食（药）用菌菌糠对砂壤土团聚体性状的影响

徐 爽，阚雨晨

（1汉中职业技术学院，陕西汉中 723000；2上海绿乐生物科技有限公司，上海 201108）

0 引言

菌糠是食药用大型真菌采收后残余的废弃培养基质。中国食（药）用菌生产种类多、产量大。报告显示，2020 年中国食（药）用菌总产量4061.43 万t，总产值3465.65亿元，比2019年分别增长了3.2%和10%[1]。随着食（药）用菌生产规模的不断扩大，菌糠的产出量也不断增加。作为农业生产废弃物料，菌糠因其有机物质种类和含量丰富、生物活性良好等特点，有着很高的再利用价值。香菇菌糠具有疏松多孔结构，透气性佳，其中残留有大量的纤维素、半纤维素、木质素、菌体蛋白和微量元素等[2]，是一种富含营养物质和生物活性酶的优良“土壤养分供给体”和“土壤生理机能调节体”[3]。废弃的香菇栽培基质用于土壤改良，不仅增加了土壤中含氮养分和有机质的含量[4]，促进了土壤养分循环，增强根际土壤中与氮素转化相关的酶活性[5]，同时对环境污染物的降解和转化具有明显效果[6-7]。灰树花是食药两用菌，菌糠中除含有纤维素和木质素外，还含有丰富的多糖和矿物质等营养成分[8]，同样具有疏松多孔的物理结构，透气性良好。双孢菇菌糠除含有菌体蛋白、微量元素等丰富的营养物质外[9]，还含有大量的游离氨基酸，含氮物质比其他食用菌菌糠更加丰富，碳氮比更接近微生物生长和活动的最佳环境比值[10]。大量研究表明菌糠在土壤改良方面具有很高的再利用价值，能够有效改善土壤理化条件[11-14]。

不同质地的土壤中，有机物料对土壤团聚体的改良效果有着显著差异[15-16]。仅就壤质土壤而言，SALL等[17]研究认为，有机物料的种类和质量对砂壤土中大团聚体的形成和稳定性没有显著影响。有研究则认为，有机物料中的有机质含量和碳氮比都显著影响砂姜黑土（轻壤质）的团聚体质量[18]。不一致的研究结果表明国内外对有机物料影响团聚体质量的探索尚不全面，应当更加关注不同有机物料的添加量、添加方式及培养时间等对团聚体质量的影响。食用菌菌糠应用于改善土壤团聚体质量的研究成果已有报道。有研究发现，稻田施用菌糠增大了＞2 mm 团聚体的含量，平均重量直径和几何均重直径随着菌糠用量的增加而提高[19]；将新鲜的香菇菌糠直接施入土壤中，在短时间内改善了土壤结构和孔隙度，改良后的土壤团聚体中含有大量的菌糠残留物，对促进土壤团聚体形成有着重要意义[20]。但目前对于添加不同种类的菌糠对砂壤土团聚体形成和稳定性的影响鲜有明确论述。

本研究以砂壤质土壤为研究对象，香菇、灰树花和双孢菇3种食用菌和食药用菌的菌糠为添加材料开展室内恒温培养试验。测定不同菌糠添加比例和不同培养时长的土壤水稳性团聚体组成情况，对比分析不同菌糠对砂壤土水稳性团聚体组成和性状的影响，探讨菌糠对砂壤土团聚体状态的改善作用，以期为进一步研究食（药）用菌菌糠的资源化利用和土壤结构改良方法提供理论和技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试土壤的基本性质 供试土壤为陕西省汉中市留坝县留侯镇耕地土壤，土壤类型为长期湿暖淋溶作用下形成的黄棕壤，表观质地轻，土层疏松，农作模式为玉米/马铃薯间作，有机肥与化肥混施。

每个供试田块按照“S”型分布设置15 个采样点，分别采集0～20 cm表层的原状土壤样品和扰动土壤样品。用方形硬塑料盒收集原状样品，防止运输过程中被挤压破坏，带回实验室后在自然风干过程中除去植物残体及小石块，沿结构体自然裂隙面掰成直径约1 cm 大小的小块，风干后用于团聚体组成测定；扰动样品风干研磨过筛后用于土壤质地和养分含量的测定。土壤质地测定采用吸管法，有机质含量用丘林法测定，碱解氮含量用扩散法测定，速效磷含量用Olsen法测定，速效钾含量用NH4OAc提取—火焰光度法测定[21]。

供试土壤物理性砂粒(≥0.01 mm)含量为87.2%，物理性粘粒(＜0.01 mm)含量为12.8%。按照卡庆斯基二级分类制，土壤质地为砂壤土。有机质含量15.7 g/kg，碱解氮含量123.3 mg/kg，速效磷含量110.8 mg/kg，速效钾含量211.2 mg/kg。

1.1.2 供试菌糠的养分组成 供试香菇菌糠和灰树花菌糠收集自汉中市汉台区武乡镇食用菌生产基地，基质主要原料为木屑和棉籽壳；双孢菇菌糠收集自汉中市勉县双孢菇生产基地，基质主要原料为麦草秸秆和泥炭土，混有少量鸡粪和油渣。将样品在室内自然风干后用粉碎机粉碎，过1 mm 筛备用。供试菌糠的基本养分含量见表1。

表1 供试菌糠的基本养分含量

供试香菇菌糠和灰树花菌糠有机碳含量相对较高，达到了70%以上，双孢菇菌糠有机碳含量为40%左右，全氮含量双孢菇菌糠＞香菇菌糠＞灰树花菌糠。碳氮比灰树花菌糠(93:1)＞香菇菌糠(55:1)＞双孢菇菌糠(21:1)。

1.2 试验设计

土壤样品制备方法：通过机械筛分剔除5 mm 以上的大团聚体，仅保留在农业上有价值的≤5 mm的土壤团聚体[22]样品用于测定。称取供试土壤+菌糠样品共50 g[23]（称取供试土壤50、49.5、47.5、42.5、35 g，按顺序分别加入3种供试菌糠0、0.5、2.5、7.5、15 g），配置成菌糠添加量0%、1%、5%、15%和30%的混合样品轻轻摇匀后置于480 mL的培养瓶中备用。如表2所示，上述混合样品每个处理配制12瓶样品，分为4组，分别对应0、30、60、90 d培养时间，每个处理设置3个重复。样品编号设计为土样类型编号（L-香菇菌糠、G-灰树花菌糠、A-双孢菇菌糠）+菌糠添加量(%)+培养时长(d)。

表2 处理编号

在配制好的混合样品中加入10 mL蒸馏水润湿土壤，放入SPX-150B-Z型恒温生化培养箱在24℃恒温下培养相应天数后进行团聚体组成测定，培养期间每5 d补充一次水分，保持样品湿润，并及时除去杂草杂菌。

1.3 土壤水稳性团聚体组成测定方法

土壤水稳性团聚体测定采用湿筛法。使用土壤水稳性团粒分析仪（德码zy200型，上海德码信息技术有限公司生产）进行团聚体筛分。具体操作为：沿盛有样品的培养瓶瓶壁缓缓加入20 mL 去离子水浸润（加水湿润的方式对结果重现性影响很大），待样品全部浸润后，将样品全部洗入仪器的套筛上（套筛孔径从上到下依次为：5、3、2、1、0.5、0.25 mm），缓慢加入去离子水直至没过样品，仪器设置振幅3.0 cm，以40 次/min 的频率竖直上下振荡5 min。分离得到0.25～0.5、0.5～1、1～2、2～3、3～5 mm 的团聚体留于土筛上，将各级团聚体小心冲洗入蒸发皿，在水浴锅上蒸干后，移入烘箱直至烘干至恒重后称重，计算土壤水稳性团聚体的组成。

1.4 土壤水稳性团聚体性状指标计算

对测定所获数据，分别计算各级团聚体百分含量、≥0.25 mm 团聚体百分含量(R0.25)、平均重量直径(mean weight diameter，MWD)、几何均重直径(geometric mean diameter，GMD)和分形维数D[24-25]，用于团聚体质量评价和主成分分析，计算公式如式(1)所示。

式(1)中Mr为≥0.25 mm 土壤团聚体的质量，MT为团聚体样品总质量。计算公式如(2)～(3)所示。

式中xi为团聚体的直径，wi为某一直径团聚体的质量。通过式(4)可推导计算出分形维数D值。

≥0.25 mm 团聚体百分含量、平均重量直径、几何平均直径和分形维数D是评价土壤团聚体组成和状态的指标，常用于评价土壤团聚状态和质量，≥0.25 mm团聚体百分含量、平均重量直径和几何平均直径数值越大代表土壤团聚度越高，分形维数D数值越小代表土壤团聚体团聚体性越好[26]。

2 结果与讨论

2.1 水稳性团聚体组成

图1 所示为供试砂壤土团聚体累计百分含量，以及经香菇菌糠(L)、灰树花菌糠(G)和双孢菇菌糠(A)培养处理后的团聚体累计百分含量。供试砂壤土(CK)≥0.25 mm水稳性团聚的含量为36.88%，1～5 mm水稳性团聚体含量为24.73%。添加菌糠后，香菇菌糠培养30 d以上的处理≥0.25 mm团聚体含量均增大至40%以上，添加量15%培养90 d的处理≥0.25 mm团聚体含量超过了60%；灰树花菌糠处理中，仅有个别处理≥0.25 mm团聚体含量超过了40%，但增加幅度远远小于香菇菌糠的处理；添加双孢菇菌糠后，≥0.25 mm 团聚体含量有所增加，但培养时间对大团聚体含量的增加没有表现出明显的作用。

图1 土壤团聚体组成

2.2 土壤水稳性团聚体性状分析

表3列出了各处理的土壤水稳性团聚体平均重量直径。通过多重比较分析结果可知，加入菌糠培养后，不同处理的团聚体平均重量直径总体上均有不同程度的增加，香菇菌糠处理的平均重量直径的最大增量为对照处理的206.8%，灰树花菌糠处理为54.5%，双孢菇菌糠处理为81.8%。添加香菇菌糠培养30、60、90 d，菌糠添加量1%、5%和15%处理团聚体的平均重量直径均随着添加量增加而显著增大，添加量15%和30%的处理之间没有显著差异；菌糠添加量15%和30%的处理的平均重量直径随着培养时间的增加显著增大，添加量1%和5%的处理不受培养时间的显著影响。添加灰树花菌糠培养的各处理在培养30 d后，团聚体平均重量直径均显著大于未培养的处理，但菌糠添加量和培养时间效应均未表现出明显的规律性差异。添加双孢菇菌糠培养30、60、90 d，菌糠添加量1%、5%和15%的处理团聚体平均重量直径没有显著差异，但在添加量30%的处理中，添加菌糠为培养的处理平均重量直径显著小于低添加量的处理；同时，培养时长对1%、5%和15%添加量的处理没有显著影响，30%添加量的处理中，平均重量直径则随着培养时长的增加而显著增大。

表3 土壤团聚体平均重量直径 mm

2.3 影响土壤水稳性团聚体组成的特征因素分析

对各处理的土壤各等级团聚体的百分含量、平均重量直径、几何均重直径、分形维数D进行主成分分析（图2），获得3种菌糠的不同添加量和培养时间对团聚体组成和性状的影响。添加香菇菌糠的处理中，第一主成分(PC1)的贡献率为87.98%，第二主成分(PC2)的贡献率为8.73%，二者能够解释总变量的96.71%。PC1轴显示了菌糠添加量5%、15%和30%的处理均与第一主成分呈正相关关系，并且培养时间越长，正相关越强。在PC1轴上的差异性指标主要是＜0.25 mm团聚体的百分含量，与第一主成分呈负相关。表明菌糠的添加量在5%以上时，增大菌糠的添加量和延长培养时间都对供试土壤团聚体组成和团聚体性状的改变具有实际意义，并且产生差异的主因素是＜0.25 mm 团聚体百分含量的变化。PC2轴显示了菌糠添加量5%的处理与第二主成分呈正相关，添加量15%和30%的处理与第二主成分呈负相关，培养时间没有呈现明显的相关性规律。在PC2轴上的差异性指标主要是0.5～1、1～2 mm团聚体的百分含量，与第二主成分呈正相关。表明菌糠添加量15%以上的处理对≥0.25 mm 的大团聚体的组成变化具有一定的实际意义，并且产生差异的主因素是0.5～1、1～2 mm团聚体的百分含量。

图2 土壤团聚体组成的主成分分析

添加灰树花菌糠的处理中，第一主成分(PC1)的贡献率为54.98%，第二主成分(PC2)的贡献率为39.48%，二者能够解释总变量的94.46%。菌糠的添加量和培养时间在PC1轴上均未见明显的相关性规律。在PC1轴上的差异性指标主要是＜0.25 mm团聚体的百分含量，与第一主成分呈负相关，以及0.25～0.5、0.5～1 mm团聚体的百分含量，与第一主成分呈正相关。PC2 轴显示了菌糠添加量各处理和培养时间与第二主成分均呈负相关，但添加量和培养时间的增量与第二主成分均没有明显的相关性规律。主要的差异性指标是＜0.25 mm团聚体的百分含量，与第二主成分呈正相关，以及3～5 mm 团聚体的百分含量，与第二主成分呈负相关。表明添加灰树花菌糠培养对供试土壤团聚体组成的变化有一定的影响，影响结果是在＜0.25 mm 团聚体含量减小和3～5 mm团聚体含量增大的共同作用下形成的。

添加双孢菇菌糠的处理中，第一主成分(PC1)的贡献率为71.14%，第二主成分(PC2)的贡献率为23.24%，二者能够解释总变量的94.38%。PC1 轴显示了菌糠添加量1%、5%和15%的处理均与第一主成分呈正相关关系，添加量和培养时间的增量与第一主成分均没有明显的相关性规律，添加量30%的处理与第一主成分呈负相关，并且随着培养时间的增加，二者的负相关关系减弱。在PC1轴上的差异性指标主要是＜0.25 mm团聚体的百分含量，与第一主成分呈负相关。表明添加30%的双孢菇菌糠，增加了＜0.25 mm团聚体的百分含量，但随着培养时间的增加，＜0.25 mm团聚体含量减少。PC2轴显示了菌糠添加量30%的处理与第二主成分呈负相关，并相关程度随着培养时间增大而增加。在PC2轴上的差异性指标主要是0.25～0.5、0.5～1 mm团聚体的百分含量，与第二主成分呈正相关，以及3～5 mm团聚体含量，与第二主成分呈负相关。表明菌糠添加量30%的处理团聚体组成随着培养时间变化是直径0.25～1 mm 的团聚体含量减少和3～5 mm 团聚体含量增加的共同作用结果。

3 结论

（1）香菇菌糠、灰树花菌糠和双孢菇菌糠都对土壤团聚体性状具有一定的改善作用，改善后平均重量直径的增大幅度香菇菌糠(206.8%)＞双孢菇菌糠(81.8%)＞灰树花菌糠(54.5%)，添加香菇菌糠使土壤团聚体性状评级从较差提升到了良好至优级别，但灰树花菌糠和双孢菇菌糠对团聚体性状的评级没有明显效果。

（2）香菇菌糠处理中，团聚体性状指标的增加主要与＜0.25 mm团聚体通过团聚体化作用向大团聚体转化有关；灰树花菌糠处理团聚体性状指标的增加则是＜0.25 mm团聚体在真菌菌丝的缠绕作用下在短时间内形成较大团聚体，新形成的团聚体稳定性较差；而双孢菇菌糠处理中，0.25～1 mm团聚体向3～5 mm较大团聚体的转化对团聚体性状指标的提升起到重要作用。

（3）菌糠的碳氮比是影响其对土壤团聚体性状改善效果的重要因素。菌糠碳氮比过高导致其对团聚体性状的改善作用仅具有短效机制，形成的团聚体不具有长效稳定性；而菌糠碳氮比过低则达到改善效果所需菌糠的添加量大幅增加，并且改善作用发生及其缓慢。当菌糠碳氮比在微生物活动适宜碳氮比2 倍(50:1)左右时，其用于改善砂壤土团聚体的性价比较高，并且能够获得长效作用机制。

4 讨论

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，直径≥0.25 mm团聚体的百分含量是判断土壤能否有效发挥生产和生态协调功能的重要指标[27]。各类有机物料进入土壤，对土壤≥0.25 mm 团聚体的百分含量都有着显著的增加作用[28-29]。有学者提出了以≥0.25 mm团聚体为指标的耕层团聚体性状评级指标，认为≥0.25 mm水稳性团聚体含量低于20%，土壤团聚体性状差；含量20%～40%土壤团聚体性状较差；含量40%～60%土壤团聚体性状良好；含量高于60%属于团聚体性状即达到优级别，此时表明土壤的结构状态很好[30]。本研究发现，添加香菇菌糠有效增加了供试土壤≥0.25 mm 团聚体的百分含量，使土壤团聚体性状从较差级别提升到了良好至优级别，但灰树花菌糠和双孢菇菌糠的处理并未明显提升团聚体性状的评级。在对土壤团聚体平均重量直径的分析中同样可以看到香菇菌糠对团聚体性状的最大改善效果远远强于灰树花菌糠和双孢菇菌糠。并且从平均重量直径的多重比较结果发现，菌糠的添加量和培养时间对3种菌糠改善土壤团聚体性状的效果也有着不同程度的影响，这是由于不同种类菌糠中的营养成分和酶活性存在很大差异，影响了土壤团聚化作用的过程[31]。有研究表明，添加香菇菌糠后，土壤中的微生物总量和酶活性都有明显提高，主要提高了细菌和放线菌在土壤微生物群落中的比例，但抑制了真菌在土壤群落中的规模[32]。双孢菇菌糠则在短期内对土壤细菌和真菌的数量无显著影响[33]。菌糠对土壤微生物数量和活性表现出的不同作用效果与菌糠的碳氮比密切相关[34]，从而不同碳氮比的菌糠对土壤团聚体性状的改善效果差异很大。有研究认为，添加有机物料时土壤大团聚体在短时间内增加是由真菌菌丝作用引起的，属于短期效应；而对团聚体性状的长效作用是由细菌活动引起的，是在团聚体形成过程中对团聚体内部的强化，形成的团聚体更加水稳性更强[35]。本研究通过主成分分析发现，添加香菇菌糠主要促进了＜0.25 mm 的微团聚体向大团聚体的转化，从而改善了团聚体性状，改善效果也随着菌糠添加量和培养时间的增加而显著增加，表明香菇菌糠适宜的碳氮比为团聚体的形成创造了稳定的微生物活动条件。添加灰树花菌糠对团聚体性状的总体改善效果弱于香菇菌糠，但在新的团聚体形成的过程中，更多地形成了3～5 mm 的较大团聚体，但菌糠的添加量和培养时间未表现出任何协同作用，说明灰树花过高的碳氮比导致真菌菌丝促进大团聚体形成始终起主导作用[36-37]，细菌活动未发挥出其主要作用。添加双孢菇菌糠则仅在添加量较高时起作用，并且随着培养时间的增加作用效果明显增强，双孢菇菌糠碳氮比更加接近微生物活动所需的碳氮比值[38]，但由于土壤团聚体形成过程中，土壤自身也需要有机质的供给，低碳氮比极易导致土壤与微生物发生争氮现象，因此所需的菌糠添加量很高并且作用效果非常缓慢；同时由于双孢菇的培育基质中含有大量的泥炭，因此过高的添加量导致菌糠与土壤混合物中的初始平均重量直径大幅降低，虽然在菌糠养分的作用下持续恢复，但所需时间很长，而所能达到的最终效果需要开展更长时间的培养试验进一步探讨。