木醋液添加牛糞堆肥過(guò)程容重時(shí)空層次變化及水分時(shí)空變化的灰色關(guān)聯(lián)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(duì)牛糞堆肥過(guò)程容重時(shí)空層次變化的影響及運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)木醋液添加堆體水分的時(shí)空變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析。采用靜態(tài)好氧堆肥方式，共設(shè)4個(gè)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(duì)照處理CK。結(jié)果表明：堆肥過(guò)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(guò)程堆體的容重，從而使堆體壓實(shí)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(shí)空變化規(guī)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(tài)勢(shì)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(guān)聯(lián)度最小，堆體水分變化態(tài)勢(shì)差異較大，但相似程度2#處理>1#處理>3#處理>CK。灰色關(guān)聯(lián)分析法可以較好地反映牛糞堆肥過(guò)程堆體水分變化趨勢(shì)的相似或相異程度，通過(guò)添加木醋液能夠增大堆肥過(guò)程堆體空間層次水分關(guān)聯(lián)度，使堆體空間水分層次變化態(tài)勢(shì)差異減小，趨于一致，有利于堆肥的進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：牛糞；堆肥；木醋液；灰色關(guān)聯(lián)

中圖分類號(hào)： X705

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）04-0482-04

好氧堆肥技術(shù)是實(shí)現(xiàn)畜禽糞便廢棄物資源化、減量化和無(wú)害化最為有效途徑之一[1-5]。好氧堆肥過(guò)程中，空間堆體容重和水分是影響堆肥效率和堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的2個(gè)重要物理參數(shù)。容重間接反映堆料的孔隙度[6]，容重變化對(duì)堆料透氣性，堆體水分的擴(kuò)散、可溶性物質(zhì)的遷移等產(chǎn)生較大影響。水分不僅為微生物的代謝和生理活動(dòng)所需的可溶性物質(zhì)提供載體，而且還能溶解有機(jī)物、參與微生物的新陳代謝。此外，水分蒸發(fā)時(shí)帶走大量熱量，能調(diào)節(jié)堆肥溫度。在堆肥過(guò)程中，容重的存在導(dǎo)致堆肥產(chǎn)生壓實(shí)效應(yīng)，容重越大，壓實(shí)效應(yīng)越明顯，堆肥的壓實(shí)作用導(dǎo)致堆體內(nèi)空間水分分布不均，產(chǎn)生一定空間梯度。羅維等研究表明堆肥中水分空間梯度過(guò)大，則不利于提高堆肥效率和堆肥產(chǎn)品質(zhì)量[7]。因此研究堆肥中堆體各部容重及水分的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征及聯(lián)系具有重要意義。

木醋液是經(jīng)棉桿、棗枝等生物質(zhì)利用的主要液體產(chǎn)物[8]，無(wú)毒無(wú)害無(wú)殘留，木醋液應(yīng)用在土壤改良方面的研究表明，木醋液結(jié)合木碳粉制成的木醋碳粉改良劑對(duì)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(jié)構(gòu)性能變好[10]。由于堆肥介質(zhì)是一種類似于土壤的多孔介質(zhì)，因而木醋液對(duì)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(guò)程堆體容重變化及水分的動(dòng)態(tài)變化的影響試驗(yàn)，探究木醋液添加對(duì)堆肥過(guò)程堆體容重的影響，并首次運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)度，旨在探索木醋液對(duì)堆肥過(guò)程水分的調(diào)控作用，改善堆體水分空間梯度的過(guò)大差異，避免因工藝參數(shù)的不均性帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，從而為提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量提供新的技術(shù)途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為塔里木大學(xué)動(dòng)物科技試驗(yàn)站養(yǎng)牛場(chǎng)牛糞和購(gòu)自新疆阿拉爾市小段木材加工廠的鋸末（用于調(diào)節(jié)堆肥C/N比），其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。棉桿木醋液由塔里木大學(xué)南疆農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究中心生物質(zhì)熱裂解實(shí)驗(yàn)裝置熱解棉桿得到，測(cè)得棉桿木醋液理化性質(zhì)見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年在塔里木大學(xué)南疆農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)所用堆肥反應(yīng)器內(nèi)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(yàn)裝置如圖1所示。

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，各處理組堆肥物料及成分見(jiàn)表3（木醋液添加量均為木醋液與堆肥物料鮮質(zhì)量的比值，w/w），堆肥物料加入木醋液后充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，通過(guò)添加鋸末調(diào)節(jié)C/N為25，調(diào)節(jié)初始含水率在65%左右。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

堆體水分含量與容重測(cè)定分別采用烘干稱質(zhì)量法和環(huán)刀法[11]。因堆體為方體，前后左右對(duì)稱，故只在其一側(cè)布置取樣點(diǎn)，采用多點(diǎn)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(nèi)壁）和30 cm（堆體中線）縱剖，橫切面與縱剖面的交點(diǎn)為取樣點(diǎn)（圖2），分別于堆肥過(guò)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(cè)。

1.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法

對(duì)于2個(gè)系統(tǒng)之間的因素，其隨時(shí)間或不同對(duì)象而變化的關(guān)聯(lián)性大小的量度，稱為關(guān)聯(lián)度[12-13]。在系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，若2個(gè)因素變化的趨勢(shì)具有一致性，即同步變化程度較高，即可謂二者關(guān)聯(lián)程度較高；反之，則較低。因此，灰色關(guān)聯(lián)分析方法是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度，亦即“灰色關(guān)聯(lián)度”，衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法，因此，灰色關(guān)聯(lián)度分析為一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)提供了量化的度量，非常適合動(dòng)態(tài)過(guò)程的分析[14]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)列關(guān)聯(lián)分析時(shí)，必須先確定參考數(shù)列，然后比較其他數(shù)列同參考數(shù)列的接近程度，這樣才能對(duì)其他數(shù)列進(jìn)行比較，進(jìn)而做出判斷。

2 結(jié)果與分析

2.1 木醋液添加對(duì)牛糞堆肥過(guò)程容重時(shí)空層次變化的影響

容重是畜禽糞便堆肥過(guò)程中一項(xiàng)重要的物理性質(zhì)，間接反映堆肥過(guò)程堆料的孔隙度、堆肥物料的壓實(shí)程度及氧氣、水分穿過(guò)堆料的難易程度，對(duì)堆肥的進(jìn)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(guān)關(guān)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(fēng)。壓實(shí)作用導(dǎo)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(shì)較大，隨著堆肥進(jìn)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(shuō)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(jiàn)，在整個(gè)堆肥過(guò)程中添加木醋液的處理容重變化較對(duì)照處理減小，容重減小，堆體孔隙充分，堆料透氣性能增強(qiáng)，有利于堆體內(nèi)部氧氣及水分的擴(kuò)散與對(duì)流傳熱，有利于堆肥的順利進(jìn)行，從而提高堆肥產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 堆肥過(guò)程不同層次堆體水分灰色關(guān)聯(lián)分析

在堆肥4種處理方式下，現(xiàn)根據(jù)不同堆肥時(shí)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(gè)層次，現(xiàn)將各層堆肥天數(shù)的堆體水分序列分別設(shè)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(shù)列（分別記為r12和r13）以及中層為參考數(shù)列、深層為比較數(shù)列（記為r23），根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度。表4即為不同層次堆體水分灰色關(guān)聯(lián)度。

由表4可以看出，整個(gè)堆肥過(guò)程各處理水分時(shí)空變化有相似規(guī)律，均是上層與中層、中層與下層堆體水分關(guān)系密切，除了對(duì)照組CK外，添加木醋液的處理組灰色關(guān)聯(lián)度均大于0.7；上層與下層堆體水分關(guān)系較小，關(guān)聯(lián)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(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生水分外，中層堆體水分主要來(lái)自上層滲透，上層產(chǎn)生的水分滲透直接到達(dá)中層，小部分可以到達(dá)下層；下層含水率與中層含水率關(guān)系密切，說(shuō)明堆體下層水分主要來(lái)自中層水分的二次滲透，部分來(lái)自上層堆體水分，另外，從總體來(lái)看，CK上層與中層和中層與深層堆體水分的灰色關(guān)聯(lián)度差異較大，說(shuō)明一次滲透對(duì)堆體水分的作用好于二次滲透，木醋液添加的處理關(guān)聯(lián)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(duì)堆體水分作用接近程度相當(dāng)，可能是因?yàn)槟敬滓旱奶砑痈淖兞硕洋w的結(jié)構(gòu)性能，堆體中下部容重減小，導(dǎo)致堆體壓實(shí)度降低，從而促進(jìn)了中下層水分的滲透。

2.3 堆肥過(guò)程不同處理方式下土壤水分灰色關(guān)聯(lián)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(lái)看，3#接近程度最好，2#與1#次之，CK較差，說(shuō)明不同木醋液處理方式下，上層滲透對(duì)中層堆體水分的補(bǔ)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(tài)勢(shì)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(shuō)明與沒(méi)有添加木醋液的對(duì)照組相比，木醋液的添加對(duì)堆肥過(guò)程中堆體水分的調(diào)控起到了較好的作用，堆體水分在垂直方向上的變化趨勢(shì)相對(duì)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(guò)程堆體水分動(dòng)態(tài)曲線明顯相似，正如前面所述，灰色關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)度較大。由此可見(jiàn)，添加木醋液處理方式對(duì)堆肥過(guò)程不同層次堆體水分的變化發(fā)展態(tài)勢(shì)產(chǎn)生較顯著影響，是因?yàn)槟敬滓旱奶砑佑欣诙洋w微生物的繁殖，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的降解產(chǎn)生大量水分，雖然高溫期水分的蒸發(fā)導(dǎo)致堆體水分出現(xiàn)波動(dòng)，但木醋液的添加降低了堆肥過(guò)程的容重，間接導(dǎo)致堆體孔隙度增大，且木醋液有使水分子團(tuán)變小的功能，大大增強(qiáng)了滲透作用有利于水分的傳輸，起到了水分的補(bǔ)償作用。

3 結(jié)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(kuò)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(chǎn)品質(zhì)量。

灰色關(guān)聯(lián)分析法可以較好地反映堆肥過(guò)程堆體水分時(shí)空層次變化趨勢(shì)的相似或相異程度，計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度時(shí)，要選定參考數(shù)列和比較數(shù)列。不同濃度木醋液處理方式下各層堆體水分的變化態(tài)勢(shì)不同。總體來(lái)說(shuō)，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(tài)勢(shì)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(guān)聯(lián)性差異減小。

木醋液的添加使堆肥過(guò)程堆體水分垂直變化產(chǎn)生了顯著影響，從本研究的結(jié)果可以看出木醋液添加處理方式對(duì)堆體水分的調(diào)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(shì)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(chǎn)品的均一穩(wěn)定性。

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