木霉菌对煤矸石分解和绿化效果的影响

木霉菌对煤矸石分解和绿化效果的影响
KONG Tao;HUANG Shuman;LIANG Bing;ZHANG Ying;ZHENG Shuang;WU Dan;HAN Yinuo
【摘要】为了探究木霉菌对煤矸石分解和绿化的影响效果,将低(0.03％)、中
(0.15％)、高(0.30％)不同剂量的木霉菌施用于煤矸石中,进行煤矸石分解实验,同时进行紫花苜蓿盆栽实验,测定煤矸石分解率、紫花苜蓿鲜重和根系特征,以及煤矸石
基质的理化性质和微生物学性质.结果表明,木霉菌能够增加紫花苜蓿根长、根冠比、根体积和侧根数量;显著改变了煤矸石的机械组成,细砾是风化物的主要组成成分,随着木霉菌剂量增加,细砾有进一步分解为粗砂及中砂的趋势;促进煤矸石微观结构变好;提高了煤矸石基质碱解氮、有效磷、速效钾含量;促进了基质微生物量碳氮磷含
量和过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性,进而促进了煤矸石的分解和绿化效果.总体而言,低剂量木霉菌促进煤矸石绿化效果不明显,而中等和高剂量的木霉菌效果显著,分别将煤矸石分解率和紫花苜蓿鲜重提高了44.24％,38.86％和31.33％,22.04％,中等剂量木霉菌效果最好.因此,中等剂量的木霉菌可用于煤矸石山的绿化,具有良好的效果.
【期刊名称】《煤炭学报》
【年(卷),期】2018(043)011
【总页数】8页(P3204-3211)
【关键词】煤矸石;木霉菌;分解率;绿化;紫花苜蓿
【作者】KONG Tao;HUANG Shuman;LIANG Bing;ZHANG Ying;ZHENG Shuang;WU Dan;HAN Yinuo
【作者单位】;;;;;;
【正文语种】中文
【中图分类】X752
煤矸石是一种在煤形成过程中与煤伴生、共生的岩石，在煤炭开采和加工过程中作为固体废弃物排出，其产量相当于煤炭产量的十分之一，目前已成为我国排放量最大的工业固体废弃物[1]。

大量堆放的煤矸石山会对大气、水体和土壤造成污染，对环境健康和人体健康均造成危害[2]。

学者们对煤矿沉陷地、排土场的复垦绿化问题进行了大量研究，效果较好[3-5]，而对煤矸石山绿化问题的研究相对较少，而煤矸石山的绿化问题对于减轻矿区粉尘和重金属污染意义重大。

煤矸石含有含量不等的有机质、P 和K 及Co、Mo 和Mn 等微量元素[6]，其风化物颗粒粗、孔隙大、渗透系数高、田间持水量、凋萎系数和累积蒸发量低，具有一定保水性能，有效水利用率较高，有效养分不高[7]。

煤矸石需经过适当改造后提高其风化程度，改良其理化性质使其结构和成分更接近土壤，才能成为绿化种植植物的生长基质。

在煤矸石中加入活性微生物，对于改善植物营养环境加速煤矸石风化，有效提高土壤肥力具有积极作用[8]。

木霉菌环境适应性强，对营养需求不高，对植物和人畜无害，目前，在农业、工业和环境领域已发挥了不可替代的作用[9]。

其菌丝可伸入到矿物内部获取养分，通过根系的压力是矿物破碎，促进了对矿物的化学风化[10];木霉菌还具有解磷和解钾功能[11]，能够增加土壤速效养分含量，促进植物增长。

因此，本研究将木霉菌作为活性菌剂应用于煤矸石中，测定其对于煤矸石的分解和植物生长效果，以及对煤矸石物理、化学、微生物学性质的影响，为煤矸石山的绿化探索新的方法。

1 材料与方法
1.1 材料
试验所用的煤矸石采自辽宁省阜新市海州露天矿煤矸石山，为砂岩类煤矸石，由石英、长石、伊利石等矿物组成。

煤矸石的理化性质和重金属含量见表1，煤矸石的pH为6.20，在此pH下，铬、铅、锌、砷、汞含量符合《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)的一级标准，铜符合二级标准，镉、镍符合三级标准，三级标
准即可作为林地和绿化用地，因此该煤矸石山完全符合绿化标准，可作为绿化用地。

供测种子为紫花苜蓿;木霉菌为哈茨木霉菌。

表1 试验用煤矸石的理化性质和重金属含量Table 1 Physicochemical properties and heavy metal content of coal gangue for test理化性质重金属
含量pH6.20铬含量/(mg·kg-1)61.08有机质/(g·kg-1)144.11镉含量/(mg·kg-
1)0.35全氮/(g·kg-1)1.26铅含量/(mg·kg-1)28.52碱解氮/(mg·kg-1)12.80铜含量/(mg·kg-1)37.76全磷/(g·kg-1)0.69锌含量/(mg·kg-1)78.23有效磷/(mg·kg-1)63.52砷含量/(mg·kg-1)3.05全钾/(g·kg-1)22.92镍含量/(mg·kg-1)43.71速
效钾/(mg·kg-1)193.80汞含量/(mg·kg-1)0.08
1.2 实验设计
木霉菌对煤矸石的分解实验共设置4个处理:仅加水处理(CK)、低剂量木霉菌
(0.03%)、中剂量木霉菌(0.15%)、高剂量木霉菌(0.30%)。

取2～5 mm粒径的煤矸石，装入培养皿中，每个装50 g。

各处理加入等量蒸馏水。

定期通风，保证空
气流通。

经过45 d培养后测定煤矸石的分解率。

每个处理4个重复。

木霉菌对煤矸石绿化效果实验共设置4个处理:CK、低剂量木霉菌(0.03%)、中剂
量木霉菌(0.15%)、高剂量木霉菌(0.30%)。

取2～5 mm粒径的煤矸石，装入小花盆中，每盆装入400 g，加入木霉菌，混匀，浇灌等量水，种入紫花苜蓿种子，等出苗后间苗至20棵。

经过45 d培养后测定紫花苜蓿生物量、根系指标和煤矸石
基质机械组成、微观结构、养分含量、微生物量、酶活性。

每个处理4个重复。

1.3 测定方法
煤矸石分解率采用重量法:培养前煤矸石质量为50 g(G1)，培养处理后的煤矸石自然风干后，去除碎物质，剩余的颗粒状为未分解的煤矸石，称重(G2)。

煤矸石分解率=[( G1-G2)/ G1]×100%。

紫花苜蓿生物量于收获后立即进行，对去除泥土和杂质后的紫花苜蓿整株进行测量。

紫花苜蓿根长采用直尺测定，根冠比为紫花苜蓿地下生物量与地上生物量之比值，根体积采用排水法测定，测定侧根数时，距离主根0.5 cm处的侧根直径≥0.1 cm 时，计入，<0.1 cm时，不计入。

将煤矸石基质分为上下两层，两层厚度相同，
测定各层煤矸石基质中的根体积和侧根数分布。

煤矸石的机械组成采用干筛法。

煤矸石的微观结构采用美国FEI公司的QuantaTM250环境扫描电镜进行测定。

煤
矸石基质的碱解氮含量采用平皿扩散法，有效磷含量采用钼锑抗比色法，速效钾含量采用火焰光度法[12];基质微生物量碳氮磷采用熏蒸浸提法[13];基质过氧化氢酶
活性采用容量法，蔗糖酶活性采用二硝基水杨酸比色法，脲酶活性采用次氯酸钠比色法，磷酸酶采用对硝基苯磷酸盐法[14]。

1.4 数据统计
所有的数据均在土壤烘干(105 ℃)质量的基础上进行计算。

所有的实验数据应用SPSS 17.0 软件进行方差分析，显著性差异比较;用 Excel 2007 进行绘图。

2 结果与分析
2.1 木霉菌对煤矸石分解率和紫花苜蓿生物量的影响
由图1可看出，施加木霉菌对煤矸石的分解有不同程度的促进作用。

施加低剂量(0.03%)和高剂量(0.30%)木霉菌的处理将煤矸石的分解率分别提高了11.01%和31.33%，与对照的差异不显著;中剂量(0.15%)木霉菌处理将煤矸石分解率显著提
高了44.24%。

木霉菌处理也促进了煤矸石上紫花苜蓿的生长。

低剂量的木霉菌对紫花苜蓿鲜重的促进作用不明显，而中剂量和高剂量木霉菌将紫花苜蓿鲜重分别显
著提高了38.86%和22.04%。

中等剂量木霉菌对煤矸石绿化效果最好。

图1 木霉菌对煤矸石分解率及紫花苜蓿鲜重的影响Fig.1 Effect of Trichoderma on coal gangue decomposition and alfafa fresh weight
2.2 木霉菌对紫花苜蓿根系特征的影响
木霉菌处理下紫花苜蓿根长和根冠比如图2所示，由图2可以看出，中等剂量的木霉菌对紫花苜蓿根长的提高效果最好，比对照显著提高了60.47%，而低、高剂量木霉菌对紫花苜蓿根长提高效果并不显著。

各剂量的木霉菌对紫花苜蓿的根冠比均有一定程度的提高，中等剂量效果最好，然而，在统计学上各剂量的提高效果均不显著。

图2 木霉菌对紫花苜蓿根长及根冠比的影响Fig.2 Effect of Trichoderma on root length and root-shoot ratio of alfafa
紫花苜蓿的根体积和侧根数量见表2，3所示，木霉菌处理下根的总体积、在上层(0～5 cm)和下层(5～10 cm)土壤中分布的体积均有一定的提高，中等和高剂量木霉菌处理下紫花苜蓿的总体积和在下层土壤中的分布体积均显著高于对照，而各剂量木霉菌处理下在上层土壤分布的根体积与对照没有显著差异;中等剂量木霉菌处理下紫花苜蓿根总体积、上层和下层土壤分布根体积均达到最大值。

各剂量木霉菌处理均提高了紫花苜蓿侧根总数量以及在上层、下层土壤中分布的侧根数量;中等剂量的木霉菌效果最好，在该处理下，紫花苜蓿总侧根数量、上层土壤分布侧根数量分别比对照提高了189.78%和93.19%，在下层土壤中，对照处理中未发现侧根数量，而中等剂量木霉菌处理下，侧根数量均值达3.12条。

上述结果表明，木霉菌处理增强了紫花苜蓿根系在煤矸石基质中的穿透力。

表2 木霉菌对紫花苜蓿根体积的影响Table 2 Effect of trichoderma on alfafa root volume cm3/pot处理根总体积上层基质根体积下层基质根体积
CK1.46±0.18a1.41±0.16a0.05±0.01a0.03%木霉菌
1.62±0.19ab1.36±0.15a0.26±0.08b0.15%木霉菌
2.34±0.32c1.52±0.17a0.82±0.08c0.30%木霉菌
1.92±0.22bc1.46±0.15a0.46±0.14b
表3 木霉菌对紫花苜蓿侧根数量的影响Table 3 Effect of trichoderma on alfafa lateral root number number/pot处理侧根总数量上层基质侧根数量下层基质侧根数量CK3.23±0.52a3.23±0.52a0±0a0.03%木霉菌
4.02±0.62a3.32±0.47a0.70±0.06b0.15%木霉菌
9.36±1.35b6.24±0.68b3.12±0.53c0.30%木霉菌
8.17±1.28b5.89±0.61b2.28±0.36c
2.3 木霉菌对煤矸石基质理化性质的影响
2.3.1 木霉菌对煤矸石机械组成和微观结构的影响
木霉菌作用下煤矸石的机械组成见表4。

在进行盆栽实验之前，煤矸石的粒径均介于5～2 mm，为了便于说明煤矸石的分解情况，因此在进行机械组成分析时，将细砂的粒径分为两部分进行统计，一部分为细砾1(3～2 mm)，另一部分为细砾2(2～1 mm)，通过测定，盆栽实验之前的煤矸石机械组成中，粗砾(5～3 mm)占53.83%，细砾1占46.17%。

可以看出，经过盆栽实验后，细砾2、粗砂、中砂及以下粒级均为煤矸石分解后的风化物部分。

在组成风化物的3组粒径中，细砾2占风化物比例最大，均在40%以上，随着木霉菌剂量的增加，细砾2所占风化物比例开始降低，由对照的42.84%降为高剂量的41.21%。

而粗砂、中砂及以下这两组粒径分别占风化物的比例随着木霉菌剂量的增加呈现增加的趋势，分别在高剂量和中等剂量时达到最大比例。

说明细砾是风化物的主要组成成分，随着木霉菌剂量增加，细砾有进一步分解为粗砂及中砂的趋势。

在非风化物部分的两组粒径中，细砾风化量占总风化量比例最大，随着木霉菌剂量增加，该比例逐渐降低，由对照的63.07%降为中等剂量的59.06%，而粗砾风化
量占总风化量的比例则随着木霉菌剂量的增加而逐渐提高，由对照的36.93%提高为中等剂量的40.94%。

说明细砾是煤矸石风化的主要来源，随着木霉菌剂量增加，粗砾被分解的比例逐渐增多。

表4 木霉菌对煤矸石机械组成的影响Table 4 Effect of trichoderma on coal gangue mechanical composition %处理粗砾(5～3 mm)细砾1(3～2 mm)细砾
2(2～1 mm)粗砂(1～0.5 mm)中砂及以下粒级
CK48.81a38.14a5.59a4.11a3.35a0.03%木霉菌
48.32a37.12a6.15ab4.69a3.72ab0.15%木霉菌
46.19a35.15a7.73c6.01b4.92c0.30%木霉菌47.23a35.76a7.01bc5.57b4.43bc 不同剂量木霉菌处理下的煤矸石的扫描电镜照片如图3所示，由图3可以看出，
对照中的煤矸石颗粒大，呈块状结构，结构不良;低剂量木霉菌处理下的煤矸石颗
粒已明显变小，还呈现块状结构;中等剂量和高剂量木霉菌处理下的煤矸石颗粒进
一步变小，呈现片状结构，尤其在中等剂量处理下，煤矸石颗粒最小，更均匀，结构良好。

图3 不同剂量木霉菌处理下煤矸石的扫描电镜照片Fig.3 SEM of coal gangue under different dosage of Trichoderma treatments
2.3.2 木霉菌对煤矸石养分有效性的影响
木霉菌能够提高煤矸石基质的碱解氮、有效磷和速效钾含量(图4)。

不同剂量木霉
菌均能显著提高煤矸石基质的碱解氮和有效磷含量，而对速效钾含量而言，低剂量木霉菌促进效果不显著。

中等剂量木霉菌处理对煤矸石基质碱解氮、有效磷和速效钾含量提高效果最好，分别显著提高了220.06%,171.35%和63.72%。

图4 木霉菌对煤矸石基质速效养分含量的影响Fig.4 Effect of Trichoderma on coal gangue matrix available nutrients
2.4 木霉菌对煤矸石基质微生物性质的影响
2.4.1 木霉菌对煤矸石基质微生物量的影响
木霉菌对煤矸石基质微生物量碳氮磷的影响如图5所示。

低剂量下，木霉菌没有
显著提高煤矸石基质的微生物量碳氮磷含量。

中、高剂量木霉菌处理的煤矸石基质微生物量碳氮磷含量均显著高于对照，中等剂量木霉菌分别将基质微生物量碳氮磷提高了82.34%,62.51%和78.95%;中等剂量木霉菌处理的基质微生物量碳氮磷含
量稍高于高剂量木霉菌处理，然而两者差异不显著。

图5 木霉菌对煤矸石基质微生物量的影响Fig.5 Effect of Trichoderma on coal gangue matrix microbial biomass
2.4.2 木霉菌对煤矸石基质酶活性的影响
如图6所示，煤矸石基质过氧化氢酶活性在中剂量木霉菌处理下最大，比对照显
著提高了22.01%。

各剂量木霉菌处理下的煤矸石基质蔗糖酶活性与对照相比均没有显著差异。

各剂量木霉菌处理显著提高了煤矸石基质脲酶活性，中等剂量下，基质脲酶活性最高，比对照显著提高了71.43%。

中、高剂量的木霉菌显著提高了煤矸石基质磷酸酶活性，中等剂量基质磷酸酶活性最高，比对照提高了102.84%。

图6 木霉菌对煤矸石基质酶活性的影响Fig.6 Effect of Trichoderma on coal gangue matrix enzyme activities
3 讨论
本研究中，中等剂量和高剂量的木霉菌显著促进了煤矸石的分解，进而导致了显著的绿化效果，而低剂量木霉菌对煤矸石的分解和绿化没有显著效果。

木霉菌作为一种丝状真菌，其菌丝可迅速覆盖煤矸石表面并穿入煤矸石的解理面，菌丝体生长产生的伸长压力可使矿物颗粒破碎变小[15]。

从本研究中可知，低剂量木霉菌作用下，煤矸石基质的机械组成、微观结构、速效钾含量、微生物量和酶活性基本都与对照无显著差异，表明低剂量的木霉菌尚未产生足够的菌丝，不能导致煤矸石产生明显的分解作用，同时也表明低剂量木霉菌尚不能导致煤矸石形成较好的营养和生态微
环境，因而还不能产生显著的绿化效果。

而在中等、高剂量木霉菌作用下，煤矸石基质的理化性质和微生物性质基本都显著高于对照，因而能够产生足量的菌丝和良好的营养和生态微环境，导致了煤矸石的分解和显著的绿化效果，中等剂量木霉菌效果最好。

根系是植物吸收养分的主要器官，其形态特征能够反映在木霉菌处理下根系的改良情况。

根冠比反映了生物量在地下部和地上部的分配情况，本研究中，各剂量木霉菌处理下的根冠比相比于对照均有所提高，表明木霉菌改善了煤矸石环境，进而提高了根系发育能力。

根系体积越大，所接触的土壤面积越大，越有利于植物大范围吸收土壤水分、养分。

中等剂量木霉菌处理下的紫花苜蓿根长、根系总体积和侧根总数量均显著高于对照，表明中等剂量木霉菌处理对紫花苜蓿根系的改善效果最好。

从垂直分布来看，在0～5 cm上层煤矸石基质中根系体积在不同剂量木霉菌处理
间没有差异，而在下层煤矸石基质中各剂量木霉菌处理的根体积均显著高于对照，同时在下层煤矸石基质中，对照处理中没有侧根，而木霉菌处理下，侧根数量均显著高于对照，上述结果表明木霉菌处理显著提高了紫花苜蓿根系在煤矸石基质中的穿透力。

土壤机械组成是土壤的基本物理属性之一，可以反映土壤肥力和土壤质地[16]。

随着木霉菌剂量的增加，细砾(2～1 mm)有进一步分解为粗砂及中砂的趋势，原因
在于木霉菌剂量的增加能够提高煤矸石中菌丝的数量，随之增加的菌丝伸长压力促进了煤矸石的进一步分解。

从风化物的来源看，细砾是煤矸石风化的主要来源，随着木霉菌剂量增加，粗砾被分解的比例逐渐增多。

原因在于粒径越小，比表面积越大，在细砾上附着的木霉菌数量越多，因而细砾更易被木霉菌分解。

随着木霉菌剂量增加，更多的木霉菌附着于粗砾表面，因而粗砾对风化的贡献开始增加。

由于中等剂量木霉菌处理下，煤矸石基质的速效养分、微生物性质最好，木霉菌对煤矸石的分解效果最好，同时在该剂量下，紫花苜蓿根系的各项指标也最佳，根系也对煤
矸石的分解产生积极作用，因而中等剂量木霉菌处理下，由于木霉菌菌丝和紫花苜蓿根系对煤矸石的双重分解作用，导致了其颗粒小而均匀，微观结构良好。

木霉菌能够提高煤矸石基质碱解氮、有效磷和速效钾含量，原因在于木霉菌在生长过程中会分泌丰富的低分子量有机酸[17]，而低分子量有机酸能够活化基质中的磷和钾[18]，导致有效磷和速效钾含量的增加。

研究人员将木霉菌用于促进棉花[19]产量的研究中，均发现了木霉菌能够提高土壤的碱解氮含量;田晔等[20]在研究木
霉制剂的性质时也发现了木霉菌的解磷解钾功能，这些与本研究的结果是一致的。

总体而言，中等剂量木霉菌作用下速效养分含量最高。

土壤微生物量在土壤物质和能量转换中起着极为重要的作用，它不仅能代表参与调控土壤中能量和养分循环以及有机质转化的对应微生物数量，而且能够反映出人为因素或其他干扰引起的土壤性质变化,对土壤环境的改变极为敏感[21]。

本研究中，中、高剂量木霉菌处理显著提高了煤矸石基质微生物量碳、氮、磷含量。

研究人员将木霉菌应用于香蕉园[22]和草坪[23]的土壤后也发现，木霉菌显著提高了土壤微生物量，这些支持了本研究的结果。

然而，高剂量木霉菌处理下的煤矸石基质微生物量并未有进一步增加，反而比中等剂量木霉菌处理略有减少，原因在于高剂量木霉菌处理下，可作为微生物能量来源的煤矸石基质的速效养分含量相对于中等剂量而言，都有所降低，进而抑制了微生物的生长。

说明中等剂量木霉菌作用下煤矸石基质中微生物数量最多、养分循环迅速。

土壤酶活性在土壤养分循环中起着重要作用，被认为是表征土壤生态质量变化最敏感最有潜力的指标[21]。

土壤过氧化氢酶活性表示土壤微生物分解有害物质过氧化氢的能力，在一定程度上可以表示土壤体系的抗逆能力。

本研究中，中等剂量木霉菌处理下基质过氧化氢酶活性最高，表明该剂量下煤矸石体系的抗逆能力最强，体系最为稳定。

土壤蔗糖酶活性与土壤的碳循环相关，能表示土壤碳素转化的能力。

本研究中，由于木霉菌加入到煤矸石后并不能显著提高煤矸石的含碳量，因而不能
激发蔗糖酶活性。

土壤脲酶活性表示酶对尿素的分解能力，与土壤氮循环相关。

本研究中，木霉菌的加入提高了煤矸石基质中碱解氮的含量，基质氮含量增加，因而与其相关的脲酶活性提高。

土壤磷酸酶活性与土壤磷循环相关，木霉菌促进了煤矸石基质中有效磷含量增加，相应地磷酸酶活性提高。

学者们将木霉菌应用于黄瓜[24]和红松[25]的种植土壤中，结果发现木霉菌促进了土壤过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性，这与本研究结果是一致的。

综合上述酶活性，可以看出，木霉菌在中等剂量下煤矸石基质的总体生态质量最高。

综合不同剂量木霉菌作用下煤矸石基质的速效养分、微生物量、酶活性指标，可以看出，中等剂量(0.15%)木霉菌效果最好，从而促进了煤矸石的分解率、紫花苜蓿鲜重等绿化指标的显著提高。

4 结论
(1)木霉菌能够促进煤矸石的分解，增加紫花苜蓿的鲜重。

中等剂量木霉菌效果最好，将煤矸石分解率和紫花苜蓿鲜重显著提高了44.24%和38.86%。

(2)木霉菌能够增加紫花苜蓿的根长、根体积、侧根数量。

中等剂量木霉菌对根系促进效果最好，将上述3个指标分别显著提高了60.47%,60.27%,189.78%。

(3)木霉菌显著改变了煤矸石的机械组成，改善了煤矸石的微观结构，提高了煤矸石基质的碱解氮、有效磷和速效钾含量。

中等剂量木霉菌提高效果最好，分别显著提高了220.06%,171.35%和63.72%。

(4)木霉菌增加了煤矸石基质的微生物量碳氮磷含量以及过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶活性。

中等剂量木霉菌增加效果最好，分别显著增加了
82.34%,62.51%,78.95%,22.01%,71.43%,102.84%。

(5)综合而言，中等剂量(0.15%)的木霉菌促进煤矸石绿化效果最好，可以作为一种促进煤矸石绿化的良好活性菌剂。

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