生物炭和微生物菌劑添加對菇渣好氧堆肥過程及其養分變化的影響

李其勝, 殷小冬, 董青君, 楊文飛, 杜小鳳, 文廷剛, 賈艷艷, 顧大路

(江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所,江蘇淮安 223001)

我國是食用菌生產大國,每年至少產生1 600萬t菇渣,如不能對其合理利用,易造成農業有機資源浪費和二次環境污染[1]。菇渣中含有豐富的多糖、蛋白質、有機質和多種酶等活性物質,是良好的堆肥材料。好氧堆肥處理成為資源化利用菇渣最有效的方法之一[2]。在堆肥過程中,菇渣養分含量因總干物質量的減少產生濃縮效應而增加[3]。過去的自然堆制發酵時間長,且因氨揮發等過程導致養分流失,顯著降低了堆肥產品品質[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為人們關注的熱點[5]。

許多研究表明,在堆肥過程中施入一定量的添加劑對提高堆肥質量、強化重金屬的鈍化有較好的效果[6-8]。常見的添加劑包括具有耦合吸附作用的生物炭、沸石,某些化學物質,如過磷酸鈣及外源微生物等[9-10]。生物炭因具有疏松多孔的物理結構使其具有較強的吸附性能,近年來常作為堆肥添加劑使用[11]。有研究認為,將生物炭應用在堆肥上可顯著加快堆體腐熟進程,利于氮素的保持,增加微生物量[12]。也有學者認為,生物炭還可為微生物生長提供多種養分及適宜的生態位,強化微生物介導的生化反應,促進堆肥有機質降解和腐殖化[13]。如Tu等研究發現,生物炭與微生物菌劑復合體顯著提高豬糞堆肥細菌群落的豐度和多樣性,并顯著增加擬桿菌門和軟壁菌門群落豐度[14]。Zhao等在關于雞糞堆肥研究中發現,添加外源菌劑可加速堆肥物料中的纖維素、半纖維素降解,促進堆肥腐熟[15]。因此,在堆肥過程中同時添加生物炭和復合菌劑,有望進一步提高堆肥效率[16-17]。當前有關添加生物炭或微生物菌劑對有機廢棄物堆肥的研究較多,但關于同時添加復合菌劑和生物炭對食用菌菇渣堆肥過程的聯合效應仍不明確,有關其對堆肥養分固持和品質提升等方面的機制有待研究[18]。

為探明生物炭聯合微生物菌劑對菇渣堆肥品質的調控作用,本研究以杏鮑菇菇渣為原料,添加不同比例生物炭和微生物菌劑進行堆肥發酵,通過堆體溫度、pH值、含水率、電導率、種子發芽指數及菇渣養分等指標,確定添加生物炭和微生物菌劑適宜比例,以期能科學評估外源炭載微生物菌劑對食用菌菇渣堆肥腐殖化進程的影響,為菇渣的資源化利用和炭載微生物菌劑在農業廢棄物堆肥方面的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試菇渣來自江蘇淮香食用菌有限公司,為杏鮑菇栽培廢料,其成分主要是木屑、玉米芯和甘薯渣等;供試微生物菌劑購自淮安市大華生物科技有限公司,主要包括:枯草芽孢桿菌、米根霉、粉狀畢赤酵母和戊糖片球菌,有效活菌數總量為2×108CFU/g 以上;生物炭購自市售。供試材料的基本性質見表1。

表1 堆肥原料的初始性質

1.2 菇渣堆肥試驗設計

于2022年3月在淮安市農業科學研究院科研創新基地進行堆肥,試驗共設置8個處理,分別為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%菌劑),T6(菇渣+5%生物炭+0.3%菌劑),T7(菇渣+10%生物炭+0.3%菌劑),T8(菇渣+15%生物炭+0.3%菌劑)。生物炭和微生物菌劑均按照質量百分比添加。每個處理設置3個重復,在加水前堆肥原料總質量均為30 kg,與添加劑混勻后放入長90 cm×寬70 cm×高50 cm的泡沫箱中,然后加水至堆體含水率為60%左右進行發酵。每天14:00測定堆體中心的溫度,然后人工翻堆,每隔2 d翻堆1次。

1.3 堆肥樣品采集與測定

在堆肥進行到0、3、7、14、21 d時,混勻原料翻堆,從堆體不同部位采集等量樣品并混勻,樣品一份進行風干、研磨后過100目篩,用于全量養分的測定,另一份保存于-20 ℃冰箱待測。

堆體溫度使用電子溫度計插入堆體中部測得;含水率采用恒質量法測定;pH值采用pH計測定;EC值用電導率儀測得;全氮用硫酸和過氧化氫酸消煮后,半微量凱氏定氮法測定;有機碳采用重鉻酸鉀容量法測定;速效鉀采用火焰光度計法測定;銨硝含量用流動分析儀[19]測定。

種子發芽指數方法:將堆肥樣品(5.0 g)置于錐形瓶中,采用蒸餾水按照1 ∶10(質量體積比)比例于搖床上振蕩浸提,在含濾紙的培養皿內加入 10 mL 濾液,其上均勻放入10粒大小基本一致、顆粒飽滿的小麥種子,蓋上培養皿蓋,在培養箱中避光條件下培養48 h,計算發芽率并測定主根長。以蒸餾水作對照,共計3次重復。計算公式為:GI=(A1×A2)/(C1×C2)×100%。其中,A1和C1分別為堆肥浸提液和對照的種子發芽率,%;A2和C2為堆肥浸提液和對照培養種子的平均根長,mm。

干物質損失與氮素損失均參考張文明等的方法[20],計算公式如下:

Wi=(Di-D0)/D0×100%;

(1)

Ni=(Di×Ei-D0×E0)/(D0×E0)×100%。

(2)

式中:Wi為第i天堆肥干物質失質量率;D0、Di分別為各處理堆肥原料0d和id干物質量,kg;Ni為第i天堆肥氮素損失率;E0、Ei分別為各處理堆肥原料 0 d 和id全氮含量,g/kg。

1.4 數據處理

試驗數據采用Duncan’s法檢驗各處理間差異性(α=0.05)。采用Excel 2016和Origin 2022b進行制表和作圖。

2 結果與分析

2.1 堆肥過程中溫度和含水率的變化

堆肥的第1天各處理均進入高溫階段(>50 ℃),并在50～65 ℃范圍內保持約10～12 d后逐漸降低至室溫。添加生物炭和復合菌劑處理(T6、T7、T8)較其他處理高溫期延長2～3 d,其中,T8處理高溫期持續時間最長,40 ℃ 以上時間為 13 d,最高溫度達63.4 ℃。在堆肥11～21 d,各處理堆溫呈下降趨勢,進入后熟期,T8堆溫明顯高于其他處理。整個堆肥過程中,各處理堆肥溫度均達50 ℃并保持10 d以上,達到堆肥無害化溫度要求,符合農業廢棄物腐熟標準。

由圖1可知,在堆肥過程中,各處理含水率隨堆肥進行不斷降低,到21 d,T1～T8處理較堆肥初含水率減少了29%～36%。從整體來看,堆肥含水率在0～14 d下降最劇烈。各個處理間含水率變化無顯著差異,僅T6處理在堆肥21 d含水率較高。

2.2 堆肥過程中pH值、電導率和發芽指數的變化

由圖2可知,各處理的堆體pH值整體呈先上升后趨于平穩。在堆肥前期,各處理平均pH值從6.9迅速上升至7.6。堆肥后期,各處理pH值穩定在7.6～7.9。各處理的電導率(EC)隨著堆肥時間的延長均呈下降趨勢,僅T6、T8處理在堆肥后期呈波動上升趨勢。與T1處理相比,T3、T4和T7顯著降低堆體電導率。整體觀察,T1～T8處理堆體電導率在1.75～2.03 mS/cm,均低于4 mS/cm的腐熟堆肥標準。在堆肥初期由于小分子有機酸和NH3等的大量產生,GI值相對較低,均在60%以下。隨著堆體中氨排放逐漸減少,GI值逐漸增加。在堆肥 21 d,各堆體的GI值在90%以上,其中T7處理的GI值(140%)顯著高于其他處理。

2.3 堆肥過程中有機碳 和各養分含量的變化

經過21 d的堆肥發酵,各堆體中有機碳含量顯著下降,而全氮含量呈明顯增加趨勢。由表2可知,堆肥初始各處理有機碳含量為374.73～427.65 g/kg,堆肥結束時為333.02～365.73 g/kg,各處理間有機碳含量無顯著差異。T7處理堆肥結束全氮含量顯著高于T1、T3和T4處理。各處理C/N在堆肥21 d較堆體初期顯著下降,數值范圍在16.36～19.72。適宜的C/N是堆肥成功的關鍵因子,若堆肥結束時C/N下降至15～20之間就可認定為堆肥已腐熟[21]。

堆體物料隨堆肥過程中有機磷分解,總磷和速效磷的含量顯著增加。由表3可知,在堆肥21 d,各處理堆體全磷含量較初期增幅32.3%～107.8%,其中,T1處理全磷含量顯著低于其他各處理。而速效磷含量較初期增幅為53.7%～104.3%,其中,尤以T7處理顯著高于其他7個處理。堆肥結束時,僅T1處理降低速效磷在全磷中所占比例,而其他處理均增加這一比例,這說明添加生物炭或微生物菌劑可以提高磷的活化作用,使得速效磷相對含量增加。

由表4可知,與磷素變化相似,堆肥結束時各處理全鉀和速效鉀呈明顯增加趨勢。與其他處理相比,T6、T7和T8處理顯著提高了速效鉀含量和速效鉀/全鉀。

表2 不同處理下有機碳、全氮和碳氮比的變化

表3 不同處理下全磷、速效磷含量變化

表4 不同處理下全鉀、速效鉀含量變化

2.4 堆肥過程中干重損失和氮素損失率的變化

由圖3可知,所有處理的銨態氮迅速升高,并在堆肥3 d達最大值,數值范圍在2.00～3.12 g/kg,具體表現為T1>T2>T8>T3>T6>T7>T5>T4。堆肥結束后,所有處理銨態氮含量均保持在較低值,數值范圍在0.47～0.59 g/kg,具體大小順序為 T1>T5>T6>T2>T4>T8>T3>T7,與堆體初始相比降幅為73.1%～83.6%。由于堆肥過程的硝化作用,各處理硝態氮含量隨堆肥過程呈上升趨勢。硝態氮在堆肥升溫期(0～14 d)過程中變化幅度不大,在14～21 d硝態氮含量迅速上升。堆肥結束后硝態氮含量數值范圍在0.70～1.16 g/kg,具體呈現T7>T6>T8>T3>T5>T4>T2>T1。

由圖4可知,隨堆肥過程進行,所有處理物料干物質損失和氮素損失率明顯增加。在堆肥0～14 d為堆肥物料干物質損失升高階段,14～21 d為干物質損失變緩階段。從整個堆肥周期觀察,T1處理干物質損失率最高,T7和T8處理損失率最低。堆肥結束,各堆肥處理氮素損失率在16.8%～29.72%,具體損失率順序為T2>T3>T1>T4>T6>T5>T8>T7,顯然添加生物炭和微生物菌劑處理組具有更低的氮素損失。

3 討論

3.1 添加生物炭和微生物菌劑對菇渣堆肥腐熟指標的影響

溫度是衡量高溫堆肥腐熟是否完全的重要指標,堆肥微生物分解有機物產生大量熱量導致堆體溫度快速升高[22]。高溫好氧堆肥技術中堆體升溫快,高溫時間長,則腐熟進程加快,腐熟時間縮短。相比T1處理,本試驗中T6、T7、T8由于生物炭和復合菌劑的添加,其堆體高溫持續時間更長,堆體積溫更高,這與涂志能的研究[18]相一致,其結果表明添加菌劑和生物炭均能加速堆體物料中有機質降解,促進堆體溫度增加。pH值能夠影響堆體內微生物活性和生化反應速度,常用作評價堆肥腐熟程度[23]。試驗中,所有堆肥處理的初始pH值為 6.75～7.11,隨著堆肥的進行,堆體pH值迅速升高后逐漸穩定在7.87～7.97之間。田偉等也在香菇菌渣堆肥中添加微生物菌劑的試驗中發現了相似的結果[24]。電導率(EC)的大小與堆肥的含鹽量有關,用作育苗基質的堆肥,其EC值不宜>2.6 mS/cm,否則會對幼苗產生毒害作用[25]。本研究表明,各堆肥處理的EC值較初始菇渣的EC值均大幅下降至1.75～2.03 mS/cm,其中添加生物炭的處理EC值較低,這與付祥峰等的研究結果[12]一致。堆肥產品EC值的降低是由于生物炭和菌劑的添加促進有機物質腐殖化過程,降低了有機酸鹽、磷酸鹽和銨鹽等含量。可見,添加適量的生物炭與菌劑能有效降低堆肥產品EC值,改善堆肥產品品質。發芽指數(GI)也是常用于發映堆體是否腐熟完全的重要指標[12]。本研究結果發現,由于堆肥初期氨揮發和酚類物質積聚,各堆體的GI值較低。隨著堆肥發酵的進行(堆肥14～21 d)后,各堆體的GI值>80%,并且T6、T7和T8處理的GI值明顯高于其他處理,產生這種現象的原因可能是堆肥過程中有機物經降解產生大量的刺激性物質,如低分子量的酚類、有機酸類會抑制小麥的生長[27],而這些物質隨著堆肥過程會不斷減少,這說明添加生物炭和微生物菌劑不但能夠促進堆體中有機物進一步轉化,也有助于種子的萌發生長。這與Mao等在豬糞堆肥添加生物炭的研究結果[28]相類似。

3.2 添加生物炭和微生物菌劑對菇渣堆肥養分指標的影響

增加堆肥過程中碳素和氮素固持對于提升堆肥品質和減少環境污染至關重要[29-30]。本試驗中,堆肥結束各處理有機質含量較初始降低了8.03%～17.90%,具體表現為T4>T8>T1>T6>T3>T2>T7>T5。T4、T8處理較其他處理有機質降解速率較快。武曉桐在以秸稈和牛糞為原料的堆肥研究中表明,生物炭通過影響堆肥中固氮類細菌和反硝化細菌等微生物群落多樣性及其功能代謝途徑,從而減少碳氮損失[31]。堆肥過程中氮素轉化主要包括硝化、氨化、反硝化以及生物吸收固持等[32]。前人研究表明,堆肥前期溫度升高,有機物料在礦化作用和氨化作用下使得銨態氮含量增加[33],其中一部分經硝化作用轉化為硝態氮,另一部分被微生物用于維持自身生命活動利用轉化成腐殖質,銨態氮含量表現出先升高后降低,而硝態氮含量總體呈增加趨勢。本研究中,堆肥結束T1～T8處理的全氮含量較初始值平均增加17.30%,其中T7處理顯著高于T1、T3、T4處理。從銨態氮含量來看,含添加劑的T2～T8處理顯著低于沒有添加劑的T1處理,硝態氮含量則相反,尤以添加10%生物炭和0.3%微生物菌劑的T7處理硝態氮含量最高。這與堆肥結束時干物質失質量率和氮素損失率變化相一致,即相比于其他處理,T7和T8具有較低的干物質失質量率和氮素損失率。這說明在堆肥中添加復合菌劑和生物炭有利于氮素的固持,這可能與生物炭對氨氣的吸附保留以及微生物的固氮作用有關[34]。

堆體中存在的各形態磷素隨著堆肥進行不斷相互轉化[35]。本研究發現,堆肥結束各處理全磷含量較初始有明顯的增加,全磷表現為T6>T8>T7>T3>T5>T4>T2>T1,而速效磷為T7>T5>T6>T3>T4>T8>T2>T1,這可能是由于在堆體中添加生物炭復合菌劑幫助微生物分解有機酸,更加有效活化磷素,促進菇渣堆肥的磷素有效性。李宇航等的研究[36-37]均表明,在雞糞堆肥中添加生物炭處理較對照組顯著增加堆體全磷含量。鉀素與磷素的變化趨勢基本一致,至堆肥結束,各處理全鉀含量表現為T7>T5>T2>T1>T6>T3>T4>T8,速效鉀含量表現為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鉀占全鉀含量的比例[38],可能是由于生物炭對速效鉀的吸附固化作用。

4 結論

以杏鮑菇菇渣為原料,添加不同比例生物炭和微生物菌劑進行高溫好氧堆肥,21 d后各處理可達腐熟要求。

與其他處理相比,添加生物炭和微生物菌劑的T6、T7和T8處理能延長堆肥高溫時間,提高小麥種子發芽指數,腐熟最徹底。T6、T7處理較其他處理顯著增加堆肥的全氮含量和全磷含量,T7處理的速效養分含量也明顯高于其他處理。

添加生物炭和微生物菌劑處理在減少氮磷損失方面也具有良好的效果,其中T7、T8處理的堆體干物質失質量率和氮素損失率顯著低于其他處理。綜合來看,添加10%生物炭和0.3%微生物菌劑的T7處理在促進有機物轉化和改善堆肥質量有最好的效果。