基于持水特性应用混料均匀设计优化双孢蘑菇覆土材料

王 倩，田益华，朱燕华，曹 晖，陈明杰，汪 虹，张津京，黄建春**

（1上海市农业科学院食用菌研究所，农业部南方食用菌资源利用重点实验室，国家食用菌工程技术研究中心，国家食用菌加工技术研发分中心，上海市农业遗传育种重点开放实验室，上海 201403；2上海市农业科学院庄行试验站，上海 201415）

基于持水特性应用混料均匀设计优化双孢蘑菇覆土材料

王 倩1，田益华2*，朱燕华1，曹 晖1，陈明杰1，汪 虹1，张津京1，黄建春1**

（1上海市农业科学院食用菌研究所，农业部南方食用菌资源利用重点实验室，国家食用菌工程技术研究中心，国家食用菌加工技术研发分中心，上海市农业遗传育种重点开放实验室，上海 201403；2上海市农业科学院庄行试验站，上海 201415）

以泥炭土为对照，筛选出椰糠、木屑、珍珠岩3种持水性较好的覆土材料，采用混料均匀设计将这3种覆土材料混合后以40%的比例添加到泥炭土中进行配方优化。以双孢蘑菇产量为响应值，筛选得到3种覆土材料最优配方：X1（椰糠）＝0.283，X2（木屑）＝0.427，X3（珍珠岩）＝0.290。在最优条件下，双孢蘑菇筐栽两潮菇产量预测值为1 519 g/筐，实际产量为1 636 g/筐。在床架栽培中，配方覆土三潮菇总产量36.5 kg/m2，较对照提高11.6%；同时商品菇质量提高，子实体单重增加18.8%，商品菇率提高11.7%，商品菇产量增加5.6 kg/m2。该覆土配方可显著提高经济效益，同时覆土成本降低7%。对优化后覆土的持水特性变化规律分析表明：该配方覆土在覆土后到双孢蘑菇采收期间，饱和含水量和毛管持水量均高于对照覆土3%—5%，这可能促进了双孢蘑菇产量的提高以及品质的改善，并导致子实体含水量增加0.75%。

双孢蘑菇；覆土配方；持水特性；均匀设计

在双孢蘑菇（Agaricus bisporus）栽培中，菌丝长满培养料后，必须覆土才能诱导形成子实体。覆土是影响蘑菇产量、质量和出菇整齐度的重要因素［1］。长期以来，大部分国家的覆土材料采用泥炭土和石灰或者石膏的混合物［2］。在许多没有泥炭土的蘑菇种植区域，只能用本地质量较差的泥土作为覆土材料，制约了双孢蘑菇的生产，因此有必要开发泥炭土的替代物［3］。

我国双孢蘑菇栽培由于栽培条件、栽培区域和运输成本因素的制约，对覆土材料的选择有较强的地域性，一般都就地采用混合土或河泥砻糠土作为覆土材料。这两种覆土材料的持水性及物理结构较差，不适合双孢蘑菇工厂化生产。国内优质泥炭主要分布在东北，远距离的运输致使成本大幅度提高，并且东北泥炭在物理特性上与国外泥炭相比有一定差距，因此双孢蘑菇覆土材料研究是当前双孢蘑菇工厂化生产亟待解决的问题。

过去几十年来，国内外的研究人员已经对泥炭替代物进行过许多探索。这些替代材料包括黏土壤土［4-6］、活性炭［7-8］、矿渣［9］、棉屑木屑［10］、树皮［11］、蘑菇废菌渣［12-13］、椰子壳纤维［14-15］、茶叶废渣［16］和造纸工业的副产物［17］等。虽然这些材料都不能完全替代泥炭，但却可以将其与泥炭进行一定比例的混合，为新型覆土材料的开发提供可能。

众多研究表明，覆土持水性的高低与蘑菇产量密切相关。Flegg［18］指出持水量大且具有能够承受反复浇水而不被破坏的结构是优质覆土最重要的条件。Hayes［19］指出覆土的持水性和孔隙度是决定双孢蘑菇产率的最重要条件。Flegg［20］、Schroeder等［21］和 Kalberer［22］发现增加泥炭覆土的含水量可以增加双孢蘑菇产量。本研究从17种覆土材料中筛选得到3种持水性较好的覆土材料，并采用混料均匀设计将3种覆土材料与泥炭土混合后进行优化，探讨其对双孢蘑菇产量及质量的影响，以期为双孢蘑菇覆土材料的开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 菌种

双孢蘑菇A15麦粒种购于美国Sylvan公司。

1.2 覆土材料准备

泥炭购于吉林省敦化市吉祥泥炭开发有限公司；椰糠、珍珠岩购于上海森科农业生物技术有限公司；木屑购于上海友锐木业有限公司，为木材加工的下脚料，以松木木屑为主，颗粒大小为10目左右，使用前用自来水浸泡过夜后沥干水分，121℃灭菌2 h。将不同的覆土材料按比例混合，置于搅拌机中搅拌1 min，加水继续搅拌5 min，用石灰调节各覆土材料pH至7.5左右。各处理最终含水量达到其毛管持水量。

1.3 覆土材料理化特性测定

1.3.1 饱和含水量、毛管持水量、通气孔隙度

参考国标 LY-T 1215—1999［23］，并结合 Noble等［24］的方法，采用环刀法测定。

用一定体积的环刀取样，并测定样品的湿重和干重。将装有湿土的环刀揭去上、下底盖，仅留一垫有滤纸的带网眼的底盖，放入盛水容器中，注入并保持盆中水层的高度至环刀上沿为止，使其吸水12 h，然后取出立即称量样品湿重，计算饱和含水量。将上述称量后的环刀放置在铺有干沙的平底盘中2 h，然后再次称取环刀内湿土重量，计算出毛管持水量。根据干沙吸水前后的重量差，计算通气孔隙度。

1.3.2 容重

用一定体积的环刀取样，将样品置于100℃烘箱中烘干72 h至恒重，称取烘干后样品重量，计算样品容重。

1.3.3 pH值、EC值、N、C及灰分含量

称取风干样品10.0 g，加入100 mL去离子水，充分混匀后静置10 min，分别用PHS-3B型pH计和DDS-11A型电导率仪测定样品的pH和EC值。

将样品烘干粉碎后，过40目筛，采用德国耶拿公司HT1300-Multi N/C 2100/2100S测定样品中的有机C含量。N含量采用凯氏法测定，测试仪器为福斯公司的Kjeltec 8400自动定氮仪，方法参见 LY/T 1228—1999［25］。灰分含量测定采用马弗炉灼烧法［26］。

1.4 出菇试验

试验在上海联中食用菌专业合作社进行。将麦草和鸡粪为主原料的培养料进行常规的一次发酵和二次发酵。二次发酵结束后，按照7‰的播种量将双孢蘑菇麦粒种与二次料混合均匀，填料至栽培筐或床架。筐栽试验的塑料栽培筐的内径长宽高为38.5 cm×27.5 cm×14 cm，装料量为6 kg/筐，每个处理5个重复，在床架上随机排列；床架试验的床架尺寸为1.35 m×20 m×20 cm，装料量为100—110 kg/m2，在床架上随机选取面积为2 m2的试验区域为1个重复，每个处理3个重复。播种后发菌16—17 d，待菌丝长满二次发酵料后进行覆土，栽培筐覆土厚度4 cm，栽培床架覆土厚度5 cm。覆土后通过调节空气温度和循环风风量，控制料温在25—27℃，相对湿度控制在95%—98%。覆土后4—7 d喷水，使覆土含水量达到其毛管持水量。

待菌丝长至覆土表面，将菇房空气温度逐渐降至16℃，增加通风，使CO2浓度降至0.12%以下，保持菇房相对湿度90%左右，诱导子实体形成。监测并维持上述条件直至采收结束。每潮菇采收后及时清理床架上的菇根，床面补水至覆土的毛管持水量，筐栽试验采收2潮，共14 d，床架试验采收3潮，共21 d，记录各处理每潮菇产量并按照王倩等［27］的方法计算商品菇率。

1.5 商品菇外观品质评价

各处理选取一潮菇20个大小均匀的子实体（等级A［27］），用游标卡尺测量菌盖直径、菌盖厚度、菌柄长度和菌柄直径；参照Kalberer［28］的方法测定子实体的干物质和水分含量。

1.6 统计学分析

采用PDS 7.05软件对数据进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 覆土材料筛选

选取椰糠、木屑、珍珠岩、泥炭、木炭、草木灰、活性炭、无烟煤、发酵树皮、发酵花生皮、发酵棉籽壳、蛭石、沙子、陶粒、沸石、菜园土、腐殖土17种覆土材料，以泥炭土为对照，测定各覆土材料的pH、EC值、饱和含水量、毛管持水量以及通气孔隙度。以饱和含水量和毛管持水量为判断指标，筛选得到3种持水性较好的覆土材料，分别为椰糠、木屑、珍珠岩，测定其其他理化特征（表1）。

表1 覆土原材料理化特性Table 1 Physiochem ical properties of raw materials for casing soil

椰糠、木屑、珍珠岩的饱和含水量比泥炭土分别高22.8%、11.9%和20.8%，毛管持水量比泥炭土分别高28.4%、15.2%和16.4%。三者的N含量均低于泥炭土，不会因为营养物质含量高而容易导致杂菌的生长。

2.2 单因素试验

将椰糠、木屑、珍珠岩分别以20%、40%、60%、80%、100%的比例与泥炭土混合制作覆土材料，测定双孢蘑菇产量及子实体单重（表2）。

表2 3种覆土材料对双孢蘑菇产量、生物学效率及子实体大小的影响Table 2 Effect of 3 casing materials on the yield，biological efficiency and fruit body weight of A.bisporus

由表2可以看出，以100%椰糠、木屑、珍珠岩为覆土材料，均不能生长双孢蘑菇。在泥炭土中混合添加椰糠、木屑、珍珠岩可以不同程度地增加双孢蘑菇产量。椰糠和木屑的添加比例为40%时，双孢蘑菇产量分别增加24.2%和4.5%，且添加椰糠和木屑均可显著增加子实体单重。椰糠添加量超过40%，对双孢蘑菇没有增产效果；木屑添加量超过40%，双孢蘑菇产量下降，并且添加量超过80%的处理均感染木霉。在泥炭土中添加20%—60%的珍珠岩均可以提高双孢蘑菇产量，但随添加量的增加，产量增加比例降低；由于珍珠岩的容重为84 g/L，添加量超过40%导致覆土容重降低，双孢蘑菇子实体较小，质量下降。根据上述结果，将3种覆土材料混合后，以40%的比例与泥炭土混合，进行混料试验。

2.3 混料均匀设计试验

均匀设计表一般用Un（qm）表示，其中U、n、q、m分别表示均匀设计表、试验次数、水平数和最大因子数。均匀设计的最大特点是，试验次数可以等于最大水平数。在本试验中，椰糠（X1）、木屑（X2）、珍珠岩（X3）为自变量，双孢蘑菇产量（Y）为因变量，采用二次多项式对结果进行描述，因此，3因素二次回归方程如下：

在配方均匀设计中，各因素水平数均相同，每个配方的因素（自变量）取值之和等于1［29］，即X1+X2+X3＝1，所以上述方程可以变化为如下形式：

可见，除b0，方程共有6个回归系数，至少需安排7次试验才能求出各系数。为减少试验误差，本试验采用U7*（74）均匀设计表安排试验，该均匀设计表三因素试验偏差D＝0.2132。试验方案及结果见表3。

2.4 覆土材料配方优化

采用DPS 7.0软件对X1、X2、X3和Y进行二次多项式逐步回归，得到回归方程如下：

Y＝1 567.2-552.3X12-265.2X22-181.7X32+495X1X2，R＝0.9985，Ra＝0.9956，F＝171.0＞F0.05（4，2），表明回归方程有意义。Durbin-Watson统计量d＝1.87。

根据回归方程，确定混料试验的最优条件为：X1（椰糠）＝0.281，X2（木屑）＝0.429，X3（珍珠岩）＝0.290；在最优条件下，双孢蘑菇两潮菇预测产量最高值为1 519 g/筐。

表3 三因素均匀设计表及响应值Table 3 UD and response values of the 3 factors

2.5 结果验证及床架栽培试验

将优化后的配方覆土进行3次平行试验，得到双孢蘑菇两潮菇的平均产量为1 636 g/筐，与理论值相比，其相对误差为7.7%，与预测的理论值接近，验证了模型的有效性。

将配方覆土进行床架栽培试验，试验面积6m2，二次料装料量100—110 kg/m2，双孢蘑菇三潮菇产量、生物学转化效率及商品菇率见表4。配方覆土双孢蘑菇三潮菇产量为36.5 kg/m2，较对照提高11.6%；同时，商品菇质量提高，商品菇率提高11.7%，商品菇产量增加5.6 kg/m2。

表4 配方覆土对双孢蘑菇产量、生物学效率及商品菇率的影响Table 4 Effect of the formula on the yield，biological efficiency and commodity mushroom ratio of A.bisporus

商品菇质量的提高还表现在子实体外观品质的改善（表5）。与对照相比，配方覆土生产的双孢蘑菇子实体较大，菌盖直径、菌盖厚度、菌柄长度、菌柄直径均显著大于对照，子实体单重增加18.8%。配方覆土生产的双孢蘑菇子实体含水量为93.6%，高于对照泥炭覆土子实体含水量；相应的干物质量为6.4%，低于对照子实体干物质量。

表5 配方覆土对双孢蘑菇商品菇品质的影响Table 5 Effect of the formula on the quality of A.bisporus

2.6 配方覆土持水特性变化规律分析

为研究配方覆土双孢蘑菇子实体产量及含水量增加是否与覆土持水特性的改善有关，考察了配方覆土在双孢蘑菇子实体发育过程中的持水特性变化。对覆土后双孢蘑菇生长发育过程中各阶段包括覆土后、菇蕾期、一潮菇出菇期、二潮菇出菇期、三潮菇出菇期的覆土材料取样，测定其饱和含水量、毛管持水量的动态变化，结果见图1。覆土后至采收结束整个双孢蘑菇生长发育阶段，配方覆土的饱和含水量和毛管持水量均高于对照覆土3%—5%，说明配方覆土可以为双孢蘑菇子实体的生长发育提供更多的水分。

图1 双孢蘑菇覆土后不同生长发育时期覆土持水特性变化Fig.1 W ater-holding properties of casing soils at different grow th and development stages of A.bisporus

3 讨论

目前，泥炭土是应用最普遍的双孢蘑菇覆土材料。在泥炭土缺乏或者比较昂贵的地方，人们尝试使用壤土、泥土、粘土或者工农业的末端产物和废料例如矿渣、树皮、棉屑、木屑、造纸厂废渣、茶叶渣、蘑菇废料、香菇废料等替代泥炭土，对材料的选择大多具有地域性，甚少综合比较覆土材料的特性。同时，由于栽培试验的工作量大，试验设计常采用单因素优化试验，具有一定的局限性。研究表明，具有良好的持水特性是获得双孢蘑菇高产的必要条件，故本研究基于持水特性优化双孢蘑菇覆土材料，从17种材料中筛选得到椰糠、木屑、珍珠岩3种持水性较好的覆土材料，并采用混料均匀设计在多因素多水平的条件下，使试验点在试验范围内均匀分布，大幅度减少试验次数，获得最优配方。

在所选材料中，椰糠的持水特性最好。单因素试验中将椰糠以40%的比例添加到泥炭土中，双孢蘑菇产量增加24.2%，子实体单重增加4.3%，但在实际生产中椰糠使用成本最高，比泥炭土成本高约50%。添加木屑对双孢蘑菇增产效果不明显，但可以增加子实体单重，提高双孢蘑菇质量。木屑在3种原材料中成本最低，且来源广泛。本试验使用的木屑是以松木木屑为主的木材厂下脚料，使用前用蒸汽高温处理，为进一步降低蒸汽灭菌的成本，将继续研究堆置发酵等其他处理方式。我国每年有大量的绿化、果树废枝等农业废弃物，将不同来源的木屑进行相应处理做为双孢蘑菇覆土材料以扩大本研究的应用范围，既可以节约生产成本，又可以创造农业废弃物经济价值。在3种材料中，珍珠岩的持水特性居中，泥炭土中添加20%—40%的珍珠岩在不影响质量的前提下可以增加双孢蘑菇产量12%—15%，同时覆土成本降低6%—12%。综合椰糠、木屑、珍珠岩3种材料的特点，采用混料均匀设计将3种覆土材料混合后以40%的比例添加到泥炭土中进行配方优化，筛选得到3种覆土材料最优配方：X1（椰糠）＝0.283，X2（木屑）＝0.427，X3（珍珠岩）＝0.290。在床架栽培中使用优化后的配方覆土，双孢蘑菇三潮菇总产量36.5 kg/m2，较对照产量提高11.6%；商品菇质量提高，商品菇率提高11.7%，商品菇产量增加5.6 kg/m2。该配方覆土不仅提高了双孢蘑菇产量和质量，增加了经济效益，并且在本试验条件下降低了覆土原材料成本7%。

对双孢蘑菇生长发育过程中覆土的持水特性分析表明：覆土后到双孢蘑菇采收期间，配方覆土的饱和含水量和毛管持水量均高于对照覆土3%—5%。Kalbere［22］指出，双孢蘑菇原基形成至子实体生长的任一时期，蘑菇从覆土中吸收的水量与当时覆土上子实体重量成正比。由此可以推断：本研究中配方覆土生产的双孢蘑菇较对照产量提高11.6%，子实体单重增加18.8%，与配方覆土能够为子实体生长发育提供更多的水分有关。Schroeder等［21］和Kalberer［22］发现增加覆土含水量虽能引起子实体含水量增加，但会导致蘑菇干物质含量降低，这与本研究结果相符，配方覆土生产的商品菇子实体含水量增加0.75%，干物质量降低9.8%。

Gulser等［16］利用茶叶渣与泥炭混合做覆土材料，发现添加茶叶渣后，覆土的持水性增加，但蘑菇产量却比对照泥炭覆土低。Noble等［1］也指出并没有发现泥炭覆土的填充密度、充气孔隙度和持水能力与蘑菇产量及干重有关。由此，Gulser等［16］提出具有高持水性的覆土并不是获得蘑菇高产的唯一因素，除了持水能力和孔隙度，覆土中无机物和有机物的含量对蘑菇产量也有重要影响。本研究发现，将椰糠、木屑、珍珠岩以更大比例（60%—80%）与泥炭土混合，尽管覆土持水量增加，但双孢蘑菇产量降低，其中木屑添加量的加大，还会增加感染木霉的风险。椰糠、木屑、珍珠岩的通气孔隙度均高于泥炭，并且椰糠和木屑的有机碳含量分别为41.7%和40.2%，高于泥炭土有机碳含量25.1%；灰分含量分别为15.3%和1.34%，低于泥炭土灰分含量40.4%。Rainey［11］指出有机物含量高以及多孔材料的特性可以使覆土的含水量更高，笔者认为这些特性不仅提高了配方覆土的含水量，也可能影响覆土中微生物与菌丝以及子实体的相互作用，从而影响双孢蘑菇的产量，相关机理还需进一步研究。

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Optim ization of Agaricus bisporus casing materials based on the water holding properties using uniform design

WANG Qian1，TIAN Yi-hua2*，ZHU Yan-hua1，CAO Hui1，CHEN Ming-jie1，WANG Hong1，ZHANG Jin-jing1，HUANG Jian-chun1**
（1Institute of Edible Fungi，Shanghai Academy of Agricultural Sciences；Key Laboratory of Edible Fungi Resources and Utilization（South），Ministry of Agriculture，P.R.China；National Engineering Research Center of Edible Fungi；National R＆D Center for Edible Fungi Processing；Key Laboratory of Agricultural Genetics and Breeding of Shanghai，Shanghai201403，China；2Zhuanghang Agricultural Science and Technology Experimental Station，Shanghai201415，China）

With peat soil as the control，3 kinds of casingmaterialswith better water holding capacity were screened out of coconut fiber，sawdust，perlite.The formula was optimized by adding the 3 kinds ofmaterials to peat soil with a proportion of 40%using uniform design.Taking the yield of Agaricus bisporus as the response value，the best formulation of the 3 kinds ofmaterialswas obtained：X1（coconut fiber）＝0.283，X2（sawdust）＝0.427，X3（perlite）＝0.290.Under the optimal condition，the predicted yield（two flushes）of A.bisporus was 1 519 g/tray，and the actual yield was1 636 g/tray.In the bed type cultivation，the total yield（three flushes）with the formula was 36.5 kg/m2，which was 11.6%higher than that of the control.At the same time，the quality of themushroom improved，the single weight of the fruiting body increased by 18.8%，the rate of commodity mushroom increased by 11.7%，and the yield ofmushroom increased by 5.6 kg/m2.The casing soil formula could increase the economic benefit significantly，while the costof casing soil reduced by 7%.The analysis of the change law of the water holding properties of the optimized casing soil showed that the saturated water content and capillary water holding capacity of the formulawere 3%—5%higher than that of the control soil from casing to the harvest of A.bisporus.This might be that the formula promoted the improvement of the production and quality of A.bisporus，and led to an increase of 0.75%of the water content in the fruiting body.

Agaricus bisporus；Casing soil formula；Water-holding properties；Uniform design

S646

A

1000-3924（2017）06-11-07

2016-06-01

上海市现代农业产业技术体系［沪农科产字（2017）第9号］；公益性行业（农业）科研专项“作物秸秆基质化利用”（201503137）；上海市科学技术委员会科研计划项目“双孢蘑菇工厂化生产关键技术研究与示范”（15391900200）

王倩（1982—），女，硕士，助理研究员，主要从事双孢蘑菇工厂化栽培和生理生化研究。E-mail：wq-15309＠163.com

*并列第一作者

**通信作者

闫其涛）