菌渣发酵有机肥养分含量变化及碳氮损失

干莹莹 ,李娜 ,顾斌斌 ,陈喜靖∗

(1.慈溪市瑞丰农业投资有限公司,浙江 慈溪 315300;2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021;3.浙江恒海农业开发有限公司,浙江 宁波 315192;4.浙江农艺师学院,浙江 杭州 310021)

菌渣堆肥不仅可以实现废弃物资源化利用,还可以减少生态环境的负担。食用菌菌渣在栽培完食用菌后,其中的纤维素、半纤维素和木质素发生部分降解,并产生多种糖类、有机酸类、酶等生物活性物质[1]。利用菌渣发酵的有机肥可改善土壤性质[2],增加农作物产量[3]。

有关菌渣堆肥发酵过程中C/N、pH、温度等变化的研究已有不少报道,不同地区食用菌栽培品种及其选用的栽培原料各有差异,菌渣堆肥技术及有机肥产品质量也有所不同。汪峰等[4]研究结果认为,蟹味菇菌渣与猪粪的适宜堆肥比例为8∶2。

堆肥过程中,微生物发酵产物CO2、H2O、NH3等以挥发的形式损失,有机肥的总干物质量逐渐下降,而磷、钾等含量则因为总干物质量的减少而浓缩,含量逐渐上升[1]。碳氮损失和变化不仅影响有机肥的产量,而且还影响有机肥氮的转化效率。本研究以蟹味菇菌渣为主要原料,通过结合猪粪、羊粪、稻草等原料研究其在堆肥过程中的碳氮损失和养分含量变化,以期为提高菌渣有机肥堆肥效率和养分含量提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2017 年8—10 月在慈溪市进行,供试材料为蟹味菇菌渣、畜禽粪便 (猪粪、羊粪) 和稻草 (粉碎),菌渣、猪粪、羊粪、稻草含水率分别为50.5%、59.6%、21.6%和23.7%。菌渣是蟹味菇栽培后的基质,由木屑、玉米芯、棉籽皮、米糠、麦麸等组成,由慈溪市瑞丰农业投资有限公司食用菌生产基地提供,其他原料由浙江恒海农业开发公司提供。

1.2 处理设计

按湿质量比设5 个处理:菌渣 (F1);菌渣∶猪粪8∶2 (F2);菌渣∶猪粪6∶4 (F3);菌渣∶羊粪6∶4 (F4);菌渣∶猪粪∶稻草6∶2∶2(F5)。将原料用搅拌机充分搅拌均匀后堆放于发酵槽中,体积为2 m3,调节初始含水率至50%～60%,避雨发酵,每10 d 进行人工翻堆1 次,堆期63 d。

1.3 测定项目与方法

发酵过程中每隔9 d 采集一次堆肥样品 (多点采样),直至发酵结束,主要分析堆肥有机碳、氮、磷含量和pH 变化。其中,有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定,全氮采用半微量开氏法测定,全磷采用碳酸钠熔融法测定,pH 采用水土比2.5∶1.0 的方法测定[5]。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2017 和SPSS 19.0 软件进行统计分析,采用Excel 2017 软件作图。

由于全磷和全钾在发酵过程中基本没有损耗(忽略渗滤液造成的损失),发酵前后的磷总量不变,但含量随总干物质量的降低而升高;如果计入损失的碳氮,发酵前后碳氮含量的比例应该与磷含量的比例是一致的。

以氮为例:

式中:CN为堆肥结束时全氮含量 (氮含量和挥发损失氮量);CN0为堆肥前全氮含量;CP1为堆肥结束时全磷含量;CP0为堆肥前全磷含量。

假设堆肥结束时测得氮含量为n1,若计入挥发损失氮量 (nx),即总氮含量:

结合式 (1) (2),可以计算出nx。nx占全氮含量的百分比为:

式中c为碳氮损失率。

2 结果与分析

2.1 养分含量增长率

原料中全氮、全磷含量由高到低依次为猪粪(分别为31.5 和26.1 g kg-1) >羊粪 (分别为30.3和14.9 g kg-1) >菌渣 (分别为22.6 和7.1 g kg-1) >稻草 (分别为11.5 和1.2 g kg-1)。有机碳含量顺序则正好相反,猪粪、羊粪、菌渣、稻草分别为198、281、293 和424 g kg-1。菌渣钾含量较高 (23.2 g kg-1) 而pH 较低 (5.5)。因此,在堆肥进行配料时,菌渣比例越高,钾含量越高,pH越低,增加猪、羊粪比例可以提高氮、磷含量。表1 表明,全氮、全磷含量以F3、F4 处理较高,F1和F5 处理较低;全钾含量以F1 处理最高,F5 处理最低;有机碳含量以F5 处理最高,F3 处理最低;5 个处理的C/N、pH 分别在10.1～ 14.8 和5.5～6.4,低于微生物活性适宜C/N 25～30 和适宜pH 6.5～7.5。

表1 不同处理原料的养分含量

不同处理养分含量在堆肥发酵后发生了较大的变化 (表2)。F3 处理有机碳含量最高,发酵前后的变化量最小,说明F3 在整个发酵过程中的碳损失率较低。全氮含量以F1 处理最高,其次为F3 处理,F4 处理最低;与发酵前相比,全氮含量增长率F1 处理最高,为99%,F5 处理次之,为86%,F2 处理第三,为69%,F3、F4 处理第四、五,分别为64%和41%。全磷含量以F3 处理最高,其次为F2;但与发酵前相比,全磷含量增长率F1、F2和F5 较高,分别为166%、120%和114%,F3、F4 较低,分别为78%和52%。全钾含量F1 处理最高,F2、F3 处理第二和第三,F5、F4 处理较低。发酵后堆肥C/N 均下降至2.6～ 3.4,pH 升至7.5 ～8.3。

表2 不同处理原料堆肥发酵后的养分含量

堆肥过程中由于总干物质质量的下降,全氮、全磷、全钾等养分含量均有所增长,氮在发酵过程中有NH3的挥发损失,因此,全氮的增长率不及全磷、全钾。发酵后有机肥的总养分含量以F1 处理最高,其次为F2 和F3 处理,F4 和F5 处理的总养分含量相对较低,F2、F3 处理比F1 处理分别低6.9%和11.6%;但从总养分含量的增长率来看,F1、F5 和F2 处理较高,分别为144%、104%和103%,F3、F4 处理较低,分别为74%和18%。

2.2 碳氮损失率

有机肥堆制过程中碳氮损失不仅关系着最终有机肥的养分含量,也关系着有机肥的转化效率和可利用率。图1 为不同处理有机肥在堆肥过程中的碳氮损失率,碳损失率为80.6%～96.1%,表现为F1(96.1%) >F5>F2 (90.2%) >F4>F3 (80.6%);氮损失率为7.2%～26.4%,氮损失率由高到低依次为 F1 (26.4%) >F2 (24.2%) >F5 >F3(8.6%) >F4。C/N 降低以F4 处理最高,其次为F3 (9.34) 和F5 处理,F3 处理为3.72,F1 处理最低,为3.64。相同物料不同比例的堆肥,菌渣与猪粪6∶4 处理比8∶2 处理的碳、氮损失率低,而C/N 降低较高,说明F3 处理的氮损失率相对于碳损失率低;但与羊粪相比,相同比例 (6∶4)的猪粪与菌渣堆肥发酵的C/N 比降低较小。

图1 不同处理堆肥的碳氮损失率与C/N

堆肥过程中碳损失率与发酵前初始C/N 呈极显著 (P<0.01) 相关性,根据两者之间的关系式可以推算,当初始C/N 为13.4 时,碳损失率达最高 (图2);氮损失率与初始C/N 没有显著相关性,而与初始pH 呈显著 (P<0.05) 负相关 (图3)。以上结果说明,有机肥发酵过程的碳、氮损失可能分别与不同的影响因素有关。

图2 不同处理堆肥碳损失率与初始C/N 和pH 的关系

图3 不同处理堆肥氮损失率与初始C/N 和pH 的关系

3 小结与讨论

纯蟹味菇菌渣堆肥发酵后,总养分含量最高,同时,发酵过程中的碳氮损失率也最高,说明有机肥总养分含量高但产出量较低。纯菌渣堆肥处理C/N 比降3.64,低于其他处理,说明纯菌渣堆肥在发酵过程中损失的相对氮量也较高。汪峰等[4]研究结果表明,纯菌渣处理由于难分解的纤维素含量较高,且缺少外源菌等原因发酵时间较长,其中50 ℃以上持续时间高达40 d,比其他处理长7～13 d,因此,不建议对纯菌渣直接进行堆肥发酵。

与纯菌渣堆肥发酵相比,菌渣与猪粪比例8∶2 和6∶4 堆肥发酵后,总养分含量分别低6.9%和11.6%,但由于猪粪的磷含量较高,全磷含量分别比纯菌渣处理高20.1%和30.2%;与此同时,菌渣与猪粪比例8∶2 和6∶4 堆肥处理的碳损失量占总碳的 90.2% 和 80.6%,氮损失量占总氮的24.2%和8.6%,均低于纯菌渣处理的96.1%和26.4%,C/N 分别降低3.72 和9.34。由此可以看出,菌渣与猪粪8∶2 堆肥与6∶4 相比,8∶2 处理总养分含量较高,全磷含量较低,碳氮损失量较大,C/N 降低较小,可以根据生产实际需求进行配比。相对于猪粪,羊粪的C/N 较高,总养分含量较低,与菌渣在6∶4 的比例下混合发酵,羊粪的碳氮损失较高,尤其是氮损失较高。

本研究通过堆肥发酵前后的碳氮含量变化估算堆肥过程中的碳氮损失,不同处理的碳损失率为80.6%～96.1%,氮损失率为7.2%～26.4%。这个结果与秦莉等[6]通过堆肥发酵系统所测得的不同C/N 猪粪发酵过程中释放气体的研究结果有些差异,他们的研究结果表明,猪粪在发酵过程中碳的绝对量减少46.90%～ 73.28%,氮的绝对量减少25.46%～42.34%;两者不同的原因除计算估算结果与实测结果的差别外,发酵基质、发酵条件与发酵天数也都有很大区别。

本研究表明,初始C/N 与堆肥过程中的碳损失率有显著的相关性,C/N 在10～15,堆肥过程中碳损失率随C/N 的升高呈先上升后降低趋势,当C/N 为13.4 时碳损失率最高。Goyal 等[7]的研究也表明,C/N 与CO2逸出量有显著的相关性。秦莉等[6]的研究表明,碳的减少量随C/N 的增大而增大。另外,本研究结果表明,氮损失率与初始p H 呈显著线性负相关,而与初始C/N 没有显著相关性。通常认为,氨挥发是堆肥过程中氮损失的主要的途径[8],较高的pH 有利于氨挥发,增加氮损失,但初始pH 会显著影响微生物群落结构[9],且微生物分解不同基质成分的适宜p H 也不尽相同[10]。不过另有研究认为,猪粪等氨挥发量与C/N[11]和曝气速率[12]等相关。