金针菇菌糠促进鸡粪发酵堆制生产有机肥的研究

曾 泉，史国英，苏 林，叶雪莲，胡春锦

（1广西壮族自治区农业科学院微生物研究所，南宁 530007；2广西修土龙生物科技有限公司，南宁 530007）

0 引言

近年来，食用菌以其资源消耗少，生长速度快等优点，成为中国扶贫产业的重要推广项目，食用菌产业得到迅猛发展。到2019年，中国食用菌年产量近4000万t，且呈上升趋势[1]。中国已成为世界第一大食用菌生产国。伴随着食用菌的生产，形成大量废弃菌糠，按照食用菌40%利用率计算，每年约有6000万t废弃菌糠产生[2]。如何有效处理利用如此大量的废弃菌糠，对食用菌产业的健康发展具有重要意义。对于菌糠的循环利用，目前最主要的利用方式是用作栽培基质培养食用菌、用作饲料、用作土壤调理剂或生产有机肥[3-5]。食用菌菌糠中汞、铅、铬等重金属的残留问题，使其不适于生产动物饲料[6]。食用菌菌糠不仅含有丰富的有机质和矿物质，而且富含食用菌菌体蛋白、次生代谢物和微量元素等多种养分[7]。利用食用菌菌糠进行堆肥化处理，用以改良土壤，作为有机肥为作物提供养分，不但能够解决菌糠随意丢弃造成的环境污染问题，还能最大限度利用菌糠中的营养物质。在番茄、土豆和黄瓜等作物上的应用研究都表明，菌糠有机肥不但能够有效的提高作物品质，还能改善土壤微生物群落构成，抑制有害菌繁殖，减轻地上病害和土传病害发生，达到减少化学农药使用，提高作物产量的效果，对发展绿色农业具有重要意义[8-10]。

不同来源的食用菌菌糠在发酵过程中理化性质存在显著差异，对于不同来源的菌糠，发酵策略需要相应调整[11-12]。通常情况下，菌糠的碳氮比较高，这会导致微生物的分解过程速度较慢，温度上升缓慢，使得堆肥周期长[13]。畜禽粪污与菌糠的情况正好相反，其含氮量较高，碳氮比较低，发酵过程中氨气大量挥发，氮素大量损失，降低有机肥氮素含量。如果将菌糠与畜禽粪污按一定比例进行混合发酵，则能够调节发酵物料的碳氮比，使发酵过程能够在最佳碳氮比范围内进行，提高发酵效率，使物料能够在最短时间内完成腐熟[14]。污水处理厂的污泥一直是处理难点，其管理成本占据了污水处理厂运营支出的50%[15]。处理污泥的方法包括填埋、发酵沼气等，也有通过利用污泥发酵沼气后获得的消化液进行生物肥料生产，以提高经济效益的相关研究[16-18]。通过添加干化污泥生产生物有机肥，是实现污泥无害化和再利用的有效途径之一，不但提高经济效益，且操作简单，成本低廉（城镇污水处理厂污泥资源化利用途径）。研究表明，长期施用生物肥料和污泥，不会向农业土壤引入对人类有害的病原菌，这为添加污泥生产生物有机肥提供了理论支持[19]。本研究分析了以金针菇菌糠为原料混合鸡粪及生物干化污泥进行有机肥发酵过程中各项指标的变化情况，探究了菌糠促进鸡粪快速发酵腐熟生产高质量有机肥的可行性。通过不同配比及添加活性菌剂，探索菌糠与鸡粪、干化污泥快速发酵生产有机肥的相关条件，为菌糠的合理利用提供依据，同时，为畜禽养殖过程中的排泄物有效利用提供参考，促进绿色农业，有机农业可持续发展。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 堆肥物料及其堆前预处理 菌糠：金针菇栽培后废弃菇包，经脱包和粉碎过筛处理，去除残留菌包及大块的未粉碎原料，由江门益健食用菌有限公司提供。

鸡粪：广西梧州岑溪市马路镇古典鸡养殖基地提供，鸡粪已经过添加木糠等吸水物料处理，控制其含水量。

污泥：由广西梧州岑溪市生活污水处理厂提供，已经过生物干化处理并添加少量秸秆增加其疏松度。

3种堆肥物料的基本性状见表1。

表1 堆肥原料的主要成分及含水量

1.1.2 发酵菌剂 由康源渌洲生物科技有限公司生产的有机肥发酵专用菌剂，有效活菌数100亿/g。

1.2 试验设计

1.2.1 试验处理 试验于岑溪市三堡农业科技有限公司有机肥发酵厂进行。

试验共设计4个处理（表2）。物料按体积比混合，混合后物料按质量比添加0.01%的发酵菌剂。堆制前，为使发酵剂与原料充分混合，先取少量菌糠与发酵菌剂混合后均匀掺入堆料中。

表2 不同原料配比及发酵前pH值和含水量

所有物料用翻抛机充分混匀，码垛成圆垛式堆体，底面直径约3.0 m，高约1.5 m，于发酵厂通风大棚内堆置发酵，以铲车进行人工翻堆。

1.2.2 测定指标 温度测定：于每日9:00与16:00各进行一次堆料温度测量，用探头温度计在堆料翻堆前于堆体高约40～50 cm处进行测量，将温度计插入堆料中10～15 min，测定3次的平均值作为堆料温度；同时记录环境温度。计算当天两次测定温度的平均值作为堆体温度。发酵前两周每天或隔天翻堆1次，控制堆体温度不高于70℃；之后根据堆体升温情况2～3天翻堆一次。

堆肥样品收集及主要成分测定。分别于堆制发酵的第5、10、15、20、30天对堆肥样品进行采样分析，每处理随机取样20个点，均匀混合后以四分法进行采样，作为当次待分析样品。按《有机肥料》(NY/T 525-2021)方法测定有机肥样品的pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、汞、砷、镉、铅、铬含量以及粪大肠菌群数和蛔虫卵死亡率等有机肥质量指标。

1.2.3 发芽指数测定 使用白菜种子进行发芽试验，具体方法参照《有机肥料》(NY/T525-2021)相关内容进行。

分别以堆制发酵第5、10、15、30天的堆肥样品作为分析对象，按1:10（质量体积比）加入去离子水浸提，振荡2 h，离心后过滤，吸取5 mL滤液滴加在铺有滤纸的培养皿中，每个培养皿中放颗粒饱满的白菜种子30粒，置于28℃培养箱中避光培养，48 h后测定种子发芽率与根长，每个处理重复3次，以去离子水为对照(CK)，按公式(1)计算发芽率指数。

1.2.4 部分抗生素含量测定 参考相关标准要求(GB/T 32951-2016)对已完成发酵腐熟的堆肥样品进行抗生素检测，检测对象为禽类养殖常用的庆大霉素、强力霉素、氟苯尼考、磺胺间甲氧嘧啶。

1.2.5 数据处理 采用Excel 2007进行数据处理和作图。

2 结果与分析

2.1 不同菌糠、鸡粪配比堆料发酵过程温度的变化

堆沤过程分为升温、高温、降温3个阶段。堆肥温度是反映发酵过程是否正常的直观指标，同时也是判断菌糠是否完成腐熟的重要参数。图1显示，堆制开始后，各处理温度迅速升高，4个处理的发酵温度均于第2天达到60℃以上，说明微生物活动强烈，有机质分解迅速；每次翻堆后，堆体温度随翻堆先降后升，并且稳定维持在60℃以上天数达18天，能有效杀灭病原菌，达到堆肥无害化需求。整个堆肥周期温度变化趋势显示，处理III温度在高温发酵期内高于其他处理。发酵20天后，堆体温度逐渐降低，这一阶段有机质缓慢分解，堆肥系统趋于稳定。

图1 不同处理堆体温度变化

堆腐发酵1个月后，混合堆料从初期土黄色、有刺鼻氨味、有明显块状物形态，转变为浅褐色，无刺激臭味、无明显块状物颗粒状，表明堆肥已基本腐熟完成。为防止堆肥过度腐熟导致有机碳与氮素过度损失、降低肥效，于堆制21天后将堆体适当摊开，停止升温发酵。

2.2 不同菌糠、鸡粪配比堆料发酵过程主要营养成分的变化

不同处理堆料在发酵不同阶段主要营养成分检测结果见图2。氮、磷、钾含量是有机肥的重要指标。图2分析结果显示：在升温阶段各处理的全氮含量呈下降趋势，随后稳定上升；而各处理的全磷、全钾含量在整个堆制过程中均呈缓慢上升趋势。堆肥前期，由于大量微生物快速生长繁殖，消耗氮素速率高于总干物质下降速率，故全氮量呈整体下降趋势；堆肥后期，随着发酵的进行，有机质不断分解，水分蒸发，堆体体积和重量减少，且营养元素挥发损失较小，由于浓缩效应使全氮、全磷和全钾含量升高。不同处理的总养分含量变化趋势与全氮含量基本一致，即发酵前期略有下降，之后逐步上升。4个不同配比堆肥处理腐熟后总养分含量（N+P2O5+K2O）均大于9%，高于NY/T 525-2021相关标准≥5.0%要求；其中处理III（菌糠30%；鸡粪60%；污泥10%）总养分含量最高，达到10.33%。

图2 不同菌糠、鸡粪配比对堆料营养成分的影响

2.3 不同菌糠和鸡粪配比对堆肥有机质含量、种子发芽指数、pH值等腐熟指标的影响

不同配比发酵堆料部分有机肥腐熟相关指标检测结果见表3。

有机质在堆肥过程的变化一定程度上反映了堆肥进程，其降解率可用于判断堆肥腐熟度。由表3可见，不同处理堆料经好氧高温堆肥处理后，大量有机质在微生物作用下被分解，其分解率随时间延长而增大；经约一个月堆腐发酵，4个处理有机质含量从初始的71%～75%下降至45%～55%，表明鸡粪堆肥在添加菌糠腐熟后的有机质含量均较高。其中，处理III因其高温阶段温度及持续时间均高于其他处理，其有机质降解率也高于其他处理。

随着堆腐发酵的进行，各处理水分含量逐步下降。4个处理物料经发酵腐熟，含水量从50%以上下降至40%左右，各处理水分变化趋势一致，其中处理III的水分含量下降速度最快。含水量相对新有机肥标准NY/T 525-2021要求(≤30%)还有一定差距，但随着堆肥后期低温腐熟和包装生产线筛分晾干打包等一系列处理，含水量必然能达到相关要求。

发芽率指数是从生物学角度评价有机物料是否充分腐解的重要指标，有机肥新标准《有机肥料》(NY/T 525-2021)规定，发芽率指数大于或等于70%则表明物料已腐熟。由表3所示，所有处理在发酵中后期（20天）的发芽指数均已达到腐熟要求，而处理III最先达到要求，于物料发酵15天时发芽率指数已达到74.3%。可见，菌糠和鸡粪的最佳配比所组成的混料更有利于腐解充分，缩短堆肥腐熟时间。

pH值也是影响堆肥发酵效果和堆肥质量的重要因素之一。在堆料发酵前，各处理pH值均为6.0左右（表1）。随着发酵进程温度上升，pH值呈上升趋势（表3）。各处理在堆置25天后，pH值维持在7.0～7.5之间，符合腐熟堆肥pH值标准。

表3 不同配比发酵堆料部分有机肥腐熟指标检测结果

由于所有处理堆料发酵前期都能快速升温并维持高温发酵状态（图1），使得4个处理其他腐熟指标如粪大肠菌数和蛔虫死亡率在堆料发酵前期（5天）的样品检测结果中已完全符合有机肥相关标准要求（表3）。

2.4 重金属及抗生素含量检测结果

为明确相关原料堆肥生态安全性，对堆料完成腐熟后（25天）的各处理进行重金属和抗生素含量检测。如表4所示，所有处理重金属含量均低于NY/T 525-2021规定上限，符合有机肥标准要求。几种抗生素的检测结果显示，4个不同处理样品中均未检测到庆大霉素、强力霉素、氟苯尼考，磺胺间甲氧嘧啶能在样品中检测到，但其含量均低于兽药国际协调委员会规定的兽药环境残留生态毒害效应触发值(100 μg/kg)。

表4 各处理腐熟堆料的重金属及抗生素含量检测结果

3 讨论

堆肥是处理畜禽粪便、菌糠等农业废弃物最经济有效的方法，实现了农业生物资源循环利用和转化增值。关于菌糠与鸡粪堆肥已经有不少研究报道[20-21]，本文重点从堆肥质量入手，通过多个堆肥质量指标的综合分析筛选菌糠和鸡粪的最佳配比。研究结果表明，4个不同处理生产的有机肥，总养分含量均较高，发酵腐熟后总养分均＞9%；同时，发酵过程能够快速升温，有效缩短堆肥发酵腐熟时间，堆肥各项指标在发酵25天后均已符合《有机肥料》(NY/T 525-2021)相关标准要求。其中，以处理III生产的有机肥有机质和总营养成分含量较高，腐熟时间最短，各项有机肥质量指标均优于其他处理，在生产上可作为合理配方进行推广应用。

菌糠作为一种富含碳元素的基质，长期堆放易霉变，霉变的菌糠不宜作二次栽培料，作为饲料原料其安全性也存有一定隐患。因此，堆肥化使用是菌糠资源化利用的最佳模式。但部分食用菌菌糠由于原料品控问题，可能存在重金属超标的问题，鸡粪可能存在抗生素超标问题。所以，在发酵前需对原料进行抽检。同时，通过发酵，在高温和微生物的作用下，能够使原料中的重金属钝化，抗生素部分降解。从研究结果看，重金属含量和抗生素含量均符合《有机肥料》(NY/T 525-2021)相关标准要求。

菌糠和鸡粪都是生产有机肥的优质原料，菌糠富含有机物质和矿质元素，且含有菌体蛋白、次生代谢产物和微量元素；畜禽粪便中含有丰富的氮、磷、钾、有机质、微量元素等成份。高温堆肥是微生物作用和分解的过程，其中温度、水分、pH值、碳氮比、颗粒大小等均会影响到微生物的生长、繁殖和活动，从而影响堆肥发酵进程[22]。菌糠和鸡粪混合堆料发酵能起到互补增效作用，在畜禽粪便堆肥发酵过程中添加菌糠，能增加堆料孔隙度、加快畜禽粪便的发酵速度，从而有效缩短发酵时间[23-24]。利用鸡粪与菌糠发酵的有机肥能够改善土壤中细菌群落组成，且对土壤中抗生素抗性基因的影响并不明显，表明采用鸡粪与菌糠生产有机肥不会造成土壤中抗生素抗性基因的大量富集[25]。但本研究发现，即使经过了25天的发酵晾晒过程，所有处理生产的有机肥含水量均无法达到小于30%的水平，这可能与发酵后期温度降低，水分蒸发减慢有关。随着后续筛分、包装和储存等过程，水分进一步蒸发，在出厂前达到含水量小于30%是完全可以做到的。随着养殖业和种植业生产过程中对于抗生素和重金属越来越严格的控制，有机肥发酵的原料安全性将得到稳步提升。随着种植业对有机肥使用的认同度不断提高，有机肥的需求量会进一步加大。通过有机肥快速腐熟技术，不但加快了原料流转过程，解决菌糠和鸡粪资源化利用问题，更为企业的高效运转，增产增收提供了保障。

4 结论

（1）向鸡粪中添加食用菌菌糠进行发酵，能够加速有机肥腐熟，所有处理均能在发酵20天后即达到发芽指数大于70%的腐熟要求。

（2）所有处理生产的有机肥，重金属含量及抗生素含量均符合《有机肥料》(NY/T 525-2021)相关标准要求。

（3）在各个处理中，以30%菌糠、60%鸡粪和10%生物干化污泥配合生产的有机肥在发酵25天后，有机质含量为48.5%，pH值为7.38，含水量为32.5%，于发酵15天时，种子发芽指数即达到74.3%，达到腐熟要求。该配比于整个发酵过程为最优配比。

（4）在有机肥发酵过程中，控制初始物料碳氮比，对于有机肥的快速发酵具有重要作用。