摘要我国是食用菌第一生产大国,拥有大量的食用菌废弃物资源,但当前食用菌菌渣利用率较低,造成乡村污染的现象依然存在。因此,有必要开展菌渣等废弃物循环利用技术与合理开发模式研发,尤其要建立并完善农田秸秆菌业循环生产体系,通过菌渣还田、有机与无机肥的科学施肥等技术提高农田生态系统生产力,是实现资源高效循环利用的有效途径之一。该文主要论述食用菌渣循环利用技术方式以及对农田生态环境影响的主要评价指标,以深入探讨菌渣回田对农田生态环境影响及实施成效。
关键词食用菌渣;农田生态环境;循环利用;影响;评价指标
中图分类号X826文献标识码A文章编号 1007-5739(2010)22-0268-04
EffectsandAssessmentIndexofRecyclingUseofEdibleFungusDregsonFarmlandEcologicalEnvironment
HUANG Xiu-sheng 1WENG Bo-qi 1HUANG Qin-lou 1LEI Jing-gui 2LUO Tao 3CHEN Zhong-dian 1
(1 Agriculture Ecology Research Institute,Fujian Academy of Agriculture Science,Fuzhou Fujian 350013; 2 Edible Fungi Institute,Fujian Academy of Agricultural Science; 3 Soil and Fertilizer Institute,Fujian Academy of Agriculture Science)
AbstractChina is the largest producer of edible fungi and has a large number of waste resources,but low utilization ratio of edible fungus dregs which polluted villages. So it is necessary to carry out the researches on recycling technology and reasonable development modes of edible fungi residue and establish and improve the farmland straw-edible fungi recycle production system to improve the productivity of farmland ecological system by returning residue to farmland and scientific application of organic-inorganic fertilizer,which is the effective way to realize officient resources utilization. This paper mainly discussed the cyclic utilization technology of edible fungus dregs and the main assessment indices of farmland ecological environment in order to explore the effects and achievements of returning residue to farmland eco-environment.
Key wordsedible fungus dregs;farmland ecology environment;recycling use;effect;assessment index
我国是世界上第一大食用菌生产国。据资料显示,2006年我国年产食用菌1 400万t(其中草生菌350万t),占世界的70%,产值达590亿元,出口量62.8万t,出口创汇9.6亿美元,出口量居世界第一位。东南沿海诸省乡村草生菌的主要栽培品种为双孢蘑菇、草菇、姬松茸、鸡腿菇等。其主要特点是以稻草、秸秆等农业废料作为培养料的碳源,以牛粪、马粪、羊粪、鸡粪等有机肥作为氮源栽培的食用菌,是农业废料进行生物转化的一种重要途径。食用菌废料又被称作菌糠、菌渣、下脚料、废菌筒,是栽培食用菌后的培养料,含有丰富的蛋白质及其他营养成份,在农业生产上具有较高的利用价值。以蘑菇为例,出菇前后蘑菇渣的化学成分发生了很大变化,但其干物质仍占原重的50%左右。被菌丝分解的部分,约1/3用于菌体合成,1/3用于呼吸消耗,另外1/3则以新的形式存在于磨菇渣中[1]。出菇后的蘑菇渣中含有蛋白质、氨基酸、菌体蛋白、酶等可以再利用的成分,对菇渣进行资源化利用有较好的前景。而其他品种的食用菌也同样含有较高的营养成分。因而合理利用这些废料,可提高经济效益,有效减少废弃物质,提高生态效益,实现废物循环利用和农业的可持续发展。该文主要论述食用菌渣循环利用对农田生态环境影响的主要评价指标,探讨菌渣循环利用对农田生态环境影响,建立成效评价体系。
1菌渣循环利用的主要技术与成效
1.1食用菌废料循环利用作栽培料
研究表明栽培鸡腿菇、平菇、草菇、双孢菇之后的菌渣可以再次用于生产另一种菇类。米青山等[2]利用平菇废料(菌糠)栽培鸡腿菇,结果表明在培养料中添加40%～60%平菇菌糠与全料栽培相比降低成本29%～43%,产量略有下降,但可大量节约成本,提高综合经济效益。而采用麦粒—菌糠培养基生产双孢菇菌种,不仅提高菌种质量,延长菌种保藏期,而且菌糠代替部分麦粒,可大幅度降低生产成本。彭荣等[3]将不同种类的菌渣(香菇、平菇、金针菇)处理后加入辅料作栽培基质用于草菇的栽培,与传统的稻草栽培配方相比,呈现出菌丝生长快、产量高、成本低等优点,其中金针菇菌渣栽培草菇的生物转化率达到22.6%,产量比传统稻草栽培料提高15.7%左右。
1.2利用菌渣合理开发家畜家禽饲料
平菇、香菇、金针菇等木腐类真菌,其种菇后废料中含有较丰富的氨基酸(AA),并且Fe、Ca、Zn、Mg等微量元素含量也很丰富,加之菌渣特有的蘑菇香味,使之具有较好的适口性。因此,菌渣可作饲料使用。宋汉英等[4]用20%香菇菌渣代替砻糠粉饲喂猪,发现猪仍可正常生长,猪每增重1 kg,试验组比对照组可节约饲料0.71 kg,经济效益增加30.26%,且肉质无异。陈学通[5]对白灵菇菌渣喂羊的适口性及育肥羊的效果进行测定,表明用菌渣替代精料中50%的饲草喂羊可行性强且能够节约饲料成本。庞思成[6]用菌渣代替麸皮喂养尼罗罗非鱼,可使饲料成本下降8.3%。
1.3食用菌废料作有机肥料开发利用
食用菌废料中富含有机物和多种矿质元素,其中N、P、K养分含量高于稻草和鲜粪。种菇后的各种原料通过无害化处理及发酵可成为一种优质的有机菌肥,也可直接作为底肥施入农田。研究表明施用食用菌渣复合有机肥,能使水稻增产6.2%～8.3%,取得了较明显的经济效益[1]。利用食用菌渣复合肥可提高青椒的产量、糖分和VC的含量[1]。同时,在柑桔、苹果、梨、葡萄等水果园内将食用菌废料深施后掩埋,可起到改良果园土壤、增加土壤的通透性、改善理化性质、提高水果品质、增产增收的效果,而且肥效持久,经济实惠;也可用作蔬菜的基肥;在花卉种植中,把种菇后的废料与肥土混合后堆积自然发酵,用来作为花卉苗圃、花盆的基肥。此外,食用菌废料还可在蔬菜育苗饲养昆虫、作为燃料等方面进行应用[2]。
2菌渣循环利用对生态环境影响的主要评价指标
农田生态环境即作物生长环境,包括农田小气候、土壤水热状况、植物养分循环杂草生长、植物病虫害等因素。目前菌渣回田对农田生态环境影响的评价指标还不是很完善,但可以结合其他学者在肥料应用领域所作的环境效应研究,探讨菌渣作为生物肥料将其回田对农田生态环境影响的主要评价指标。
2.1土壤质量指标
土壤质量是土壤在一定的生态系统内提供生命必需养分和生产生物物质的能力;容纳、降解、净化污染物质和维护生态平衡的能力;影响和促进植物、动物和人类生命安全和健康的能力之综合量度。简言之,土壤质量是由土壤肥力质量、土壤环境质量和土壤健康质量3个既相对独立又有机联系的组分综合集成[7]。土壤质量是土壤支持生物生产能力、净化环境能力和促进动植物和人类健康能力的集中体现,是现代土壤学研究的核心,也是肥料对农田生态环境最重要的评价指标。通常土壤质量评价选择20多个土壤性质作为土壤质量评价指标体系[8-9],这些指标可以按照传统的土壤性质分成3类:化学指标、物理指标和生物学指标。
(1)化学指标。Schoenhohz等[10]综述了农业、林业和草原土壤中用来评价土壤质量的土壤化学指标。其中土壤有机碳指标有土壤有机碳和土壤有机质;营养指标有全N、可交换性氨态氮、硝态氮、全P、矿化P、可交换性P、Bray P、P吸附性;全K、可交换性K;可交换性Ca、Mg、PH;EC等。在化学指标中,土壤碳库动态平衡是土壤肥力保持和提高的重要内容,它与作物营养、土壤管理关系密切,直接影响作物产量和土壤肥力的高低,是评价土壤质量的重要指标,其主要有土壤有机碳(SOC)和不同活性有机碳,包括热水提取态碳(HWEC)、可矿化碳(PMC)、酸提取态碳(AEC)、易氧化态碳(ROC)、颗粒有机碳(POC)、轻组有机碳(LFOC)、可溶性有机碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC)等指标。国内外对森林有机质平衡方面研究报道较多。但我国农田有机质平衡研究目前积累资料较少,且研究也多为模型模拟和估算值。沈宏等[11]指出长期施肥对土壤有效碳库和碳库有效率有很大影响。而长期施用有机肥或有机无机配合施用处理的土壤有机碳、微生物量碳、易氧化碳、可矿化碳含量、土壤碳素有效率明显高于不施肥和无机肥处理。王百群等[12]研究了草地开垦变为不同农田后对土壤有机碳库的效应,结果表明草地开垦为农田后,土壤可溶性有机碳、微生物生物量碳及总有机碳的含量显著下降。姜勇等[13]对辽宁省沈阳市苏家区近20年农田耕层土壤有机碳含量变化的分析表明,不重视有机肥施用是导致该地区农田土壤有机碳含量普遍下降的主要原因。许多学者认为土壤微生物量碳是土壤养分转化的活性库或源,是碳素循环和周转的媒介,它与潜在的土壤可利用态氮之间存在显著正相关,是土壤有机质中最为活跃的部分,且更能表征土壤受外界影响后土壤养分有效状况和生物活性的变化。土壤微生物量碳转化迅速,能在检测到土壤总量碳变化之前反映土壤有机质的变化,属更具敏感性的土壤质量指标。徐华勤等[14]研究了经过4年不同培肥措施后红壤茶园土壤微生物量碳变化,表明稻草覆盖后配施不同比例有机无机肥、间作三叶草以及全施化肥处理对土壤微生物量碳均有明显提高,其中,稻草覆盖+100%有机肥和稻草覆盖+75%有机肥+25%化肥处理分别比对照提高17.05%、32.38%。但目前菌渣回田对土壤碳库的影响研究在国内文献中还鲜有报道。
(2)生物指标。土壤生物学指标包括微生物生物量C和N、潜在可矿化N、土壤呼吸量、生物量C/有机总C、呼吸量/生物量、土壤微生物的群落组成和多样性、土壤酶活性、土壤动物等指标[14-15]。土壤微生物量对农业管理措施极为敏感,是反映土壤管理变化的活指标。土壤微生物量碳、氮是土壤碳素和氮素养分转化和循环研究中的重要参数,它们较为直观地反映了土壤微生物和土壤肥力状况。因此,土壤微生物量对了解土壤养分转化、循环具有重要的意义,可以综合反映土壤的肥力和环境质量状况。微生物量碳在区别长期与短期土壤处理方面也非常敏感,同时还不受无机氮的直接影响,这是微生物量碳用作土壤生物指标的一大优势。国内外学者也愈来愈认识到微生物在整个生态系统中的重要功能,并把注意力从用土壤理化性质作为持续性指标来评价土壤肥力及其对作物产量的影响的研究中,逐步转移到用土壤微生物参数来评估土壤的健康和质量,包括土壤微生物生物量、各种酶活性以及微生物的多样性等[16-18]。当前对微生物多样性的研究所采取先进科学技术主要有变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术,通过比较不同土壤中各种微生物的16SrRNA基因信息来了解微生物的多样性。马冬云等[17]研究了在大田高产条件下、不同尿素施用量下2种不同穗型小麦品种“兰考矮早8”和“豫麦49-198”根际微生物数量和土壤酶活性的变化,表明尿素施用量对小麦根际微生物数量和酶活性均产生一定的影响,适宜尿素施用量有益于小麦根际微生物数量和酶活性的提高,过高则微生物数量和酶活性下降。张明等[19]研究表明长期施用有机肥可以提高土壤微生物对有机碳及全氮的利用率。王俊华等[20]研究了长期定位施肥对农田土壤酶活性及其相关因素的影响,表明土壤脱氢酶活性随着年限的增加逐渐下降,转化酶与磷酸酶的活性趋于增高,而长期施用有机肥更有利于保育土壤生物化学环境质量。高美英等[21]通过秸秆覆盖果园长期定位试验表明,覆盖可明显增加各土层中氨化细菌的数量。黄志宏等[22]研究认为果园中土壤微生物数量在土壤中具有明显的垂直分布特征。
(3)物理指标。Schoenholtz等[10]综述了土壤研究者建议使用和已经使用的土壤评价物理指标,包括静态指标和动态指标2类。其中静态指标有土壤质地、土层和表土层厚度、土壤容重、土壤韧性、饱和导水率、土壤流失量、土壤孔隙度、土壤强度、团聚体稳定性和土壤耕性;动态指标有最小持水量、耕作践踏状况(trafficability)、淋失潜力和侵蚀潜力。目前,国内外对菌渣回田(果、茶)对土壤质量影响的研究也主要集中在对土壤物理指标的影响方面。肖胜刚等[23]利用果园回填废菌料,经过4年的定位观测,果园土壤pH值、有机质、全氮、水解性氮、有效磷、速效钾、交换性镁、交换性钙、水溶性硼、有效锌、有效锰等含量比对照土壤有较大提高。石光森等[24]研究菌渣、氯、磷、钾不同量组合的肥效,研究表明施用菌渣能改善土壤环境条件,促进氮、磷的有效性,从而提高青椒果实产量。
2.2外部环境指标
土壤温度主要来源于太阳的辐射热,土壤温度对作物生长影响是多方面的,如种子发芽、生长、开花结果、养分的释放和吸收都需要一定的温度,土壤温度过高或过低都不利于作物的生长发育。温度高,土壤水分运动加快;相反,土温下降,水分移动缓慢,甚至冻结。土壤水分则直接影响作物的生长,还与土壤微生物的活动、养分的分解与转化、土壤通气以及土壤的物理化学性状都有密切的关系。可见土壤温度和水分可直接或间接地影响土壤肥力各因素作用的发挥,是影响土壤肥力的重要因素。王志强等[25]报道,利用平菇等食用菌的废菌糠,经适当无氧发酵等一系列处理后添加到普通泥土中,使其最大持水力提高至51.3%,单产提高13.6%。目前,在食用菌废料对土壤温度、水分影响的研究报道也十分有限,而在利用秸秆进行土壤覆盖方面则做了大量研究。易镇邪等[26]报道了秸秆覆盖可在一定程度上减轻干旱,并能提高土壤养分含量,而秸秆覆盖结合免耕对土壤养分合量的提高效果更明显。许多研究还表明秸秆覆盖后在地表形成一层土壤与大气热交换的障碍层,既可以蓄水保墒,也可以减少土壤热量向大气中散失,调节土壤水分和温度的变化,从而促进作物根系和植株的生长。
2.3光能利用指标
光能是作物转化利用的对象,太阳辐射能利用率的理论值为5%～6%,光合有效辐射(PAR)的利用率可达10%～12%[27],远远大于农田全年光能利用率(0.2%～0.4%)。因此,提高作物产量的限制因素不是光能不足,而是光能利用率低[28]。在作物光能利用率研究方面,虽然国内文献还很少涉及菌渣回田的研究报道,但在其他肥料、秸秆及作物方面则进行过很多研究。李全起等[29]研究了秸秆覆盖和灌溉对冬小麦农田光能利用率的影响,认为覆盖和灌溉主要增加了40～60 cm高度PAR截获率。覆盖处理籽粒光能利用率降低,茎叶光能利用率和总光能利用率升高。另有研究认为,由于氮素是叶绿素主要组成物质,磷素具有活化茶树生理机能作用,钾素可调节光合速率。因此,一般情况下茶园土壤肥力水平与茶树光合作用关系密切,高施肥区茶树的光合作用比低肥区约高3%～5%。
2.4作物品质指标
肥料对生态环境的效应最终还要反应在作物生产性能和品质指标上。因此,作物生产性能和品质指标也是菌渣循环利用对农田生态环境评价的重要指标之一。彭志对[30]采用大田试验方法研究了蘑菇渣与氮磷钾化肥配合施用对豇豆生长的效应,表明单施蘑菇渣的豇豆产量极低,而蘑菇渣与氮磷钾化肥配合施用的增产效果极显著,其中以用蘑菇渣7.5 t/hm2与尿素430.5 kg/hm2、过磷酸钙568.5 kg/hm2、氯化钾190.5 kg/hm2配合施用的效果最佳。此外,蘑菇渣与氮磷钾化肥配合施用还具有促进豇豆开花结荚、增加豆荚长度、提高豆荚VC和磷钾含量的效果。石光森等[31]研究了菌渣、氯、磷、钾不同量组合的肥效对青椒生产性能及果实品质的影响,表明施用菌渣能提高青椒果实产量、糖分和VC含量。肖胜刚等[23]利用菌渣回施脐櫈园进行定位观测试验,研究表明脐櫈果肉品质总酸、可溶性固形物、总糖含量分别比对照提高0.11%、0.10%和0.50%,果实平均单株产量比对照提高5.1 kg。王美琴[32]报道了施用食用菌渣作底肥能使水稻增产6.2%～8.3%,经济效益明显。房华等[33]则报道了茶树菇菌渣能减少南方根结线虫对番茄侵染,使形成根结的数量降低,从而在一定程度上防治番茄根结线虫病。
2.5其他评价指标
由于农田生态系统是复杂的巨系统,因此,每个评价指标都能反映农田生态环境的某一方面的特征。菌渣循环利用对农田生态环境的影响也不例外,除上述主要评价指标外,它还包括农田环境污染指标、植物养分循环杂草生长等指标,选择的指标不同,对同一区域农业生态环境质量的评价结果往往差异很大。
3菌渣循环利用的热点问题与对策
3.1菌渣循环利用的研究热点
中国是一个农业大国,也是世界上农作物秸秆资源最丰富的国家。据统计,我国作物秸秆总量2000年为5.78亿t[34],并且以平均130 124.8 t/年的速度增长[35],2005年增加至6.25亿t[34]。当前,利用秸秆栽培食用菌是资源化利用秸秆的一种新方法和途径,尤其在食用菌栽培成熟区域其发展前景更为广阔。食用菌行业也将产生大量的菌渣,秸秆和菌渣未被妥善处理,必将对环境产生极大的危害。其次,目前对于菌渣的利用研究已引起重视并已投入生产实践,但从生态环境的角度分析,菌渣循环利用对农田的生态承载力及长期应用对农田生态环境的影响在国内外研究甚少。因此,如何合理有效地利用这些农业废弃物资源,提高菌渣资源的利用效率,促进现代农业的可持续发展,已成为当前农村生态文明建设的难点和热点问题。
3.2对策
笔者认为,必须走以最有效利用资源和保护环境为基础的循环经济之路,以循环农业的“减量化、再使用、再循环”的原则为指导,将秸秆、菌渣对环境的污染减量化,秸秆和菌渣在整个系统中实现再使用、再循环,以有利于解决农业污染问题、节约资源,实现农业废弃物资源利用的最大化。
(1)从秸秆—菌渣整个系统的整体性出发,加强秸秆—菌业循环利用的基础研究和应用,致力阐明循环利用与生产环境的承载关系。其中,对菌渣循环利用后农田生态环境影响与评价的研究及建立长期定位观测点,进行后续的定位观察研究,是循环生产体系中的重要一环。
(2)应研究阐明不同食用菌菌渣肥种类施用效果、不同生态类型的耕地效果的差异性及对农田生态环境影响评价,实现合理调控。现阶段,由于对农业生态环境的要求和关注的角度以及对农业生态环境状态的理解不同,所选择的评价指标体系和评价方法也不同。因此,研究一组具有代表性、简便、方便、适用的评价指标,并要求其计算简便、易于推广,对客观反映农业生态环境质量来说是非常重要的。目前,在菌渣循环利用对农田生态环境影响与评价进行系统的研究方面的文献报道仍不多见,今后在菌渣回田循环利用对农田生态环境的研究与评价方面,必须建立一套能适时反映农田生态环境的评价指标体系,以适应当前资源高效利用和农业循环经济发展的要求。
(3)从实践角度出发,应建立适用于当地环境并具有区域特色的秸秆—菌业农业循环模式。根据菌渣利用方式的不同,结合地方农业特色,可建立秸秆—食用菌(菌渣)—水稻、秸秆—食用菌(菌渣)—茶园(果园)、秸秆—食用菌(菌渣)—设施种植业(蔬菜大棚、花卉)等循环生态农业模式。以示范点的研究为契机,建立秸秆—菌业循环农业模式农业示范基地,并通过其示范作用进行推广,辐射周边,带动当地农业的发展,增强当地土壤肥力,提高农产品品质,促进农业可持续发展。
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