添加油菜籽饼粕对茶树菇菌渣高温堆肥进程的影响

陈绪涛,戴朝阳,孙 鹏,胡文君,胡 佳,王洪秀,姚 健,魏云辉*

(1.江西省农业科学院 农业应用微生物研究所,江西 南昌 330200;2.江西农业大学 生物科学与工程学院,江西 南昌 330045;3.江西省高安市公共检验检测中心,江西 高安 330800)

茶树菇(Agrocybeaegerita)为伞菌目(Agaricales)、粪锈伞科(BoIbitiaceae)、田头菇属(Agrocybe)的一类珍稀食药用菌,学名为柱状田头菇,是我国主要栽培的食用菌品种之一[1]。茶树菇可作为传统中草药[2],在消炎杀菌[3]、抗虫[4]、抗氧化[5]、抗肿瘤[6]和治疗心血管疾病[7]等方面具有重要的作用。以前野生茶树菇只会生长在茶树上[8],经过30多年的人工驯化,福建和江西的茶树菇人工种植产业得到了空前的发展,现在仅江西广昌年产茶树菇菌包就超过2.2亿筒[9]。在茶树菇产区,茶树菇采摘后会形成大量的茶树菇菌渣,如果不能及时无害化处理这些菌渣,则不仅会浪费资源,而且还会增加产区的杂菌基数，造成间接损失。目前利用农林废弃有机物资源进行高温好氧堆肥发酵是一个行之有效的办法,这样不仅可以杀死有机物中的病原菌和害虫,防止污染环境,而且还可以将腐熟的产物转化为有机肥,使得废弃资源得到无害化、资源化综合利用[10]。在一般情况下复合原料高温堆肥的质量要优于单一原料堆肥[11]。另外,油菜是我国主要的油料作物,我国油菜籽产量居全球第一,菜籽油也是我国人民的主要食用油之一[12]。油菜籽榨油之后剩下的油菜籽饼粕占总产量的55%[13],但是油菜籽饼粕因含有丰富的抗营养成分而难以得到食用化利用[14],产生了大量的油菜籽饼粕资源。

我们在茶树菇菌渣中添加不同比例的油菜籽饼粕进行高温堆肥试验,通过检测堆肥进程中关键理化指标的变化,确定了茶树菇菌渣高温堆肥的最佳油菜籽饼粕添加比例,可以为油菜籽饼粕和茶树菇菌渣资源化综合利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

茶树菇菌渣由江西省农业科学院农业应用微生物研究所提供。油菜籽饼粕购买于江西省南昌市南昌县油菜籽榨油厂。堆肥主要原料的基本理化性质见表1。

表1 堆肥原材料的基本理化性质

1.2 试验设计

本试验采取随机区组设计,共设4个处理组,分别为C1、C2、C3和CK,每个处理3次重复,具体如表2所示。每组试验均采用定制的带盖泡沫箱模拟反应器进行好氧堆肥发酵,泡沫箱尺寸为90 cm×70 cm×50 cm(长×宽×高)。每处理组在加水之前堆肥原料总重为40 kg,然后加水至堆体含水量在70%左右后进行自然发酵,泡沫箱盖子不进行密封。分别在堆肥发酵第0、2、4、6、8、10、12、14、16天时,将堆体进行均匀翻动,然后采用五点采样法进行采样,每次采样总重400 g左右,分成2份,一份用于理化指标检测,另一份放置于-80 ℃冰箱中留样。

表2 试验处理设计

1.3 测定指标及方法

堆体温度测定:在每天早上9:00用水银温度计测定堆体中心温度和环境温度。pH值、电导率(EC)、含水率、C/N、总有机碳含量和总氮含量的测定均采用鲍士旦[15]的方法。

1.4 数据分析

利用Excel 2010和Origin 8.5进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度的变化

在16 d的堆肥周期内,每天对4个处理组进行温度测定,测得堆肥过程中温度的变化如图1所示,室内环境温度的变化范围为14～21 ℃。结果表明,在一定范围内,添加一定量的油菜籽饼粕,有利于提高堆肥升温速度和缩短达到最高温度的时间；但当油菜籽饼粕的添加比例超过20%时,反而使得堆肥升温速度变缓,延迟达到最高温度的时间。如表3所示：C1和C2处理的堆肥高温期50 ℃以上保持天数低于CK组；C3处理的高温期50 ℃以上保持天数高于CK组；4组堆肥的高温期50 ℃以上都保持7 d以上,符合高温堆肥无公害处理的卫生标准。尤其是油菜籽饼粕添加比例在10%～30%范围内,随着油菜籽饼粕比例的增加,堆肥最高温度也呈上升的趋势,这更能保证杀死堆料中的病原微生物和害虫。不过堆肥温度并不是越高越好,70 ℃左右为临界值,温度太高反而会阻碍微生物对有机物的分解[16]。鉴于C3组的堆肥升温较慢,发酵周期长,而且堆体最高温度达72 ℃反而不利于有机物的分解,由此表示30%油菜籽饼粕不是理想的添加比例。

表3 不同处理堆体温度的变化分析结果

图1 各处理组在堆肥过程中温度的变化

2.2 堆肥过程中pH值的变化

如图2所示,C1、C2和CK组在堆肥进程中的pH值总体上呈先上升后降低的趋势,主要是由于茶树菇菌渣与油菜籽饼粕中氮素大多数以有机氮的形式存在,在堆肥初期,堆体中的部分有机氮经过微生物转化成氨态氮，氨态氮溶于水造成pH值升高[17]；随着堆体温度的升高,氨态氮一部分转变成氨气而挥发掉,而且在微生物分解有机物过程中产生酸性物质,从而导致中后期pH值略微降低。添加油菜籽饼粕处理组的初始pH值均高于CK组。在C3处理组,在发酵后的0～4 d, 堆体的pH值略微升高;在第4～14天,堆体的pH值已无显著变化；堆肥全过程的pH值均高于初始值。不过相关研究结果表明,在高温堆肥进程中,pH值上升可能会造成氮素的损失[18]。在堆肥发酵结束后,添加油菜籽饼粕的处理组C1、C2和C3的pH值分别为8.21、8.48和8.76,均在8.0～9.0之间,符合高温堆肥pH值的腐熟标准[19],而CK组的pH值为7.30,表明添加油菜籽饼粕有利于堆肥无公害化。

图2 各处理组在堆肥过程中pH值的变化

2.3 堆肥过程中电导率(EC)的变化

不同处理堆肥EC的变化如图3所示,在堆肥进程中,C1、C2、C3和CK组的EC均先缓慢增加,然后增加速率提升,最后缓慢下降趋于平稳,且均高于初始值,这主要可能是由于堆肥过程中随着有机物的分解,释放出大量的矿物盐,导致EC增加；在堆肥后期由于矿盐沉淀和氨挥发造成EC一定程度的降低[20]。C1、C2、C3组堆体的初始EC和结束时的EC值均高于CK组；在油菜籽饼粕添加比例10%～30%的范围内,堆体的EC与油菜籽饼粕的添加比例成正比,而且均在敏感植物忍受的EC值4000 μs/cm[21]以下,符合无公害堆肥处理的标准。EC在一定程度上可以反映堆体的可溶解性盐浓度和有效肥力,因此,在茶树菇菌渣中添加一定比例的油菜籽饼粕进行堆肥发酵,有利于提升堆体的矿物盐含量,提升有机肥的有效肥力。

2.4 堆肥过程中含水率的变化

图4显示了C1、C2、C3和CK组堆肥进程中含水率的变化,初始含水率均在68%～71%；4组试验在整个堆肥过程中含水率是不断下降的,分别下降了1.5%、14.4%、5.8%和6.6%。这是由于在堆肥进程中微生物分解有机物需要消耗水分,此外在翻堆和通风过程中有一些水分会自然流失[22]。其中C2组水分下降率最大,说明该组堆肥微生物的活动最为活跃,代谢最为旺盛。

图4 各处理组在堆肥过程中含水率的变化

2.5 堆肥过程中C/N的变化

碳氮比(C/N)是可以反映堆体腐熟程度的一个重要指标[23]。从图5可以看出：CK组的初始C/N为33.69；通过添加不同比例的油菜籽饼粕后,C1、C2、C3组的初始C/N分别为26.96、19.71、17.45；经过16 d的高温堆肥发酵,C1、C2、C3和CK组的C/N均呈现下降趋势,分别降低至18.01、15.61、14.43和26.84,分别降低了33.2%、20.8%、17.3%和20.3%。有研究[24]表明,堆体的C/N应达到16以下理论上才真正认为该发酵进程达到完全腐熟的标准。按此标准，本试验的C2和C3组堆肥达到了完全腐熟程度。

图5 各处理组在堆肥过程中C/N的变化

2.6 堆肥进程中总有机碳和总氮含量的变化

土壤中总有机碳含量和总氮含量是衡量土壤肥力的重要指标,而且其含量与肥力呈正相关性[25-26]。由表4可见,经过16 d的高温堆肥发酵,C1、C2、C3和CK组堆体的总有机碳含量分别增加了2.49%、26.49%、8.67%和6.62%,总氮含量分别增加了53.42%、59.63%、31.40%和33.85%。数据表明,C2组在发酵结束后,堆体的总有机碳含量和总氮含量均最高,间接增加了堆体的肥力;C3组堆体的总有机碳含量和总氮含量均与C2组有较大的差距,这与2.1中所述C3堆体最高温度达72 ℃不利于微生物对有机物的分解吻合。

表4 堆体中总有机碳含量和总氮含量的变化

3 结论与讨论

在农林废弃有机物堆肥发酵过程中,温度是最重要的因素之一[27]。不同堆肥原料或不同原料配比对堆体温度的影响是显著的[28],对各阶段温度的持续时间也有影响[29]。本试验结果表明：在茶树菇菌渣中添加一定量的油菜籽饼粕有利于加快堆体升温(如处理C1和C2),而过量的油菜籽饼粕会延迟升温速度和延长发酵周期(如处理C3);添加油菜籽饼粕堆体的最高温度均高于纯菌渣堆体,而且持续50 ℃以上高温的时间均在7 d以上。

堆体的pH值、电导率、含水率和C/N均是衡量物料好氧高温发酵堆肥效果的关键参考因素[30]。本试验结果表明:经过16 d的高温堆肥好氧发酵,C1、C2、C3和CK组的pH值分别为8.21、8.48、8.76和7.30,其中C1、C2和C3组的pH值满足堆肥腐熟标准[19](pH值8.0～9.0),说明堆体中添加油菜籽饼粕有利于堆肥无公害化处理;C1、C2、C3和CK组在堆肥进程中电导率均先上升后微降再趋于平稳,其中C1、C2和C3组的电导率都高于CK组,且均在敏感植物忍受的EC值以下,说明添加油菜籽饼粕有利于提升堆体的可溶性矿物盐含量,提高堆体的有效肥力;C1、C2、C3和CK组在堆肥进程中水分一直下降,尤其是C2组下降率最大,说明C2组堆体的微生物活动最为活跃,代谢最为旺盛;添加油菜籽饼粕有利于降低堆体的C/N,C1、C2、C3和CK组在堆肥进程中C/N均呈现下降趋势,分别降低至18.01、15.61、14.43和26.84,其中C2和C3的C/N在理论腐熟标准16以下,而且C2组在发酵结束后,堆体的总有机碳含量和总氮含量最高,肥力达到最大。

综上所述,结合4组试验堆肥进程中温度、pH值、电导率、含水率、C/N、总有机碳含量和总氮含量等理化指标的综合考量,C2处理组满足堆肥腐熟要求且条件最佳,即在堆肥进程中50 ℃高温持续8 d;在堆体发酵结束时pH值为8.48,符合腐熟的pH要求;EC值为1746 μs/cm,在敏感植物忍受的EC值4000 μs/cm以下;水分下降率最大，为14.4%;C/N为15.61,满足C/N为16以下的腐熟要求;总有机碳和总氮含量最高,分别为27.17%和1.74%;总有机碳和总氮含量的增幅最高,分别增加了26.49%和59.63%。由此得出,茶树菇菌渣高温好氧堆肥的最佳配比为80%茶树菇菌渣+20%油菜籽饼粕。