煤气化渣配施平菇菌糠对煤矿区土壤微生物类群数量的影响

艾 国，王劲超，邓仲勋，尚瑞勇，陈 花

（1.神木职业技术学院，陕西 神木 719300；2.榆林学院生命科学学院，陕西 榆林 719000）

陕西省拥有大量煤炭资源，资源的开发虽然带动了经济的发展，但也带来了不容忽视的负面影响。煤炭开采造成了区域的水土流失和土壤的荒漠化以及重金属污染，不利于植物的生长，使当地生态系统受到不同程度地破坏［1］。土壤是地表生态系统的关键因子，决定着生态环境的质量。因此，煤矿区土壤修复是实现矿区煤炭资源可持续利用的根本途径。

煤气化渣（以下简称气化渣）的产生是煤与氧气或富氧空气发生不完全燃烧生成CO 与H2的过程中，煤中无机矿物质经过不同的物理化学转变伴随着煤中残留的碳颗粒形成的固态残渣，分为粗渣和细渣［2］。气化渣具有内部多孔、均质颗粒性、类活性炭和质轻的特点。用于土壤中，既能疏松土壤又能为土壤微生物菌群落提供良好的寄居环境，促进土壤有益微生物菌群的繁殖。相玉琳等［3］的试验证明改性气化渣对黑沙蒿生长发育有积极影响。刘娜等［4］的试验证明复配气化渣可以更好地促进沙地苜蓿的生长。以上研究结果均表明，气化渣在一定程度上具有改善土壤肥力的功效。

菌糠是利用秸秆、木屑等原料进行食用菌代料栽培，收货后的培养基剩余物，俗称食用菌栽培废料、菌渣或余料。张馨予［5］进行了食用菌废旧培养料（菌糠）转化为有机肥的研究，表明菌糠里大量的蛋白类有机质为微生物的生长提供了保障；卫智涛等［6］认为食用菌糠中也有很多的营养价值；刘健［7］开展了菌糠修复水土环境中重金属污染的研究，表明菌糠对重金属离子具有很好的吸附效果；刘兆伟等［8］通过试验得出改性菌糠对重金属具有一定的吸附作用；范盛远等［9］发现未改性菌糠对重金属离子也具有一定的吸附能力。以上研究结果均表明，菌糠在土壤改良方面具有较高的营养价值和吸附重金属的功效。

本研究结合菌糠和气化渣的上述优点，通过二者的科学配比，研究其对矿区土壤中微生物类群数量的影响，以此探究其对矿区污染土壤的改良和修复的可行性。对气化渣和菌糠的固废利用以及矿区污染土壤的改良与修复具有深远的现实指导意义。

1 材料与方法

1.1 材料

气化渣：陕西未来能源化工有限公司提供；粗渣∶细渣=7∶3（质量比）。

矿区污染土壤：采自北纬38°26′、东经109°43′的陕西省榆林市榆阳区某煤矿区，5年以上的煤矸石山外围1 m 以内的区域，用土钻采集距表层土0～20 cm 的土壤。

平菇菌糠：采自陕西省榆林市草沟村食用菌种植大棚，挑选无霉变、无腐烂且菌丝洁白的菌糠。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

1）气化渣与平菇菌糠的不同配比组合。空白对照组（CK1）：土壤300 g；处理对照组（CK2）：土壤300 g、平菇菌糠45 g（15%）；试验组一（T1）：平菇菌糠45 g（15%）、气化渣30 g（10%）、土壤300 g；试验组二（T2）：平菇菌糠45 g（15%）、气化渣60 g（20%）、土壤300 g；试验组三（T3）：平菇菌糠45 g（15%）、气化渣90 g（30%）、土壤300 g；试验组四（T4）：平菇菌糠45 g（15%）、气化渣120 g（40%）、土壤300 g。每天称量补水保持田间土壤持水量为40%。

2）对土壤进行取样。将上述处理后的气化渣、菌糠和矿区土壤按照一定比例混合后施入花盆中，每个处理3 次重复，共计18 盆。单次测定时，在花盆中通过5 点取样法取出5 cm 处的土壤，随后进行微生物类群数量的测定。单次测定时间间隔为6 d，试验期内共测定3 次。

3）样品处理。将单次测定时采集的土样充分混匀后，制备不同稀释倍数的土壤悬液，然后将配制好的土壤悬液分别接种于相应的培养皿，在恒温箱中培养2～6 d 后，运用平板菌落法对各培养皿中的菌落进行计数。土壤悬液制备方法采用稀释平板分离法［10］。

4）微生物培养基的制备及其培养。配制不同微生物所需的培养基，采用高温高压灭菌后，分别在超净工作台上倒入无菌玻璃培养皿中，制成培养细菌、放线菌、真菌、芽孢杆菌、氨化细菌和纤维素分解细菌的固体培养基平板，超净工作台上静置，待其凝固，备用。再取上述稀释好的待测样品0.1 mL，分别接入对应标号的玻璃培养皿中，每组样品的每个稀释度做3 个重复。细菌、放线菌采用10-4的稀释液接种，真菌、纤维素分解菌采用10-2的稀释液接种，芽孢杆菌和氨化菌分别采用10-3和10-5稀释液接种。

细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，恒温37 ℃培养2 d 后计数；放线菌采用高氏1 号培养基，恒温37 ℃培养6 d 后计数；真菌采用马丁氏培养基，恒温30 ℃培养7 d 后计数；芽孢杆菌采用肉汤琼脂培养基，恒温37 ℃培养2 d 后计数；氨化细菌采用蛋白胨氨化培养基，恒温30 ℃培养2 d 后计数；纤维素分解细菌采用赫奇逊氏培养基，恒温37 ℃培养6 d 后计数［10］。

1.2.2 指标测定与方法 土壤微生物类群数量的测定方法均采用平板菌落计数法。经过培养，由每个单细胞生长繁殖而形成肉眼可见的菌落，即1 个单菌落代表原样品中的1 个单细胞；统计菌落数，根据其稀释倍数和取样接种量换算出样品中的含菌数。计算公式如下：

式中，M为菌落平均数；D为稀释倍数；W为土壤烘干的质量（g）。分别在2022年3月26日、4月2日、4月9日进行3 次取样测定［10］。

1.2.3 统计分析 利用WPS Office 软件进行数据统计与处理；各项指标使用SPSS 26.0 软件进行单因素方差分析，并用SNK 法对各处理平均数进行比较分析。

2 结果与分析

2.1 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中细菌数量的影响

由图1 可知，在取样时段内气化渣配施平菇菌糠处理均表现为随气化渣含量增加，细菌数量呈先升后降的趋势。CK2 与CK1 相比，加入平菇菌糠的土壤细菌数量均显著高于CK1（P＜0.05），表明矿区土壤中施入菌糠有利于细菌的繁殖；气化渣处理与CK2 相比，加入气化渣和菌糠后土壤中的细菌数量均显著高于CK2（P＜0.05），其中，T3 的土壤细菌数量达到最高，较CK2 分别增加了23.03%、21.02%、13.46%，且该处理下的细菌数量在第0 天和第14 天时均显著高于其他气化渣处理。气化渣配施15%平菇菌糠能有效促进土壤细菌的增殖，且在气化渣含量为30%时效果最佳。

图1 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中细菌数量的影响

2.2 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中放线菌数量的影响

由图2 可知，各处理土壤放线菌随时间的延长其数量呈上升趋势，均在第14 天达到最大值，但CK1 在14 d 内土壤放线菌增幅不明显，CK2 土壤放线菌数量要高于CK1，3 次取样分别增加了50%、150%、167%，均达到了显著水平（P＜0.05）。气化渣处理与CK2 相比，矿区土壤在添加15%平菇菌糠的基础上施入一定量的气化渣后，均可提高土壤放线菌的数量，其中，T3 在整个试验时段内均显著高于CK2 和其他气化渣处理。经过处理后，30%的气化渣配施15%的平菇菌糠可以显著提高煤矿区污染土壤放线菌数量。

图2 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中放线菌数量的影响

2.3 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中真菌数量的影响

由图3 可知，随时间的延长，各处理真菌数量与细菌、放线菌的变化趋势一致，也呈上升趋势，在第14 天土壤真菌数量最大。与CK1 相比，加入平菇菌糠的CK2 真菌数量要高于CK1，且两者之间存在显著差异（P＜0.05）；在第0 天和第14 天时，CK2 与T1差异不显著，其他处理差异均显著，且3 次取样中T3的土壤真菌数量均处于最高水平，该处理较CK2 分别增加了139.13%、127.27%、136.36%。气化渣配施平菇菌糠可以显著提高煤矿区污染土壤中真菌的数量，且在30%的气化渣含量下效果显著。

图3 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中真菌数量的影响

2.4 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中芽孢杆菌数量的影响

由图4 可知，土壤芽孢杆菌数量随时间推移呈上升趋势。CK2 与CK1 相比，土壤芽孢杆菌数量均高于CK1，分别增加了99.11%、98.50%、97.84%，表明菌糠促进了芽孢杆菌的生长繁殖，使煤矿区污染土壤芽孢杆菌数量增加。试验结果也表明，气化渣处理也显著高于CK2。气化渣处理间比较，随气化渣含量的增加，土壤芽孢杆菌的数量呈先增后降趋势，在气化渣含量为30%（T3）时，达到了最高水平，该处理显著高于其他处理，第0 天、第7 天和第14 天的T3 较CK2 分别增加了114.53%、59.16%、73.78%。气化渣配施平菇菌糠可以促进矿区土壤芽孢杆菌菌数量的增加，其中30%的气化渣配施平菇菌糠的效果最好。

图4 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中芽孢杆菌数量的影响

2.5 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中氨化菌数量的影响

由图5 可知，CK1 氨化菌的数量显著低于CK2（P＜0.05），较CK2 分别降低了98.00%、96.10%、96.85%，表明菌糠有利于氨化菌的生长繁殖。施入15%平菇菌糠的矿区土壤，随气化渣含量的增加，氨化菌的数量呈先增后降趋势，在气化渣含量为30%（T3）时，达到了最高水平。整个试验期间，30%气化渣处理显著高于其他处理。气化渣配施平菇菌糠能促进矿区土壤中氨化菌数量的增加，其中，气化渣含量在30%时配施15%的平菇菌糠可使氨化菌数量达到最高水平，土壤氨化细菌的优势明显。

图5 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中氨化菌数量的影响

2.6 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中纤维素分解菌数量的影响

由图6 可知，CK2 与CK1 相比，平菇菌糠的加入可使矿区土壤纤维素分解菌数量显著增加（P＜0.05）。气化渣处理中土壤纤维素分解菌的数量均高于CK2。随气化渣含量的增加，T3 的土壤纤维素分解菌数量显著高于其他气化渣处理（P＜0.05），并较CK2 分别增加了176.00%、122.58%、79.23%。气化渣配施平菇菌糠有利于矿区污染土壤中纤维素分解菌生长繁殖，其中30%的气化渣配施15%的平菇菌糠达到最佳效果。

图6 气化渣配施平菇菌糠对煤矿区污染土壤中纤维素分解菌数量的影响

3 小结与讨论

3.1 小结

煤矿区土壤添加15%平菇菌糠的基础上施入气化渣，提高了土壤细菌、放线菌、真菌、芽孢杆菌、氨化菌、纤维素分解菌的丰度，且在气化渣含量为30%时，土壤微生物数量较15%菌糠单一处理显著增大（P＜0.05）；与其他复合处理相比，除第7 天与40%气化渣配施15%平菇菌糠处理下的细菌数量无显著差异外，其他均达到显著水平。综上，煤矿区土壤添加气化渣复配平菇菌糠后，土壤微生物数量得到了显著提高，气化渣和平菇菌糠的质量配比为2∶1。

3.2 讨论

细菌在土壤中分布非常广泛，周东兴等［11］研究表明，细菌能在一定条件下降解土壤中有害物质，从而改善土壤肥力，有利于植被的生长发育；林雁冰［12］研究结果显示，放线菌在一定程度上能吸收土壤中有害的重金属离子；王文琦等［13］认为真菌可分解土壤中重金属物质，降低土壤污染程度；纤维素分解菌对土壤中的有机质有一定的转化作用，给植被提供生长发育的营养物质［14］；芽孢杆菌作为主要改良剂对农作物的生长发育有积极的作用［15］，分解有机质，提高土壤肥效；王晶莹［16］的研究结果可以清晰地看出，施肥处理后的土壤氨化菌数量有显著增加，氨化菌的转氨能力得到增加，提高土壤有机质的含量。

以上研究均表明，土壤中细菌、放线菌、真菌、芽孢杆菌、氨化菌和纤维素分解菌可作为反映土壤理化性质的指标。本研究结果表明，CK2 中加入平菇菌糠，有利于细菌、放线菌、真菌、芽孢杆菌、氨化菌和纤维素分解菌数量的增加，这与董卿和张琳2 组团队得出的结果基本一致。董卿等［17］认为醋糟菌糠对细菌、放线菌、真菌量的增加有促进作用，张琳等［18］的研究结果也证实了双孢蘑菇菌糠作基肥对玫瑰园地土壤微生物数量有促进作用，原因是菌糠含有部分未完全降解的有机质，经微生物分解后产生了大量的菌体蛋白、维生素和氨基酸，加之菌糠中还含有大量的氮、磷、钾和微量元素，这些有机物和无机物满足了微生物生长繁殖所需的营养［19，20］，从而导致CK2 较CK1 中的微生物数量显著增多。

气化渣配施平菇菌糠对土壤微生物数量的增效普遍优于CK2（菌糠单独处理），其中，在气化渣含量为30%时配施15%平菇菌糠的效果最好，差异显著（P＜0.05）；Zhu 等［21］研究煤气化细渣在碱沙地土壤修复中的应用，在土壤中添加20%的煤气化细渣能有效地改善碱沙地土壤的容量、pH、保水能力等理化性质，同时利用化学和植物吸收试验对煤气化细渣用作硅肥的潜力进行研究，结果表明，在相同的条件下，煤气化细渣的可提取硅含量高于其他硅源样品；水稻生长试验茎的强度指数和总硅含量表明，5%的煤气化细渣对水稻的生长有显著的促进作用［22］。结合前人研究结果，推测气化渣促进土壤微生物数量提高的因素，气化渣具有改善土壤的容量、pH、保水能力，从而使微生物数量增加；气化渣中含有的硅、镁、铁等元素有利于土壤有机质的分解，在一定程度上可以改善土壤肥效；气化渣含有微生物生长繁殖所需的必要元素（碳、氧、磷、硫、钾、钙）等，所以气化渣的加入有利于微生物的生长繁殖，30%气化渣的加入可使微生物处于最活跃状态。在矿区土壤中加入40%含量的气化渣时，相对于30%气化渣下的土壤微生物生长繁殖受到了抑制，原因可能是气化渣含有少量有害微量元素（Be、Cr、Co、Ni、Pb等）［23］超出菌糠的净化吸附能力，导致微生物的生长繁殖受到抑制。

综上所述，适量的气化渣配施平菇菌糠作为煤矿区污染土壤修复剂，在一定程度上可以促进土壤有益微生物的生长繁殖，微生物作为土壤的重要组成成分，进一步促进了土壤肥料的转换和吸收，有利于植物的良好生长，达到对矿区污染土壤修复的目的。