一种处理金针菇栽培废弃物的方法及其产品和应用

1.本发明涉及生物农业技术领域，特别是涉及一种处理金针菇栽培废弃物的方法及其产品和应用。


背景技术：

2.金针菇又名冬菇、朴菇、属担子菌纲、伞菌目，其子实体细长丛生簇状形似金针菜，故称金针菇。金针菇子实体的菌柄细长，直径0.3～1.5cm，长度达3.5～15.0cm。金针菇营养丰富、口味鲜美，是人们喜爱的一种食用菌。金针菇的产量全球食用菌产业中排名第五。2019年我国金针菇工厂化总产量163.8万吨。
3.金针菇菇根为菌柄下部接近培养基3～5cm长的一段，约占金针菇子实体1/3重量。金针菇的销售以鲜品为主，由于菇根纤维素含量高，不如上部嫩脆，影响销售品质而常常被商家切除丢弃。大量丢弃的金针菇切根不仅导致资源浪费，而且极易腐烂，散发异味，造成环境污染。每年被废弃的切根约占产量的30～40％。金针菇菇渣是金针菇子实体采摘后剩余的培养基质，其中含有大量的菌丝蛋白、多糖、纤维素酶等活性物质。传统的处理方式(如作为燃料、饲料或肥料)存在热值低、附加值不高等问题。随着采用金针菇工厂化栽培方式的企业比例和生产规模的逐年扩大，以日产400吨的金针菇工厂来计，每生产400吨金针菇产生40吨切根和356吨菇渣。开发一种处理金针菇切根和菇渣的方法，对降低资源浪费，减少环境污染，提高农业生产的附加值具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种处理金针菇栽培废弃物的方法及其产品和应用，以解决上述现有技术存在的问题，本发明的处理方法可以降低资源浪费，减少环境污染，提高农业生产的附加值。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种处理金针菇栽培废弃物的方法，包括以下步骤：将所述金针菇栽培废弃物经干燥处理后，再在惰性气体气氛下炭化热解，得到生物炭；
7.所述金针菇栽培废弃物为金针菇切根或金针菇菇渣。
8.进一步地，所述干燥处理的温度为55℃。
9.进一步地，所述炭化热解的温度为300～500℃。
10.进一步地，所述炭化热解的时间为2h。
11.进一步地，所述炭化热解的升温速率为10～15℃min-1
。
12.本发明还提供一种根据上述的处理金针菇栽培废弃物的方法制备得到的生物炭。
13.本发明还提供上述的生物炭在农业种植中的应用。
14.本发明公开了以下技术效果：
15.(1)相较传统的处理方法，利用本发明的方法处理金针菇栽培废弃物，可以降低资源浪费，减少环境污染，提高农业生产的附加值。
16.(2)利用本发明的方法制备的生物炭，稳定性强，总碳含量高，施用于农田对于“碳中和”具有积极意义，进入土壤后对土壤中的碳储量贡献较大。
具体实施方式
17.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细地描述。
18.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
19.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
20.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
21.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
22.实施例1
23.试验用生物炭来源于金针菇切根。将切根原料在55℃烘箱中干燥至恒重。称取30～50g干燥的原料，置于管式炉中，炭化温度设定为300℃。升温前，用气泵将整个管道抽成真空(-0.5mpa)，然后通氦气，直到出气端达到( 0.02mpa)，此时热解气氛炉内为高纯氦气。升温速率为10～15℃min-1
，保温2h，冷却至室温取出。固体产物即为切根炭300℃，至干燥器中保存待用。
24.实施例2
25.试验用生物炭来源于金针菇切根。将切根原料在55℃烘箱中干燥至恒重。称取30～50g干燥的原料，置于管式炉中，炭化温度设定为500℃。升温前，用气泵将整个管道抽成真空(-0.5mpa)，然后通氦气，直到出气端达到( 0.02mpa)，此时热解气氛炉内为高纯氦气。升温速率为10～15℃min-1
，保温2h，冷却至室温取出。固体产物即为切根炭500℃，至干燥器中保存待用。
26.实施例3
27.试验用生物炭来源于金针菇菇渣。将切根原料在55℃烘箱中干燥至恒重。称取30～50g干燥的原料，置于管式炉中，炭化温度设定为300℃。升温前，用气泵将整个管道抽成真空(-0.5mpa)，然后通氦气，直到出气端达到( 0.02mpa)，此时热解气氛炉内为高纯氦气。升温速率为10～15℃min-1
，保温2h，冷却至室温取出。固体产物即为菇渣炭300℃，至干燥器中保存待用。
28.实施例4
29.试验用生物炭来源于金针菇菇渣。将切根原料在55℃烘箱中干燥至恒重。称取30～50g干燥的原料，置于管式炉中，炭化温度设定为500℃。升温前，用气泵将整个管道抽成真空(-0.5mpa)，然后通氦气，直到出气端达到( 0.02mpa)，此时热解气氛炉内为高纯氦气。升温速率为10～15℃min-1
，保温2h，冷却至室温取出。固体产物即为菇渣炭500℃，至干燥器中保存待用。
30.分别测定切根、菇渣、实施例1和2(编号为切根炭300℃和切根炭500℃)、实施例3和4(编号为菇渣炭300℃和菇渣炭500℃)中的产率(结果见表1)、元素组成(结果见表2)以及理化性质(见表3)。
31.切根和菇渣热解后生物炭的产率计算公式如下：
[0032][0033]
式(1)中，w
生物炭
是切根炭或菇渣炭的干重(g)；w
原料
是切根或菇渣的烘干重(g)。
[0034]
炭化所得的切根炭和菇渣炭样品，至于干燥器中保存待用。供试样品粉碎至75μm用于元素分析测定。总碳、总氢和总氮元素含量采用元素分析仪(vario el cube,elementar,德国)测定。供试样品粉碎至2mm，用于常规理化性质测定，比如挥发分、水溶性总碳等。
[0035]
原料在马弗炉内650℃条件下灼烧2.5h，测得原料的挥发分。
[0036]
灰分含量的计算公式如下：
[0037]
灰分(％)＝100％-挥发分(％)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0038]
式(2)中，灰分和挥发分分别为灰分和挥发分含量(％)
[0039]
氧含量用差值法计算，计算公式如下：
[0040]
氧(％)＝100％-碳(％)-氮(％)-氢(％)-灰分(％)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0041]
式(3)中，氧、碳、氮和氢、分别是氧、碳、氮和氢的元素含量(％)。
[0042]
由此进一步计算热解后生物炭中碳元素回收率，其计算公式如下：
[0043][0044]
式(4)中，碳
生物炭
是切根炭或菇渣炭碳含量；碳
原料
是切根或菇渣中的碳含量。
[0045]
摩尔氢/碳、摩尔氧/碳和摩尔(氧 氮)/碳的计算公式如下：
[0046][0047]
[0048][0049]
式(5-7)中，氢、碳、氧和氮分别是氢、碳、氧和氮的元素含量(％)。
[0050]fperm
的计算公式如下：
[0051][0052][0053]
式中，f
perm
为碳残留系数，表示100年后生物炭中的碳残留；mrt是平均停留时间(yr)；是氢与碳元素含量的比值；t是生物炭施入土壤后的时间，t取值100年(yr)。
[0054]
过2mm筛的生物炭样品加入去离子水(1∶10w/v)密封，室温条件下振荡4h。取上清液过0.45μm滤膜后，利用总有机碳分析仪(toc-l cph，shimadzu，日本)测定水溶性有机碳的含量。
[0055]
结果表明，实施例1和实施例3、实施例2和实施例4的热解炭产率相近。然而，从生物炭的稳定性而言，实施例1和2制备的生物炭较优。主要表现在：
[0056]
(1)相对于实施例3和4而言，实施例1和2中的总碳含量较高(表2)。这是由于切根原料中多糖含量较高，导致多糖中的碳组分易重排；而菇渣中木质纤维素含量较高，结构致密，导致氢和氧元素不易从碳结构表面释放出来。
[0057]
(2)相对于实施例3和4而言，实施例1和2中的碳元素回收率较高(表3)、水溶性总碳/总碳比值较低(表3)，说明切根炭的稳定性较强。
[0058]
(3)f
perm
可以评估生物炭对土壤中碳储量年变化的贡献。实施例1和实施例3、实施例2和实施例4中的f
perm
结果相近(表3)。这是由于f
perm
主要与热解温度有关，而与原料性质差异不大。热解温度较高的生物炭，f
perm
较高，当这种生物炭进入土壤后，对土壤中的碳储量贡献较大。
[0059]
(4)摩尔氢/碳、摩尔氧/碳和摩尔(氧 氮)/碳可以表征生物炭的芳香化和炭化程度(表3)。实施例1和实施例3、实施例2和实施例4的数据相近。芳香化程度不仅受到原料性质的影响，更易受到热解温度的影响。
[0060]
由此来看，原料性质和热解温度决定了生物炭的自身稳定性，切根热解制备的切根炭的稳定性更高。而且基于炭化成本而言，优选300℃～500℃的热解温度。
[0061]
表1
[0062][0063]
表2
[0064][0065][0066]
表3
[0067][0068]
实施例5
[0069]
试验土壤采自上海市农业科学院庄行试验站的菜地。该基地位于北纬30
°
53’24”和东经121
°
23’15”e。土壤风干磨碎后过2mm筛备用。盆栽试验采用生物炭单因素试验设计。
[0070]
将切根炭(300℃)、切根炭(500℃)、菇渣炭(300℃)和菇渣炭(500℃)按照质量比1％添加至蔬菜盆栽土中，分别计为：切根炭300还田、切根炭500还田、菇渣炭300还田和菇渣炭500还田。同时设置不添加生物炭的对照处理，每个处理3次重复。所用试验箱体积1.2l(长10.0cm、宽10.0cm、高12.0cm)，盆内底部装1cm深的砂石，然后填入10cm深的供试土壤(1.0kg风干土重)。土层的深度确保蔬菜的根部位于土层中，砂石的空隙能通过空气贯穿整个土层结构。按风干土重计算，每盆装土1.0kg，加入生物炭10.0g。各试验箱内填施的氮肥(尿素)、磷肥(过磷酸钙)和钾肥(氯化钾)含量也一致，n：p2o5：k2o＝22g箱-1
：22g箱-1
：22g箱-1
，施肥后播种菠菜(spinacia oleracea linn.)和小青菜(brassica chinensis l.)，每箱保留2株。盆栽试验在设施大棚中进行。菠菜于2021年8月5日播种，10月15日收获；小青菜于2021年10月15日播种，12月18日收获。
[0071]
蔬菜采收后，收集土壤进行分析。供试土壤样品用2mol l-1
hcl浸提、振荡、干燥、粉碎至75μm后测定土壤有机碳含量(vario el cube,elementar,德国)。土壤固碳量的计算公式如下：
[0072]
土壤中的碳储量(t ha-1
)＝土壤有机碳含量(g kg-1
)
×
土壤容重(g cm-3
)
×
土层
深度(m)
×
10
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0073]
土壤中固碳量(t ha-1
)＝施加生物炭的土壤碳储量(t ha-1
)
–
对照处理的土壤碳储量(t ha-1
)
ꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0074]
由表4可知，土壤有机碳含量的排列顺序为：切根500还田(19.8g kg-1
)》菇渣500还田(18.8g kg-1
)＝切根300还田(18.8g kg-1
)》菇渣300还田(18.0g kg-1
)。相对于对照处理而言，生物炭处理的土壤有机碳含量增加了24.7～37.5％。这主要是由于生物炭中的难降解碳部分比较稳定，能被降解的微生物和非生物氧化降解比例很小，只占生物炭的0.4～1.1％。生物炭在土壤中的碳储量排列顺序为：切根500还田(23.8t ha-1
)》菇渣500还田(22.6t ha-1
)＝切根300还田(22.6t ha-1
)》菇渣300还田(21.6t ha-1
)。相对于对照处理而言，生物炭处理的土壤碳储量可提高24.9～37.3％；生物炭在土壤中的固碳量可达4.3～6.5t ha-1
。添加到土壤中的生物炭的大部分可作为相对难降解碳维持数百年甚至上千年。相对于菇渣炭来说，切根炭本身含碳量较高，土壤有机碳含量的提升幅度较大，固碳能力也较强。
[0075]
表4
[0076][0077]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。