重庆市食用菌菌渣养分与重金属含量分析

梁 涛，胡留杰，张 涛，王 帅，赵敬坤，胡 玮，卢文才，任鹏飞，王孝忠，廖敦秀*

（1 重庆市农业科学院，重庆 401329；2 重庆市农业技术推广总站，重庆 401120；3 山东省农业科学院，山东济南 250100；4 西南大学资源环境学院，重庆 400716）

食用菌产业是现代生态农业的重要组成部分，我国食用菌的产值比重在农业收益中仅次于粮、油、果、菜，列居第五位[1]。我国是食用菌种植大国，产量占世界总产量的80%以上[2]。根据中国食用菌协会2019年行业统计数据，我国食用菌总产量达3933.9万t[3]。在我国食用菌产业迅猛发展的同时，食用菌生产所产生的菌渣(即食用菌栽培收获产品后剩下的培养基废料)也随之快速累积。刘景坤等[4]估算目前我国食用菌菌渣的年产生量保守估计逾1亿t。重庆市2010—2020年食用菌产量由8.2万t增长至38.68万t，年均增长高达30.1%，其中平菇、香菇、金针菇、黑木耳、茶树菇、秀珍菇是产量最大的食用菌品类，占重庆市食用菌总产量超过94.0%，伴随着食用菌产量的飞速增长，产生了大量的菌渣废弃物。我国菌渣资源的利用效率普遍不高，综合利用率仅约33%[5-6]。肥料化是菌渣最主要的利用模式之一[7]，实际生产中，因不同食用菌种类在培养基质配料、子实体生长养分需求、生产环境等方面存在较大差异，造成食用菌菌渣资源产出率和养分含量差异大[8-9]，然而过去多数研究均未考虑食用菌种类间差异。另一方面，由于食用菌培养基原料常添加畜禽粪便、石灰、石膏等物料，不同种类食用菌基质构成差异较大，故菌渣在资源化利用尤其是肥料化过程中，还需考虑带入重金属的问题[9-11]。因此，明确菌渣的养分和重金属含量，是评估其在农业生产系统中的生态环境安全风险，确定其肥料化利用的基础。同时对改善种植土壤条件以及保障食用菌产业可持续发展均具有重要意义。以往关于食用菌菌渣的研究大多关注菌渣对土壤的影响及替代化肥效果，且样本量小，覆盖食用菌种类很少，区域性差异明显[6,8-9]；目前尚无全面系统研究多种类食用菌菌渣养分、重金属含量状况的报道。

因此，本研究通过实地调研和菌渣取样分析，研究重庆市菌渣资源及其利用现状，以及重庆市食用菌菌渣的养分、重金属等含量状况，以期为重庆市食用菌菌渣的高效安全利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 食用菌菌渣样品采集

食用菌栽培方式主要包括代料栽培、段木栽培和大田栽培，重庆代料栽培食用菌产量占比为97.5%，由于段木栽培的废弃木块再利用困难，大田栽培(双孢菇、羊肚菌等采用此栽培方式)堆肥一般不会再次收集做其他用，因此，本次调查只针对代料栽培食用菌的菌渣展开。调查于2020年在重庆市9个主要食用菌生产区县选择代表性常见食用菌生产大户84家，开展食用菌生产问卷调研及菌渣混合样采集工作，每户获有效问卷及代表性菌渣样品1份，合计问卷84份和菌渣样品84个(表1)，其中平菇、香菇、金针菇、黑木耳、茶树菇、秀珍菇和其他菇类菌渣样品数分别为20、8、8、16、8、8和16个，其中其他菇类包括猴头菇、姬菇、杏鲍菇、玉木耳、灵芝等。问卷调查内容主要包括棚内主栽食用菌的种类、食用菌基质的主要原料(表1)及栽培食用菌前的重量(鲜重，现场测定6个取平均值)、单个菌包的出菇量、菌渣的重量(鲜重，现场测定6个取平均值)及其废包(菌渣)处理方式等内容。菌渣样品的采集按照随机抽取法，在近期完成收获的同一种类食用菌菌包中随机选取3～5个菌包进行取样。样品带回实验室，70℃烘干至恒重，磨碎过1 mm筛，储存以备分析测试用。

表1 调查食用菌菌渣样本量及培养基主要原料Table 1 The sample size of edible fungus residue and main material of culture medium surveyed in the study

1.2 测定指标及方法

1.2.1 菌渣鲜样含水量 取代表性样至铝盘在恒温烘箱中70℃烘至恒重，计算菌渣样品前后质量差，差值与鲜样的质量比即为样品含水量[12]。

1.2.2 菌渣中养分含量 菌渣有机碳采用重铬酸钾外加热—硫酸亚铁标准溶液滴定法测定[13]；养分含量采用硫酸-过氧化氢消煮—用半自动凯氏定氮仪滴定法测定总氮(N)含量[13]，用等离子体发射光谱仪(ICP-OES，5110 SVDV，Agilent，Santa Clara，CA，美国)测定样品中总磷(P)、钾(K)、钙(Ca)和镁(Mg)含量[14]。

1.2.3 菌渣中重金属的测定 菌渣样品中锌(Zn)和铜(Cu)含量采用硝酸-过氧化氢消化—等离子体发射光谱仪法(ICP-OES)测定[15]；砷(As)、镉(Cd)、铬(Cr)和铅(Pb)含量采用王水-高氯酸消化，原子吸收分光光度计法测定[16]。Hg含量采用50%王水溶液(王水∶超纯水=1∶1)消化，采用双道原子荧光光度计法测定[17-18]。为确保测试分析的准确性，用国家标准样品(GBW10020和GBW08301)和空白对照对上述所有指标的待测液制备过程及测定过程进行质量控制。

1.3 菌渣中重金属状况评价标准

菌渣样品中重金属含量状况评价依据NY 525—2021中有机肥料重金属限量指标要求[14]。本研究中重金属超标率指所取样本中重金属含量超过相应限量指标值的样本量占总样本量的百分数。

1.4 数据处理

1.4.1 相关计算 食用菌的菌渣资源量(production of fungal residue, FR)为不同种类食用菌产量乘以该种食用菌的渣菇比之和，即计算公式如下：

式中，Pi为食用菌品种i的总产量；Fi为渣菇比，渣菇比源于本次调查；Ri代表食用菌品种i的单个菌包的出菇量(鲜重)；Mi为单个废弃菌包(除去套环和菌包袋)的烘干重。

1.4.2 统计分析 用Microsoft office 2019和SPSS Statistics 26.0软件进行数据整理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 食用菌菌渣养分状况

重庆不同种类的食用菌菌渣含水量为22.2%～54.5%，有机碳211～681 g/kg、N 7.02～23.6 g/kg、P 1.02～8.09 g/kg、K 0.85～26.6 g/kg、Ca 3.68～96.8 g/kg和Mg 0.94～14.8 g/kg，含量差异较大(表2)。平均来看，黑木耳菌渣总N含量(9.46 g/kg)显著低于其他菇类，其他食用菌渣间差异不显著；C/N比以黑木耳菌渣最高，较其他菇类高出26.1%～77.3%，这是由于其培养基配料中木屑、玉米芯等低氮原料添加较多(表1)，生物转化率(80%～100%)[19-20]相对较高造成的。香菇菌渣的有机碳(407 g/kg)和总P含量(5.09 g/kg)相对较高，其有机碳含量较平菇、金针菇、黑木耳和其他菇类(茶树菇和秀珍菇除外)菌渣分别高出30.4%、18.7%、12.4%和26.0%，总磷含量较其他菇类分别高出69.7% (平菇)、42.2% (金针菇)、85.8% (黑木耳)、53.3% (茶树菇)、29.5% (秀珍菇)和63.7% (其他菇类)，这同样与香菇培养基质以木屑为主，碳氮比较高有关，而基质原料调查中发现，部分农户香菇培养基原料中添加过磷酸钙可能是其总磷含量较高的主要原因。茶树菇菌渣的总K含量和K/Mg比相对较高，其总K含量分别是平菇、香菇、金针菇、黑木耳、秀珍菇和其他菇类的1.70、2.73、2.45、4.53、1.46和2.08倍，且K/Mg比较其他菇类分别高出29.5% (平菇)、175%(香菇)、98.3% (金针菇)、217% (黑木耳)、93.2% (秀珍菇)和68.4% (其他菇类)。重庆食用菌菌渣总养分含量（N+P2O5+K2O）相对较低，总养分含量大于4.0%的仅有茶树菇一种。有机废弃物C/P是影响土壤有机质和磷累积的重要指标，而Ca/Mg过高将抑制植物对Mg的吸收。本研究各种类食用菌菌渣的C/P值和Ca/Mg值差异均不显著。

表2 食用菌菌渣水分和养分含量(干基)Table 2 Water and nutrient contents in residues of edible fungus (Dry matter basis)

2.2 食用菌菌渣中重金属状况

表3表明，各食用菌菌渣的重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn平均含量分别为0.69、0.30、1.54、12.5、0.07、4.36、55.8 mg/kg。不同食用菌菌渣中的重金属含量变异较大，变异系数范围为46.9%～179%，由大到小依次为 Hg (179%)＞ Cd (144%)＞ As (129%)＞Cr (101%)=Pb (101%)＞ Cu (76.5%)＞ Zn (46.9%)。其中，香菇菌渣的Zn含量最高，分别显著高于平菇53.3%、金针菇53.3%、黑木耳54.7%、茶树菇81.6%、秀珍菇56.8%和其他菇类24.3%；但由于其他重金属的变异系数较大，不同食用菌菌渣的重金属含量未表现出显著性差异。

表3 食用菌菌渣中重金属的统计特征值(mg/kg, 干基)Table 3 Heavy metals contents in residual substrate of edible fungus (mg/kg, dry matter)

为分析重庆市食用菌菌渣中各重金属含量分布状况，以各重金属的相关限量值为主要界限，对本调研菌渣样品中7种重金属含量进行频数分布分析(图1)。重金属 As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn 含量分别集中在0.10～2.0 mg/kg、0.0～0.5 mg/kg、0.0～3.0 mg/kg、0.0～30 mg/kg、0.0～0.05 mg/kg、0.0～5.0 mg/kg、10～75 mg/kg。本调研中食用菌菌渣重金属As、Cd、Cr、Hg、Pb 平均含量分别为NY 525—2021 中有机肥中相应重金属限值的4.6%、10.0%、1.03%、3.50%和8.7%，仅有1个灵芝菌菌渣样品存在Cd超标问题，超标率为1.19%，生态安全性高。其他样品的重金属含量均处于限值标准内，其中Hg、Cr和As含量远低于限值，从调查结果来看，菌渣的生态安全性高。

图1 食用菌菌渣重金属含量频数分布Fig. 1 Frequency of heavy metal contents in residual substrate of edible fungus

2.3 食用菌菌渣资源量估算

表4显示，重庆食用菌出菇前菌包重量、出菇量和菌渣产量均存在显著性差异，其中，以平菇和黑木耳的菌包重量及出菇量最大，而金针菇和黑木耳的菌渣产量最大。

表4 单个菌包出菇前重量、出菇量和菌渣产量Table 4 The initial and residual weight of single substrate bag and the fungus yield

食用菌生物学效率是指食用菌出菇重量(鲜重)与培养基质重量(风干重)的比值，对菌渣的产生量有重要的影响。就其生物学效率而言，平菇(103%)显著高于其他食用菌，其余5种常见食用菌间的差异并不明显，从加权平均来看，重庆市的食用菌生物学效率为87% (图2)。就渣菇比而言，大致与食用菌生物学效率相反，平菇、香菇和秀珍菇三者显著低于其他食用菌，分别为0.19、0.26和0.29，重庆市食用菌的加权平均渣菇比为0.27 (图2)。按照以上研究结果估算，2020年重庆市的菌渣资源量已达 11.79 万 t。

图2 不同食用菌生产的生物学效率和渣菇比Fig. 2 The biological efficiency and ratio of residual substrate to yield of edible fungus

3 讨论

3.1 不同食用菌菌渣中有机碳和养分含量

刘景坤等[4]指出，菌渣种类繁多，每种食用菌又有多种不同的菌包配方，各种菌渣理化性质不尽相同，极大地阻碍了研究的效率。本研究覆盖的重庆主要食用菌种类(平菇、香菇、金针菇、黑木耳、茶树菇、秀珍菇)产量占重庆市食用菌总产量的90%以上，研究具有较强的代表性，研究结果表明，食用菌菌渣中有机碳、N、P、K、Ca、Mg等含量丰富，其中，有机碳含量范围为211～681 g/kg，氮(N)、磷(P)和钾(K)总养分含量分别为7.02～23.6、1.02～8.09和0.85～26.6 g/kg，水分含量为22.2%～54.5%，不同品种的食用菌菌渣的养分含量差异显著(表2)，而这主要由食用菌栽培基质原料构成差异及不同食用菌的养分吸收特性差异共同决定[4,7]。总体来看，菌渣是一种优质的有机肥原料，对比我国最新有机肥料的技术指标要求[以烘干基计，有机质(有机碳×1.724)≥30%，总养分(N+P2O5+K2O)≥4.0%，水分(鲜样)≤30%][14]，重庆市所有食用菌菌渣有机质含量均达到有机肥指标要求，甚至可以作为有机肥直接应用于农业生产实践。前人研究[21-23]也指出，菌渣的有机质、氮、磷和钾含量丰富，直接还田可显著改善土壤理化性质和生物性状。但重庆食用菌菌渣总养分含量（N+P2O5+K2O）不高，除茶树菇菌渣的总养分含量大于4.0%外，其他食用菌菌渣均未达我国有机肥中总养分限量（NY 525—2021）要求，直接施用菌渣有机肥时，应与化肥配合施用，以有效协调农田土壤养分与作物需求间的平衡，进而提高土壤-作物系统的绿色高效可持续生产[11,24]。考虑到化肥大量施用和有机肥施用不合理已导致我国农田有机质含量降低和土壤C/N值显著下降[25]，施用机质含量丰富的菌渣，可以有效调节土壤碳氮比。另一方面，多数食用菌栽培基质以木质素含量较高的木屑、玉米芯等为原料，食用菌栽培后基质中的木质素仅降低30%[26]，留存在菌渣中的木质素含量丰富[27-28]，研究表明木质素有助于土壤稳定有机质的形成[29-30]，因此，菌渣肥料化改土效果好，应用前景广阔。

此外，菌渣肥料化应用过程中还需关注其养分中的阳离子比例失衡问题。Tisdale等[31]和Morton等[32]分别指出作物生产系统的K/Mg＞0.6、Ca/Mg＞7.0时，K、Ca将抑制植物对Mg的吸收。本研究表明，除黑木耳和香菇菌渣外，其他食用菌菌渣的K/Mg值显著高于0.6 (表2)。因此，菌渣施用时应适当补充镁肥，促进其养分综合利用效率，从而抑制土壤次生盐渍化，改善耕地土壤质量。

3.2 食用菌菌渣重金属含量分析

由于食用菌栽培基质需添加石灰、石膏、过磷酸钙等用于补充食用菌生长所需的微量元素或调节基质pH，部分食用菌基质配方采用畜禽粪便作为氮源，以上原料是食用菌菌渣重金属的主要来源。过去多数研究也表明，以猪粪为主要原料生产的商品有机肥常伴有重金属As、Cd、Cu、Zn等超标问题[7,24]，但重庆市食用菌菌渣的重金属含量普遍较低(表3)，这与其他学者[9-10]的研究结果一致，原因可能是由于石灰、石膏等重金属风险原料的添加比例一般较低(0.5%～2%)。本次调研仅发现有1份灵芝菌渣样品的Cd含量被检测出超过有机肥料的重金属限量标准，这可能是由于该食用菌基质中使用的过磷酸钙以及石膏粉Cd含量过高引起的，由于食用菌栽培基质原料中的石灰和石膏均来自建材市场，而我国建筑用石灰和石膏相关标准并没有关于重金属的相关限制，这也给食用菌及菌渣带来一定的风险。但重庆区域食用菌菌渣的重金属含量整体较低(表3)，As、Cd、Cr、Hg、Pb平均含量为有机肥标准(NY 525—2021)中相应重金属限值的1.03%～10.0%，生态安全性高，且明显低于畜禽粪便，如菌渣镉、汞平均含量仅为畜禽粪便的13.0%和7.2%[33]。本研究结果建议，食用菌菌渣生态环境安全风险低，肥料化应用的优势大，若以其作为猪粪的好氧堆肥有机辅料，则可稀释猪粪有机肥料的重金属含量且提高菌渣总养分量，从而提高土壤改良效果并降低农业系统的生态安全风险[11,34-35]。另外，本研究表明食用菌菌渣含水量在32.2%～45.2%，远低于新鲜猪粪(68%)和牛粪(75%)水分含量，利用菌渣作为新鲜猪牛粪堆肥辅料能够将水分调至好氧堆肥最佳水分范围(50%～60%)，可提高堆肥效率[35]。李冰等[36]还发现，相比于粮食作物秸秆-猪粪堆肥处理，菌渣-猪粪堆肥处理的氨氮挥发损失量最低，且能有效缩短堆肥周期，显著增加该堆肥成品的农学价值。西南地区作为全国畜禽粪尿数量(22.3%)和养分资源量最丰富(21.3%)的地区之一[37]，食用菌菌渣应用于堆肥化处理，对于畜禽粪便污染物减排及农田生态环境安全具有可预见性积极效应。

3.3 区域食用菌菌渣资源量及利用分析

现有研究关于菌渣资源量的估算一般采用食用菌产量乘以菌渣产生系数进行计算，但由于食用菌种类繁多，前人估算使用的菌渣产生系数在0.4～5.0[4,8-9,38]，差异非常大，造成菌渣产量的估算不够准确。本研究首次基于区域多样本实地调查，定量化了不同食用菌的菌渣产生系数(渣菇比)，结果表明重庆主要食用菌种类渣菇比在0.19～0.47，生物转化率较高的平菇渣菇比最低。依不同食用菌产量加权换算，重庆市食用菌平均渣菇比为0.27，其资源量为11.79万t。在菌渣处理方式调查中发现，目前重庆食用菌菌渣最主要的利用方式是直接还田，但是很多食用菌的出菇时间并不在早春、晚秋等经济作物集中施肥时间节点，造成菌渣堆放时间过长，霉变腐烂严重。如能采取菌渣+畜禽粪便的堆肥利用模式，既能提高菌渣利用效率，又可以消纳畜禽粪污和减少化肥投入，是改善农业生态环境的多赢举措[37]。综上所述，为推动农业农村生态环境全面绿色转型，我们迫切需要建立区域农业废弃物资源数据库，涵盖农业废弃物养分、生态安全特征、时空分布等数据，合理调配废弃物资源，提高利用效率，从而减少资源化利用的盲目性，为制定切实可行的管理政策奠定基础。

4 结论

重庆食用菌菌渣的重金属As、Cd、Cr、Hg、Pb平均含量分别为0.69、0.30、1.54、0.07、4.36 mg/kg，分别是有机肥中相应重金属限值(NY 525—2021)的4.6%、10.0%、1.03%、3.5%和8.7%，生态安全性高。重庆食用菌菌渣总养分含量(N+P2O5+K2O)不高，除茶树菇菌渣的总养分含量大于4.0%外，其他食用菌菌渣均未达我国有机肥中总养分限量(NY 525—2021)要求，但有机质含量(61.0%)丰富，远高于30%的有机肥标准，适宜作为畜禽粪便堆肥辅料。