菌渣基质化利用中存在的问题与应对策略探讨

周晚来,杨睿,张冬冬,林伟,陈雪娇,王虹,李杰,戚智勇

(中国农业科学院都市农业研究所,成都 610213)

食用菌在我国是仅次于粮、菜、果、油的第五大农业产业[1-2]。据中国食用菌协会统计，2018年我国食用菌总产量3 842万t[3]。按食用菌生物学效率平均40%计算，我国每年的菌渣产生量达9 605万t[4]。据调查，我国菌渣利用率仅约33%[5-6]，大多数菌渣被随地堆放，严重污染生态环境，如何高效利用菌渣成为亟待解决的生态环境问题[2,7]。另一方面，随着我国设施农业的快速发展，基质产业在我国方兴未艾，基质年市场需求量约为6 616万m3，受制于泥炭资源储备、基质生产技术等，我国每年的基质生产量仅为1 000万m3左右[8]，园艺基质尤其是高品质园艺基质供应缺口巨大。因此，利用菌渣开发高品质基质既可缓解我国食用菌废弃物带来的生态环境压力，又可为我国现代农业的可持续发展提供保障。

食用菌栽培一般主要以碎木屑、棉籽壳、麦麸、玉米芯、牲畜粪便等为原料，栽培过程中仅有部分被降解利用，菌渣中还残留丰富的木质素、纤维素、蛋白质等结构物质，其有机质含量普遍超过了45%[9-10]，同时还含有大量矿质营养物质，如常见菌渣的全N、全P、全K总养分含量为2.7%～5.4%[9]。此外，菌渣中还含有大量的菌丝体以及在菌丝生长过程中产生的多种糖类、有机酸类、酶等活性物质[11]。由于食用菌栽培过程已经降解利用了培养基中相对容易降解的成分，因此菌渣中的有机物通常相对更为稳定，可作为基质结构材料。此外，菌渣表面存在大量羟基、磷酰基和酚基等吸附性官能团，一般具有较高的阳离子交换率(cation exchange capacity,CEC)[12]，同时菌渣还具有容重小、孔隙度大等特点，菌渣的这些特性赋予了其极好的基质化利用潜力。国内外学者针对菌渣的这些性质进行了大量研究，探索了菌渣基质化利用的多种方式，并取得了一定的进展。尽管如此，在菌渣基质化利用中也曝露了一些问题，使得菌渣的基质化利用情况并不尽如人意。本文深入分析和总结归纳了菌渣基质化利用中存在的问题，并探讨其应对策略，不仅有助于实现菌渣的高效基质化利用，而且对于拓宽菌渣的资源化利用渠道也具有借鉴意义。

1 菌渣基质化利用研究现状

菌渣因其独特的理化特性和丰富的养分，不仅能够为植物根系提供良好的根际环境，还能不断释放养分供植物吸收利用，被大多数科研工作者认为是一种潜在的可替代泥炭的理想基质[13-14]。

由于菌渣普遍存在pH偏大、电导率(electrical conductivity，EC)偏高、持水性差的缺点，随着复配基质中菌渣比例的提高，复配基质的持水孔隙往往会下降，而pH和EC升高，复配基质品质下降[15-18]。因此，应控制复配基质中的菌渣比例，一般认为，复配基质中菌渣的比例应控制在60%～75%及以下[15,17-18]。

大量研究表明，菌渣复配基质用于育苗和栽培可以获得接近于甚至优于泥炭基质的效果。相关研究集中在不同菌渣复配基质在不同园艺作物的育苗应用上，结果表明，适当调配的菌渣复配基质种苗在株高、茎粗、叶面积等指标上都显著高于常规泥炭基质[19-22]。在草莓[23-25]、黄瓜[26-28]、辣椒[29]、番茄[30]等作物上的栽培应用研究表明，菌渣复配基质显著提高了其产量。此外，很多研究也表明，菌渣复配基质还可显著提高作物的产品品质[31-32]。

2 菌渣基质化利用中存在的问题

总体上来看，菌渣是一种良好的园艺基质原料，能够部分甚至完全替代泥炭。尽管如此，目前资源化利用的菌渣主要还是作为食用菌培养基、有机肥、土壤改良剂或燃料，作为种植基质的相对较少[2,9,33]。这是因为目前的菌渣基质化利用依然存在以下问题。

2.1 理化性状变异大，一致化调控技术研究薄弱

在商业化基质栽培中，为了实现标准化种植，降低管理难度，要求基质产品一致性高。然而，由于栽培原料组成、食用菌种类、栽培模式的差别等，菌渣的理化性状差异悬殊[7]。使用棉籽壳、水稻秸秆、麦秆、玉米芯、木屑等不同原料菌渣的粗蛋白含量为3.82%～13.16%，粗纤维含量为9.32%～31.56%，粗脂肪含量为0.12%～4.55%，粗灰分含量为7.93%～38.66%、钙含量为0.27%～3.20%、磷含量为0.07%～2.10%[11]。利用棉籽壳分别栽培平菇、香菇和金针菇后，菌渣粗纤维的含量分别为31.6%、52.5%和18.7%，同时食用菌栽培方式的不同也会引起菌渣营养成分发生变化[34]。菌渣容重一般在0.15～0.30 g·cm-3，总孔隙度能达到70%以上，持水孔隙度因原料不同有较大变化[33]，如张德威等[35]测得香菇菌渣容重为0.16 g·cm-3，持水孔隙度为55.2%；而草菇菌渣容重为0.15 g·cm-3，持水孔隙度仅为12.5%。

实践中，单以菌渣作为基质往往不理想，一般是与其他原料(主要是泥炭)按比例混合以获得理想的栽培基质。我国目前对有机基质理化性状的调控研究多数停留在配方技术上，而对混合基质的理化性状形成原理研究极少[36]。研究者一直试图通过测定单个基质组分的特征参数来预测混合基质的特征参数。一般认为，双组份混合基质的一些性状，如降解率是与其组成材料的比例线性相关的，但是对于其他性状，如持水孔隙率、EC等，则必须把原料颗粒间隙填充效应考虑进去[37]。国外一些研究试图去归纳、总结有机混合基质的理化性状与原料的关系，并建立了一些数学模型将混合基质的理化特性，如密度[38-40]、持水率[37,41]、pH[42]与各原料的相应特性联系起来，用来预测混合基质的性能，指导基质配比，并取得了一定的效果。尽管如此，关于有机混合基质的理化性状与其原料的关系研究依然不够深入，难以指导实际应用。由于菌渣原料参差不齐，导致菌渣基质化产品理化性状差异较大，质量不稳定，难以实现高品质产品的稳定产出。因此，提高菌渣基质化产品的一致性与稳定性是菌渣基质化利用亟待解决的关键问题。

2.2 电导率偏高，高效降盐技术缺乏

电导率(EC)是影响基质栽培效果的关键指标，根据NY/T 2118—2012蔬菜育苗基质标准，蔬菜育苗基质的EC应当在0.1～0.2 mS·cm-1；根据LY/T 2700—2016花木栽培基质标准，花木栽培基质的EC值应在0.1～2.0 mS·cm-1；根据GB/T 33891—2017绿化用有机基质标准，杆插或育苗基质的EC≤0.65 mS·cm-1，盆栽、花坛、屋顶用栽培基质的EC应在0.3～1.5 mS·cm-1，绿地、林地用栽培基质EC值应在0.3～3.0 mS·cm-1之间。然而，大部分菌渣的EC都较高，如葛桂民等[28]测定了4种菌渣的EC在2.44～2.61 mS·cm-1；王涛等[17]测得海鲜菇菌渣EC超过3.34 mS·cm-1；余文娟等[12]测定未发酵草粪类菇渣的EC高达7.37 mS·cm-1；而单洪涛等[18]测得未发酵杏鲍菇菌渣EC更高达8.50 mS·cm-1。高EC使得菌渣只能以较低的比例添加到复配基质中，限制了其应用价值。

解决菌渣高EC问题的常规思路是尽量降低其可溶性盐含量。常用的方法是淋洗法[14]，但需要浪费大量的水。有学者通过对金针菇菌渣进行发酵，发现发酵过程中由于K+、Cl-、Na+、Mg2+、Ca2+可被放线菌富集，以化合态形式存在于放线菌的孢子和残存菌丝中，因此菌渣中可溶性盐大幅降低，菌渣EC从8.50 mS·cm-1降低到4.67 mS·cm-1[15,18]。可见,使用发酵的方法可以降低菌渣EC，使得菌渣更加适合作为育苗基质，这与余文娟等[12]的研究结论一致。尽管如此，发酵只能部分降低菌渣的EC，而不能使其完全降低到基质化利用所需的水平，单洪涛等[18]研究认为，菇渣栽培带来的高盐胁迫是限制其作为基质的瓶颈，这也与张颖等[26]、Medina等[43]的观点一致。综上，高EC成为菌渣基质化利用的限制瓶颈，高效的前处理以及合理的基质工艺是菌渣合理利用的前提，仍需要进一步研究解决。

2.3 基质化利用技术单一，未能充分发挥菌渣潜力

食用菌菌渣中含有糖类、有机酸类、酶等菌丝代谢产物以及丰富的微生物群体，可能对植物生长发育具有独特的活性作用，如抑制病菌、刺激生长、改善养分供应等。食用菌菌渣中的多糖类物质具有抗氧化[44-45]、抑菌[46]等功效，有机酸类物质则有可能通过改变根际物理、化学和生物学性质，提高根际土壤养分的生物有效性，促进作物的生长与肥料的利用[47-48]。施用菌渣能够显著改善土壤的微生物区系，使细菌比例增加，真菌比例减少，可能具有抑制土传病害发生的功效[49-50]。尽管如此，目前关于菌渣中活性物质对植物生长发育潜在效应的研究依然极为缺乏。

上述关于菌渣在基质应用方面的研究中多使用发酵腐熟菌渣。有机物料发酵腐熟过程一般伴随着氮、磷、钾等营养元素以及腐殖质等含量及形态的变化，同时可生物降解有毒物质含量也逐渐降低[51-53]。然而，菌渣中具有独特活性的化学物质，如多糖、酶、激素等都很不稳定，在堆肥发酵处理过程中很可能会发生分解转化，使其原有的活性效益消失殆尽[53-54]。与此同时，堆肥过程中存在着碳氮损失，不同有机物料的氮素损失量均在15%以上，有机碳损失率可达30%以上，堆肥时间越长，有机碳与氮的损失量越大[55]。因此，尽管腐熟发酵处理是目前菌渣基质化利用的主要途径，但其并不能充分利用菌渣的潜力。充分保留和利用菌渣的养分和活性效益有可能显著提高菌渣基质栽培作物的产量和品质，而目前关于这一方面的研究极为欠缺。

3 菌渣基质化利用策略探讨

3.1 建立典型菌渣理化性状共享数据库

菌渣种类繁多，不同地区栽培，不同食用菌菌渣的配方显著不同，理化性状千差万别。想要合理利用某一批菌渣，往往需要重新研究，罕有能直接应用前人研究成果的，这极大增加了菌渣利用成本，制约了菌渣的实际应用。为此，有必要针对不同种类食用菌，测定其典型配方、典型栽培模式下菌渣的主要理化性状，如容重、孔隙结构(空气孔隙、持水孔隙)、pH、电导率、CEC等，分析其主要组分，如结构物质(木质素、纤维素、半纤维素)、矿质养分、活性成分等，探索菌渣主要理化性状与食用菌类型、配方和栽培模式的联系，建立菌渣理化性状数据库，并通过共享的数据平台公开，供后续的研究者查阅，从而快速确定菌渣利用方案，并将自己的研究成果补充进系统，纠正其中的错漏等。

3.2 调整电导率胁迫应对策略

通常应对菌渣高EC的思路是尽可能降低其EC值，然而，通过淋洗法必然会消耗大量的水分，发酵处理耗时较长且难以有效降低EC至适宜范围。由于不同发育阶段植物对基质EC的敏感度不同，幼苗(尤其胚根刚出现时)比成龄植株更为敏感。然而即便存在盐分胁迫，种子仍然具有发芽成幼苗的潜在能力[56-57]，甚至盐分还可以促进种子发芽，如低浓度的NaCl可以促进棉花种子发芽[58]。因此，一个潜在的应对菌渣电导率胁迫的策略是降低幼苗可直接接触区域的EC，譬如，降低基质中心部位的EC，从而避免幼苗根系受到高盐胁迫，随着植物生长、耐盐性提高，根系逐渐扩展至高EC区域。梁海恬等[59]研究表明，随着复配基质中菌渣添加比例增高，对番茄幼苗发育初期根系产生了一定的抑制作用，而在番茄幼苗发育后期，增加菌渣添加比例可以显著促进番茄根系的发育，提高地上部生物量，上述研究暗示充分利用高电导率菌渣具有可行性。

3.3 改进菌渣基质化利用途径

现有的菌渣基质化利用实践中，一般是在菌渣中添加有机肥和微生物制剂等材料，在高温发酵后与其他无机基质复配，最终基质形态为散状颗粒基质[10,33]。发酵腐熟可能导致菌渣中活性成分失效，散状颗粒基质的理化性状既不稳定也不可控。Medina等[43]将未经发酵腐熟处理的双孢菇和平菇菌渣以不同比例(25%、50%、75%、100%)添加到泥炭中，发现在菌渣比例低于75%时，几种具有不同盐敏感度的植物(番茄、西葫芦、辣椒)的发芽率相对纯泥炭基质无显著差异。黄松杉等[60]以未发酵菇渣替代草炭作为三叶草育苗基质，张颖等[26]以未发酵双孢菇菌渣栽培黄瓜，均获得了较好效果，表明未发酵腐熟的菌渣具有作为基质主要原料的潜力。近年来国内出现了一种新型固化基质产品(一种可塑性纤维土及其制备方法，专利号：ZL201510641781.7)，以泥炭为主要原料，在高温条件(130 ℃左右)下通过特殊的热熔纤维将原料混合物固化，所得到的固化基质可长期保持稳定的形状，并具有优良的持水透气性。固化赋予了基质稳定的宏观与微观结构，针对不同来源的菌渣，通过调整原料组成和固化工艺，实现其微观结构的一致化，从而达到持水透气性的优化和一致化，同时，固化也使基质中差异化的电导率分布具有可行性。综上，以未经腐熟的菌渣为主要原料，通过固化基质工艺生产高品质园艺基质是具有可行性的。