水分含量對平菇菌糠堆肥發(fā)酵的影響

關鍵詞：水分含量；平菇；菌糠；堆肥；發(fā)酵

我國秸稈資源豐富，2021年我國可收集農作物秸稈總量有8.65×108 t [1]。基料化是秸稈資源化利用的主要途徑之一[2]，主要農作物秸稈如玉米秸稈、水稻秸稈、小麥秸稈、甘蔗秸稈等在食用菌種植中都有應用[3]。菌糠是食用菌種植過程中的副產物，每生產 1 kg 食用菌約產生 3.25～5.00 kg 菌糠[4]。以年產食用菌（鮮品）4.13×107 t、平菇6.11×106 t [5]計算，我國每年約產生1.3×108～2.1 ×108 t菌糠，其中平菇菌糠約2.0×107～3.1 ×107 t。

菌糠中含有豐富的粗纖維、多糖、蛋白質，以及Ca、Mg、Zn等礦質元素[67]。就地堆放是菌糠的傳統處理方式，該方法易引起霉菌污染、害蟲滋生和腐爛惡臭現象，即便是焚燒處置，也常因設備過于簡陋造成空氣污染，既對環(huán)境造成了影響又浪費資源[7]。對廢棄菌糠進行資源化利用，不僅能解決菌糠引起的環(huán)境污染問題，還能延長食用菌產業(yè)鏈，促進循環(huán)經濟[8]。

肥料化是菌糠資源化利用的重要方向，經過堆肥發(fā)酵的菌糠可改良土壤結構、提高土壤肥力，同時菌糠中含有的激素和酶可促進農作物對營養(yǎng)物質的吸收和利用[9]。堆肥的主要驅動力是微生物，水是微生物進行新陳代謝、生理和生化反應的基礎[10]，水還為堆肥中的化學和生物反應提供介質[11]，對堆肥發(fā)酵的影響甚至大于溫度[12]。Kim等[13]研究表明，發(fā)酵過程水分不足（低于有機質質量的40%）會令堆體脫水，抑制營養(yǎng)物質的流動性，導致生物過程減慢或停止，造成堆肥發(fā)酵溫度偏低；而過高的水分含量（高于有機物質質量的70%）使堆肥發(fā)酵過程中的微生物處于厭氧狀態(tài)，抑制好氧菌的活性，會造成堆肥溫度偏低，導致堆肥周期延長[14]。由于不同原料組成、性質和有機質含量等不同，堆肥所需的適宜水分含量有差異[15]。Petric等[16]研究表明，家禽糞便和小麥秸稈混合物堆肥發(fā)酵的合適初始水分含量為70%；Ros等[17]用豬糞堆肥發(fā)現，含水量在60%～70%對堆肥更加有利。

菌糠作為一種前期已經被真菌充分分解的高有機質原料，用于堆肥發(fā)酵時水分含量會對其發(fā)酵產生怎樣的影響，值得探討。本研究以秸稈為主料的平菇菌糠為原料，通過調節(jié)平菇菌糠的水分含量，分析水分含量對平菇菌糠堆肥溫度、pH和電導率（electrical conductivity，EC）等指標的影響，探討適合平菇菌糠堆肥發(fā)酵的水分含量范圍，以期為秸稈等農業(yè)廢棄物的基料化利用提供科學依據，為發(fā)展可持續(xù)的循環(huán)農業(yè)提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

平菇菌糠來自長沙縣圣恒農業(yè)科技有限公司，發(fā)酵菌劑購自成都華宏生物科技有限公司，尿素購自重慶建峰化工股份有限公司。

1.2 試驗方法

堆肥發(fā)酵在長沙縣圣恒農業(yè)科技有限公司生產基地進行。共設 4個處理，每個處理的干重約500 kg，設計初始水分含量為45%、52%、60%、65%，實測水分含量為46.01%、53.91%、59.40%、64.66%（下文分別簡稱46%、54%、59%、65%），加尿素調節(jié)碳氮比（C/N）約為30∶1后按照菌劑生產商提供的推薦量添加發(fā)酵菌劑，邊添加邊攪拌，然后制堆，堆高約 90 cm，呈圓錐狀。在堆肥發(fā)酵后的第5、10、17、24、32、39天進行翻堆。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 溫度測定 每天下午5點用長溫度計分別在3 個不同的部位測定堆體20 和50 cm 處的溫度，取平均值。

1.3.2 pH和EC測定 在堆肥開始后0、5、10、17、24、32、39 d，在翻堆后的堆體上選擇5點，取1 kg左右鮮樣混合均勻。稱取換算成干基后的鮮樣10.00 g，以100 mL去離子水超聲浸提30 min后過濾，參照陳亮等[18]方法分別測定濾液的pH和EC，每個樣品重復3次。

1.3.3 水分測定 精確稱取1.3.2中混合均勻的鮮樣1 g左右，參照張楠[19]的方法，于105 ℃烘干至恒重，計算水分含量，每個樣品重復3次。

1.3.4 種子發(fā)芽指數測定 稱取1.3.2中的混合均勻的鮮樣（換算成干基10.00 g），參照張楠[19]的方法稍作改進，按固液比（質量體積比）1∶10 加入去離子水，130 r·min?1 振蕩提取30 min，靜置過濾，收集過濾后的浸提液。在 9 cm 培養(yǎng)皿中墊上2張濾紙，均勻放入10粒大小基本一致、飽滿的小白菜種子，加入7 mL浸提液，蓋上皿蓋，在培養(yǎng)箱中30 ℃避光培養(yǎng)48 h，統計發(fā)芽率并測量根長。每個樣品重復3次，以去離子水作對照，按照下式計算種子發(fā)芽指數（germination index ，GI）。

1.3.5 養(yǎng)分測定 取1.3.2中0、17、39 d制備的鮮樣，參照NY/T 525—2021[20]采用蒸餾定氮法測定全氮含量，采用釩鉬黃比色法測定全磷含量，采用火焰光度法測定全鉀含量，每個樣品重復測定3次，總養(yǎng)分為全氮、全磷、全鉀之和。

1.3.6 有機質測定及碳氮比的計算 有機質的測定參照NY/T 525—2021[20]，采用重鉻酸鉀容量法，每個樣品重復測定3次，參照LY/T 1237—1999[21]計算碳氮比（C/N）。

1.4 數據分析

采用DPS V9.01 進行標準差和方差分析，采用Origin 2019作圖。

2 結果與分析

2.1 溫度變化分析

不同水分含量平菇菌糠堆肥過程中20 和50 cm處溫度變化如圖1所示，不同水分含量的堆體溫度均隨翻堆時間呈現周期性變化，即翻堆后溫度迅速降到谷值，隨著發(fā)酵繼續(xù)進行，溫度又逐漸上升到峰值。堆肥前17 d，水分含量46%、54%、59%、65%平菇菌糠20 cm深處的平均溫度分別為56.03、56.73、56.50、53.00 ℃，50 cm深處的平均溫度分別為49.52、48.88、49.71、45.85 ℃，水分含量46%、54%、59%的平菇菌糠堆體溫度均高于水分含量為65%的平菇菌糠；堆肥后22 d，水分含量46%、54%、59%、65%平菇菌糠20 cm處的平均溫度分別為40.04、38.77、41.95、43.25 ℃，50 cm處的平均溫度分別為39.04、39.82、43.82、43.86 ℃，不同深處堆體溫度均較堆肥前期下降，但含水量65%的平菇菌糠堆溫下降較少，其堆溫較含水量46%、54%、59%的菌糠高。整個堆肥發(fā)酵過程中，水分含量46%、54%、59%、65%平菇菌糠在 20 cm處達到最適發(fā)酵溫度下限（≥52 ℃）[22]的時間分別為13、13、13、9 d，50 cm處≥52 ℃的時間分別為7、8、9、5 d，水分含量65%的菌糠達到最適發(fā)酵溫度的時間較其余3組少；水分含量46%、54%、59%、65%平菇菌糠20 cm處的平均堆溫分別為47.23、46.85、48.50、47.64 ℃，50 cm處的平均堆溫分別為43.76、43.90、46.47、44.76 ℃，各處理的平均堆溫差異不大。

2.2 pH 變化分析

不同水分含量平菇菌糠堆肥過程中pH變化如圖2，水分含量46%的菌糠初始pH最高，約為8.86，其他菌糠的pH約在7.00左右。隨著堆肥進行，水分含量54%、59%和65%的平菇菌糠pH均迅速升高，第5天左右達到最高值，保持相對穩(wěn)定一段時間后開始下降；水分含量46% 的菌糠pH一直呈下降趨勢，堆肥32 d 后，水分含量45%、54%、59%的菌糠pH趨于穩(wěn)定，而水分含量65%的菌糠pH 仍繼續(xù)下降。堆肥39 d后，水分含量46%、54%、59% 和65% 平菇菌糠的pH 分別為8.12、8.29、8.26和7.91。

2.3 EC 變化

由圖3可知，不同水分含量平菇菌糠在堆肥開始后EC均迅速增加，水分含量65% 的平菇菌糠初始EC 較水分含量46%、54% 和59% 的菌糠低，整個堆肥發(fā)酵過程中水分含量65%的平菇菌糠EC均低于其他3個處理。堆肥32 d后，水分含量46%、54%和59%的菌糠EC增勢變緩，而水分含量65%的菌糠EC還處于較高增長水平。堆肥39 d后，水分含量46%、54%、59% 和65% 的菌糠EC分別為3 404、3 806、3 678和2 864 μS·cm?1，均在作物所需適宜范圍（≤4 000 μS·cm?1）[23]。

2.4 水分含量變化

不同水分含量平菇菌糠堆肥過程中水分變化如圖4，隨著堆肥進行，所有處理的含水量均逐漸下降。堆肥10 d 后，水分含量46%、54%、59%、65% 的菌糠含水量較初始分別下降7.55%、9.65%、14.01%、4.04%，初始含水量65%的菌糠較初始含水量46%、54%、59%的菌糠水分含量下降更慢；堆肥后期，特別是堆肥最后7 d，初始含水量65%的菌糠水分含量下降較另3個處理快。堆肥39 d后，初始含水量46%、54%、59%、65%的菌糠水分含量分別降至26.93%、29.85%、37.22% 和40.70%，前2 組發(fā)酵菌糠的含水量≤30%，達到NY/T 525—2021[20]要求。

2.5 GI 變化

從圖5可以看出，不同水分含量平菇菌糠初始GI均gt;100%。隨著堆肥進行，菌糠的GI略有下降，堆肥17 d 后，水分含量46%、54%、59%、65%的菌糠GI 均值分別為114.11%、109.83%、104.91%、109.69%，堆肥后期平菇菌糠的GI趨于平緩；堆肥39 d后，水分含量46%、54%、59%、65%的菌糠GI 均值分別為105.70%、113.31%、107.67%、109.38%，均大于100%。

2.6 養(yǎng)分變化

從表1可以看出，不同水分含量平菇菌糠的總養(yǎng)分在堆肥后均增加，堆肥17 d后，水分含量46%、54%、59%、65% 平菇菌糠總養(yǎng)分均已gt;4.00%，堆肥39 d 后總養(yǎng)分較初始分別增加32.70%、38.50%、36.02%、42.20%，但不同水分含量菌糠的總養(yǎng)分含量間沒有顯著差異。從表2可以看出，所有處理的N、P、K含量均有增加，其中P元素增幅最大，水分含量46%、54%、59%、65%的平菇菌糠在堆肥39 d 后P 元素分別較初始增加48.57%、73.01%、79.31%、79.66%，但不同水分含量菌糠發(fā)酵39 d后的N、P、K元素含量沒有顯著差異。

2.7 有機質及C/N 變化

從表3 可以看出，經過堆肥發(fā)酵后所有處理有機質含量均明顯下降，堆肥39 d后，水分含量46%、54%、59%、65% 的平菇菌糠有機質含量分別為66.46%、62.70%、68.85%、69.08%，較初始值分別下降12.02%、18.78%、9.41%、8.36%，其中水分含量54%的菌糠有機質含量下降最明顯，較其余三者有顯著性差異，但所有水分含量的菌糠發(fā)酵39 d后有機質含量均符合NY/T 525—2021[20]要求。菌糠的C/N比也隨著堆肥進行大幅度下降，由初始的30左右下降到20左右，水分含量46%、54%、59%以及65%的平菇菌糠在堆肥39 d后的C/N分別較堆肥前下降36.31%、38.67%、32.39%、34.54%。

3 討論

整個堆肥過程，水分含量46%、54%、59%、65%的平菇菌糠發(fā)酵平均溫度差異不大，但堆肥過程中溫度變化趨勢不一樣：水分含量65%的平菇菌糠在堆肥前期較水分含量46%、54%、59%的平菇菌糠升溫慢，而在堆肥后期水分含量65%的平菇菌糠堆溫較水分含量46%、54%、59%的菌糠下降慢，水分含量65%的平菇菌糠前期升溫慢可能是由于過多的水堵住了原料中的空隙，增加了O2的傳質阻力，降低水相中的O2含量，使平菇菌糠透氣性下降，影響到好氧微生物的快速繁殖[24]，而后期降溫慢可能是因為菌糠中殘留有較多可利用有機質。

水分含量54%、59%的平菇菌糠堆肥過程中pH先增加后降低，最后趨于穩(wěn)定，與王佳麗等[25]和詹亞斌等[26]的研究結果相似。發(fā)酵前期pH升高可能是原料的含氮化合物在微生物作用下氨化產生的大量氨氣不能及時揮發(fā)[27]，后期pH 降低則可能是由于氨化作用強度降低和硝化作用強度增強，加之有機物分解產生的有機酸逐漸增加[28]。堆肥32 d后，水分含量65%的菌糠pH仍不穩(wěn)定，可能是由于殘留的可降解有機質仍較多，有機質降解過程中不斷產生有機酸的緣故。

EC揭示物料浸提液的含鹽量，可反映堆肥的質量。由于有機物在堆肥發(fā)酵過程中的分解和物料損失，會導致鹽的濃縮[29]，同時有機物的分解還可以導致鹽更容易被溶出，因此隨著堆肥發(fā)酵進行EC會增加，EC也可以在一定程度上表征發(fā)酵腐熟的程度。本研究中，水分含量45%、54% 和59%的菌糠發(fā)酵過程中EC較為接近，而水分含量65%的菌糠EC始終低于前3組，可能與水分含量65%的菌糠發(fā)酵進行較慢有關，該現象與其升溫慢，pH變化規(guī)律相吻合。

有機固體廢棄物堆肥過程中，堆體含水率會隨著堆肥時間逐漸減少。水分的遷移轉化主要過程是：通風輸水、微生物作用脫水、產水及堆體表觀脫水[30]。本研究堆肥完成后的平菇菌糠含水量與發(fā)酵初始水分含量呈正相關，即平菇菌糠初始水分含量高，堆肥完成后水分含量仍然高。初始水分含量45%和52%的平菇菌糠堆肥39 d后，其水分含量≤30%，符合有機肥料的要求[20]，初始水分含量60%和65%的平菇菌糠發(fā)酵堆肥39 d后，含水量仍然不低于30%，仍需要進一步干燥。

GI 是重要的腐熟度評價指標之一。當GIgt; 50% 時可以認為堆肥對植物基本沒有毒害，當GIgt; 80% 時，認為達到腐熟標準[31]。平菇菌糠由于前期已經被平菇菌充分分解，因此各處理的初始GI均大于100%，說明菌糠中有促進植物生長的物質[9]；經過堆肥發(fā)酵后各處理GI仍然均大于100%，但較初始時略有下降，可能是由于濃縮效應，使堆肥后菌糠中部分物質（如鹽）的含量增加，從而影響了種子萌發(fā)。

堆肥17 d后，不同水分含量的平菇菌糠總養(yǎng)分均大于4%，符合有機肥料標準[20]中對養(yǎng)分的要求，此時平菇菌糠其他基礎理化指標除水分含量外如GI、pH、EC以及有機質含量等也都符合有機肥的標準；堆肥完成后，不同水分含量的平菇菌糠總養(yǎng)分含量沒有顯著差異，并且N、P、K元素含量也沒有顯著差異。Seeking[32]認為，高水分含量將引起營養(yǎng)物質的損失，該結論在本研究中未得到驗證；關于水分含量是否對氮素損失產生影響存在較大分歧，Cabrera等 [33]認為，當堆肥含水量接近其持水能力時，容易導致 NH3 的揮發(fā)，且濕度越高NH+4-N 損失越大；Barrington 等[34]則認為，濕度對N素損失幾乎沒有影響。本研究中，P元素含量沒有受到水分含量變化的影響，該結果與Tiquia等[35]的觀點一致。水分含量對平菇菌糠中養(yǎng)分影響的具體機制還有待進一步研究。

水分含量和有機物降解速率存在密切關系。Miller等[36]認為，堆肥過程中水分含量的連續(xù)下降是有機質降解的標志。 但是，如果堆肥過程中水分含量下降過快，水分的損失將會導致有機物降解速率明顯降低[37]。本研究中，堆肥39 d后初始含水量54%的菌糠有機質下降最明顯，而初始水分含量46%的菌糠與初始水分含量59%、65%的菌糠之間差異不顯著，說明水分含量過高或過低都將影響有機質降解。Higgins等[38]研究表明，當濕度小于45%或大于60%時，有機物降解速率會明顯降低。

綜上所述，平菇菌糠含有能促進種子萌發(fā)的有益物質，是一種較好的有機肥發(fā)酵原料。在發(fā)酵過程中，當水分含量≥65% 時，會影響菌糠堆肥發(fā)酵的進程，并且堆肥完成后的菌糠含水量較高，需要進一步干燥，增加堆肥成本。鑒于平菇生產中的鮮菌糠水分含量大都在50%～60%之間，因此在生產實踐中，可將鮮菌糠稍加控干水分，調節(jié)好C/N比，便能發(fā)酵為合格有機肥。