伴随我国农产品数量逐年增加，农业废弃物的大量积累，进而产生了较为严重的环境及资源浪费问题^[1]；因此，农业废弃物的资源化及再利用问题亟待解决。近年来，农业废弃物发酵成无土栽培基质已成为研究热点，其中，关于油菜秸秆、棉秆、柠条、椰糠等废弃物的研究报道较多^[2-5]。菇渣废弃物中含有大量的菌体蛋白、多种代谢产物及未被充分利用的养料，是较好的栽培基质原料^[6]。前人对菇渣利用的研究多为基质配比方面，如：李海燕等^[7]筛选出适宜的蘑菇渣代替草炭栽培基质的配方为V(草炭)∶ V(菇渣)=1∶1，适宜番茄幼苗的生长；郭淑云等^[8]发现，按V(菇渣)∶ V(炉渣)∶ V(鸡粪)=9∶5∶3的比例混合可以作为黄瓜的最优栽培基质配方；但是关于菇渣发酵影响因素的研究少见报道。碳氮比(C/N)和氮源是影响农业废弃物发酵的核心因素，通常，发酵初始的C/N比控制在25∶1到35∶1之间^[9-11]，但不同农业废弃物存在一定的差异。菇渣作为农业废弃物，含有大量的有机质，所以需要选择合适的氮源来调节发酵初始的C/N比。由于无机氮源更容易被微生物所利用，而有机氮源中的氮需要将有机氮转化成无机氮才可以被微生物所利用，所以有机氮源更有利于微生物的持续利用。为确定适宜菇渣发酵的C/N比和氮源，本文以菇渣为发酵主原料，研究不同C/N比和氮源对菇渣发酵理化性质的影响，旨在确定菇渣转化为栽培基质的适宜的发酵条件，为菇渣的基质化利用提供发酵参数，以及为菇渣基质的实际生产和应用提供科学依据。

发酵原料为杏鲍菇菇渣废弃物、牛粪和鸡粪，各物质养分含量见表 1。试验于2014年12月至2015年3月在陕西杨凌西北农林科技大学北校区园艺场玻璃温室内进行。设置不同C/N比和氮源2个因素，其中：C/N比设置3个水平，分别为T₁(25∶1)、T₂(30∶1)、T₃(35∶1)；氮源设置5个水平，分别为S₁(牛粪)、S₂(鸡粪)、S₃(牛粪+尿素)、S₄(鸡粪+尿素)、S₅(尿素)。共15个处理，3个重复。每个处理含100 kg菇渣，通过添加不同氮源调节C/N比；氮源添加量见表 2。采用静态高温堆腐方式，加入发酵物总质量3%的有效微生物群(effective microorganisms，EM)菌剂，相对含水量调至60%。采用5点取样法，每个重复取样200 g，每隔15 d取一次样，每隔10 d翻堆一次，堆置80 d。

表1(Table 1)

表1 发酵原料的养分含量 Table 1 Nutrient contents of the composting materialmg/g

表1 发酵原料的养分含量 Table 1 Nutrient contents of the composting materialmg/g mg/g 原料 Material 全C Total C 全N Total N 全P Total P 全K Total K 菇渣 Mushroom residue 64.59 1.61 1.02 0.98 牛粪 Cow manure 34.60 2.17 1.23 1.09 鸡粪 Chicken manure 27.61 2.67 1.45 1.22

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表2(Table 2)

表2 100 kg菇渣中添加不同氮源的量 Table 2 Mass of different nitrogen sources added into 100 kg mushroom residuekg

表2 100 kg菇渣中添加不同氮源的量 Table 2 Mass of different nitrogen sources added into 100 kg mushroom residuekg kg C/N比C/N ratio 牛粪 Cow manure 鸡粪 Chicken manure 尿素 Urea 牛粪+尿素 Cow manure+urea 鸡粪+尿素 Chicken manure+urea 25∶1 106.51 53.47 1.84 53.26+0.92 26.74+0.92 30∶1 42.23 24.55 0.94 21.12+0.47 12.28+0.47 35∶1 11.68 7.34 0.30 5.84+0.15 3.67+0.15

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发酵温度测定：利用HL2008多路温度巡检仪(杭州威博科技有限公司)，将温度探头插入堆体中心，每15 min记录一次。每天所测温度的平均值记为当天发酵的温度。

发酵后菇渣体积质量(容重)、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度、电导率(electrical conductivity，EC)、pH值的测定参照郭世荣^[12]的方法；有机碳、全氮、全磷、全钾测定参照鲍士旦^[13]的方法。

利用Excel 2010进行数据整理分析和作图，测定结果利用SPSS 20.0软件的邓肯多重比较法分析各处理间的差异(P＜0.05)。

从图 1A可以看出，在发酵过程中不同C/N比处理的菇渣温度均呈现先上升后下降的变化趋势。各处理都从堆腐的第2天开始迅速升温；第4天各处理温度均达到45 ℃以上；第6天，T₂和T₃处理温度达到50 ℃以上，并持续8 d，而T₁处理最高温度只达到47 ℃，并仅持续2 d；T₂处理从第57天到发酵结束，温度显著高于其他处理。由此表明，将菇渣发酵初始C/N比控制在30∶1有利于堆体的高温发酵腐熟。

图1(Figure 1)

(T1~T3)：C/N比分别为25∶1，30∶1，35∶1；RT：室温；S1：牛粪；S2：鸡粪；S3：牛粪+尿素；S4：鸡粪+尿素；S5：尿素。< (T1-T3): C/N ratios of 25∶1，30∶1，35∶1,respectively; RT: Room-temperature; S1: Cow manure; S2: Chicken manure; S3: Cow manure+urea; S4: Chicken manure+urea; S5: Urea 图1 在发酵过程中不同处理的菇渣温度变化 Fig. 1 Temperature changes of mushroom residue with different treatments during the composting period

从图 1B可以看出，在发酵过程中不同氮源处理的菇渣温度均呈现先上升后下降的变化趋势。各处理从第2天开始均迅速升温。S₃、S₄和S₅处理到第3天时温度均达到40 ℃以上，S₂、S₃、S₄和S₅处理的温度高于50 ℃的时间分别持续2、8、9 和3 d，而S₁处理的温度最高达到49.5 ℃，并持续3 d。S₅处理从第8天开始显著低于其他处理；S₃处理从第18到27天，温度显著高于其他处理；S₄处理从第53天到发酵结束，温度显著高于其他处理。这说明在菇渣发酵中，氮源为有机物和无机物混合的处理有利于堆体的高温发酵腐熟。

由表 3可知：C/N比为30∶1处理的积温明显高于其他2个水平的处理，达到1 900.94 ℃；氮源为鸡粪+尿素处理的积温最高，为1 916.98 ℃，且牛粪+尿素处理的积温为1 876.43 ℃，两者之间差异无统计学意义(P>0.05)。从表 4可以看出，C/N比和氮源对菇渣发酵有效积温的影响均极为显著。

表3(Table 3)

表3 不同发酵条件对菇渣发酵后C/N比和积温的影响 Table 3 Effect of different composting conditions on C/N ratio,accumulated temperature of mushroom residue after composting

表3 不同发酵条件对菇渣发酵后C/N比和积温的影响 Table 3 Effect of different composting conditions on C/N ratio,accumulated temperature of mushroom residue after composting 处理Treatment C/N比 C/N ratio 积温Accumulated temperature/℃ 发酵前 Pre-composting 发酵后 After composting 降低比例 Reduction rate/% T1 25∶1 14∶1a 42.24 1 778.85b T2 30∶1 14∶1a 53.67 1 900.94a T3 35∶1 16∶1a 54.43 1 683.76c S1 30∶1 14∶1a 51.22 1 822.33b S2 30∶1 14∶1a 51.20 1 732.38c S3 30∶1 14∶1a 51.23 1 876.43a S4 30∶1 15∶1a 49.08 1 916.98a S5 30∶1 15∶1a 49.16 1 692.20c 各处理符号表示的含义详见图 1注。同列数据后的不同小写字母表示在P＜0.05水平差异有统计学意义。 Please see the footnote of Fig. 1 for details of each treatment. The values within a column followed by different lowercase letters show statistically significant differences at the 0.05 probability level.

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由表 3可以看出：在菇渣发酵前后的不同C/N比处理下，初始C/N比为25∶1和30∶1的处理在发酵后C/N比相对较低，为14∶1；氮源为牛粪(S₁)、鸡粪(S₂)、牛粪+尿素(S₃)处理的降低比例较多。在发酵过程中，C/N比和氮源对菇渣发酵后C/N比的降低均无显著影响(表 4)。

表4(Table 4)

表4 2因素试验方差分析结果 Table 4 Results for analysis of variance in the two-factor experiments

表4 2因素试验方差分析结果 Table 4 Results for analysis of variance in the two-factor experiments 处理Treatment 体积质量Bulk density 总孔隙度Total porosity 通气孔隙度Air-filled porosity 持水孔隙度Water holding capacity 大小孔隙比Air-water ratio pH EC 积温Accumulated temperature C/N比 C/N ratio T1 S1 0.77b 0.18abcd 0.79bc 0.33b 0.88a 0.11bc 1.26cd 1 778h 0.43a S2 0.22f 0.17bcd 0.58hi 0.03f 0.46e 0.07de 1.50b 1 740i 0.44a S3 0.67c 0.18abcd 0.60gh 0.14d 0.79bc 0.13ab 1.02e 1 820f 0.43a S4 0.54d 0.15cde 0.70de 0.31b 0.84ab 0.02f 1.92a 1 850e 0.43a S5 0.16g 0.16bcd 0.76bc 0.24c 0.80b 0.02f 1.17cde 1 700j 0.42a T2 S1 0.46e 0.20abc 0.60gh 0.07ef 0.82ab 0.05def 1.08de 1 900c 0.45a S2 0.52de 0.13de 0.78bc 0.08e 0.77bc 0.09bcd 1.34bc 1 880d 0.44a S3 0.86a 0.23a 0.74cd 0.15d 0.79bc 0.11bc 1.34bc 1 930b 0.45a S4 0.75b 0.23a 0.83a 0.15d 0.88a 0.16a 1.27cd 1 945a 0.42a S5 0.65c 0.20abc 0.54i 0.04ef 0.64d 0.05def 0.55f 1 800g 0.43a T3 S1 0.55d 0.08f 0.81ab 0.21c 0.51e 0.08cd 0.70f 1 744i 0.45a S2 0.66c 0.11ef 0.66ef 0.13d 0.87a 0.09bcd 1.06de 1 680k 0.43a S3 0.53d 0.21ab 0.77bc 0.15d 0.64d 0.04ef 1.12de 1 800g 0.44a S4 0.58d 0.16bcd 0.64fg 0.12d 0.47e 0.09bcd 1.02e 1 845e 0.45a S5 0.85a 0.21ab 0.56hi 0.41a 0.72c 0.07de 1.08de 1 690jk 0.45a F值F-value T 145.19** 10.60** 92.52** 97.19** 13.76** 3.70** 40.71** 1 307.01** 1.67 S 54.20** 2.45 10.87** 51.27** 23.56** 15.90** 23.62** 526.76** 0.56 T×S 120.12** 9.62** 40.74** 55.57** 62.08** 7.37** 21.42** 19.31** 0.87 各处理符号表示的含义详见图 1注；T：C/N比；S：氮源。同列数据后的不同小写字母表示在P＜0.05水平差异有统计学意义。*和**分别表示在P＜0.05和P＜0.01水平显著和极显著相关。 Please see the footnote of Fig. 1 for details of each treatment. T: C/N ratio; S: Nitrogen source. The values within a column followed by different lowercase letters show statistically significant differences at the 0.05 probability level. Single asterisk (*) and double asterisks (**) indicate significant and highly significant correlations at the 0.05 and 0.01 probability levels,respectively.

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双因素试验的方差分析结果(表 4)表明：发酵菇渣C/N比的变化既不受单因素(C/N或氮源)的影响，也不受两者交互作用的影响；总孔隙度的变化受C/N比及交互作用的影响极显著，但不受单因素氮源的影响；C/N比、氮源以及两者交互作用对体积质量、通气孔隙度、持水孔隙度、大小孔隙比、pH值、EC值及积温变化的影响均极显著。

由图 2A可知：T₂处理的菇渣体积质量在发酵第70到80天的变化趋于稳定；第30到70天，S₄处理的菇渣体积质量上升趋势显著，从第70天开始变化趋于平缓；且在T₂水平下，S₃处理的增长率最大(表 4)。从图 2B可知，T₂处理的总孔隙度在第45到70天变化趋势平缓；添加相同的氮源，总孔隙度的变化为T₂＞T₁＞T₃处理，且在T₂水平下的S₄处理的通气孔隙度变化最大(表 4)。从图 2C可知：第80天，通气孔隙度为T₂＞T₁＞T₃处理；从第70天开始，S₃和S₄处理的变化趋于稳定。从图 2D可以看出，T₂处理在第15天时持水孔隙度达到87%，S₃和S₄处理在发酵第30到70天变化趋于稳定，到第80天，两者的持水孔隙度分别达到81%和83%，为最大值。由图 2E可知：S₄处理在发酵第30到80天，大小孔隙比下降趋势明显，第70天，显著低于其他各处理；发酵第80天时，S₃处理的大小孔隙比最高，显著高于其他各处理；在T₁水平下S₁处理和T₂水平下S₄处理的大小孔隙比变化最大(表 4)。

图2(Figure 2)

各处理符号表示的含义详见图 1注。 Please see the footnote of Fig. 1 for details of each treatment 图2 在发酵过程中不同C/N比和氮源处理下基质物理性质的变化 Fig. 2 Changes on physical properties of substrates under different C/N ratios and nitrogen sources during composting

由图 3A可知：在整个发酵过程中EC值的变化为T₁＞T₂＞T₃处理；T₂处理从发酵第70天开始呈现相对稳定的趋势；S₂处理的EC值一直为最大；S₁和S₃处理在发酵第30到70天变化趋于稳定。由图 3B可知：在整个发酵过程中pH值呈现为T₃＞T₂＞T₁处理，且pH值都呈碱性；S₃处理从第45天开始变化趋势趋于稳定，维持在8.6到8.7之间；S₁处理的pH值变化一直处于最高状态；S₄处理在发酵第80天的pH值相比于其他处理为最低。

图3(Figure 3)

各处理符号表示的含义详见图 1注。 Please see the footnote of Fig. 1 for details of each treatment. 图3 在发酵过程中不同C/N比和氮源处理下基质EC和pH值的变化 Fig. 3 Changes on EC and pH values of substrates under different C/N ratios and nitrogen sources during composting

无土栽培基质以其廉价、易获得，以及稳定的理化性质和丰富的营养物质等特点，已经被广大农户所认可并加以利用，且需求量逐年增加。而农业废弃物转化为无土栽培基质，则需要发酵腐熟过程。基质发酵过程是通过微生物的发酵作用，对有机物进行有效的生物降解，将其转化为富含营养物质的腐殖质^[14]。这个过程包括4个阶段，即升温阶段、高温阶段、降温阶段、稳定阶段。在高温期可以杀死有机物中的一些病原微生物，所以温度可以判断有机物是否发酵腐熟。如果发酵温度太低，将影响微生物的新陈代谢，并且有机基质得不到有效的氧化分解，所以高温是有机质得到有效降解的必要条件，并在适宜的范围内降解得更快^[15]。有研究表明，发酵温度在40 ℃到 65 ℃之间为最佳发酵温度，当温度高于55 ℃时，可以使一些病原微生物致死^[16]。在发酵过程中，发酵温度维持50 ℃以上的高温5~10 d，有机质中所含的虫卵等物质就会被杀死，有毒物质会被微生物分解^[17-18]。在本试验中，各处理温度在发酵第3天均达到高温，并持续一段时间，且在前面所述的适宜发酵温度范围内。C/N为30∶1的处理积温高于C/N比为25∶1和35∶1的处理，且C/N比为30∶1和35∶1的处理温度达50 ℃以上，并持续8 d；因此，C/N比为30∶1更有利于菇渣的发酵腐熟。氮源为鸡粪+尿素和牛粪+尿素的处理在整个发酵过程中持续高温的时间比较长，可能由于禽畜粪便内含有大量的微生物，可以维持较长时间的高温，而且尿素能够被微生物迅速利用，使得微生物的活动旺盛，加快了有机质的降解，所以氮源为禽畜粪便+尿素更有利于菇渣的发酵腐熟。

基质理化性质对作物生长有较大的影响。在本试验中，菇渣理化性质在发酵前后有明显的变化。适宜作物生长的基质体积质量在0.1~0.8 g/cm³之间，总孔隙度在54%~96%的范围内^[12]。在本试验中，菇渣体积质量均在0.2~0.5 g/cm³之间，经过发酵后，菇渣的总孔隙度有所下降，在93%~96%的范围内。贺满桥^[19]研究表明，在蘑菇废弃物的发酵试验中，通气孔隙度在发酵结束时大于10%，通气性比泥炭好。本试验在菇渣发酵结束后，各处理的通气孔隙度均大于10%，其中C/N比为30∶1的处理在发酵前后变化明显，并且从发酵第70天开始，变化趋于稳定。对于持水孔隙度，C/N比为30∶1的处理在发酵前后变化较大，氮源为禽畜粪便+尿素的处理(S₃和S₄)从发酵第70天开始变化趋于稳定，且在发酵结束时两者的持水孔隙度分别达到81%和83%。刘宁等^[20]在棉秆发酵试验中发现，发酵后棉秆持水孔隙度有明显的增加。本试验结果与此一致。适宜植株生长的EC值应低于0.6~2.0 mS/cm，若高于3.5 mS/cm，则会抑制植株的正常生长^[21]。本试验在菇渣发酵过程中，EC值呈上升趋势，均大于4.0 mS/cm，并且与添加粪肥的量呈正相关，粪肥量越多，EC值越高；且氮源为鸡粪的处理EC值高于其他处理，而氮源为尿素的处理EC值较低，氮源为有机氮的处理EC值高于无机氮的处理，禽畜粪便+尿素的处理处于中间状态。张晔等^[3]研究表明，发酵时用有机氮作为氮源更有利于EC值的提高。本试验结果与此一致。在发酵过程中pH值是影响微生物活动的重要因素，中性或者弱碱性的环境适宜微生物的生活，pH值一般在6.7~8.5之间^[22]。在本试验中，C/N比为30∶1的处理发酵前后pH值变化较大，且发酵结束时pH值为8.6，而C/N比为35∶1的处理在发酵过程中pH值偏高，在8.4~8.9之间；氮源为牛粪的处理在发酵过程中pH值最高，在8.2~9.2之间。pH值可以作为发酵物是否腐熟的重要指标之一，发酵腐熟物的pH值一般在8~9之间，呈弱碱性^[23]。本试验结果与其一致。

通过2因素方差分析可知：C/N比和氮源对菇渣发酵积温的影响显著，且C/N比对菇渣体积质量、总孔隙度、通气孔隙度、持水孔隙度、EC值和pH值的变化均有显著影响，T₂处理的体积质量、总孔隙度、通气孔隙度以及EC值从发酵第70天开始就趋于稳定，所以，当C/N比为30∶1(T₂处理)时有利于菇渣的腐熟；氮源对菇渣体积质量、通气孔隙度、持水孔隙度、EC值和pH值的变化有显著影响，S₃(牛粪+尿素)和S₄(鸡粪+尿素)处理的体积质量、持水孔隙度、pH值以及EC值从发酵第70天开始趋于稳定，所以，添加禽畜粪便+尿素有利于菇渣的腐熟。

菇渣发酵初始C/N比为30∶1、氮源为禽畜粪便+尿素的组合处理在发酵过程中有较高的有效积温，菇渣体积质量、总孔隙度、持水孔隙度、EC值、pH值等理化指标从发酵第70天开始趋于稳定，即缩短了菇渣发酵的时间。综上所述，在本试验条件下，宜采用初始C/N比为30∶1、鸡粪+尿素或者牛粪+尿素为氮源进行菇渣发酵。