“菌-果-畜-粮”循环农业发展模式分析——以陕西省商洛市为例

聂淼，余超，董照锋

(1.商洛市农产品质量安全中心，陕西 商洛 726000；2.商洛市畜牧产业发展中心，陕西 商洛 726000)

我国是农业生产大国，每年会产生26.0 亿t 畜禽粪便，7.0 亿t 农作物秸秆，1.3 亿t 食用菌菌渣和0.5 亿t 林果业副产物等农林废弃物[1-2]。目前，绝大部分农林废弃物都被随意丢弃或者直接焚烧，造成生物资源浪费的同时对生态环境产生了极大影响。食用菌是在“生产者-消费者-分解者”组成的生态链上处于分解者（还原者）位置的一类真菌，它们能通过分泌降解纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质，以及多糖等大分子物质的相关酶类，将生产者（绿色植物）和消费者（人类、动物）均不能有效利用的农林有机废弃物，转化为人类美味可口的优质高蛋白食品。人工栽培每生产1 kg 的食用菌约产生3～5 倍的菌渣[2]。菌渣可作为食用菌二次栽培基质原料[3-8]、作物肥料[9-12]、动物饲料[13-16]、生物质燃料[17-20]、养殖垫料[21]、环境修复材料[22]等在农业生产中得到循环反复利用，实现农业生态环境良性循环。因此，食用菌产业逐渐成为处理和利用农林有机废弃物的最佳选择和连接林果业、养殖业和种植业等农业产业的重要纽带。陕西省商洛市全域地处秦岭山区，生态环境优越，物产资源丰富，是国家南水北调重要水源涵养地，具有发展生态绿色循环农业的产业基础、独特优势和现实需求[23]。本文在总结食用菌栽培基质和菌渣综合利用途径研究现状的基础上，提出了“菌-果-畜-粮”循环农业发展模式构想，并以陕西省商洛市为例，具体分析了商洛市发展“菌-果-畜-粮”循环农业的产业基础与生态、经济效益，以期为秦岭山区循环农业发展和农业资源高效利用提供理论依据和思路参考。

1 食用菌栽培基质研究现状

食用菌栽培基质由主料和辅料组成，含有食用菌生长繁殖所需的碳素营养、氮素营养、维生素，以及矿物质等营养物质。主料是食用菌栽培的主要原料，在栽培基质中配量最大，是食用菌碳素营养的主要来源。辅料是以满足食用菌菌丝生长所需要的有机氮源为主要目的的原料，占比较小，含氮量较高，常用来调节栽培基质碳氮比或作为速效营养物质。传统的食用菌代料栽培过程，常以杂木屑、玉米秸秆、玉米芯、棉籽壳、糠醛渣等原料作为主料，以麸皮、米糠、畜禽粪便等作为辅料。随着科技进步和食用菌产业发展，茶树枝、桑树枝、苹果枝、葡萄枝、猕猴桃枝、板栗苞壳、核桃壳、板栗树叶、茶籽壳、茶粕、大蒜秸秆、生姜秸秆、紫花苜蓿、杨树叶、枣树叶、苹果渣、柑橘皮、木糖渣、鹌鹑粪、蚕粪（蚕沙）、黄粉虫粪等农林牧副产品和工业生产废料也逐渐成为食用菌栽培基质新型原料[24]。表1 总结了部分林果业副产物在食用菌栽培基质中的添加比例。

表1 部分林果业副产物栽培食用菌研究进展

2 食用菌菌渣综合利用途径研究现状

食用菌菌渣，又称菌糠，是食用菌生产采收后废弃的固体培养基料，除含有未被完全利用的蛋白质、碳水化合物、氨基酸、维生素和微量元素等营养物质外，残留了大量菌丝体和多种次级代谢产物，且经食用菌菌丝及多种微生物酶解作用后，木质素、粗纤维和抗营养因子等被不同程度降解，粗蛋白提高25%～40%，具有很高的潜在开发和利用价值。近年来，国内外学者探索了菌渣多种资源化利用途径，并取得了良好的进展。

2.1 用作食用菌再生产的配料

不同食用菌生长对栽培基质中的营养成分利用存在差异性，如木腐菌和白腐菌菌渣中仍含有大量可供草腐菌吸收的营养成分。魏海龙等[50]研究指出，菌渣除部分营养损失外，内部环境在食用菌的改造下，更加适宜食用菌生长，只要适当补充部分养分，仍可作为优质的食用菌栽培基质。利用菌渣二次栽培平菇[3]、黑木耳[4]、金针菇[5]、双孢蘑菇[6]、草菇[7]、秀珍菇[8]等食用菌的研究较多。菌渣二次栽培食用菌可节省成本，提高产量，但要根据菌渣理化性质，合理选择二次栽培菌种，不能笼统地以“菌渣”替代[2]。

2.2 肥料化利用

菌渣中有机质、N、P 和K 含量分别达到了15.66%、1.274%、0.211%、1.45%，还含有多种矿物质元素，可作为有机肥直接还田利用或作为生产有机肥的优质配料，也可作为堆肥原料[51]。研究表明，菌渣肥料可提高脐橙[9]、大麦[10]、马铃薯[11]、小白菜[12]等农林产品产量。这可能与菌渣肥料能提高土壤有机质、速效氮磷钾等养分含量，降低土壤容重，改善土壤通气性和持水性等作用有关[52]。王峰等[53]研究表明，菌渣肥料能够促进茶园土壤腐殖化和有机碳的积累，增加茶园土壤大团聚体含量和土地肥力。另外，菌渣因具有良好的理化性质也可作为园艺作物和中草药育苗和栽培的基质原料[54]。

2.3 饲料化利用

食用菌菌渣风味芳香，松软适口，概略营养成分含量与糠麸类饲料相当，氨基酸总量与玉米接近，且含有丰富的必需氨基酸和微量元素，逐渐成为动物饲料来源的新途径。菌渣中含有大量菌丝体和食用菌代谢产物，如多糖、有机酸、三萜皂苷、多酚、黄酮类等，这些特殊的生物活性物质，可作为天然的抗氧化剂和抗炎药物，具有提高畜禽抗病能力、调节代谢机能和促进生理功能等作用[55]。研究证实，菌渣作为饲料对动物体不会产生毒害和副作用[56]。由于菌渣粗纤维含量高于18%，通常作为粗饲料应用于反刍动物中，饲喂单胃动物时必须适量添加。研究表明，菌渣可部分替代麸皮、豆粕等常规原料，粉碎后直接添加在饲料中或制成发酵饲料或提取生产生物添加剂等方式，用于饲喂奶牛、肉牛、肉羊、生猪、蛋鸡、肉鸡等[13-16]，不仅不影响生产性能，还可降低饲养成本，缓解饲粮不足矛盾，具有显著的经济效益。

2.4 能源化利用

菌渣能源化利用主要包括3 种途径：第1 种是晒干后直接作为燃料，因其操作简单且技术要求低，成为中小型食用菌种植户菌渣初级再利用的主要方式之一。但燃烧只能快速取得菌渣10%左右的热能，资源浪费的同时又造成环境污染，大型食用菌企业迫于环保压力逐渐放弃这种利用方式。第2 种是作为发酵底物生产沼气。菌渣发酵生产沼气具有预处理方式简便、启动迅速、产气质量高、发酵过程不易结壳等优点[57]。在气温较高的春夏季节，菌渣应用于户用沼气池发酵，日产气量达到0.5～1.0 m3，可满足农户日常生活所需[17]。研究表明，不同食用菌菌渣厌氧发酵产气潜力有所不同（表2）。菌渣碳氮比较高，单独发酵易出现酸化及产气停滞等问题，通过添加含氮量较高的猪粪[18]、牛粪[17]等混合发酵沼气产量明显高于菌渣或者畜禽粪便单独处理。第3 种是生产生物乙醇，菌渣中含有大量被食用菌分解过的木质素、纤维素、半纤维素，这些糖原物质被进一步酶解糖化和发酵后，经过纯化就可得到乙醇[19]，1 t食用菌菌渣可生产150 kg 左右乙醇[20]。

表2 食用菌菌渣厌氧发酵产气潜力

2.5 其他方面

菌渣可以部分替代锯木屑作为发酵床养殖的垫料，不仅不影响发酵效果和畜禽生产性能，还可有效降低发酵床垫料制作成本[21]。另外，菌渣疏松多孔，比表面积大，具有较强的吸附特性，是水体污染、土壤重金属污染、盐碱土壤改良等良好的生态环境修复材料[22]。近年来，利用菌渣提取多糖、植物甾醇、三萜皂苷、肌酸和胞外酶等生物活性物质逐渐成为研究热点。Silva 等[60]试验提出从菌渣中生产麦角甾醇的简单方法，陆欢等[61]通过添加复合酶结合微波法成功从杏鲍菇菌渣中提取出氨基酸水溶肥。

3 “菌-果-畜-粮”循环农业发展模式的构想

“菌-果-畜-粮”循环农业发展模式是以食用菌栽培和菌渣资源化利用为纽带，将食用菌业、林果业、畜牧业、种植业有机结合起来，实现农业生物质资源多级循环利用，变废为宝，减少资源浪费和环境污染，显著增加经济、生态和社会效益（图1）。林果业（茶业）产生的修剪枝条、核桃壳和板栗苞壳等，种植业产生的秸秆、玉米芯，以及畜牧业产生的畜禽粪便，这些废弃副产物都可作为栽培食用菌的基质原料。食用菌栽培后产生的菌渣，适当处理后可二次栽培食用菌，亦可作为燃料或者发酵生产沼气为食用菌企业供能，从而实现了食用菌业内部小循环。另外，菌渣可作为种植业和林果业育苗或栽培的基质原料，亦可单独或者与畜禽粪便混合发酵生产优质有机肥料，改善种植业和林果业土壤肥力，减少化肥使用，促进绿色优质水果、茶叶、粮食和经济作物等的生产。菌渣作为非常规饲料原料，可以部分替代种植业生产的玉米、小麦等常规饲料原料，共同为畜禽养殖提供全价配合日粮。畜牧业产生的粪污可直接或生产有机肥为种植业和林果业提供肥料，或者通过厌氧发酵生产沼气，为畜牧业本身以及林果业、食用菌业和种植业生产过程提供能量。

图1 “菌-果-畜-粮”循环农业发展模式路线图

4 产业基础与效益分析

4.1 产业基础

（1）食用菌业。2012 年以来，商洛市食用菌产业作为脱贫攻坚与乡村振兴重点扶持产业之一，得到快速发展（图2）。食用菌种植规模和食用菌产量从2012 年的1.05 亿袋和12.6 万t，增加到2021 年的3.88 亿袋和38.2 万t，分别增加269.52%、203.17%，产值增加了28.70 亿元。

图2 商洛市近10 年食用菌产业发展情况

（2）林果业。商洛市林果业以核桃和板栗为主，茶叶、桑果为辅，核桃和板栗的栽植面积、产量都长期位居陕西省第一，素有“中国核桃之都”“板栗之乡”等称号。2021 年，商洛核桃、板栗、茶叶和桑树栽植面积达到10.85 万hm2、8.17 万hm2、1.73 万hm2、0.25 万hm2，分别同比增加1.21%、1.96%、8.36%、9.05%（表3）。商洛属北亚热带向暖温带过渡的气候带，北方和南方水果均适宜栽培，2021 年全市果园面积0.35 万hm2，同比增加13.61%。其中，大樱桃、葡萄、猕猴桃等效益较好的特色时令水果种植较为广泛。

表3 2021 年商洛市林果业生产情况和副产品产生量

（3）畜牧业。畜牧业作为承农启工的中轴产业，是商洛市特色现代农业的重要组成部分。2021 年，全市生猪存栏55.32 万头，出栏85.16 万头；家禽存栏1 101.64 万只，出栏1 252.82 万只；牛养殖以肉牛为主，存栏7.09 万头，出栏2.72 万头；羊养殖以山羊为主，存栏23.13 万只，出栏20.48 万只（表4）。全市肉类总产量9.86 万t，同比增加13.05%，禽蛋产量7.19 万t，同比减少0.72%，牧业产值67.75 亿元，占农林牧渔总产值的30.48%，高出全省9.20 个百分点。

表4 2021 年度商洛市畜禽养殖量和粪便排泄量[74-75]

（4）种植业。商洛市粮食作物主要包括玉米、小麦和大豆，经济作物主要包括油菜、花生和蔬菜。据统计，2021 年，玉米产量27.26 万t，同比减少0.47%，小麦产量9.93 万t，同比增加1.53%，大豆产量3.24 万t，同比增加4.52%，油菜籽产量0.97 万t，同比增加11.03%，花生产量0.81 万t，同比减少5.75%，蔬菜产量61.85 万t，同比增加2.11%（表5）。

表5 2021 年商洛市主要农作物及副产品（秸秆）产生量[76]

4.2 效益分析

（1）环境效益。按每生产1 kg 的食用菌可生产3.25 kg 的菌渣计算，商洛市2021 年可产生124.15万t 菌渣[2]（图2）。按核桃壳质量占核桃总质量的30%计算，商洛市2021 年可产生3.27 万t 核桃壳[67]。按每100 kg 板栗产60～90 kg 干栗苞计算，商洛市2021 年至少可产生1.68 万t 板栗苞[69]。研究表明，板栗树年剪枝量约0.67 t·hm-2[68]，茶树年剪枝量4.5 ～7.5 t·hm-2[70]，桑园年产桑枝18～22.5 t·hm-2[71]，果园年剪枝量4.5 t·hm-2[72]，按照此比例计算，商洛市2021 年可产生板栗枝5.47 万t、茶枝7.81 万t，桑枝4.47 万t、果树枝1.58 万t、林果业一年可产生19.33 万t 修剪枝条（表3）。本文综合引用余超等[74]和彭锦星等[75]估算畜禽粪污年产生量的方法，计算得出2021 年商洛市畜禽粪便排泄量（表4）和粪便污染物排泄总量（表6）。由此可知，2021 年商洛市畜禽共产生粪尿173.56 万t 和111.47 万t，畜禽粪便中COD、BOD、NH3-N、总磷和总氮排放总量分别为7.88 万t、7.53 万t、0.72 万t、0.65 万t、2.22万t。本文采用毕于运等[76]订正的秸秆草谷比，对2021 年商洛市主要农作物副产物（秸秆）资源进行了估算（表5），可知2021 年商洛市累计产生农作物秸秆和玉米芯、花生壳等副产物57.98 万t。上述食用菌业、林果业、畜牧业、种植业生产过程中产生的菌渣、修剪枝条、畜禽粪便、农作物秸秆等农林废弃物，大部分被随意丢弃或者直接焚烧排放到环境中，使“资源”变为“污染源”，不仅造成资源浪费还破坏了生态环境[1]。“菌-果-畜-粮”循环农业发展模式利用修剪枝条、农作物秸秆和畜禽粪便生产食用菌，将菌渣配料化、肥料化、饲料化、能源化、垫料化应用于“菌-果-畜-粮”4 个业态，畜牧业产生的畜禽粪污通过肥料化或能源化实现循环利用，提高农林废弃物利用价值和效率的同时，极大地减轻了环境污染和生态破坏。另外，菌渣改善土壤肥力和生态环境修复功能同样具有极高的环境效益。

表6 2021 年商洛市畜禽粪便污染物排泄总量

（2）经济效益。①从食用菌生产角度分析：按每袋菌棒重量2 kg，含水率50%，杂木屑平均添加量50%计算，商洛市2021 年林果业产生的19.33 万t修剪枝条，可用于生产食用菌菌棒3.86 亿袋，每袋菌棒节约成本0.8 元计算，可节约产生成本3.09 亿元。丁强等[77]研究发现，2.6 t 秸秆和2.0 t 畜禽粪便，可生产1 t 的双孢蘑菇。商洛市2021 年57.98 万t农作物秸秆可生产双孢蘑菇22.30 万t，直接经济效益超10 亿元。②从菌渣资源化利用角度分析：2021年商洛市产生的124.15 万t 菌渣，一是可生产124.15 万t 肥料，按N 含量1.274%计算，相当于7.46 万t 硫酸铵，能满足22.61 万hm2农田的肥料要求，不考虑对农作物增产效益外，可减少化肥成本近1 亿元。二是可发酵生产600～1 200 t 的饲料，替代畜禽3%～20%日粮，饲料成本降低50～400 元·t-1。三是可直接或与畜禽粪便混合后作为蚯蚓饲料，1 t 菌渣可饲养蚯蚓25～30 kg，经济效益700～1 000 元。四是单独或与畜禽粪便混合发酵生产沼气，或者用来生产生物乙醇，1 t 菌渣可生产150 kg 左右乙醇[20]。③从畜禽粪便资源化利用角度分析：本文根据不同畜禽粪便的发酵产气潜力估测了2021 年商洛市畜禽粪便发酵产气量[74]（表7）。由表7 可知，2021 年商洛市畜禽粪便发酵产气总量约为13 732.97 万m3，相当于9.61 万t 无烟煤产生的能量[74]。另外，畜禽粪便生产的有机肥或者沼气发酵后产生的沼渣沼液，均是林果业和种植业最理想的有机肥料。

表7 2021 年商洛市畜禽粪便发酵产气量估测值[74]

5 讨论及结论

“菌-果-畜-粮”循环农业发展模式是涉及食用菌栽培学、园艺学、畜牧学、农学、农业环境学、食品科学等多个学科的一项系统过程，以食用菌栽培和菌渣资源化利用为纽带，连接林果业、畜牧业和种植业，形成循环产业链，优化了农业系统结构，实现了农林废弃物资源多级循环和转化，提高了农业资源总体利用率和效益，减少了环境危害和破坏，具有明显的经济效益和环境效益。

目前，有关食用菌产业循环模式的研究，多侧重从食用菌菌渣的单一技术层面来研究菌渣再利用的可能性[51-59]，宏观层面探讨食用菌业与其他业态的多级循环利用模式还较少。“菌-果-畜-粮”循环农业发展模式的推广应用可助推农业废弃物“变废为宝、变弃为用、变害为利”，为降低农业能源投入品消耗、减少农业温室气体排放、发展低碳农业等作出重要贡献，但现阶段该模式还存在着产业链条主体分离、基础理论研究不足、标准规程体系不全、专业技术人才匮乏、政策支持力度不够，以及农林废弃物栽培食用菌、菌渣高效利用和粪污资源化利用等关键茬口衔接技术研究薄弱等问题，迫切需要政府、科研单位和从业人员共同发力，加强循环农业发展模式的政策引导、科研攻关和技术创新，加快标准体系和人才队伍建设，促进循环技术推广应用，实现农业产业健康持续高质量发展。