菌渣基質(zhì)化利用中存在的問(wèn)題與應(yīng)對(duì)策略探討

周晚來(lái),楊睿,張冬冬,林偉,陳雪嬌,王虹,李杰,戚智勇

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所,成都 610213)

食用菌在我國(guó)是僅次于糧、菜、果、油的第五大農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)[1-2]。據(jù)中國(guó)食用菌協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)食用菌總產(chǎn)量3 842萬(wàn)t[3]。按食用菌生物學(xué)效率平均40%計(jì)算，我國(guó)每年的菌渣產(chǎn)生量達(dá)9 605萬(wàn)t[4]。據(jù)調(diào)查，我國(guó)菌渣利用率僅約33%[5-6]，大多數(shù)菌渣被隨地堆放，嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，如何高效利用菌渣成為亟待解決的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[2,7]。另一方面，隨著我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，基質(zhì)產(chǎn)業(yè)在我國(guó)方興未艾，基質(zhì)年市場(chǎng)需求量約為6 616萬(wàn)m3，受制于泥炭資源儲(chǔ)備、基質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)等，我國(guó)每年的基質(zhì)生產(chǎn)量?jī)H為1 000萬(wàn)m3左右[8]，園藝基質(zhì)尤其是高品質(zhì)園藝基質(zhì)供應(yīng)缺口巨大。因此，利用菌渣開(kāi)發(fā)高品質(zhì)基質(zhì)既可緩解我國(guó)食用菌廢棄物帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境壓力，又可為我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供保障。

食用菌栽培一般主要以碎木屑、棉籽殼、麥麩、玉米芯、牲畜糞便等為原料，栽培過(guò)程中僅有部分被降解利用，菌渣中還殘留豐富的木質(zhì)素、纖維素、蛋白質(zhì)等結(jié)構(gòu)物質(zhì)，其有機(jī)質(zhì)含量普遍超過(guò)了45%[9-10]，同時(shí)還含有大量礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如常見(jiàn)菌渣的全N、全P、全K總養(yǎng)分含量為2.7%～5.4%[9]。此外，菌渣中還含有大量的菌絲體以及在菌絲生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的多種糖類(lèi)、有機(jī)酸類(lèi)、酶等活性物質(zhì)[11]。由于食用菌栽培過(guò)程已經(jīng)降解利用了培養(yǎng)基中相對(duì)容易降解的成分，因此菌渣中的有機(jī)物通常相對(duì)更為穩(wěn)定，可作為基質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。此外，菌渣表面存在大量羥基、磷酰基和酚基等吸附性官能團(tuán)，一般具有較高的陽(yáng)離子交換率(cation exchange capacity,CEC)[12]，同時(shí)菌渣還具有容重小、孔隙度大等特點(diǎn)，菌渣的這些特性賦予了其極好的基質(zhì)化利用潛力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)菌渣的這些性質(zhì)進(jìn)行了大量研究，探索了菌渣基質(zhì)化利用的多種方式，并取得了一定的進(jìn)展。盡管如此，在菌渣基質(zhì)化利用中也曝露了一些問(wèn)題，使得菌渣的基質(zhì)化利用情況并不盡如人意。本文深入分析和總結(jié)歸納了菌渣基質(zhì)化利用中存在的問(wèn)題，并探討其應(yīng)對(duì)策略，不僅有助于實(shí)現(xiàn)菌渣的高效基質(zhì)化利用，而且對(duì)于拓寬菌渣的資源化利用渠道也具有借鑒意義。

1 菌渣基質(zhì)化利用研究現(xiàn)狀

菌渣因其獨(dú)特的理化特性和豐富的養(yǎng)分，不僅能夠?yàn)橹参锔堤峁┝己玫母H環(huán)境，還能不斷釋放養(yǎng)分供植物吸收利用，被大多數(shù)科研工作者認(rèn)為是一種潛在的可替代泥炭的理想基質(zhì)[13-14]。

由于菌渣普遍存在pH偏大、電導(dǎo)率(electrical conductivity，EC)偏高、持水性差的缺點(diǎn)，隨著復(fù)配基質(zhì)中菌渣比例的提高，復(fù)配基質(zhì)的持水孔隙往往會(huì)下降，而pH和EC升高，復(fù)配基質(zhì)品質(zhì)下降[15-18]。因此，應(yīng)控制復(fù)配基質(zhì)中的菌渣比例，一般認(rèn)為，復(fù)配基質(zhì)中菌渣的比例應(yīng)控制在60%～75%及以下[15,17-18]。

大量研究表明，菌渣復(fù)配基質(zhì)用于育苗和栽培可以獲得接近于甚至優(yōu)于泥炭基質(zhì)的效果。相關(guān)研究集中在不同菌渣復(fù)配基質(zhì)在不同園藝作物的育苗應(yīng)用上，結(jié)果表明，適當(dāng)調(diào)配的菌渣復(fù)配基質(zhì)種苗在株高、莖粗、葉面積等指標(biāo)上都顯著高于常規(guī)泥炭基質(zhì)[19-22]。在草莓[23-25]、黃瓜[26-28]、辣椒[29]、番茄[30]等作物上的栽培應(yīng)用研究表明，菌渣復(fù)配基質(zhì)顯著提高了其產(chǎn)量。此外，很多研究也表明，菌渣復(fù)配基質(zhì)還可顯著提高作物的產(chǎn)品品質(zhì)[31-32]。

2 菌渣基質(zhì)化利用中存在的問(wèn)題

總體上來(lái)看，菌渣是一種良好的園藝基質(zhì)原料，能夠部分甚至完全替代泥炭。盡管如此，目前資源化利用的菌渣主要還是作為食用菌培養(yǎng)基、有機(jī)肥、土壤改良劑或燃料，作為種植基質(zhì)的相對(duì)較少[2,9,33]。這是因?yàn)槟壳暗木|(zhì)化利用依然存在以下問(wèn)題。

2.1 理化性狀變異大，一致化調(diào)控技術(shù)研究薄弱

在商業(yè)化基質(zhì)栽培中，為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化種植，降低管理難度，要求基質(zhì)產(chǎn)品一致性高。然而，由于栽培原料組成、食用菌種類(lèi)、栽培模式的差別等，菌渣的理化性狀差異懸殊[7]。使用棉籽殼、水稻秸稈、麥稈、玉米芯、木屑等不同原料菌渣的粗蛋白含量為3.82%～13.16%，粗纖維含量為9.32%～31.56%，粗脂肪含量為0.12%～4.55%，粗灰分含量為7.93%～38.66%、鈣含量為0.27%～3.20%、磷含量為0.07%～2.10%[11]。利用棉籽殼分別栽培平菇、香菇和金針菇后，菌渣粗纖維的含量分別為31.6%、52.5%和18.7%，同時(shí)食用菌栽培方式的不同也會(huì)引起菌渣營(yíng)養(yǎng)成分發(fā)生變化[34]。菌渣容重一般在0.15～0.30 g·cm-3，總孔隙度能達(dá)到70%以上，持水孔隙度因原料不同有較大變化[33]，如張德威等[35]測(cè)得香菇菌渣容重為0.16 g·cm-3，持水孔隙度為55.2%；而草菇菌渣容重為0.15 g·cm-3，持水孔隙度僅為12.5%。

實(shí)踐中，單以菌渣作為基質(zhì)往往不理想，一般是與其他原料(主要是泥炭)按比例混合以獲得理想的栽培基質(zhì)。我國(guó)目前對(duì)有機(jī)基質(zhì)理化性狀的調(diào)控研究多數(shù)停留在配方技術(shù)上，而對(duì)混合基質(zhì)的理化性狀形成原理研究極少[36]。研究者一直試圖通過(guò)測(cè)定單個(gè)基質(zhì)組分的特征參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)混合基質(zhì)的特征參數(shù)。一般認(rèn)為，雙組份混合基質(zhì)的一些性狀，如降解率是與其組成材料的比例線性相關(guān)的，但是對(duì)于其他性狀，如持水孔隙率、EC等，則必須把原料顆粒間隙填充效應(yīng)考慮進(jìn)去[37]。國(guó)外一些研究試圖去歸納、總結(jié)有機(jī)混合基質(zhì)的理化性狀與原料的關(guān)系，并建立了一些數(shù)學(xué)模型將混合基質(zhì)的理化特性，如密度[38-40]、持水率[37,41]、pH[42]與各原料的相應(yīng)特性聯(lián)系起來(lái)，用來(lái)預(yù)測(cè)混合基質(zhì)的性能，指導(dǎo)基質(zhì)配比，并取得了一定的效果。盡管如此，關(guān)于有機(jī)混合基質(zhì)的理化性狀與其原料的關(guān)系研究依然不夠深入，難以指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。由于菌渣原料參差不齊，導(dǎo)致菌渣基質(zhì)化產(chǎn)品理化性狀差異較大，質(zhì)量不穩(wěn)定，難以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)產(chǎn)品的穩(wěn)定產(chǎn)出。因此，提高菌渣基質(zhì)化產(chǎn)品的一致性與穩(wěn)定性是菌渣基質(zhì)化利用亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2.2 電導(dǎo)率偏高，高效降鹽技術(shù)缺乏

電導(dǎo)率(EC)是影響基質(zhì)栽培效果的關(guān)鍵指標(biāo)，根據(jù)NY/T 2118—2012蔬菜育苗基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，蔬菜育苗基質(zhì)的EC應(yīng)當(dāng)在0.1～0.2 mS·cm-1；根據(jù)LY/T 2700—2016花木栽培基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，花木栽培基質(zhì)的EC值應(yīng)在0.1～2.0 mS·cm-1；根據(jù)GB/T 33891—2017綠化用有機(jī)基質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，桿插或育苗基質(zhì)的EC≤0.65 mS·cm-1，盆栽、花壇、屋頂用栽培基質(zhì)的EC應(yīng)在0.3～1.5 mS·cm-1，綠地、林地用栽培基質(zhì)EC值應(yīng)在0.3～3.0 mS·cm-1之間。然而，大部分菌渣的EC都較高，如葛桂民等[28]測(cè)定了4種菌渣的EC在2.44～2.61 mS·cm-1；王濤等[17]測(cè)得海鮮菇菌渣EC超過(guò)3.34 mS·cm-1；余文娟等[12]測(cè)定未發(fā)酵草糞類(lèi)菇渣的EC高達(dá)7.37 mS·cm-1；而單洪濤等[18]測(cè)得未發(fā)酵杏鮑菇菌渣EC更高達(dá)8.50 mS·cm-1。高EC使得菌渣只能以較低的比例添加到復(fù)配基質(zhì)中，限制了其應(yīng)用價(jià)值。

解決菌渣高EC問(wèn)題的常規(guī)思路是盡量降低其可溶性鹽含量。常用的方法是淋洗法[14]，但需要浪費(fèi)大量的水。有學(xué)者通過(guò)對(duì)金針菇菌渣進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程中由于K+、Cl-、Na+、Mg2+、Ca2+可被放線菌富集，以化合態(tài)形式存在于放線菌的孢子和殘存菌絲中，因此菌渣中可溶性鹽大幅降低，菌渣EC從8.50 mS·cm-1降低到4.67 mS·cm-1[15,18]。可見(jiàn),使用發(fā)酵的方法可以降低菌渣EC，使得菌渣更加適合作為育苗基質(zhì)，這與余文娟等[12]的研究結(jié)論一致。盡管如此，發(fā)酵只能部分降低菌渣的EC，而不能使其完全降低到基質(zhì)化利用所需的水平，單洪濤等[18]研究認(rèn)為，菇渣栽培帶來(lái)的高鹽脅迫是限制其作為基質(zhì)的瓶頸，這也與張穎等[26]、Medina等[43]的觀點(diǎn)一致。綜上，高EC成為菌渣基質(zhì)化利用的限制瓶頸，高效的前處理以及合理的基質(zhì)工藝是菌渣合理利用的前提，仍需要進(jìn)一步研究解決。

2.3 基質(zhì)化利用技術(shù)單一，未能充分發(fā)揮菌渣潛力

食用菌菌渣中含有糖類(lèi)、有機(jī)酸類(lèi)、酶等菌絲代謝產(chǎn)物以及豐富的微生物群體，可能對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育具有獨(dú)特的活性作用，如抑制病菌、刺激生長(zhǎng)、改善養(yǎng)分供應(yīng)等。食用菌菌渣中的多糖類(lèi)物質(zhì)具有抗氧化[44-45]、抑菌[46]等功效，有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)則有可能通過(guò)改變根際物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，提高根際土壤養(yǎng)分的生物有效性，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)與肥料的利用[47-48]。施用菌渣能夠顯著改善土壤的微生物區(qū)系，使細(xì)菌比例增加，真菌比例減少，可能具有抑制土傳病害發(fā)生的功效[49-50]。盡管如此，目前關(guān)于菌渣中活性物質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育潛在效應(yīng)的研究依然極為缺乏。

上述關(guān)于菌渣在基質(zhì)應(yīng)用方面的研究中多使用發(fā)酵腐熟菌渣。有機(jī)物料發(fā)酵腐熟過(guò)程一般伴隨著氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素以及腐殖質(zhì)等含量及形態(tài)的變化，同時(shí)可生物降解有毒物質(zhì)含量也逐漸降低[51-53]。然而，菌渣中具有獨(dú)特活性的化學(xué)物質(zhì)，如多糖、酶、激素等都很不穩(wěn)定，在堆肥發(fā)酵處理過(guò)程中很可能會(huì)發(fā)生分解轉(zhuǎn)化，使其原有的活性效益消失殆盡[53-54]。與此同時(shí)，堆肥過(guò)程中存在著碳氮損失，不同有機(jī)物料的氮素?fù)p失量均在15%以上，有機(jī)碳損失率可達(dá)30%以上，堆肥時(shí)間越長(zhǎng)，有機(jī)碳與氮的損失量越大[55]。因此，盡管腐熟發(fā)酵處理是目前菌渣基質(zhì)化利用的主要途徑，但其并不能充分利用菌渣的潛力。充分保留和利用菌渣的養(yǎng)分和活性效益有可能顯著提高菌渣基質(zhì)栽培作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而目前關(guān)于這一方面的研究極為欠缺。

3 菌渣基質(zhì)化利用策略探討

3.1 建立典型菌渣理化性狀共享數(shù)據(jù)庫(kù)

菌渣種類(lèi)繁多，不同地區(qū)栽培，不同食用菌菌渣的配方顯著不同，理化性狀千差萬(wàn)別。想要合理利用某一批菌渣，往往需要重新研究，罕有能直接應(yīng)用前人研究成果的，這極大增加了菌渣利用成本，制約了菌渣的實(shí)際應(yīng)用。為此，有必要針對(duì)不同種類(lèi)食用菌，測(cè)定其典型配方、典型栽培模式下菌渣的主要理化性狀，如容重、孔隙結(jié)構(gòu)(空氣孔隙、持水孔隙)、pH、電導(dǎo)率、CEC等，分析其主要組分，如結(jié)構(gòu)物質(zhì)(木質(zhì)素、纖維素、半纖維素)、礦質(zhì)養(yǎng)分、活性成分等，探索菌渣主要理化性狀與食用菌類(lèi)型、配方和栽培模式的聯(lián)系，建立菌渣理化性狀數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)共享的數(shù)據(jù)平臺(tái)公開(kāi)，供后續(xù)的研究者查閱，從而快速確定菌渣利用方案，并將自己的研究成果補(bǔ)充進(jìn)系統(tǒng)，糾正其中的錯(cuò)漏等。

3.2 調(diào)整電導(dǎo)率脅迫應(yīng)對(duì)策略

通常應(yīng)對(duì)菌渣高EC的思路是盡可能降低其EC值，然而，通過(guò)淋洗法必然會(huì)消耗大量的水分，發(fā)酵處理耗時(shí)較長(zhǎng)且難以有效降低EC至適宜范圍。由于不同發(fā)育階段植物對(duì)基質(zhì)EC的敏感度不同，幼苗(尤其胚根剛出現(xiàn)時(shí))比成齡植株更為敏感。然而即便存在鹽分脅迫，種子仍然具有發(fā)芽成幼苗的潛在能力[56-57]，甚至鹽分還可以促進(jìn)種子發(fā)芽，如低濃度的NaCl可以促進(jìn)棉花種子發(fā)芽[58]。因此，一個(gè)潛在的應(yīng)對(duì)菌渣電導(dǎo)率脅迫的策略是降低幼苗可直接接觸區(qū)域的EC，譬如，降低基質(zhì)中心部位的EC，從而避免幼苗根系受到高鹽脅迫，隨著植物生長(zhǎng)、耐鹽性提高，根系逐漸擴(kuò)展至高EC區(qū)域。梁海恬等[59]研究表明，隨著復(fù)配基質(zhì)中菌渣添加比例增高，對(duì)番茄幼苗發(fā)育初期根系產(chǎn)生了一定的抑制作用，而在番茄幼苗發(fā)育后期，增加菌渣添加比例可以顯著促進(jìn)番茄根系的發(fā)育，提高地上部生物量，上述研究暗示充分利用高電導(dǎo)率菌渣具有可行性。

3.3 改進(jìn)菌渣基質(zhì)化利用途徑

現(xiàn)有的菌渣基質(zhì)化利用實(shí)踐中，一般是在菌渣中添加有機(jī)肥和微生物制劑等材料，在高溫發(fā)酵后與其他無(wú)機(jī)基質(zhì)復(fù)配，最終基質(zhì)形態(tài)為散狀顆粒基質(zhì)[10,33]。發(fā)酵腐熟可能導(dǎo)致菌渣中活性成分失效，散狀顆粒基質(zhì)的理化性狀既不穩(wěn)定也不可控。Medina等[43]將未經(jīng)發(fā)酵腐熟處理的雙孢菇和平菇菌渣以不同比例(25%、50%、75%、100%)添加到泥炭中，發(fā)現(xiàn)在菌渣比例低于75%時(shí)，幾種具有不同鹽敏感度的植物(番茄、西葫蘆、辣椒)的發(fā)芽率相對(duì)純泥炭基質(zhì)無(wú)顯著差異。黃松杉等[60]以未發(fā)酵菇渣替代草炭作為三葉草育苗基質(zhì)，張穎等[26]以未發(fā)酵雙孢菇菌渣栽培黃瓜，均獲得了較好效果，表明未發(fā)酵腐熟的菌渣具有作為基質(zhì)主要原料的潛力。近年來(lái)國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一種新型固化基質(zhì)產(chǎn)品(一種可塑性纖維土及其制備方法，專(zhuān)利號(hào)：ZL201510641781.7)，以泥炭為主要原料，在高溫條件(130 ℃左右)下通過(guò)特殊的熱熔纖維將原料混合物固化，所得到的固化基質(zhì)可長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的形狀，并具有優(yōu)良的持水透氣性。固化賦予了基質(zhì)穩(wěn)定的宏觀與微觀結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同來(lái)源的菌渣，通過(guò)調(diào)整原料組成和固化工藝，實(shí)現(xiàn)其微觀結(jié)構(gòu)的一致化，從而達(dá)到持水透氣性的優(yōu)化和一致化，同時(shí)，固化也使基質(zhì)中差異化的電導(dǎo)率分布具有可行性。綜上，以未經(jīng)腐熟的菌渣為主要原料，通過(guò)固化基質(zhì)工藝生產(chǎn)高品質(zhì)園藝基質(zhì)是具有可行性的。