CN111333442A - 地表有机植物残体堆肥工艺及地表有机植物残体堆肥的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地表有机植物残体堆肥工艺及地表有机植物残体堆肥的应用，属于地表有机植物残体堆肥技术领域。所述地表有机植物残体堆肥工艺如下：将公路路基清表产生的地表有机植物残体进行粉碎，晾晒至半干；将所得粉碎后的地表有机植物残体与有机肥和猪粪按比例混合后，采用强制通风静态垛堆肥系统进行堆肥，得地表有机植物残体堆肥产物。本发明的堆肥工艺堆肥时间相对较短，产品稳定性好，堆肥质量达到了国家标准；且以表层土壤和有机物残体堆肥产物作为主要客土基材的边坡土壤中富含有机质，且全氮、速效钾和速效磷都明显大于对照边坡和表层土壤，养分更为充足，可以满足边坡植物的生长的需求。

Description

地表有机植物残体堆肥工艺及地表有机植物残体堆肥的应用

技术领域

本发明属于地表有机植物残体堆肥技术领域，具体涉及一种地表有机植物残体堆肥工艺及地表有机植物残体堆肥的应用。

背景技术

公路是我国最主要的运输方式。近年来，我国公路建设迅猛发展。公路的建设和扩展不可避免地变更了原有土地的功能，特别是公路建设中的表土清理工序往往是将公路路域范围内的表层耕作土和地表植被完全清理出去。这些被清理的表土(含地表植物残体)往往被视为公路建设中的废弃物堆放，形成新的弃渣场，占用土地，影响景观，且容易造成新的水土流失，对区域植被、土壤等生态环境要素也产生不利影响。

地表土壤是发育于地球陆地表面具有一定肥力且能够生长植物的疏松表层。通常，在温带地区的自然条件下，每形成1厘米表土需要100～400年的时间，即使管理极好的土地也需要20年，成为成熟的土壤，则需要更长的时间。公路建设清理掉的表土中往往含有丰富的本土植物种子资源和土壤微生物资源。同时，土质肥沃地段的表土中腐殖质、有机质、NPK等养分含量较高，对于保护当地物种及加速边坡植被的生态恢复有重要价值，是可以利用的宝贵资源。

许多国家结合本国实际，规定了表土剥离和再利用流程，以高效推进相关工作和规范管理。如加拿大的表土剥离程序包括确定剥离数量和质量的勘查规划，明确剥离范围的表土确定，按照要求和规定剥离表土、科学选择并合理存贮表土，按照复垦要求回填表土和表土回填后清除杂质等六个阶段。英国的表土剥离大致可分为调查规划、表土剥离、表土搬运、表土复原和土壤养护五个阶段。虽然各国表土剥离流程有所差异，但总体上都可划分出准备、剥离、存贮和回填4个不同环节，每个环节都有非常严格的要求。

我国表土剥离和再利用工作尚处于起步阶段，由于工作开展时间较短，加上部门利益纠葛，我国一直未能很好理顺相关管理体制，而这也是当前各项建设普遍没有较好履行表土剥离职责，矿山复垦历史欠账很多且这种现象仍在继续的主要原因之一。其次缺乏规范表土剥离程序和标准，具体的技术标准也有待制定，国内有些地方已经根据先前的尝试初步总结出一套完整做法，但这些试点总结的经验不一定具有普适性。随着环境保护意识增强，生态效益常常居于重要的地位，我国今后开展表土剥离和再利用应努力追求综合效益的最大化，既要确保增加耕地数量，也要不断提高耕地质量，并将不破坏和改善土地生态功能贯穿始终。

近年来，随着我国节能减排和循环经济战略的实施，我国部分地区的高速公路建设中提出了表土回用的技术理念，但是目前表土利用还仅仅局限在公路施工初期分段集中存放，公路施工后期将表土简单在公路边坡、取弃土(渣)场等区域进行覆盖绿化，以及用于拌和场、施工营地等临时占地的复耕。对于公路建设中的表土清理而言，其对象不仅仅是细颗粒的土壤，还包含植物残体(树枝、草灌等)，一些地区还包含砂石等粗颗粒无机物质。对公路表土清理对象进行适当的分类，是实现表土资源化的重要步骤。

目前，国内外关于针对公路建设清理表土分类与深加工综合利用的研究尚未见报道。从表土分类利用的角度看，目前公路建设中的表土利用还停留在覆土、复耕等低水平操作层面，主要利用的是其中的细颗粒土壤。公路建设中清理出去的植物残体中含有丰富的有机质及 NPK养分，是非常优秀的堆肥原料。堆肥是好氧微生物在适宜的环境条件下(温度、湿度、氧气)将有机物质分解熟化的过程，堆肥的最终产物是类腐殖质。堆肥物有机质含量在30～ 50％，NPK含量在3～5％，腐殖质含量在3～5％，可以作为良好的有机肥，对于提高土壤肥力，促进土壤团粒结构形成，加速路域植被生长有重要意义。目前国内外堆肥领域的研究主要集中于生活垃圾、畜禽粪便、城市污泥及城市绿化修剪物等环境污染治理领域，对于公路清理表土中的有机材料的资源化还没有涉及。

我国南方表土成分复杂，且随地域变化很大，为更好地对表土资源进行分类利用，根据不同土壤类型表土资源特性，开展公路表土资源保护与综合利用技术研究，对我国开展可持续公路建设具有重要的战略意义。

随着社会经济发展和环境意识的增长，在高速公路建设中的环境保护问题日益突出。人们已不能满足于把高速公路仅作为汽车快速运输的一个简单的工程设施，而是要求在建设高速公路的同时，尽量使其有益于环境保护，不但使驾驶员有良好的视觉感受，而且能改善高速公路沿线的环境状况，称为新的景观亮点。但是，不论是在建设阶段，还是在运营阶段，高度公路都会不可避免地对周围的自然生态生产直接或间接的影响，并带来一系列的环境污染问题。在公路工程建设中，经常要开挖大量边坡，破坏原有路域范围的植被覆盖层，导致出现大量的次生裸地以及严重的水土流失，并会产生大量的植物废弃物。

为了快速恢复由于开挖边坡产生的次生裸地，同时也为了提高路域生态生态系统的稳定程度，现多采取种植公路边坡植物的措施。植物地上部分的茎、枝、叶可有效阻挡降雨直接溅落坡面，间接起到降低降雨强度、控制地表水土流失的作用，植物在地下分布有丰富的根系，其中，浅层根系互相连接并与土壤结合起到加筋作用，可有效固持坡面浅层土壤，防治侵蚀流失；深层根系在边坡土壤中可以起到锚固作用，使地表植物与深层土壤融为一体，提高坡体的稳定程度。另外，植被护坡还具有降低噪声大气污染、调节小气候、美化生态环境、改善道路景观功能等生态效果。因此，应用植物防护边坡可从根本上解决边坡工程建设与生态环境破坏之间的矛盾。然而，植物边坡的建植往往不是一次可以成功的，其成功建植过程中往往会产生大量新的绿化废弃物。而且，公路植物边坡及植物带建设美化公路环境的同时，在其日后的维护过程中由于修剪所产生的草屑、修剪树枝等也随之增加，产生大量的绿化废弃物。

目前尚无对于在公路建设期、运营期以及公路边植物带(包括植物边坡)建植及养护过程中所产生的绿化废弃物的研究，行适当处理的措施，或置之路边不予处理，或随公路建设产而工程上也很少有单独对这些绿化废弃物进生的建筑垃圾一同填埋。绿化废物有机质含量较高，处理不当不仅会影响城市美观，占用城市有限的土地资源，昂贵的地价大大增加其处理成本；甚至会引起大气、水体和土壤的污染，从而影响居民的身体健康。绿化废弃物营养成分含量较高，还有巨大的再利用潜能和再利用价值，堆置、填埋而不加以回收利用也是对资源的严重浪费。

对于绿化废弃物的传统处理基本上都属于非资源化处理，即其处理产物及其处理过程中完全没有或极少部分产物可以回收利用，包括土地填埋和焚烧法。

由于绿化废弃物含有较高的有机质，并具有特殊的生物性质，拥有回收再利用的潜力，近些年来对于绿化废弃物的资源化处理方式的研究越来越多，主要集中在以下处理方式：堆肥、生物质能源化、木塑工艺、粉碎覆盖、食用菌培育等处理方式。

堆肥是堆肥化过程的生物降解和转化产物。一般来讲，堆肥化定义包含了好氧堆肥和厌氧堆肥，而在欧盟，堆肥化过程仅限定于好氧堆肥。尽管各种界定的范围有所不同，但普遍认为堆肥化是一种受控制的生物降解和转化过程。

堆肥化的一般过程为：底料是堆肥系统的处理对象，一般是污泥、城市固体废弃物、庭院废弃物等。调理剂可分为两类：(1)能源调理剂。它是加入堆肥底料的一种有机物，增加可生化降解有机物的含量，从而增加了混合物的能量；(2)结构调理剂。它是一种加入堆肥底料的无聊(无机物或有机物)，可减少底料密度、增加底料空隙，从而有利于通风。堆肥化过程分为两个阶段，第一个阶段是高速堆肥阶段，第二阶段是熟化阶段。高速堆肥阶段的特征是好氧分解速度快、温度高、挥发性有机物降解速率快和很浓的臭味。城市垃圾堆肥的基本工艺流程图如图1所示。

堆肥工艺分为厌氧堆肥与好氧堆肥两种，其中好氧法，具有臭气发生量少、发酵时间段、堆肥品质好等优点。好氧堆肥过程由4个阶段组成，即升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段。堆肥初期，堆层基本呈中温，嗜温菌较为活跃，大量繁殖。它们在利用有机物的过程中，有一部分转换成热量，由于堆肥物料具有良好的保温作用，堆层温度不断上升，几天后可达到50-60℃。在这个温度下，嗜温菌收到抑制，甚至死亡，而嗜热菌的繁殖进入激发状态，嗜热菌的大量繁殖和温度的明显提高，使堆肥发酵直接由中温进入高温，并在高温范围内稳定一段时间。正是在这一温度范围内，堆肥中的寄生虫和病原菌被杀死，腐殖质开始形成，堆肥达到初步腐熟。在后发酵阶段，由于大部分有机物在主发酵阶段已经被降解，因此堆肥不再有新的能量积累，堆肥也就一直维持在中温(30-40℃)，这时堆肥产物进一步稳定，最后达到深度腐熟。在实际堆肥工艺中，比较常见的有条垛式堆肥、强制通风静态垛堆肥和各式反应器堆肥。条垛式堆肥是最为传统的堆肥方式，工艺成熟，操作简单，也是目前国内使用较为广泛的方式。强制通风静态垛式堆肥和各式反应器堆肥对环境影响小，堆肥效率高，是目前国内外学者研究得较多的方式。堆肥化技术的广泛应用，使得对堆肥技术系统的分类多种多样，可将其分为条垛式对堆肥系统、强制通风静态垛堆肥系统以及各式反应器三类。

条垛式堆肥系统是在好氧条件下，将混合好的固体废物堆成垛状，并让其分解，堆体必须进行通风。条垛式堆肥系统最初仅用于城市生活垃圾堆肥，随着对此系统的不断优化和发展，至1993年美国321个堆肥项目中条垛式系统占21.5％。同年调查数据显示，加拿大的条垛式系统占总堆肥项目的73％。

条垛式堆肥是将原料混合堆肥添加剂后简单堆积成窄长条条垛，在好氧条件下进行堆肥化处理。系统一般采用强制通风方式或机械搅拌方法来达到通风要求。条垛系统对其场地有很高的要求：首先必须坚固，常用的材料是道路沥青或混凝土，其设计标准与公路相似；其次必须有坡度，其坡度至少应为1％。大部分场地需要排水系统，一般由两部分构成：一部分是排水沟，常用的是地下排水管系统或具有格栅和入孔的排水管系统；另一部分即为贮水池，面积大于20 000m3的场地或多雨量地区都必须修建贮水池，用以收集堆肥渗滤液和雨水。

条垛系统的堆体规模一般为底宽2-6m，高1-3m，长度不限。最常见的堆体尺寸为底宽 3-5m，高2-3m，其横截面大多呈三角形。如果堆体太小，则保温性差，水分散失过快，高温持续不了足够长的时间，导致产品腐熟度达不到要求，而且相比大堆体，单位面积处理污泥量较小，且易受气候影响；若堆体太大，堆体中心通风不好，发酵周期长，易在堆体中心发生厌氧发酵损失有机质及氮素等营养元素，产生强烈臭味，影响周围环境。

条垛式堆肥系统堆体供氧主要是通过翻堆的方式进行，翻堆频率根据堆体具体情况而定，其中包括外界温度，堆体大小，添加剂的使用等。在春、夏、秋，这三个季节中，因为平均温度较高，一般不会影响堆体升温，所以一般采用每天翻一次，或者隔一天翻一次这样的频繁的翻堆方式，以保证堆体在好氧情况下发酵。而在冬季堆肥时，外界温度较低，第一次翻堆时间应在成堆后3-4天，翻堆频率也应该根据堆体的实际温度而定。若翻堆过于频繁，不利于堆体温度的升高；对翻堆次数太少，则容易产生厌氧发酵。在添加剂的使用上，当使用稻草、谷壳、干草、干树叶、木片或锯屑做调理剂且与污泥形成的混合物的含水量约为60％时，成堆后地3天翻堆，然后每隔一天翻堆一次堆体连续翻堆4天，之后每隔4-5天翻堆一次。如果用纸做调理剂，只要混合物料含水率不超过50％，便可如上述频率进行翻堆。

条垛式堆肥系统对外界条件也有很强的要求。首先，要有足够大的场地。条垛式堆肥堆体占地面积较大，且应保证堆体场地具有良好的通风条件，有利于水分的散失和堆体的供氧。如果有条件建造一个足够大的棚就可以减少冬季和雨季对堆肥的影响。其次，场地地面条件结实坚固。通常用的地面材料是沥青或混凝土，也可以是碎石或碳渣，以便大型机械设备(如：铲车、翻抛机等)的操作。场地要有一定的坡度，以便堆肥渗滤液快速流走，其坡度应该在 1％-2％左右。堆肥场地还应具备相应的排水系统，以便收集渗滤液，避免造成二次污染。条垛式堆肥系统是一个低水平的堆肥系统，具有以下缺点：占地面积达，腐熟周期长，需要大量的翻堆机械和人力；相对于其他的堆肥系统，条垛式堆肥需要更多的监测以确保足够的通风量和温度；翻堆堆体时会产生臭味，对公众的生活环境造成不利影响；条垛式堆肥系统容易受到天气条件的影响，例如，冬季的低温条件造成堆体热量的大量损失，使得堆体温度降低，减慢了堆体发酵速率，而雨季改变的堆体的水分含量且容易破坏堆体结构；由于条垛式系统需要保持良好的通风，在系统中常常需要加入相当大比例的填充剂。

条垛系统处理污泥时产生强烈的臭味和大量的病原菌，因此在条垛系统的基础上开发了强制通风静态垛系统。该系统与条垛系统的区别在于：前者的堆料静止不动，通过地面通风管道强制通风方式给堆体供氧发酵；后者的堆体需要人工定期翻动，从而达到通风供氧的目的。强制通风静态垛堆肥采用正压通风、负压通风或者两者相结合的方式。对此堆肥方式，通风系统决定其能否正常运行，同时通风系统也是温度控制的主要手段。在堆肥过程中，通风提供给微生物分解有机物时所需要的氧气，同时带走水分、二氧化碳、氨气等气体。目前，该系统已经成为美国应用最广泛的污泥堆肥系统。

强制通风静态垛系统和条垛系统对场地的要求基本一致。对于强制通风静态垛系统来说，通风管道的布置很重要，穿孔通风管道可置于堆肥场地表面或地沟内，通风方式可采取正压通风和负压通风。李艳霞等研究表明，在通气静态垛堆肥系统中，环境温度对起始升温的影响不像其他堆肥参数那么严重。当环境温度在5.8℃以上时，堆肥可以进行；当低于此温度时堆肥无法进行。Tateda M等人研究表明，环境温度对强制通风静态垛式堆肥堆体底部温度影响最剧烈。当环境温度小于20℃时，环境温度对堆体达到最高温度的时间有影响。

表1不同控制系统的比较

在强制通风静态垛堆肥系统中，典型的通风控制系统有Beltsville、Rutgers、Leeds和混合通风控制方式。Beltsville控制方式属于时间控制；Rutgers、Leeds和混合通风控制方式都属于时间-温度反馈控制；Leeds控制系统是一种在一个堆体中采用多个温度传感器的微机系统，它以微机与堆体温度和O2含量的相互关系为中心，使堆体在堆肥各阶段达到最佳的温度和O2含量，该方式又分为全控制系统(Full Control System)和温度控制系统(Temperature Control System)。Beltsville和Rutgers控制方式的特点见表。通过对堆肥时间、总固体降解率、挥发性固体降解率和水分去除率的比较，Rutgers方式优于Beltsville方式，正压鼓风优于负压鼓风。

在Leeds控制方式中，全控制系统采用温度和O2含量作为控制参数，是有机物降解速率在各个阶段最大。因其复杂性，目前它还只是一个理想系统。Leeds控制方式通常采用多个温度传感器的温度控制系统，与Rutgers控制方式的不同之处在于后者只用一个温度传感器。 Leeds控制方式的优点：堆肥操作集中控制，可同时控制多个堆体；所以堆体在同一条件下堆肥，堆肥物料代替堆肥周期成为优先考虑因素；可根绝通风期间的温度和O2含量判断通风系统的效率和堆体降解情况。与Rutgers、Leeds方式不同，混合通风控制方式(由正压鼓风和负压抽风组成，且以时间-温度反馈进行控制)的特点是：利用微机监测堆体顶部、中心和底部的温度，当堆体中心温度低于设定温度55℃时，风机正压鼓风；当堆体中心温度大于 55℃，微机便比较堆体顶部和底部的温度，如果堆体顶部温度大于堆体底部温度，风机负压抽风；反之，风机正压鼓风。Sesay等(1998)采用强制通风静态垛进行城市固体废弃物的堆肥化研究表明，混合通风控制方式同经典的正压通风控制方式(Rutgers方式)相比，前者具有如下优点：堆体温度区分布更加均匀；堆料水分损失更少；无害化效果更好；两者堆肥的腐熟度类似，但前者的投资费用高，操作也很复杂。

魏源送等人总结了国内外各式反应器堆肥系统。反应器堆肥发酵工艺目前是国内外学者研究的热点，相比前两种堆肥方式有其独有的特点：如发酵周期短，能有效地控制臭气、灰尘和其它污染环境的因素，占地面积小，自动化程度高。但是一次性投资大，操作复杂，维修费用高，对污泥性质的变化适应性不强。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，而提供一种地表有机植物残体堆肥工艺及地表有机植物残体堆肥的应用，通过对地表有机植物残体堆肥工艺的研究及应用研究实现公路建设表土资源深加工综合利用，实现公路建设清理表土“变废为宝”，从而实现公路建设表土资源节约、循环利用。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种地表有机植物残体堆肥工艺，步骤如下：

步骤一：将公路路基清表产生的地表有机植物残体进行粉碎，晾晒至半干；

步骤二：将步骤一所得粉碎后的地表有机植物残体与有机肥和猪粪按比例混合后，采用强制通风静态垛堆肥系统进行堆肥，得地表有机植物残体堆肥产物。

更进一步地，步骤一所述地表有机植物残体粉碎至3-5cm。

更进一步地，步骤二所述混合时地表有机植物残体、有机肥和猪粪的质量比为60:1:1。

更进一步地，步骤二采用强制通风静态垛堆肥系统进行堆肥时，条垛的断面为三角形，堆体基部长8m，宽2m，堆高1m，通风量为每立方米垃圾0.05～0.20m³/min；通风系统中干管风速为6-14m/s，控制支管通风风速为为2-8m/s；堆肥发酵阶段每天通风20min，每7天翻堆一次，堆肥时间为65d。

本发明还提供一种由所述的地表有机植物残体堆肥工艺的得到的地表有机植物残体堆肥产物。

本发明还提供一种所述地表有机植物残体堆肥产物在高速公路边坡绿化种植基质中的应用，包括如下步骤：

步骤一：设置试验边坡与对照边坡，试验边坡客土基材采用表层土壤和有机植物残体堆肥产物，对照边坡客土基材采用用非表层土壤和草炭土；

步骤二：试验边坡与对照边坡喷播相同的植物种；

步骤三：试验边坡喷播后60日内每10日观测一次，之后每月观测一次，并对每个试验小区观测数据做详细纪录，观测时间从播种开始至当年生长季结束。

更进一步地，步骤一中所述试验边坡客土基材中表层土壤质量占比为40％～60％，有机植物残体堆肥产物质量占比为40％～60％；对照边坡客土基材中非表层土壤质量占比为60％，草炭土质量占比为40％。

更进一步地，步骤一中所述试验边坡设置为A、B、C三个水平：其中试验边坡A：表层土壤60％、有机植物残体堆肥产物40％，试验边坡B：表层土壤50％、有机植物残体堆肥产物50％，试验边坡C：表层土壤40％、有机植物残体堆肥产物60％。

更进一步地，步骤二中所述试验边坡与对照边坡喷播相同的植物种，具体为：试验边坡 A、试验边坡B、试验边坡C于对照边坡喷播的植物种均为：狗牙根1g/m²、多花木兰3g/m²、盐肤木3g/m²、坡柳2g/m²、银合欢2g/m²、山毛豆1g/m²。

更进一步地，步骤三所述观测的内容为：发芽时间、植物高度、植被盖度、植物株丛数、死亡率、植物生长状况描述。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

第一：本发明将针对不同路段的表土特征，通过开发公路建设过程中表土剥离及集中堆放技术、清表产生的有机物质(如植物残体)堆肥化技术，实现公路建设表土资源深加工综合利用，实现公路建设清理表土“变废为宝”，从而实现公路建设表土资源节约、循环利用。本发明对我国循环经济和可持续公路建设具有十分重要的现实意义和社会经济效益。

第二：本发明在对广乐高速公路路域进行表土资源调查的基础上，对不同土壤和植被类型区进行表土剥离工艺与存贮技术研究；并通过利用收集并集中堆放的表土，开展表土分类资源化和综合利用技术研究，包括开展有机植物残体堆肥化技术研究，进而开展深加工表土资源利用工程示范，实现公路建设清理表土“变废为宝”，并进而实现公路建设表土资源节约、循环利用。本发明将为探寻公路建设表土资源保护和利用技术，进一步降低受损路域生态恢复成本，促进资源节约型、环境友好型生态公路建设和区域循环经济战略的实施提供技术支撑。此外，本发明的研究有助于把广乐高速公路建设成生态之路、环保之路、节约之路，并有助于提高我国高速公路的生态建设水平，具有推广和示范作用。

第三：本发明堆肥试验研究结果表明强制通风静态堆垛系统占地少，堆肥时间相对较短，产品稳定性好，堆肥质量达到了国家标准。试验观测结果表明，以表层土壤和有机物残体堆肥产物作为主要客土基材的边坡土壤中富含有机质，且全氮、速效钾和速效磷都明显大于对照边坡和表层土壤，养分更为充足，可以满足边坡植物的生长的需求。同时，60％的表土+40％的有机植物残体作为客土基材有利于乡土植物的发生和快速建群，快速向乡土化方向演替，同时配合植物配置，可以有效控制草灌木比，克服草本密度过大的难题，使得边坡植被向稳定的群落演替。

附图说明

图1为堆肥处理的基本工艺流程；

图2为本发明堆肥制作过程示意图；

图3为经粉碎后的地表有机植物残；

图4为强制通风静态垛堆肥系统示意图；

图5为静态垛管道系统；

图6为试验边坡和对照边坡草本植物平均高度；

图7为试验边坡和对照边坡灌木植物平均高度；

图8为试验边坡和对照边坡植被平均盖度；

图9为试验边坡和对照边坡草灌比例；

图10为试验边坡和对照边坡植物种类数量；

图11为原始表层土壤、试验边坡和对照边坡土壤有机质含量；

图12为原始表层土壤、试验边坡和对照边坡土壤全氮含量；

图13为原始表层土壤、试验边坡和对照边坡土壤速效钾含量；

图14为原始表层土壤、试验边坡和对照边坡土壤速效磷含量；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等效形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

表土剥离是公路建设表土资源保护与综合利用的重要环节。本发明将在公路不同类型区选择具有代表性的地段，根据不同工程单元、不同土壤及植被类型开展表土剥离工艺技术研究。本发明将广乐高速公路表土资源分两类进行剥离及集中堆放，即旱地、水田、果园及其他类型耕地作为第一类表土；林地、荒草地等作为第二类表土。探索适合公路工程的表土剥离施工工艺及集中堆放技术。

本发明以高速公路路基清表过程中产生的有机植物残体(如枝条、树叶、灌草等)为材料，粉碎后作为堆肥原料，进行静态好氧堆肥试验，通过监测堆肥过程中物料理化性质、氧气和温室气体的变化，综合评价堆肥过程，确定适合的堆肥条件；并以有机植物残体堆肥产物作为边坡绿化种植基质添加材料，研究其对植物性状和土壤理化性质的影响，进而确定其作为添加物质的可行性和推广性。

以表土细颗粒土壤为主要原料，采用路基清表有机植物残体堆肥产物作为基质添加材料，依托示范工程，开展基于深加工地表资源利用基础上的公路边坡绿化工程示范；通过对试验边坡调查、观测，研究以地表资源深加工材料作为主要种植基质材料施用于高速公路边坡绿化后对土壤的理化性质、植物性状的影响，进一步评估地表资源深加工材料综合利用效果。为大面积试验示范工程积累经验。具体如下：

实施例

利用公路路基清表过程中产生的有机植物残体(如枝条、树叶、灌草等)为材料，粉碎后作为堆肥原料，进行静态好氧堆肥试验，通过监测堆肥过程中物料理化性质、氧气和温室气体的变化，综合评价堆肥过程，确定适合的堆肥条件；并以有机植物残体堆肥产物作为边坡绿化种植基质添加材料，研究其对植物性状和土壤理化性质的影响，进而确定其作为添加物质的可行性和推广性。

1、地表有机植物残体堆肥处理工艺设计

堆肥材料采用公路路基清表产生的地表有机残体、有机肥和猪粪为主要原料，堆肥原料各组分的具体比例为：地表有机残体：有机肥：猪粪＝1.5t：25kg：25kg，其制作过程如图2 所示。

对高速公路产生的地表有机植物残体采用强制通风静态垛堆肥系统，条垛的断面为三角形，堆体基部长8m，宽2m，堆高1m，整个通风系统通风量依据《城市生活垃圾堆肥处理厂技术评价指标》中静态堆肥每立方米垃圾0.05～0.20m3/min的通风量进行取值，完全满足堆体发酵过程中供氧及冷却所需通风量。按照通风设计标准，设计通风系统中干管风速为6-14m/s，控制支管通风风速为为2-8m/s。利用如下公式计算各干管与支管的最适管径：

式中，为通过风管风量，单

单位：m/s；为风管管径，单位：mm。

在堆体底部中间纵向铺设通风干管，与鼓风机连通，另一末端密封，干管长8m，直径 75mm；支管末端密封后与干管相连，交错布置在干管两侧，支管长1m，直径25mm，相邻支管纵向间隔95mm，支管一侧穿孔，孔径10mm，间距30mm。汽油发电机功率2.5KW，中压离心风机功率750W。堆体成垛后，表面用彩条布覆盖，以防雨保温。堆肥系统结构示意图如图4至图5所示，其中，注：1.覆盖层；2.堆料；3.管道系统；4.离风机。

通风时间及频率设计如下：堆肥发酵阶段每天通风20min，每7天翻堆一次，堆肥时间为65d，采样时间为15d、30d和60d。利用便携式气体测定仪测定温室气体与氧气，土壤温度计测定堆体中部表层20cm处的堆体温度。

2、地表有机植物残体堆肥处理效果评价

效果评价方法

利用堆肥前后其理化性质变化情况、堆肥浸出液的种子发芽指数、堆体温度变化、堆肥过程中O2浓度变化以及堆肥过程中产生温室气体量变化来综合反映采用上述堆肥工艺高速公路路基清表有机植物残体堆肥的效果。其中堆肥浸出液的种子发芽指数(GI)测定方法如下：即称取5g鲜样，按质量体积比(g:mL)1:10，用去离子水浸提，振荡2h，浸提液在5000r/min 下离心分离20min，上清液经滤纸过滤后待用。将一张滤纸置于干净无菌的9cm培养皿中，在滤纸上均匀摆放20粒樱桃萝卜种子，吸取5mL浸提液的滤液于培养皿中，在30℃暗箱中培养48h，计算发芽率并测定根长，然后计算种子的发芽指数。每个样品做3个重复，并同时用蒸馏水作空白对照。按照下示计算公式计算种子发芽指数GI。

堆肥化处理前后理化性质变化

随着堆肥的进行，堆料之间的空隙越来越小，堆体体积逐渐减小。从堆制开始到堆肥结束由于有机质在微生物的强烈作用下大量分解，以及产生氨气引起堆体pH值上升。养分指标中有机质含量和总养分都达到了有机肥料标准，从其物理化学性质变化上评价堆肥产物是可以直接使用的，并且在堆肥第30d时，堆肥的有机质含量降低了46.5％，可见有机质降解主要集中在主发酵阶段。堆肥前后其理化性质变化可从表2和表3对比得出，堆肥原料的理化性质见表2，经堆肥后期理化性质见表3。

表2堆肥原料的理化性质

项目	pH	有机质(％)	C/N	TN(％)	TP(％)	TK(％)
							原料	6.3	73.21	28.69	1.58	0.14	0.92

表3堆肥物料的理化性质

堆肥浸出液的种子发芽指数

种子发芽指数是评价堆肥腐熟度的一个非常重要的指标，是对堆肥低毒性(影响根长) 和高毒性(影响发芽率)的综合表现，当种子发芽指数>80％时，表明堆肥已达到完全腐熟。本发明堆肥产物的GI为96.12％，高于腐熟指标，说明绿化废弃物堆肥已达到腐熟。

四、地表资源深加工材料综合利用

以表土细颗粒土壤为主要原料，采用路基清表有机植物残体堆肥产物作为基质添加材料，依托示范工程，开展基于深加工地表资源利用基础上的公路边坡绿化工程示范；通过对试验边坡调查、观测，研究以地表资源深加工材料作为主要种植基质材料施用于高速公路边坡绿化后对土壤的理化性质、植物性状的影响，进一步评估地表资源深加工材料综合利用效果。为大面积试验示范工程积累经验。

结合现场查勘，申请人选定土建第15合同段桩号为：LK18+180～LK18+330右侧边坡为地表资源化综合利用试验示范边坡，并以同边坡最上一级边坡作为试验对照边坡。该边坡大部分坡面为强风化岩质边坡，部分坡面为土质边坡。

1、试验方案

施工工艺

经过对试验边坡的详细考察，综合考虑本试验边坡所处的立地条件及区域环境特征，试验边坡与对照边坡均采用客土喷播施工工艺进行。

材料配比方案

为增强试验边坡与对照边坡的对比性，试验边坡客土基材选用表层土壤和有机植物残体堆肥产物，对照边坡客土基材选用非表层土壤和草炭土，试验边坡客土基材中表层土壤与有机植物残体堆肥产物配比又设置了A、B、C三个水平，配比方案详见表4。

表4试验边坡与对照边坡客土基材配比方案

植物种配比方案

为增加试验边坡与对照边坡的可比性，试验边坡与对照边坡喷播植物种选择相同的配比方案，植物种配比方案见见表5。

表5试验边坡及对照边坡客土喷播植物种配比方案

试验观测方案

试验边坡喷播后60日内每10日观测一次，之后每月观测一次，并对每个试验小区观测数据做详细纪录，观测时间从播种开始至当年生长季结束。观测内容包括：发芽时间、植物高度、植被盖度、植物株丛数、死亡率、植物生长状况描述。

2、试验边坡施工

试验边坡施工时间为2013年4月27～29日，对照边坡施工时间为2013年4月12～13日。施工时间基本相同。

3、试验边坡观测

按照试验边坡观测方案，项目组自2013年5月2日起开始对试验边坡和对照边坡按照观测方案进行观测。

4、土壤样品采集及测定

申请人于2012年3月、2013年7月分别对试验边坡附近原始地表表层土壤、表土集中堆放试验点土壤、试验边坡土壤及对照边坡土壤进行了土壤样品采集。将采集的土壤样品分别装入塑料袋，作好标记，送到北京林业大学土壤实验室进行土壤理化性质测定。

5、结果与分析

边坡植被群落特征评价分析与边坡植被建群速度评价分析

边坡植被的建群速度对高速公路边坡绿化效果非常重要，本试验采用客土喷播后试验边坡和对照边坡植被平均高度和平均盖度这两个指标来反应边坡植被的建群速度，这两个指标也是高速公路绿化边坡有效控制和减少水土流失的重要因素。

(1)植被平均高度的变化

从表6和图6可看出，在第一个生长季，3个试验边坡(A、B、C)草本植物的平均高度变化均明显快于对照边坡，即3个试验边坡草本植物的生长速度明显快于对照边坡。5月份的观测数据，对照边坡草本植物平均高度大于3个试验边坡，是因为对照边坡喷播绿化时间早半个月左右。进入六月份以后，3个试验边坡草本植物平均高度开始逐渐超过对照边坡，且到第一个植物生长季结束时，试验边坡草本植物平均高度明显高于对照边坡，试验边坡(A)、试验边坡(B)和试验边坡(C)草本植物平均高度分别是对照边坡是的1.23倍、1.26 倍和1.30倍。另外，从表中还可看出，在第一个生长季，3个试验边坡(A、B、C)草本植物的平均高度随时间的变化差异不明显。

表6试验边坡和对照边坡草本植物平均高度 单位：cm

从表7和图7可看出，在第一个生长季，3个试验边坡(A、B、C)灌木的平均高度变化均明显快于对照边坡，即3个试验边坡灌木的生长速度明显快于对照边坡。到第一个植物生长季结束时，试验边坡灌木平均高度明显高于对照边坡，试验边坡(A)、试验边坡(B) 和试验边坡(C)灌木平均高度分别是对照边坡是的1.86倍、1.87倍和1.86倍。另外，从表中还可看出，在第一个生长季，3个试验边坡(A、B、C)灌木的平均高度随时间的变化差异不明显。

表7试验边坡和对照边坡灌木本平均高度 单位：cm

(2)植被平均盖度的变化

从表8和图8可看出，5月上中旬，对照边坡植被平均盖度略大于3个试验边坡(A、B、C)，是因为对照边坡喷播绿化时间早半个月左右。进入5月下旬以后，3个试验边坡(A、B、 C)植被平均盖度开始逐渐超过对照边坡，且到第一个植物生长季结束时，试验边坡植被平均盖度略高于对照边坡，试验边坡(A)、试验边坡(B)和试验边坡(C)植被平均高度分别是对照边坡是的1.05倍、1.06倍和1.05倍。另外，从表中还可看出，在第一个生长季，3个试验边坡(A、B、C)植被平均盖度随时间的变化差异不明显。

表8试验边坡和对照边坡植被平均盖度 单位：％

上述研究结果表明，以表层土壤和有机植物残体堆肥产物作为主要客土基材的试验边坡，客土喷播绿化后，边坡植被的建群速度和植被建群效果明显优于以非表层土壤和草炭土作为主要客土基材的对照边坡。

边坡植被草灌比例评价分析

草灌比例是决定目标群落稳定性和良好演替的关键指标，同时也是客土喷播中最难以控制的指标。根据以往的研究，前期草灌比是决定群落演替方向的决定指标。草本密度过大，将导致灌木幼苗逐渐减少，群落往单一草本群落方向演替，控制好草灌比是植物设计中最关键的核心技术。

从表9和图9可看出，在第一个生长季，3个试验边坡的草灌比基本保持在3.15至9.83 之间，而对照边坡草灌比明显大于3个试验边坡，达到了10.28至27.51。此外，对照边坡草灌比还有从植被建群初期开始逐渐增大的趋势，而3个试验边坡草灌比则表现的相对较为平稳。这表明，对照边坡因草本密度过大，将导致灌木幼苗逐渐减少，群落向着单一草本群落方向演替，而试验边坡草灌密度较为合适，比较有利于群落向着灌草群落多元化方向演替。这一研究结果同时也可说明，客土基材中加入表层土壤可有效促进边坡植被保持良好的草灌比例，为边坡植被向着乡土化植被群落演替提供良好的土壤环境。

另外，从表和图中还可看出，3个试验边坡客土基材中表层土壤和有机植物残体堆肥产物配比不同，其边坡植被草灌比随时间的变化差异较为明显。具体表现为，植被建群初期，3 个试验边坡草灌比例较为相似，试验边坡(A)、试验边坡(B)和试验边坡(C)草灌比例分别为3.15、3.20和3.22。随着时间的推移，试验边坡(C)边坡草灌比例变化最快，试验边坡(B)次之，试验边坡(A)相对最稳定。至第一个生长季结束时，试验边坡(A)、试验边坡(B)和试验边坡(C)草灌比例分别为植被建群初期的2.13倍、2.55倍和3.05倍。这表明，3个试验边坡客土基材配比方案中，试验边坡(A)的配比方案，即客土基材中表层土壤占60％，有机植物残体堆肥产物占40％，更有利于促使边坡植被保持合理的草灌比例。

表9试验边坡和对照边坡草灌比例

边坡植被群落组成评价分析

(1)植物种类数量

植物种类数量是反应一定区域植被群落物种多样性的重要指标。从图10可看出，试验边坡和对照边坡建群初期，据5月10日观测数据，植物种类数量分别为5种和4种，差别不大。此后，试验边坡植物种类数量迅速增加，至第一个生长季结束，试验边坡(A)、试验边坡(B) 和试验边坡(C)，物种数量分别达到13种、11种和11种，分别增加了8种、6种和6种；而对照边坡至第一个生长季结束，物种数量为6种，与植被建群初期变化不大，物种数量分别为试验边坡(A)、试验边坡(B)和试验边坡(C)的46.15％、54.55％和54.55％。

表10试验边坡和对照边坡植物种类数量

(2)群落组成

边坡植被群落组成的变化是植被群落演替的重要体现。从表11至表14中可看出，3个试验边坡建群初期，据5月10日观测数据，坡面植物种有狗牙根、多花木兰、坡柳、银合欢和山毛豆5种，均为客土喷播人工加入的植物种子。此后，物种逐渐增多，至第一个生长季结束时，坡面植物种除客土喷播时人工加入的6种植物种外，试验边坡(A)还先后出现了谷精草(Eriocaulon buergerianum)、臭茉莉(Clerodendron fragrans)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、青蒿(Artemisia annua L.)、苋(Amaranthus tricolor)、稗草(Echinochloacrusgalli)、繁缕(Stellaria media)7种野生植物种。试验边坡(B)和试验边坡(C)也先后出现了5种野生植物种。

相比较而言，对照边坡建群初期，据5月10日观测数据，坡面植物种有狗牙根、多花木兰、坡柳和山毛豆4种，均为客土喷播人工加入的植物种子。此后，物种仅有少量增加，至第一个生长季结束时，坡面植物种除客土喷播时人工加入的5种植物种外，仅出现了紫花苜蓿1种野生植物种。

这一研究结果表明，以表层土壤和有机植物残体堆肥产物作为主要客土基材的试验边坡有利于促进群落多样性的发生，试验边坡土壤比较适合一些野生植物种的生长，有利于促进坡面植被群落向着乡土化方向演替；同时也表明，客土喷播基材加入的表层土壤中含有一些野生植物种子，有利于促进植被群落演替的发生。

另外，从表11至表14中还可看出，3个试验边坡客土基材中表层土壤和有机植物残体堆肥产物配比不同，其边坡植被出现野生植物种的数量也不同。具体表现为，植被建群初期， 3个试验边坡植物种均为喷播时人工加入植物种。至第一个生长季结束时，试验边坡(A)边坡植被出现了7种野生植物种；试验边坡(B)和试验边坡(C)边坡植被均出现了5种野生植物种，出现的野生植物种数量均少于试验边坡(A)。这表明，3个试验边坡客土基材配比方案中，试验边坡(A)的配比方案，即客土基材中表层土壤占60％，有机植物残体堆肥产物占40％，更有利于促使边坡植被野生乡土植物种的发生，更有利于促进坡面植被群落向着乡土化方向演替。

表11试验边坡(A)植物种类及数量

表12试验边坡(B)植物种类及数量

表13试验边坡(C)植物种类及数量

表14对照边坡植物种类及数量

边坡土壤理化性质评价分析

(1)土壤有机质含量评价分析

由图11可看出，试验边坡和对照边坡土壤有机质含量具有较显著的差异，前者明显大于后者，前者是后者的4.01倍。试验边坡土壤有机质含量稍高于原始表土土壤，前者是后者的 1.19倍。这一结果表明，试验边坡客土基材中表层土壤和有机植物残体堆肥产物富含有机质，较对照边坡养分更为充足，更有利于边坡植物的生长。

(2)土壤全氮、速效钾、速效磷含量评价分析

由图12可看出，试验边坡土壤全氮含量明显大于对照边坡，前者是后者的3.83倍。试验边坡土壤全氮含量稍高于原始表土土壤，前者是后者的1.15倍。表明，试验边坡客土基材中表层土壤和有机植物残体堆肥产物土壤养分中氮元素含量较为丰富。

由图13可看出，试验边坡土壤速效钾含量明显大于对照边坡，前者是后者的1.43倍。且试验边坡和对照边坡土壤速效钾含量均明显大于原始表层土壤，试验边坡和对照边坡土壤速效钾含量分别是原始表层土壤的6.63倍和4.63倍。表明，试验边坡客土基材中的有机植物残体堆肥产物和对照边坡客土基材中的草炭土中速效钾养分含有较为丰富。

由图14可看出，试验边坡土壤速效磷含量明显大于对照边坡和原始表层土壤，试验边坡土壤速效磷含量分别是对照边坡和原始表层土壤的2.83倍和13.00倍。表明，试验边坡客土基材中有机植物残体堆肥产物土壤养分中速效磷养分含有较为丰富。

上述研究结果表明，试验边坡客土基材中表层土壤和有机植物残体堆肥产物中富含有机质，且土壤养分中全氮、速效钾和速效磷含量都明显大于对照边坡和原始表层土壤。以表层土壤和有机植物残体堆肥产物作为主要客土基材的试验边坡，土壤养分更为充足，更有利于边坡植物的生长。

六、结论与展望

通过多年的研究，结合上述试验示范工程的观测结果和工程实践效果，初步得出如下结论：

(一)本发明使用强制通风静态垛堆肥系统处理高速公路路基清表有机植物残体，具有投资成本较低、占地相对较少、堆肥时间相对较短、产品稳定性好、能更有效杀灭病原菌及控制臭味等特点。堆肥原料经好氧降解后pH值和养分指标均有不同程度的增加，并且堆肥质量达到了国家标准，并且堆体中氧气充足，堆肥物料降解充分，温室气体排放量较小。

试验结果表明以表层土壤和有机植物残体堆肥产物作为主要客土基材的试验边坡土壤中富含有机质，且全氮、速效钾和速效磷含量都明显大于对照边坡和原始表层土壤，土壤养分更为充足，更有利于边坡植物的生长。

(二)以表层土壤和有机植物残体堆肥产物作为主要客土基材的试验边坡，客土喷播绿化后，边坡植被的建群速度和植被建群效果明显优于以非表层土壤和草炭土作为主要客土基材的对照边坡；试验边坡草灌密度较为合适，比较有利于群落向着灌草群落多元化方向演替；有利于促进群落多样性的发生。由于客土喷播基材加入的表层土壤中含有一些野生植物种子，有利于促进坡面植被群落向着乡土化方向演替。

(三)试客土基材中表层土壤占60％，有机植物残体堆肥产物占40％的配比方案，更有利于促使边坡植被保持合理的草灌比例，更有利于促使边坡植被野生乡土植物种的发生，更有利于促进坡面植被群落向着乡土化方向演替。

(四)将公路建设期和运营期产生的绿化废弃物采用强制通风静态垛进行好氧堆肥，并且将绿化废弃物堆肥作为边坡绿化种植基质添加材料，对高速公路绿化带有十分明显的生土改良和供给养分的作用，且肥效持久，后效显著。这种自产自销的方式无论作为一种环保手段还是一种资源化利用的途径，都是具有广阔的前景。

上述实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (10)

1.地表有机植物残体堆肥工艺，其特征在于，步骤如下：

步骤一：将公路路基清表产生的地表有机植物残体进行粉碎，晾晒至半干；

步骤二：将步骤一所得粉碎后的地表有机植物残体与有机肥和猪粪按比例混合后，采用强制通风静态垛堆肥系统进行堆肥，得地表有机植物残体堆肥产物。

2.根据权利要求1所述的地表有机植物残体堆肥工艺，其特征在于，步骤一所述地表有机植物残体粉碎至3-5cm。

3.根据权利要求1所述的地表有机植物残体堆肥工艺，其特征在于，步骤二所述混合时地表有机植物残体、有机肥和猪粪的质量比为60:1:1。

4.根据权利要求1所述的地表有机植物残体堆肥工艺，其特征在于，步骤二采用强制通风静态垛堆肥系统进行堆肥时，条垛的断面为三角形，堆体基部长8m，宽2m，堆高1m，通风量为每立方米垃圾0.05~0.20m³/min；通风系统中干管风速为6-14m/s，控制支管通风风速为为2-8m/s；堆肥发酵阶段每天通风20min，每7天翻堆一次，堆肥时间为65d。

5.由权利要求1至4任一项所述的地表有机植物残体堆肥工艺的得到的地表有机植物残体堆肥产物。

6.权利要求5所述地表有机植物残体堆肥产物在高速公路边坡绿化种植基质中的应用，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：设置试验边坡与对照边坡，试验边坡客土基材采用表层土壤和有机植物残体堆肥产物，对照边坡客土基材采用用非表层土壤和草炭土；

步骤二：试验边坡与对照边坡喷播相同的植物种；

步骤三：试验边坡喷播后60日内每10日观测一次，之后每月观测一次，并对每个试验小区观测数据做详细纪录，观测时间从播种开始至当年生长季结束。

7.根据权利要求6所述的地表有机植物残体堆肥产物在高速公路边坡绿化种植基质中的应用，其特征在于，步骤一中所述试验边坡客土基材中表层土壤质量占比为40%~60%，有机植物残体堆肥产物质量占比为40%~60%；对照边坡客土基材中非表层土壤质量占比为60%，草炭土质量占比为40%。

8.根据权利要求7所述的地表有机植物残体堆肥产物在高速公路边坡绿化种植基质中的应用，其特征在于，步骤一中所述试验边坡设置为A、B、C三个水平：其中试验边坡A：表层土壤60%、有机植物残体堆肥产物40%，试验边坡B：表层土壤50%、有机植物残体堆肥产物50%，试验边坡C：表层土壤40%、有机植物残体堆肥产物60%。

9.根据权利要求6所述的地表有机植物残体堆肥产物在高速公路边坡绿化种植基质中的应用，其特征在于，步骤二中所述试验边坡与对照边坡喷播相同的植物种，具体为：试验边坡A、试验边坡B、试验边坡C于对照边坡喷播的植物种均为：狗牙根1g/m²、多花木兰3g/m²、盐肤木3g/m²、坡柳2g/m²、银合欢2g/m²、山毛豆1g/m²。

10.根据权利要求6所述的地表有机植物残体堆肥产物在高速公路边坡绿化种植基质中的应用，其特征在于，步骤三所述观测的内容为：发芽时间、植物高度、植被盖度、植物株丛数、死亡率、植物生长状况描述。

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