风继续输送至秦岭,秦岭北麓形成巨大的迎风坡,形成吸收和抬升暖湿气团的屏障,秦岭北麓地形陡峭,山脉海拔平均高度按2500米计算,山脚温度按30度,山脚山顶湿度均按70%计算,公知海拔每升高1000米降温6度,山顶温度按平均15度计算,每立方米含水量为8.9克,山脚30度时含水量为21克,推送暖湿气团至山顶的过程中,随着海拔的升高,水汽逐渐降温冷却被秦岭山体凝结,吸收率为57.6%,也就是说如果每天1000万吨灌溉水全部蒸腾为水汽并全部吹送至秦岭,至少有576万吨水汽被秦岭直接冷凝吸收;通过耐盐植物蒸腾巨量水汽,形成半开放环境下,关中平原与秦岭山脉之间的水→汽→水的24小时立体循环,形成水汽的"撞山效应"。假设有55个35℃以上的晴热天利用,每天1000万吨水全部蒸发为水汽,则有5.5亿吨水汽的定向蒸发,输送并吹入秦岭,预计可以直接回收3.168亿吨水,相当于1/5个引汉济渭工程,形成水的地空立体循环,产生巨大而深远的生态效益和经济效益。同时,剩余的水汽中,有研究显示对当地的降水贡献率平均为30%左右。进一步提升蒸腾水汽的回用率,加大了云雨的形成和水循环的节奏和效率,缩短了水的循环利用周期,也可以说大量灌溉耐盐植物蒸腾水汽并定向秦岭山脉输送的方式,就是最大的节水净水循环利用项目。2018年夏季西安市35℃以上的晴热天有55天,每天耗电量1.5亿度左右,每度电按0.6元计算,如果生态降温效率使耗电量每天降低5%,则合计节约电量4.125亿度,节省城市电费2.475亿元。减少50696吨标煤燃烧,减排13.282万吨二氧化碳。55天每天1000万吨灌溉水量,小水勤浇的方式,灌溉水利用系数按0.55计算,75万亩农田,55天每亩多灌溉403.3吨;35℃以下的晴热天也按55天计算,预计每天平均需灌溉800万吨,55天灌溉4.4亿吨,每亩多灌溉322.6吨;整个耐盐植物甜高梁的夏秋生长周期按180天计算,合计725.9吨,灌溉农田水费包括渗漏损耗,总计耗水量9.9亿吨,每吨0.3元计算,总计2.97亿元,整体意义来说,渗漏水量都留在了本地的生态环境中,下渗或蒸散,并没有损失,生长期5-10月降水量按300毫米,水利用率按55%计算,共110吨/亩,总计水量835.9吨。耐盐植物甜高梁是C4植物光合效率高,蒸腾系数约为250-300,按300计算,相当于生长1克干物质耗水300克,干物质按鲜重生物量30%计算,则植物鲜重生长量为耗水量的1.1%,即有效灌溉10吨水,生物量生长110公斤,在风调雨顺的丰年,75万亩预计总产689.25万吨耐盐饲草,青贮饲草按400元/吨计算,75万亩夏秋季生产饲草总收入27.57亿元;耐盐植物鲜草中干物质含量按30%计算,有机物占干物质的95%计算,有机物中碳元素占45%计算,固碳88.39万吨,共吸收二氧化碳324.09万吨;相当于每年5-10月的夏秋季,刈割4-5次,亩产耐盐鲜草9.19吨,固碳1.178吨,吸收二氧化碳4.321吨。另外秋冬季的黑麦草还有2-3吨的鲜草产量,进一步扩大生态效益和经济效益的产出。
在夏季晴热天,以每一天为一个臭氧雾霾对抗单位,在东北风风速在2米/秒时,如果达到白天在40-80公里的直线距离上均匀输送1000万吨水汽的目标,冷空气是贴地飞行,预计水汽1天内可向上飞升200-500米的高度,但是产生的冷量只会在近地空间对冲消耗,而且大气每升高1000米降低6度,200米就降低1.2度,而人类在城市的活动空间基本在地表以上200米以下的空间活动,所以,必然增加水汽与臭氧分子和雾霾的碰撞概率,必然实现清洁空气降低城市热岛症的功能。
推动传统农业向数字生态经济转型发展,“看似寻常最奇崛,成如容易却艰辛”。科技进步就是以前所未有的认知、决心和力度,冲破思想观念的束缚、突破原有体制固化的藩篱,实现历史性革命、系统性重塑、整体性重构,“一语天然万古新,豪华落尽见真淳”。推动传统农业模式向数字生态经济模式发展,是新时代生态科学发展必然。
自古以来我国有识之士就有“为天地立心,为生民立命,为往圣继绝学,为万世开太平”的科学志向。如果我们有幸发现并提出的“生态能效理论和数字生态经济理论”,找到了“为天地立心,为生民立命”在生态科学领域高效实践的理论基础;那么,每年的高效领导组织并实施,就是"为往圣继绝学,为万世开太平"。
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