生物炭和微生物菌剂添加对菇渣好氧堆肥过程及其养分变化的影响

李其胜, 殷小冬, 董青君, 杨文飞, 杜小凤, 文廷刚, 贾艳艳, 顾大路

(江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所,江苏淮安 223001)

我国是食用菌生产大国,每年至少产生1 600万t菇渣,如不能对其合理利用,易造成农业有机资源浪费和二次环境污染[1]。菇渣中含有丰富的多糖、蛋白质、有机质和多种酶等活性物质,是良好的堆肥材料。好氧堆肥处理成为资源化利用菇渣最有效的方法之一[2]。在堆肥过程中,菇渣养分含量因总干物质量的减少产生浓缩效应而增加[3]。过去的自然堆制发酵时间长,且因氨挥发等过程导致养分流失,显著降低了堆肥产品品质[4]。因此,如何合理高效堆肥,改善堆肥中的氮素流失和理化特性已成为人们关注的热点[5]。

许多研究表明,在堆肥过程中施入一定量的添加剂对提高堆肥质量、强化重金属的钝化有较好的效果[6-8]。常见的添加剂包括具有耦合吸附作用的生物炭、沸石,某些化学物质,如过磷酸钙及外源微生物等[9-10]。生物炭因具有疏松多孔的物理结构使其具有较强的吸附性能,近年来常作为堆肥添加剂使用[11]。有研究认为,将生物炭应用在堆肥上可显著加快堆体腐熟进程,利于氮素的保持,增加微生物量[12]。也有学者认为,生物炭还可为微生物生长提供多种养分及适宜的生态位,强化微生物介导的生化反应,促进堆肥有机质降解和腐殖化[13]。如Tu等研究发现,生物炭与微生物菌剂复合体显著提高猪粪堆肥细菌群落的丰度和多样性,并显著增加拟杆菌门和软壁菌门群落丰度[14]。Zhao等在关于鸡粪堆肥研究中发现,添加外源菌剂可加速堆肥物料中的纤维素、半纤维素降解,促进堆肥腐熟[15]。因此,在堆肥过程中同时添加生物炭和复合菌剂,有望进一步提高堆肥效率[16-17]。当前有关添加生物炭或微生物菌剂对有机废弃物堆肥的研究较多,但关于同时添加复合菌剂和生物炭对食用菌菇渣堆肥过程的联合效应仍不明确,有关其对堆肥养分固持和品质提升等方面的机制有待研究[18]。

为探明生物炭联合微生物菌剂对菇渣堆肥品质的调控作用,本研究以杏鲍菇菇渣为原料,添加不同比例生物炭和微生物菌剂进行堆肥发酵,通过堆体温度、pH值、含水率、电导率、种子发芽指数及菇渣养分等指标,确定添加生物炭和微生物菌剂适宜比例,以期能科学评估外源炭载微生物菌剂对食用菌菇渣堆肥腐殖化进程的影响,为菇渣的资源化利用和炭载微生物菌剂在农业废弃物堆肥方面的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试菇渣来自江苏淮香食用菌有限公司,为杏鲍菇栽培废料,其成分主要是木屑、玉米芯和甘薯渣等;供试微生物菌剂购自淮安市大华生物科技有限公司,主要包括:枯草芽孢杆菌、米根霉、粉状毕赤酵母和戊糖片球菌,有效活菌数总量为2×108CFU/g 以上;生物炭购自市售。供试材料的基本性质见表1。

表1 堆肥原料的初始性质

1.2 菇渣堆肥试验设计

于2022年3月在淮安市农业科学研究院科研创新基地进行堆肥,试验共设置8个处理,分别为T1(菇渣),T2(菇渣+5%生物炭),T3(菇渣+10%生物炭),T4(菇渣+15%生物炭),T5(菇渣+0.3%菌剂),T6(菇渣+5%生物炭+0.3%菌剂),T7(菇渣+10%生物炭+0.3%菌剂),T8(菇渣+15%生物炭+0.3%菌剂)。生物炭和微生物菌剂均按照质量百分比添加。每个处理设置3个重复,在加水前堆肥原料总质量均为30 kg,与添加剂混匀后放入长90 cm×宽70 cm×高50 cm的泡沫箱中,然后加水至堆体含水率为60%左右进行发酵。每天14:00测定堆体中心的温度,然后人工翻堆,每隔2 d翻堆1次。

1.3 堆肥样品采集与测定

在堆肥进行到0、3、7、14、21 d时,混匀原料翻堆,从堆体不同部位采集等量样品并混匀,样品一份进行风干、研磨后过100目筛,用于全量养分的测定,另一份保存于-20 ℃冰箱待测。

堆体温度使用电子温度计插入堆体中部测得;含水率采用恒质量法测定;pH值采用pH计测定;EC值用电导率仪测得;全氮用硫酸和过氧化氢酸消煮后,半微量凯氏定氮法测定;有机碳采用重铬酸钾容量法测定;速效钾采用火焰光度计法测定;铵硝含量用流动分析仪[19]测定。

种子发芽指数方法:将堆肥样品(5.0 g)置于锥形瓶中,采用蒸馏水按照1 ∶10(质量体积比)比例于摇床上振荡浸提,在含滤纸的培养皿内加入 10 mL 滤液,其上均匀放入10粒大小基本一致、颗粒饱满的小麦种子,盖上培养皿盖,在培养箱中避光条件下培养48 h,计算发芽率并测定主根长。以蒸馏水作对照,共计3次重复。计算公式为:GI=(A1×A2)/(C1×C2)×100%。其中,A1和C1分别为堆肥浸提液和对照的种子发芽率,%;A2和C2为堆肥浸提液和对照培养种子的平均根长,mm。

干物质损失与氮素损失均参考张文明等的方法[20],计算公式如下:

Wi=(Di-D0)/D0×100%;

(1)

Ni=(Di×Ei-D0×E0)/(D0×E0)×100%。

(2)

式中:Wi为第i天堆肥干物质失质量率;D0、Di分别为各处理堆肥原料0d和id干物质量,kg;Ni为第i天堆肥氮素损失率;E0、Ei分别为各处理堆肥原料 0 d 和id全氮含量,g/kg。

1.4 数据处理

试验数据采用Duncan’s法检验各处理间差异性(α=0.05)。采用Excel 2016和Origin 2022b进行制表和作图。

2 结果与分析

2.1 堆肥过程中温度和含水率的变化

堆肥的第1天各处理均进入高温阶段(>50 ℃),并在50～65 ℃范围内保持约10～12 d后逐渐降低至室温。添加生物炭和复合菌剂处理(T6、T7、T8)较其他处理高温期延长2～3 d,其中,T8处理高温期持续时间最长,40 ℃ 以上时间为 13 d,最高温度达63.4 ℃。在堆肥11～21 d,各处理堆温呈下降趋势,进入后熟期,T8堆温明显高于其他处理。整个堆肥过程中,各处理堆肥温度均达50 ℃并保持10 d以上,达到堆肥无害化温度要求,符合农业废弃物腐熟标准。

由图1可知,在堆肥过程中,各处理含水率随堆肥进行不断降低,到21 d,T1～T8处理较堆肥初含水率减少了29%～36%。从整体来看,堆肥含水率在0～14 d下降最剧烈。各个处理间含水率变化无显著差异,仅T6处理在堆肥21 d含水率较高。

2.2 堆肥过程中pH值、电导率和发芽指数的变化

由图2可知,各处理的堆体pH值整体呈先上升后趋于平稳。在堆肥前期,各处理平均pH值从6.9迅速上升至7.6。堆肥后期,各处理pH值稳定在7.6～7.9。各处理的电导率(EC)随着堆肥时间的延长均呈下降趋势,仅T6、T8处理在堆肥后期呈波动上升趋势。与T1处理相比,T3、T4和T7显著降低堆体电导率。整体观察,T1～T8处理堆体电导率在1.75～2.03 mS/cm,均低于4 mS/cm的腐熟堆肥标准。在堆肥初期由于小分子有机酸和NH3等的大量产生,GI值相对较低,均在60%以下。随着堆体中氨排放逐渐减少,GI值逐渐增加。在堆肥 21 d,各堆体的GI值在90%以上,其中T7处理的GI值(140%)显著高于其他处理。

2.3 堆肥过程中有机碳 和各养分含量的变化

经过21 d的堆肥发酵,各堆体中有机碳含量显著下降,而全氮含量呈明显增加趋势。由表2可知,堆肥初始各处理有机碳含量为374.73～427.65 g/kg,堆肥结束时为333.02～365.73 g/kg,各处理间有机碳含量无显著差异。T7处理堆肥结束全氮含量显著高于T1、T3和T4处理。各处理C/N在堆肥21 d较堆体初期显著下降,数值范围在16.36～19.72。适宜的C/N是堆肥成功的关键因子,若堆肥结束时C/N下降至15～20之间就可认定为堆肥已腐熟[21]。

堆体物料随堆肥过程中有机磷分解,总磷和速效磷的含量显著增加。由表3可知,在堆肥21 d,各处理堆体全磷含量较初期增幅32.3%～107.8%,其中,T1处理全磷含量显著低于其他各处理。而速效磷含量较初期增幅为53.7%～104.3%,其中,尤以T7处理显著高于其他7个处理。堆肥结束时,仅T1处理降低速效磷在全磷中所占比例,而其他处理均增加这一比例,这说明添加生物炭或微生物菌剂可以提高磷的活化作用,使得速效磷相对含量增加。

由表4可知,与磷素变化相似,堆肥结束时各处理全钾和速效钾呈明显增加趋势。与其他处理相比,T6、T7和T8处理显著提高了速效钾含量和速效钾/全钾。

表2 不同处理下有机碳、全氮和碳氮比的变化

表3 不同处理下全磷、速效磷含量变化

表4 不同处理下全钾、速效钾含量变化

2.4 堆肥过程中干重损失和氮素损失率的变化

由图3可知,所有处理的铵态氮迅速升高,并在堆肥3 d达最大值,数值范围在2.00～3.12 g/kg,具体表现为T1>T2>T8>T3>T6>T7>T5>T4。堆肥结束后,所有处理铵态氮含量均保持在较低值,数值范围在0.47～0.59 g/kg,具体大小顺序为 T1>T5>T6>T2>T4>T8>T3>T7,与堆体初始相比降幅为73.1%～83.6%。由于堆肥过程的硝化作用,各处理硝态氮含量随堆肥过程呈上升趋势。硝态氮在堆肥升温期(0～14 d)过程中变化幅度不大,在14～21 d硝态氮含量迅速上升。堆肥结束后硝态氮含量数值范围在0.70～1.16 g/kg,具体呈现T7>T6>T8>T3>T5>T4>T2>T1。

由图4可知,随堆肥过程进行,所有处理物料干物质损失和氮素损失率明显增加。在堆肥0～14 d为堆肥物料干物质损失升高阶段,14～21 d为干物质损失变缓阶段。从整个堆肥周期观察,T1处理干物质损失率最高,T7和T8处理损失率最低。堆肥结束,各堆肥处理氮素损失率在16.8%～29.72%,具体损失率顺序为T2>T3>T1>T4>T6>T5>T8>T7,显然添加生物炭和微生物菌剂处理组具有更低的氮素损失。

3 讨论

3.1 添加生物炭和微生物菌剂对菇渣堆肥腐熟指标的影响

温度是衡量高温堆肥腐熟是否完全的重要指标,堆肥微生物分解有机物产生大量热量导致堆体温度快速升高[22]。高温好氧堆肥技术中堆体升温快,高温时间长,则腐熟进程加快,腐熟时间缩短。相比T1处理,本试验中T6、T7、T8由于生物炭和复合菌剂的添加,其堆体高温持续时间更长,堆体积温更高,这与涂志能的研究[18]相一致,其结果表明添加菌剂和生物炭均能加速堆体物料中有机质降解,促进堆体温度增加。pH值能够影响堆体内微生物活性和生化反应速度,常用作评价堆肥腐熟程度[23]。试验中,所有堆肥处理的初始pH值为 6.75～7.11,随着堆肥的进行,堆体pH值迅速升高后逐渐稳定在7.87～7.97之间。田伟等也在香菇菌渣堆肥中添加微生物菌剂的试验中发现了相似的结果[24]。电导率(EC)的大小与堆肥的含盐量有关,用作育苗基质的堆肥,其EC值不宜>2.6 mS/cm,否则会对幼苗产生毒害作用[25]。本研究表明,各堆肥处理的EC值较初始菇渣的EC值均大幅下降至1.75～2.03 mS/cm,其中添加生物炭的处理EC值较低,这与付祥峰等的研究结果[12]一致。堆肥产品EC值的降低是由于生物炭和菌剂的添加促进有机物质腐殖化过程,降低了有机酸盐、磷酸盐和铵盐等含量。可见,添加适量的生物炭与菌剂能有效降低堆肥产品EC值,改善堆肥产品品质。发芽指数(GI)也是常用于发映堆体是否腐熟完全的重要指标[12]。本研究结果发现,由于堆肥初期氨挥发和酚类物质积聚,各堆体的GI值较低。随着堆肥发酵的进行(堆肥14～21 d)后,各堆体的GI值>80%,并且T6、T7和T8处理的GI值明显高于其他处理,产生这种现象的原因可能是堆肥过程中有机物经降解产生大量的刺激性物质,如低分子量的酚类、有机酸类会抑制小麦的生长[27],而这些物质随着堆肥过程会不断减少,这说明添加生物炭和微生物菌剂不但能够促进堆体中有机物进一步转化,也有助于种子的萌发生长。这与Mao等在猪粪堆肥添加生物炭的研究结果[28]相类似。

3.2 添加生物炭和微生物菌剂对菇渣堆肥养分指标的影响

增加堆肥过程中碳素和氮素固持对于提升堆肥品质和减少环境污染至关重要[29-30]。本试验中,堆肥结束各处理有机质含量较初始降低了8.03%～17.90%,具体表现为T4>T8>T1>T6>T3>T2>T7>T5。T4、T8处理较其他处理有机质降解速率较快。武晓桐在以秸秆和牛粪为原料的堆肥研究中表明,生物炭通过影响堆肥中固氮类细菌和反硝化细菌等微生物群落多样性及其功能代谢途径,从而减少碳氮损失[31]。堆肥过程中氮素转化主要包括硝化、氨化、反硝化以及生物吸收固持等[32]。前人研究表明,堆肥前期温度升高,有机物料在矿化作用和氨化作用下使得铵态氮含量增加[33],其中一部分经硝化作用转化为硝态氮,另一部分被微生物用于维持自身生命活动利用转化成腐殖质,铵态氮含量表现出先升高后降低,而硝态氮含量总体呈增加趋势。本研究中,堆肥结束T1～T8处理的全氮含量较初始值平均增加17.30%,其中T7处理显著高于T1、T3、T4处理。从铵态氮含量来看,含添加剂的T2～T8处理显著低于没有添加剂的T1处理,硝态氮含量则相反,尤以添加10%生物炭和0.3%微生物菌剂的T7处理硝态氮含量最高。这与堆肥结束时干物质失质量率和氮素损失率变化相一致,即相比于其他处理,T7和T8具有较低的干物质失质量率和氮素损失率。这说明在堆肥中添加复合菌剂和生物炭有利于氮素的固持,这可能与生物炭对氨气的吸附保留以及微生物的固氮作用有关[34]。

堆体中存在的各形态磷素随着堆肥进行不断相互转化[35]。本研究发现,堆肥结束各处理全磷含量较初始有明显的增加,全磷表现为T6>T8>T7>T3>T5>T4>T2>T1,而速效磷为T7>T5>T6>T3>T4>T8>T2>T1,这可能是由于在堆体中添加生物炭复合菌剂帮助微生物分解有机酸,更加有效活化磷素,促进菇渣堆肥的磷素有效性。李宇航等的研究[36-37]均表明,在鸡粪堆肥中添加生物炭处理较对照组显著增加堆体全磷含量。钾素与磷素的变化趋势基本一致,至堆肥结束,各处理全钾含量表现为T7>T5>T2>T1>T6>T3>T4>T8,速效钾含量表现为T7>T8>T6>T5>T4>T1>T2>T3。前人研究表明,堆肥中添加生物炭有利于提高速效钾占全钾含量的比例[38],可能是由于生物炭对速效钾的吸附固化作用。

4 结论

以杏鲍菇菇渣为原料,添加不同比例生物炭和微生物菌剂进行高温好氧堆肥,21 d后各处理可达腐熟要求。

与其他处理相比,添加生物炭和微生物菌剂的T6、T7和T8处理能延长堆肥高温时间,提高小麦种子发芽指数,腐熟最彻底。T6、T7处理较其他处理显著增加堆肥的全氮含量和全磷含量,T7处理的速效养分含量也明显高于其他处理。

添加生物炭和微生物菌剂处理在减少氮磷损失方面也具有良好的效果,其中T7、T8处理的堆体干物质失质量率和氮素损失率显著低于其他处理。综合来看,添加10%生物炭和0.3%微生物菌剂的T7处理在促进有机物转化和改善堆肥质量有最好的效果。