添加油菜籽餅粕對茶樹菇菌渣高溫堆肥進程的影響

陳緒濤,戴朝陽,孫 鵬,胡文君,胡 佳,王洪秀,姚 健,魏云輝*

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)應用微生物研究所,江西 南昌 330200;2.江西農(nóng)業(yè)大學 生物科學與工程學院,江西 南昌 330045;3.江西省高安市公共檢驗檢測中心,江西 高安 330800)

茶樹菇(Agrocybeaegerita)為傘菌目(Agaricales)、糞銹傘科(BoIbitiaceae)、田頭菇屬(Agrocybe)的一類珍稀食藥用菌,學名為柱狀田頭菇,是我國主要栽培的食用菌品種之一[1]。茶樹菇可作為傳統(tǒng)中草藥[2],在消炎殺菌[3]、抗蟲[4]、抗氧化[5]、抗腫瘤[6]和治療心血管疾病[7]等方面具有重要的作用。以前野生茶樹菇只會生長在茶樹上[8],經(jīng)過30多年的人工馴化,福建和江西的茶樹菇人工種植產(chǎn)業(yè)得到了空前的發(fā)展,現(xiàn)在僅江西廣昌年產(chǎn)茶樹菇菌包就超過2.2億筒[9]。在茶樹菇產(chǎn)區(qū),茶樹菇采摘后會形成大量的茶樹菇菌渣,如果不能及時無害化處理這些菌渣,則不僅會浪費資源,而且還會增加產(chǎn)區(qū)的雜菌基數(shù)，造成間接損失。目前利用農(nóng)林廢棄有機物資源進行高溫好氧堆肥發(fā)酵是一個行之有效的辦法,這樣不僅可以殺死有機物中的病原菌和害蟲,防止污染環(huán)境,而且還可以將腐熟的產(chǎn)物轉化為有機肥,使得廢棄資源得到無害化、資源化綜合利用[10]。在一般情況下復合原料高溫堆肥的質(zhì)量要優(yōu)于單一原料堆肥[11]。另外,油菜是我國主要的油料作物,我國油菜籽產(chǎn)量居全球第一,菜籽油也是我國人民的主要食用油之一[12]。油菜籽榨油之后剩下的油菜籽餅粕占總產(chǎn)量的55%[13],但是油菜籽餅粕因含有豐富的抗營養(yǎng)成分而難以得到食用化利用[14],產(chǎn)生了大量的油菜籽餅粕資源。

我們在茶樹菇菌渣中添加不同比例的油菜籽餅粕進行高溫堆肥試驗,通過檢測堆肥進程中關鍵理化指標的變化,確定了茶樹菇菌渣高溫堆肥的最佳油菜籽餅粕添加比例,可以為油菜籽餅粕和茶樹菇菌渣資源化綜合利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

茶樹菇菌渣由江西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)應用微生物研究所提供。油菜籽餅粕購買于江西省南昌市南昌縣油菜籽榨油廠。堆肥主要原料的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 堆肥原材料的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設計

本試驗采取隨機區(qū)組設計,共設4個處理組,分別為C1、C2、C3和CK,每個處理3次重復,具體如表2所示。每組試驗均采用定制的帶蓋泡沫箱模擬反應器進行好氧堆肥發(fā)酵,泡沫箱尺寸為90 cm×70 cm×50 cm(長×寬×高)。每處理組在加水之前堆肥原料總重為40 kg,然后加水至堆體含水量在70%左右后進行自然發(fā)酵,泡沫箱蓋子不進行密封。分別在堆肥發(fā)酵第0、2、4、6、8、10、12、14、16天時,將堆體進行均勻翻動,然后采用五點采樣法進行采樣,每次采樣總重400 g左右,分成2份,一份用于理化指標檢測,另一份放置于-80 ℃冰箱中留樣。

表2 試驗處理設計

1.3 測定指標及方法

堆體溫度測定:在每天早上9:00用水銀溫度計測定堆體中心溫度和環(huán)境溫度。pH值、電導率(EC)、含水率、C/N、總有機碳含量和總氮含量的測定均采用鮑士旦[15]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010和Origin 8.5進行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中溫度的變化

在16 d的堆肥周期內(nèi),每天對4個處理組進行溫度測定,測得堆肥過程中溫度的變化如圖1所示,室內(nèi)環(huán)境溫度的變化范圍為14～21 ℃。結果表明,在一定范圍內(nèi),添加一定量的油菜籽餅粕,有利于提高堆肥升溫速度和縮短達到最高溫度的時間；但當油菜籽餅粕的添加比例超過20%時,反而使得堆肥升溫速度變緩,延遲達到最高溫度的時間。如表3所示：C1和C2處理的堆肥高溫期50 ℃以上保持天數(shù)低于CK組；C3處理的高溫期50 ℃以上保持天數(shù)高于CK組；4組堆肥的高溫期50 ℃以上都保持7 d以上,符合高溫堆肥無公害處理的衛(wèi)生標準。尤其是油菜籽餅粕添加比例在10%～30%范圍內(nèi),隨著油菜籽餅粕比例的增加,堆肥最高溫度也呈上升的趨勢,這更能保證殺死堆料中的病原微生物和害蟲。不過堆肥溫度并不是越高越好,70 ℃左右為臨界值,溫度太高反而會阻礙微生物對有機物的分解[16]。鑒于C3組的堆肥升溫較慢,發(fā)酵周期長,而且堆體最高溫度達72 ℃反而不利于有機物的分解,由此表示30%油菜籽餅粕不是理想的添加比例。

表3 不同處理堆體溫度的變化分析結果

圖1 各處理組在堆肥過程中溫度的變化

2.2 堆肥過程中pH值的變化

如圖2所示,C1、C2和CK組在堆肥進程中的pH值總體上呈先上升后降低的趨勢,主要是由于茶樹菇菌渣與油菜籽餅粕中氮素大多數(shù)以有機氮的形式存在,在堆肥初期,堆體中的部分有機氮經(jīng)過微生物轉化成氨態(tài)氮，氨態(tài)氮溶于水造成pH值升高[17]；隨著堆體溫度的升高,氨態(tài)氮一部分轉變成氨氣而揮發(fā)掉,而且在微生物分解有機物過程中產(chǎn)生酸性物質(zhì),從而導致中后期pH值略微降低。添加油菜籽餅粕處理組的初始pH值均高于CK組。在C3處理組,在發(fā)酵后的0～4 d, 堆體的pH值略微升高;在第4～14天,堆體的pH值已無顯著變化；堆肥全過程的pH值均高于初始值。不過相關研究結果表明,在高溫堆肥進程中,pH值上升可能會造成氮素的損失[18]。在堆肥發(fā)酵結束后,添加油菜籽餅粕的處理組C1、C2和C3的pH值分別為8.21、8.48和8.76,均在8.0～9.0之間,符合高溫堆肥pH值的腐熟標準[19],而CK組的pH值為7.30,表明添加油菜籽餅粕有利于堆肥無公害化。

圖2 各處理組在堆肥過程中pH值的變化

2.3 堆肥過程中電導率(EC)的變化

不同處理堆肥EC的變化如圖3所示,在堆肥進程中,C1、C2、C3和CK組的EC均先緩慢增加,然后增加速率提升,最后緩慢下降趨于平穩(wěn),且均高于初始值,這主要可能是由于堆肥過程中隨著有機物的分解,釋放出大量的礦物鹽,導致EC增加；在堆肥后期由于礦鹽沉淀和氨揮發(fā)造成EC一定程度的降低[20]。C1、C2、C3組堆體的初始EC和結束時的EC值均高于CK組；在油菜籽餅粕添加比例10%～30%的范圍內(nèi),堆體的EC與油菜籽餅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,符合無公害堆肥處理的標準。EC在一定程度上可以反映堆體的可溶解性鹽濃度和有效肥力,因此,在茶樹菇菌渣中添加一定比例的油菜籽餅粕進行堆肥發(fā)酵,有利于提升堆體的礦物鹽含量,提升有機肥的有效肥力。

2.4 堆肥過程中含水率的變化

圖4顯示了C1、C2、C3和CK組堆肥進程中含水率的變化,初始含水率均在68%～71%；4組試驗在整個堆肥過程中含水率是不斷下降的,分別下降了1.5%、14.4%、5.8%和6.6%。這是由于在堆肥進程中微生物分解有機物需要消耗水分,此外在翻堆和通風過程中有一些水分會自然流失[22]。其中C2組水分下降率最大,說明該組堆肥微生物的活動最為活躍,代謝最為旺盛。

圖4 各處理組在堆肥過程中含水率的變化

2.5 堆肥過程中C/N的變化

碳氮比(C/N)是可以反映堆體腐熟程度的一個重要指標[23]。從圖5可以看出：CK組的初始C/N為33.69；通過添加不同比例的油菜籽餅粕后,C1、C2、C3組的初始C/N分別為26.96、19.71、17.45；經(jīng)過16 d的高溫堆肥發(fā)酵,C1、C2、C3和CK組的C/N均呈現(xiàn)下降趨勢,分別降低至18.01、15.61、14.43和26.84,分別降低了33.2%、20.8%、17.3%和20.3%。有研究[24]表明,堆體的C/N應達到16以下理論上才真正認為該發(fā)酵進程達到完全腐熟的標準。按此標準，本試驗的C2和C3組堆肥達到了完全腐熟程度。

圖5 各處理組在堆肥過程中C/N的變化

2.6 堆肥進程中總有機碳和總氮含量的變化

土壤中總有機碳含量和總氮含量是衡量土壤肥力的重要指標,而且其含量與肥力呈正相關性[25-26]。由表4可見,經(jīng)過16 d的高溫堆肥發(fā)酵,C1、C2、C3和CK組堆體的總有機碳含量分別增加了2.49%、26.49%、8.67%和6.62%,總氮含量分別增加了53.42%、59.63%、31.40%和33.85%。數(shù)據(jù)表明,C2組在發(fā)酵結束后,堆體的總有機碳含量和總氮含量均最高,間接增加了堆體的肥力;C3組堆體的總有機碳含量和總氮含量均與C2組有較大的差距,這與2.1中所述C3堆體最高溫度達72 ℃不利于微生物對有機物的分解吻合。

表4 堆體中總有機碳含量和總氮含量的變化

3 結論與討論

在農(nóng)林廢棄有機物堆肥發(fā)酵過程中,溫度是最重要的因素之一[27]。不同堆肥原料或不同原料配比對堆體溫度的影響是顯著的[28],對各階段溫度的持續(xù)時間也有影響[29]。本試驗結果表明：在茶樹菇菌渣中添加一定量的油菜籽餅粕有利于加快堆體升溫(如處理C1和C2),而過量的油菜籽餅粕會延遲升溫速度和延長發(fā)酵周期(如處理C3);添加油菜籽餅粕堆體的最高溫度均高于純菌渣堆體,而且持續(xù)50 ℃以上高溫的時間均在7 d以上。

堆體的pH值、電導率、含水率和C/N均是衡量物料好氧高溫發(fā)酵堆肥效果的關鍵參考因素[30]。本試驗結果表明:經(jīng)過16 d的高溫堆肥好氧發(fā)酵,C1、C2、C3和CK組的pH值分別為8.21、8.48、8.76和7.30,其中C1、C2和C3組的pH值滿足堆肥腐熟標準[19](pH值8.0～9.0),說明堆體中添加油菜籽餅粕有利于堆肥無公害化處理;C1、C2、C3和CK組在堆肥進程中電導率均先上升后微降再趨于平穩(wěn),其中C1、C2和C3組的電導率都高于CK組,且均在敏感植物忍受的EC值以下,說明添加油菜籽餅粕有利于提升堆體的可溶性礦物鹽含量,提高堆體的有效肥力;C1、C2、C3和CK組在堆肥進程中水分一直下降,尤其是C2組下降率最大,說明C2組堆體的微生物活動最為活躍,代謝最為旺盛;添加油菜籽餅粕有利于降低堆體的C/N,C1、C2、C3和CK組在堆肥進程中C/N均呈現(xiàn)下降趨勢,分別降低至18.01、15.61、14.43和26.84,其中C2和C3的C/N在理論腐熟標準16以下,而且C2組在發(fā)酵結束后,堆體的總有機碳含量和總氮含量最高,肥力達到最大。

綜上所述,結合4組試驗堆肥進程中溫度、pH值、電導率、含水率、C/N、總有機碳含量和總氮含量等理化指標的綜合考量,C2處理組滿足堆肥腐熟要求且條件最佳,即在堆肥進程中50 ℃高溫持續(xù)8 d;在堆體發(fā)酵結束時pH值為8.48,符合腐熟的pH要求;EC值為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，為14.4%;C/N為15.61,滿足C/N為16以下的腐熟要求;總有機碳和總氮含量最高,分別為27.17%和1.74%;總有機碳和總氮含量的增幅最高,分別增加了26.49%和59.63%。由此得出,茶樹菇菌渣高溫好氧堆肥的最佳配比為80%茶樹菇菌渣+20%油菜籽餅粕。