木醋液添加牛糞堆肥過程容重時空層次變化及水分時空變化的灰色關聯分析

秦翠蘭+王磊元+劉飛+李治宇+孫金龍+周嶺

摘要：以牛糞為堆肥原料，研究木醋液添加對牛糞堆肥過程容重時空層次變化的影響及運用灰色關聯分析法對木醋液添加堆體水分的時空變化動態進行分析。采用靜態好氧堆肥方式，共設4個處理，濃度分別為0.5%、1.7%、2.9% 的木醋液處理和不添加木醋液的對照處理CK。結果表明：堆肥過程各處理容重都存在空間層次性差異，容重隨深度增加而增大，其中添加木醋液處理能夠降低堆肥過程堆體的容重，從而使堆體壓實度降低并縮小堆體空間容重層次性差異，有利于提高堆肥效率。4種處理堆體水分垂直空間時空變化規律不盡相同，上層（0～15 cm）與中層（15～30 cm）和中層與下層（30～45 cm）堆體水分變化的態勢相似程度較高，相似程度均為3#處理>2#處理>1#處理>CK，上層與下層的灰色關聯度最小，堆體水分變化態勢差異較大，但相似程度2#處理>1#處理>3#處理>CK。灰色關聯分析法可以較好地反映牛糞堆肥過程堆體水分變化趨勢的相似或相異程度，通過添加木醋液能夠增大堆肥過程堆體空間層次水分關聯度，使堆體空間水分層次變化態勢差異減小，趨于一致，有利于堆肥的進行。

關鍵詞：牛糞；堆肥；木醋液；灰色關聯

中圖分類號： X705

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0482-04

好氧堆肥技術是實現畜禽糞便廢棄物資源化、減量化和無害化最為有效途徑之一[1-5]。好氧堆肥過程中，空間堆體容重和水分是影響堆肥效率和堆肥產品質量的2個重要物理參數。容重間接反映堆料的孔隙度[6]，容重變化對堆料透氣性，堆體水分的擴散、可溶性物質的遷移等產生較大影響。水分不僅為微生物的代謝和生理活動所需的可溶性物質提供載體，而且還能溶解有機物、參與微生物的新陳代謝。此外，水分蒸發時帶走大量熱量，能調節堆肥溫度。在堆肥過程中，容重的存在導致堆肥產生壓實效應，容重越大，壓實效應越明顯，堆肥的壓實作用導致堆體內空間水分分布不均，產生一定空間梯度。羅維等研究表明堆肥中水分空間梯度過大，則不利于提高堆肥效率和堆肥產品質量[7]。因此研究堆肥中堆體各部容重及水分的時空動態變化特征及聯系具有重要意義。

木醋液是經棉桿、棗枝等生物質利用的主要液體產物[8]，無毒無害無殘留，木醋液應用在土壤改良方面的研究表明，木醋液結合木碳粉制成的木醋碳粉改良劑對土壤容重和含水量有顯著影響，有降低土壤容重和增加含水量的作用[9]。木醋液能改善土壤的通氣性和透水性，使土壤結構性能變好[10]。由于堆肥介質是一種類似于土壤的多孔介質，因而木醋液對土壤作用的上述效果同樣適用于堆肥，因此本研究開展了木醋液添加堆肥過程堆體容重變化及水分的動態變化的影響試驗，探究木醋液添加對堆肥過程堆體容重的影響，并首次運用灰色關聯分析方法分析不同濃度木醋液添加方式下堆體空間水分的灰色關聯度，旨在探索木醋液對堆肥過程水分的調控作用，改善堆體水分空間梯度的過大差異，避免因工藝參數的不均性帶來的負面效應，從而為提高堆肥產品質量提供新的技術途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為塔里木大學動物科技試驗站養牛場牛糞和購自新疆阿拉爾市小段木材加工廠的鋸末（用于調節堆肥C/N比），其基本理化性質見表1。棉桿木醋液由塔里木大學南疆農業機械化研究中心生物質熱裂解實驗裝置熱解棉桿得到，測得棉桿木醋液理化性質見表2。

1.2 試驗設計

試驗于2014年在塔里木大學南疆農業機械化研究中心實驗室進行，試驗所用堆肥反應器內部尺寸為0.6 m×0.6 m×0.6 m，外部尺寸為1 m×1 m×1 m，保溫層材料為聚乙烯泡沫板，試驗裝置如圖1所示。

試驗共設4個處理，各處理組堆肥物料及成分見表3（木醋液添加量均為木醋液與堆肥物料鮮質量的比值，w/w），堆肥物料加入木醋液后充分攪拌混合均勻，通過添加鋸末調節C/N為25，調節初始含水率在65%左右。

1.3 測定項目與方法

堆體水分含量與容重測定分別采用烘干稱質量法和環刀法[11]。因堆體為方體，前后左右對稱，故只在其一側布置取樣點，采用多點取樣法，沿高度方向于15 cm（靠近底部）、30 cm（堆體中線）和45 cm（距離底部）橫切與沿寬度方向10 cm、20 cm （距離內壁）和30 cm（堆體中線）縱剖，橫切面與縱剖面的交點為取樣點（圖2），分別于堆肥過程的第1、8、14、21、35、44、55 d采集樣品，同一高度樣品充分混合待測。

1.4 灰色關聯分析法

對于2個系統之間的因素，其隨時間或不同對象而變化的關聯性大小的量度，稱為關聯度[12-13]。在系統發展過程中，若2個因素變化的趨勢具有一致性，即同步變化程度較高，即可謂二者關聯程度較高；反之，則較低。因此，灰色關聯分析方法是根據因素之間發展趨勢的相似或相異程度，亦即“灰色關聯度”，衡量因素間關聯程度的一種方法，因此，灰色關聯度分析為一個系統發展變化態勢提供了量化的度量，非常適合動態過程的分析[14]。在進行數據列關聯分析時，必須先確定參考數列，然后比較其他數列同參考數列的接近程度，這樣才能對其他數列進行比較，進而做出判斷。

2 結果與分析

2.1 木醋液添加對牛糞堆肥過程容重時空層次變化的影響

容重是畜禽糞便堆肥過程中一項重要的物理性質，間接反映堆肥過程堆料的孔隙度、堆肥物料的壓實程度及氧氣、水分穿過堆料的難易程度，對堆肥的進程尤為重要。如圖3所示，堆肥各處理容重都存在層次性差異，容重隨堆料深度呈正相關關系，隨著堆體深度增加，堆肥物料在自身重力作用下，堆體容重逐漸增加，孔隙率減小，不利于堆體的通風。壓實作用導致孔隙不充分限制氧氣等的輸送[15]。由圖3可以看出，堆肥初期堆肥各處理容重下降趨勢較大，隨著堆肥進行，容重變化較為緩和，其中2#、3#容重層次性差異減弱，趨于一致，說明木醋液的添加縮小了堆肥空間容重差異，透氣性均勻，有利于提高堆肥效率。由圖4可見，在整個堆肥過程中添加木醋液的處理容重變化較對照處理減小，容重減小，堆體孔隙充分，堆料透氣性能增強，有利于堆體內部氧氣及水分的擴散與對流傳熱，有利于堆肥的順利進行，從而提高堆肥產品質量。

2.2 堆肥過程不同層次堆體水分灰色關聯分析

在堆肥4種處理方式下，現根據不同堆肥時間不同堆體層的含水量，將堆體劃分為上層0～15 cm、中層15～30 cm和深層30～45 cm 3個層次，現將各層堆肥天數的堆體水分序列分別設為x1={x1（k）|k=1，8，14，21，35，44，55}、x2={x2（k）|k=1，8，14，21，35，44，55}、 x3={x3（k）|k=1，8，14，21，35，44，55}。分別以上層為參考序列、中層與下層為比較數列（分別記為r12和r13）以及中層為參考數列、深層為比較數列（記為r23），根據式（1）和式（2）計算灰色關聯度。表4即為不同層次堆體水分灰色關聯度。

由表4可以看出，整個堆肥過程各處理水分時空變化有相似規律，均是上層與中層、中層與下層堆體水分關系密切，除了對照組CK外，添加木醋液的處理組灰色關聯度均大于0.7；上層與下層堆體水分關系較小，關聯性均小于0.7，表明4種堆肥處理方式下，除了堆體各層有機質降解產生水分外，中層堆體水分主要來自上層滲透，上層產生的水分滲透直接到達中層，小部分可以到達下層；下層含水率與中層含水率關系密切，說明堆體下層水分主要來自中層水分的二次滲透，部分來自上層堆體水分，另外，從總體來看，CK上層與中層和中層與深層堆體水分的灰色關聯度差異較大，說明一次滲透對堆體水分的作用好于二次滲透，木醋液添加的處理關聯性差異不大，表明添加木醋液處理方式下，一次滲透與二次滲透對堆體水分作用接近程度相當，可能是因為木醋液的添加改變了堆體的結構性能，堆體中下部容重減小，導致堆體壓實度降低，從而促進了中下層水分的滲透。

2.3 堆肥過程不同處理方式下土壤水分灰色關聯分析

從表4還可以看出，在不同的堆肥處理方式下，均是上層（0～15 cm）與中層（15～30 cm）最為接近，但是橫向比較來看，3#接近程度最好，2#與1#次之，CK較差，說明不同木醋液處理方式下，上層滲透對中層堆體水分的補充程度不同；上層與下層和中層與下層的堆體水分的變化態勢的接近程度較上層與中層弱，但是相比較而言，添加木醋液的接近程度較好，CK較差，說明與沒有添加木醋液的對照組相比，木醋液的添加對堆肥過程中堆體水分的調控起到了較好的作用，堆體水分在垂直方向上的變化趨勢相對較為緩和，堆體水分空間層次差異減小。如圖5所示，1#、2#、3#處理方式上層與中層和中層與下層的堆肥過程堆體水分動態曲線明顯相似，正如前面所述，灰色關聯度越大，表明兩者的曲線形狀越接近。由圖5可以看出，尤其在堆肥的高溫期及降溫期曲線相似度較高，灰色關聯度較大。由此可見，添加木醋液處理方式對堆肥過程不同層次堆體水分的變化發展態勢產生較顯著影響，是因為木醋液的添加有利于堆體微生物的繁殖，促進了有機質的降解產生大量水分，雖然高溫期水分的蒸發導致堆體水分出現波動，但木醋液的添加降低了堆肥過程的容重，間接導致堆體孔隙度增大，且木醋液有使水分子團變小的功能，大大增強了滲透作用有利于水分的傳輸，起到了水分的補償作用。

3 結論

木醋液添加處理堆肥能夠改善堆體的容重，使堆體容重減小，孔隙度增大，有利于堆肥的供氧、水分及熱量的擴散且使堆體空間容重差異減小，從而提高堆肥效率，改善堆肥產品質量。

灰色關聯分析法可以較好地反映堆肥過程堆體水分時空層次變化趨勢的相似或相異程度，計算灰色關聯度時，要選定參考數列和比較數列。不同濃度木醋液處理方式下各層堆體水分的變化態勢不同。總體來說，各處理類型上層（0～15 cm）與中層（15～30 cm）、中層與下層（30～45 cm）堆體水分變化態勢的相似程度較高，相似程度均為3#>2#>1#>CK，上層與下層相似程度較低，但相似程度為2#>3#>1#>CK，木醋液添加下堆體水分上層與中層和中層與深層的關聯性差異減小。

木醋液的添加使堆肥過程堆體水分垂直變化產生了顯著影響，從本研究的結果可以看出木醋液添加處理方式對堆體水分的調控起到了較好的作用，使堆體水分在垂直方向上的變化趨勢較為緩和，堆體水分空間層次差異減小，有利于提高堆肥效率和改善堆肥產品的均一穩定性。

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