木醋液添加牛粪堆肥过程容重时空层次变化及水分时空变化的灰色关联分析

秦翠兰+王磊元+刘飞+李治宇+孙金龙+周岭

摘要：以牛粪为堆肥原料，研究木醋液添加对牛粪堆肥过程容重时空层次变化的影响及运用灰色关联分析法对木醋液添加堆体水分的时空变化动态进行分析。采用静态好氧堆肥方式，共设4个处理，浓度分别为0.5%、1.7%、2.9% 的木醋液处理和不添加木醋液的对照处理CK。结果表明：堆肥过程各处理容重都存在空间层次性差异，容重随深度增加而增大，其中添加木醋液处理能够降低堆肥过程堆体的容重，从而使堆体压实度降低并缩小堆体空间容重层次性差异，有利于提高堆肥效率。4种处理堆体水分垂直空间时空变化规律不尽相同，上层（0～15 cm）与中层（15～30 cm）和中层与下层（30～45 cm）堆体水分变化的态势相似程度较高，相似程度均为3#处理>2#处理>1#处理>CK，上层与下层的灰色关联度最小，堆体水分变化态势差异较大，但相似程度2#处理>1#处理>3#处理>CK。灰色关联分析法可以较好地反映牛粪堆肥过程堆体水分变化趋势的相似或相异程度，通过添加木醋液能够增大堆肥过程堆体空间层次水分关联度，使堆体空间水分层次变化态势差异减小，趋于一致，有利于堆肥的进行。

关键词：牛粪；堆肥；木醋液；灰色关联

中图分类号： X705

文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）04-0482-04

好氧堆肥技术是实现畜禽粪便废弃物资源化、减量化和无害化最为有效途径之一[1-5]。好氧堆肥过程中，空间堆体容重和水分是影响堆肥效率和堆肥产品质量的2个重要物理参数。容重间接反映堆料的孔隙度[6]，容重变化对堆料透气性，堆体水分的扩散、可溶性物质的迁移等产生较大影响。水分不仅为微生物的代谢和生理活动所需的可溶性物质提供载体，而且还能溶解有机物、参与微生物的新陈代谢。此外，水分蒸发时带走大量热量，能调节堆肥温度。在堆肥过程中，容重的存在导致堆肥产生压实效应，容重越大，压实效应越明显，堆肥的压实作用导致堆体内空间水分分布不均，产生一定空间梯度。罗维等研究表明堆肥中水分空间梯度过大，则不利于提高堆肥效率和堆肥产品质量[7]。因此研究堆肥中堆体各部容重及水分的时空动态变化特征及联系具有重要意义。

木醋液是经棉杆、枣枝等生物质利用的主要液体产物[8]，无毒无害无残留，木醋液应用在土壤改良方面的研究表明，木醋液结合木碳粉制成的木醋碳粉改良剂对土壤容重和含水量有显著影响，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气性和透水性，使土壤结构性能变好[10]。由于堆肥介质是一种类似于土壤的多孔介质，因而木醋液对土壤作用的上述效果同样适用于堆肥，因此本研究开展了木醋液添加堆肥过程堆体容重变化及水分的动态变化的影响试验，探究木醋液添加对堆肥过程堆体容重的影响，并首次运用灰色关联分析方法分析不同浓度木醋液添加方式下堆体空间水分的灰色关联度，旨在探索木醋液对堆肥过程水分的调控作用，改善堆体水分空间梯度的过大差异，避免因工艺参数的不均性带来的负面效应，从而为提高堆肥产品质量提供新的技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为塔里木大学动物科技试验站养牛场牛粪和购自新疆阿拉尔市小段木材加工厂的锯末（用于调节堆肥C/N比），其基本理化性质见表1。棉杆木醋液由塔里木大学南疆农业机械化研究中心生物质热裂解实验装置热解棉杆得到，测得棉杆木醋液理化性质见表2。

1.2 试验设计

试验于2014年在塔里木大学南疆农业机械化研究中心实验室进行，试验所用堆肥反应器内部尺寸为0.6 m×0.6 m×0.6 m，外部尺寸为1 m×1 m×1 m，保温层材料为聚乙烯泡沫板，试验装置如图1所示。

试验共设4个处理，各处理组堆肥物料及成分见表3（木醋液添加量均为木醋液与堆肥物料鲜质量的比值，w/w），堆肥物料加入木醋液后充分搅拌混合均匀，通过添加锯末调节C/N为25，调节初始含水率在65%左右。

1.3 测定项目与方法

堆体水分含量与容重测定分别采用烘干称质量法和环刀法[11]。因堆体为方体，前后左右对称，故只在其一侧布置取样点，采用多点取样法，沿高度方向于15 cm（靠近底部）、30 cm（堆体中线）和45 cm（距离底部）横切与沿宽度方向10 cm、20 cm （距离内壁）和30 cm（堆体中线）纵剖，横切面与纵剖面的交点为取样点（图2），分别于堆肥过程的第1、8、14、21、35、44、55 d采集样品，同一高度样品充分混合待测。

1.4 灰色关联分析法

对于2个系统之间的因素，其随时间或不同对象而变化的关联性大小的量度，称为关联度[12-13]。在系统发展过程中，若2个因素变化的趋势具有一致性，即同步变化程度较高，即可谓二者关联程度较高；反之，则较低。因此，灰色关联分析方法是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，亦即“灰色关联度”，衡量因素间关联程度的一种方法，因此，灰色关联度分析为一个系统发展变化态势提供了量化的度量，非常适合动态过程的分析[14]。在进行数据列关联分析时，必须先确定参考数列，然后比较其他数列同参考数列的接近程度，这样才能对其他数列进行比较，进而做出判断。

2 结果与分析

2.1 木醋液添加对牛粪堆肥过程容重时空层次变化的影响

容重是畜禽粪便堆肥过程中一项重要的物理性质，间接反映堆肥过程堆料的孔隙度、堆肥物料的压实程度及氧气、水分穿过堆料的难易程度，对堆肥的进程尤为重要。如图3所示，堆肥各处理容重都存在层次性差异，容重随堆料深度呈正相关关系，随着堆体深度增加，堆肥物料在自身重力作用下，堆体容重逐渐增加，孔隙率减小，不利于堆体的通风。压实作用导致孔隙不充分限制氧气等的输送[15]。由图3可以看出，堆肥初期堆肥各处理容重下降趋势较大，随着堆肥进行，容重变化较为缓和，其中2#、3#容重层次性差异减弱，趋于一致，说明木醋液的添加缩小了堆肥空间容重差异，透气性均匀，有利于提高堆肥效率。由图4可见，在整个堆肥过程中添加木醋液的处理容重变化较对照处理减小，容重减小，堆体孔隙充分，堆料透气性能增强，有利于堆体内部氧气及水分的扩散与对流传热，有利于堆肥的顺利进行，从而提高堆肥产品质量。

2.2 堆肥过程不同层次堆体水分灰色关联分析

在堆肥4种处理方式下，现根据不同堆肥时间不同堆体层的含水量，将堆体划分为上层0～15 cm、中层15～30 cm和深层30～45 cm 3个层次，现将各层堆肥天数的堆体水分序列分别设为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}。分别以上层为参考序列、中层与下层为比较数列（分别记为r12和r13）以及中层为参考数列、深层为比较数列（记为r23），根据式（1）和式（2）计算灰色关联度。表4即为不同层次堆体水分灰色关联度。

由表4可以看出，整个堆肥过程各处理水分时空变化有相似规律，均是上层与中层、中层与下层堆体水分关系密切，除了对照组CK外，添加木醋液的处理组灰色关联度均大于0.7；上层与下层堆体水分关系较小，关联性均小于0.7，表明4种堆肥处理方式下，除了堆体各层有机质降解产生水分外，中层堆体水分主要来自上层渗透，上层产生的水分渗透直接到达中层，小部分可以到达下层；下层含水率与中层含水率关系密切，说明堆体下层水分主要来自中层水分的二次渗透，部分来自上层堆体水分，另外，从总体来看，CK上层与中层和中层与深层堆体水分的灰色关联度差异较大，说明一次渗透对堆体水分的作用好于二次渗透，木醋液添加的处理关联性差异不大，表明添加木醋液处理方式下，一次渗透与二次渗透对堆体水分作用接近程度相当，可能是因为木醋液的添加改变了堆体的结构性能，堆体中下部容重减小，导致堆体压实度降低，从而促进了中下层水分的渗透。

2.3 堆肥过程不同处理方式下土壤水分灰色关联分析

从表4还可以看出，在不同的堆肥处理方式下，均是上层（0～15 cm）与中层（15～30 cm）最为接近，但是横向比较来看，3#接近程度最好，2#与1#次之，CK较差，说明不同木醋液处理方式下，上层渗透对中层堆体水分的补充程度不同；上层与下层和中层与下层的堆体水分的变化态势的接近程度较上层与中层弱，但是相比较而言，添加木醋液的接近程度较好，CK较差，说明与没有添加木醋液的对照组相比，木醋液的添加对堆肥过程中堆体水分的调控起到了较好的作用，堆体水分在垂直方向上的变化趋势相对较为缓和，堆体水分空间层次差异减小。如图5所示，1#、2#、3#处理方式上层与中层和中层与下层的堆肥过程堆体水分动态曲线明显相似，正如前面所述，灰色关联度越大，表明两者的曲线形状越接近。由图5可以看出，尤其在堆肥的高温期及降温期曲线相似度较高，灰色关联度较大。由此可见，添加木醋液处理方式对堆肥过程不同层次堆体水分的变化发展态势产生较显著影响，是因为木醋液的添加有利于堆体微生物的繁殖，促进了有机质的降解产生大量水分，虽然高温期水分的蒸发导致堆体水分出现波动，但木醋液的添加降低了堆肥过程的容重，间接导致堆体孔隙度增大，且木醋液有使水分子团变小的功能，大大增强了渗透作用有利于水分的传输，起到了水分的补偿作用。

3 结论

木醋液添加处理堆肥能够改善堆体的容重，使堆体容重减小，孔隙度增大，有利于堆肥的供氧、水分及热量的扩散且使堆体空间容重差异减小，从而提高堆肥效率，改善堆肥产品质量。

灰色关联分析法可以较好地反映堆肥过程堆体水分时空层次变化趋势的相似或相异程度，计算灰色关联度时，要选定参考数列和比较数列。不同浓度木醋液处理方式下各层堆体水分的变化态势不同。总体来说，各处理类型上层（0～15 cm）与中层（15～30 cm）、中层与下层（30～45 cm）堆体水分变化态势的相似程度较高，相似程度均为3#>2#>1#>CK，上层与下层相似程度较低，但相似程度为2#>3#>1#>CK，木醋液添加下堆体水分上层与中层和中层与深层的关联性差异减小。

木醋液的添加使堆肥过程堆体水分垂直变化产生了显著影响，从本研究的结果可以看出木醋液添加处理方式对堆体水分的调控起到了较好的作用，使堆体水分在垂直方向上的变化趋势较为缓和，堆体水分空间层次差异减小，有利于提高堆肥效率和改善堆肥产品的均一稳定性。

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