菌渣發酵有機肥養分含量變化及碳氮損失

干瑩瑩 ,李娜 ,顧斌斌 ,陳喜靖?

(1.慈溪市瑞豐農業投資有限公司,浙江 慈溪 315300;2.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021;3.浙江恒海農業開發有限公司,浙江 寧波 315192;4.浙江農藝師學院,浙江 杭州 310021)

菌渣堆肥不僅可以實現廢棄物資源化利用,還可以減少生態環境的負擔。食用菌菌渣在栽培完食用菌后,其中的纖維素、半纖維素和木質素發生部分降解,并產生多種糖類、有機酸類、酶等生物活性物質[1]。利用菌渣發酵的有機肥可改善土壤性質[2],增加農作物產量[3]。

有關菌渣堆肥發酵過程中C/N、pH、溫度等變化的研究已有不少報道,不同地區食用菌栽培品種及其選用的栽培原料各有差異,菌渣堆肥技術及有機肥產品質量也有所不同。汪峰等[4]研究結果認為,蟹味菇菌渣與豬糞的適宜堆肥比例為8∶2。

堆肥過程中,微生物發酵產物CO2、H2O、NH3等以揮發的形式損失,有機肥的總干物質量逐漸下降,而磷、鉀等含量則因為總干物質量的減少而濃縮,含量逐漸上升[1]。碳氮損失和變化不僅影響有機肥的產量,而且還影響有機肥氮的轉化效率。本研究以蟹味菇菌渣為主要原料,通過結合豬糞、羊糞、稻草等原料研究其在堆肥過程中的碳氮損失和養分含量變化,以期為提高菌渣有機肥堆肥效率和養分含量提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2017 年8—10 月在慈溪市進行,供試材料為蟹味菇菌渣、畜禽糞便 (豬糞、羊糞) 和稻草 (粉碎),菌渣、豬糞、羊糞、稻草含水率分別為50.5%、59.6%、21.6%和23.7%。菌渣是蟹味菇栽培后的基質,由木屑、玉米芯、棉籽皮、米糠、麥麩等組成,由慈溪市瑞豐農業投資有限公司食用菌生產基地提供,其他原料由浙江恒海農業開發公司提供。

1.2 處理設計

按濕質量比設5 個處理:菌渣 (F1);菌渣∶豬糞8∶2 (F2);菌渣∶豬糞6∶4 (F3);菌渣∶羊糞6∶4 (F4);菌渣∶豬糞∶稻草6∶2∶2(F5)。將原料用攪拌機充分攪拌均勻后堆放于發酵槽中,體積為2 m3,調節初始含水率至50%～60%,避雨發酵,每10 d 進行人工翻堆1 次,堆期63 d。

1.3 測定項目與方法

發酵過程中每隔9 d 采集一次堆肥樣品 (多點采樣),直至發酵結束,主要分析堆肥有機碳、氮、磷含量和pH 變化。其中,有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法測定,全氮采用半微量開氏法測定,全磷采用碳酸鈉熔融法測定,pH 采用水土比2.5∶1.0 的方法測定[5]。

1.4 數據處理與分析

試驗數據采用Excel 2017 和SPSS 19.0 軟件進行統計分析,采用Excel 2017 軟件作圖。

由于全磷和全鉀在發酵過程中基本沒有損耗(忽略滲濾液造成的損失),發酵前后的磷總量不變,但含量隨總干物質量的降低而升高;如果計入損失的碳氮,發酵前后碳氮含量的比例應該與磷含量的比例是一致的。

以氮為例:

式中:CN為堆肥結束時全氮含量 (氮含量和揮發損失氮量);CN0為堆肥前全氮含量;CP1為堆肥結束時全磷含量;CP0為堆肥前全磷含量。

假設堆肥結束時測得氮含量為n1,若計入揮發損失氮量 (nx),即總氮含量:

結合式 (1) (2),可以計算出nx。nx占全氮含量的百分比為:

式中c為碳氮損失率。

2 結果與分析

2.1 養分含量增長率

原料中全氮、全磷含量由高到低依次為豬糞(分別為31.5 和26.1 g kg-1) >羊糞 (分別為30.3和14.9 g kg-1) >菌渣 (分別為22.6 和7.1 g kg-1) >稻草 (分別為11.5 和1.2 g kg-1)。有機碳含量順序則正好相反,豬糞、羊糞、菌渣、稻草分別為198、281、293 和424 g kg-1。菌渣鉀含量較高 (23.2 g kg-1) 而pH 較低 (5.5)。因此,在堆肥進行配料時,菌渣比例越高,鉀含量越高,pH越低,增加豬、羊糞比例可以提高氮、磷含量。表1 表明,全氮、全磷含量以F3、F4 處理較高,F1和F5 處理較低;全鉀含量以F1 處理最高,F5 處理最低;有機碳含量以F5 處理最高,F3 處理最低;5 個處理的C/N、pH 分別在10.1～ 14.8 和5.5～6.4,低于微生物活性適宜C/N 25～30 和適宜pH 6.5～7.5。

表1 不同處理原料的養分含量

不同處理養分含量在堆肥發酵后發生了較大的變化 (表2)。F3 處理有機碳含量最高,發酵前后的變化量最小,說明F3 在整個發酵過程中的碳損失率較低。全氮含量以F1 處理最高,其次為F3 處理,F4 處理最低;與發酵前相比,全氮含量增長率F1 處理最高,為99%,F5 處理次之,為86%,F2 處理第三,為69%,F3、F4 處理第四、五,分別為64%和41%。全磷含量以F3 處理最高,其次為F2;但與發酵前相比,全磷含量增長率F1、F2和F5 較高,分別為166%、120%和114%,F3、F4 較低,分別為78%和52%。全鉀含量F1 處理最高,F2、F3 處理第二和第三,F5、F4 處理較低。發酵后堆肥C/N 均下降至2.6～ 3.4,pH 升至7.5 ～8.3。

表2 不同處理原料堆肥發酵后的養分含量

堆肥過程中由于總干物質質量的下降,全氮、全磷、全鉀等養分含量均有所增長,氮在發酵過程中有NH3的揮發損失,因此,全氮的增長率不及全磷、全鉀。發酵后有機肥的總養分含量以F1 處理最高,其次為F2 和F3 處理,F4 和F5 處理的總養分含量相對較低,F2、F3 處理比F1 處理分別低6.9%和11.6%;但從總養分含量的增長率來看,F1、F5 和F2 處理較高,分別為144%、104%和103%,F3、F4 處理較低,分別為74%和18%。

2.2 碳氮損失率

有機肥堆制過程中碳氮損失不僅關系著最終有機肥的養分含量,也關系著有機肥的轉化效率和可利用率。圖1 為不同處理有機肥在堆肥過程中的碳氮損失率,碳損失率為80.6%～96.1%,表現為F1(96.1%) >F5>F2 (90.2%) >F4>F3 (80.6%);氮損失率為7.2%～26.4%,氮損失率由高到低依次為 F1 (26.4%) >F2 (24.2%) >F5 >F3(8.6%) >F4。C/N 降低以F4 處理最高,其次為F3 (9.34) 和F5 處理,F3 處理為3.72,F1 處理最低,為3.64。相同物料不同比例的堆肥,菌渣與豬糞6∶4 處理比8∶2 處理的碳、氮損失率低,而C/N 降低較高,說明F3 處理的氮損失率相對于碳損失率低;但與羊糞相比,相同比例 (6∶4)的豬糞與菌渣堆肥發酵的C/N 比降低較小。

圖1 不同處理堆肥的碳氮損失率與C/N

堆肥過程中碳損失率與發酵前初始C/N 呈極顯著 (P<0.01) 相關性,根據兩者之間的關系式可以推算,當初始C/N 為13.4 時,碳損失率達最高 (圖2);氮損失率與初始C/N 沒有顯著相關性,而與初始pH 呈顯著 (P<0.05) 負相關 (圖3)。以上結果說明,有機肥發酵過程的碳、氮損失可能分別與不同的影響因素有關。

圖2 不同處理堆肥碳損失率與初始C/N 和pH 的關系

圖3 不同處理堆肥氮損失率與初始C/N 和pH 的關系

3 小結與討論

純蟹味菇菌渣堆肥發酵后,總養分含量最高,同時,發酵過程中的碳氮損失率也最高,說明有機肥總養分含量高但產出量較低。純菌渣堆肥處理C/N 比降3.64,低于其他處理,說明純菌渣堆肥在發酵過程中損失的相對氮量也較高。汪峰等[4]研究結果表明,純菌渣處理由于難分解的纖維素含量較高,且缺少外源菌等原因發酵時間較長,其中50 ℃以上持續時間高達40 d,比其他處理長7～13 d,因此,不建議對純菌渣直接進行堆肥發酵。

與純菌渣堆肥發酵相比,菌渣與豬糞比例8∶2 和6∶4 堆肥發酵后,總養分含量分別低6.9%和11.6%,但由于豬糞的磷含量較高,全磷含量分別比純菌渣處理高20.1%和30.2%;與此同時,菌渣與豬糞比例8∶2 和6∶4 堆肥處理的碳損失量占總碳的 90.2% 和 80.6%,氮損失量占總氮的24.2%和8.6%,均低于純菌渣處理的96.1%和26.4%,C/N 分別降低3.72 和9.34。由此可以看出,菌渣與豬糞8∶2 堆肥與6∶4 相比,8∶2 處理總養分含量較高,全磷含量較低,碳氮損失量較大,C/N 降低較小,可以根據生產實際需求進行配比。相對于豬糞,羊糞的C/N 較高,總養分含量較低,與菌渣在6∶4 的比例下混合發酵,羊糞的碳氮損失較高,尤其是氮損失較高。

本研究通過堆肥發酵前后的碳氮含量變化估算堆肥過程中的碳氮損失,不同處理的碳損失率為80.6%～96.1%,氮損失率為7.2%～26.4%。這個結果與秦莉等[6]通過堆肥發酵系統所測得的不同C/N 豬糞發酵過程中釋放氣體的研究結果有些差異,他們的研究結果表明,豬糞在發酵過程中碳的絕對量減少46.90%～ 73.28%,氮的絕對量減少25.46%～42.34%;兩者不同的原因除計算估算結果與實測結果的差別外,發酵基質、發酵條件與發酵天數也都有很大區別。

本研究表明,初始C/N 與堆肥過程中的碳損失率有顯著的相關性,C/N 在10～15,堆肥過程中碳損失率隨C/N 的升高呈先上升后降低趨勢,當C/N 為13.4 時碳損失率最高。Goyal 等[7]的研究也表明,C/N 與CO2逸出量有顯著的相關性。秦莉等[6]的研究表明,碳的減少量隨C/N 的增大而增大。另外,本研究結果表明,氮損失率與初始p H 呈顯著線性負相關,而與初始C/N 沒有顯著相關性。通常認為,氨揮發是堆肥過程中氮損失的主要的途徑[8],較高的pH 有利于氨揮發,增加氮損失,但初始pH 會顯著影響微生物群落結構[9],且微生物分解不同基質成分的適宜p H 也不盡相同[10]。不過另有研究認為,豬糞等氨揮發量與C/N[11]和曝氣速率[12]等相關。