矸石山复垦土壤用微生物制剂及使用该制剂复垦煤矸石土壤的方法

技术领域

本发明属于矸石山复垦技术领域，具体涉及一种矸石山复垦土壤专用微生物制剂及在煤矿矸石山上的应用。

背景技术

煤矸石是煤炭开采过程中产生的废弃物，约占煤炭开采量的20%左右。目前我国煤矸石的综合利用率为30～40%左右，多数作为废弃物就近堆放，形成大小不一的矸石山，占压土地、破坏景观。矸石山已成为煤矿区立地条件最差、堆放量最大、治理难度最大的区域。全国现有矸石山5000多座，其中约有1/3的矸石山发生程度不同的自燃。煤矸石自燃直接影响其复垦效果，并对生态环境造成一定的威胁。

煤矸石的矿物成分以粘土矿物和石英石为主，化学组成较复杂，含有碳、钙、硅、铝、铁、镁、钾、矾、硼、镍、铍等十多种元素，除碳外，其他元素多以氧化物形式存在，SiO₂含量将近50%。

通过对矸石山覆土进行复垦，是矸石山治理的有效措施之一。但是由于矸石山立地条件差，复垦后的矸石山微生物数量少，土壤贫瘠，植物生长困难、成活率低，难以达到对环境的治理要求。有关矸石山的治理方法中，如“ZL 200910075216.3防止煤矸石山自燃的堆储方法”、“ZL 201320524346.2矸石山分层覆土种植结构”，多是从矸石山堆储、覆盖等工程措施角度进行治理，没有考虑微生物菌种在矸石山复垦中的巨大作用； “ZL 201410251289.4一种防止煤矸石自燃的复合氧化抑制剂及施用量”，仅考虑了矸石山的自燃问题，并没有考虑矸石山复垦后的土壤质量问题。

目前生产上普遍采用将煤矸石“分层排放、覆土碾压”，然后进行植被建设，但实践证明，这种覆土种植模式仍然存在许多缺陷：1) 矸石山养分贫瘠，农作物生长困难；2) 矸石山地温高，土壤微生物数量少，微生物群落简单，不利于矸石山有机质的积累；3) 矸石山覆土碾压后，仍会有氧气存在，导致矸石山自燃。

发明内容

本发明的目的是针对矸石山复垦存在的主要问题，提供一种矸石山复垦土壤用微生物制剂，以及使用所述微生物制剂复垦矸石山土壤的方法。

本发明所述的矸石山复垦土壤用微生物制剂由各自独立使用的Ⅰ型微生物制剂、Ⅱ型微生物制剂和Ⅲ型微生物制剂三种微生物制剂构成。

其中：

Ⅰ型微生物制剂由吸附载体和吸附于所述吸附载体上的有效活菌组成，所述有效活菌由枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌构成，且枯草芽孢杆菌与地衣芽孢杆菌的有效活菌数比例为1∶1～1.5；

Ⅱ型微生物制剂由吸附载体、活性添加剂和吸附于所述吸附载体上的有效活菌组成，所述有效活菌由胶冻样芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌构成，且胶冻样芽孢杆菌与地衣芽孢杆菌的有效活菌数比例为1∶1～1.5；所述活性添加剂为钙镁磷肥，添加量占Ⅱ型微生物制剂总量的8～15wt%；

Ⅲ型微生物制剂由吸附载体、活性添加剂和吸附于所述吸附载体上的有效活菌组成，所述有效活菌由褐球固氮菌、巨大芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌和赖氨酸芽孢杆菌构成，且褐球固氮菌、巨大芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌与赖氨酸芽孢杆菌的有效活菌数比例为1∶1～1.5∶2～2.5∶1～2；所述活性添加剂为钙镁磷肥，添加量占Ⅲ型微生物制剂总量的8～15wt%；

同时，以上所述三种微生物制剂中，每克微生物制剂中含有的有效活菌总数均为(2～200)×10⁸CFU。

本发明所述微生物制剂中所涉及的微生物菌种有六种，分别为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) ACCC10242，地衣芽孢杆(Bacillus licheniformis) ACCC01193，巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium) ACCC11107，胶冻样芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus) ACCC10013，褐球固氮菌(Azotobacter chroococcum) ACCC10006，纺锤形赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus fusiformis) CGMCC1.3602，均为冻干菌种，系市购产品。

具体地，本发明的微生物制剂中，所述吸附于吸附载体上的有效活菌是由所述微生物菌种发酵液离心沉淀得到的菌泥。

本发明中，所述的吸附载体为硅藻土、膨润土、秸秆粉、木屑或草炭土中的一种，或几种的任意比例混合物。

更具体地，所述Ⅰ型微生物制剂和Ⅱ型微生物制剂中的吸附载体优选为硅藻土和/或膨润土；所述Ⅲ型微生物制剂中的吸附载体优选为秸秆粉、木屑或草炭土中的一种，或几种的任意比例混合物。

本发明还提供了一种利用上述微生物制剂复垦煤矸石土壤的方法，是将矸石山分层覆土，并在所述覆土层中撒施所述微生物制剂，所述复垦煤矸石土壤从下向上依次为第一矸石层、粘黄土与粉煤灰混合覆土层、第二矸石层、粉煤灰覆土层、细小颗粒矸石层、黄土覆土层，在所述粘黄土与粉煤灰混合覆土层撒施Ⅰ型微生物制剂，所述粉煤灰覆土层撒施Ⅱ型微生物制剂，所述黄土覆土层撒施Ⅲ型微生物制剂，农作物种植在黄土覆土层上。

其中，所述Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型微生物制剂在各自覆土层上的撒施量均为每亩施用5～10kg。

本发明所述的复垦煤矸石土壤方法中，第一矸石层的铺设厚度一般为6～10m，第二矸石层的铺设厚度为3～5m，细小颗粒矸石层铺设厚度1～3m。

进而，覆盖在第一矸石层上的粘黄土、粉煤灰覆土层是由粘黄土与粉煤灰按照1∶0.6～1的质量比混合构成，且所述覆土层的厚度为20～40cm，经机械压实后，撒施Ⅰ型微生物制剂；覆盖在第二矸石层上的粉煤灰覆土层的厚度为20～40cm，机械压实后，撒施Ⅱ型微生物制剂；最上层的黄土覆土层则由40～80cm厚的黄土构成，条施或撒施Ⅲ型微生物制剂。

本发明的矸石山复垦土壤用微生物制剂由三种不同的微生物制剂构成，在矸石山覆土过程中施用不同的微生物制剂，通过引入目的微生物菌种，可以有效解决矸石山问题。

将矸石山初步平整，压实后覆盖粘黄土和粉煤灰作为覆土第一层，经机械碾压后撒施Ⅰ型微生物制剂，引入的枯草芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌均为好氧、耐高温菌种，可消耗氧气，隔离新鲜空气向深部矸石输送氧气，并封堵了高温热源和烟气向地表的迁移途径，通过有效阻止氧气向下运输和烟气向上排放，阻止矸石山底部自燃的发生。上部再形成矸石堆积层，平整压实后覆盖粉煤灰作为覆土第二层，经机械压实后撒施Ⅱ型微生物制剂，引入好氧耐高温的地衣芽孢杆菌既可以消耗氧气，杜绝外部空气向矸石层下部补给，同时也能结合解钾菌胶冻样芽孢杆菌，一起加速上层细小颗粒矸石层的进一步风化，钙镁磷肥能有效降低细小颗粒矸石层重金属的活性，阻止重金属向地面作物的迁移。之上为细小颗粒矸石层，表层细小颗粒矸石层上覆40～80cm的浅层疏松黄土层，施用一些具有解磷、解钾、固氮促生作用的菌种，可以加速矸石层的风化，活化并有效利用煤矸石中大量存在的K和Si，提高表层土壤(风化层)的养分含量，促进农作物的生长，增加矸石山的地表覆盖度。此外，添加一些钙镁磷肥等活化剂，也能有效固持重金属，减弱其对农作物的毒害。

本发明各种微生物制剂均具有操作简单、使用方便、成本低廉、活化率高的优点。本发明结合矸石山分层覆土技术，通过将三种微生物制剂组合施用，可以改善矸石山的养分状况，促进矸石山上农作物的生长，同时又能降低矸石山重金属的有效性，加速表层细小矸石颗粒的风化，还能够从根源上阻止矸石山自燃，有效解决矸石山的自燃问题。

具体实施方式

实施例1

制备微生物制剂所涉及的微生物菌种有六种，分别为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis) ACCC10242，地衣芽孢杆(Bacillus licheniformis) ACCC01193，巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium) ACCC11107，胶冻样芽孢杆菌(Bacillus mucilaginosus) ACCC10013，褐球固氮菌(Azotobacter chroococcum) ACCC10006，纺锤形赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus fusiformis) CGMCC1.3602，均为冻干菌种，系市购产品。

将目的菌种在无菌条件下分别依次进行活化、斜面培养、液体摇瓶和发酵罐培养。

1) 活化。无菌条件下，将装有冻干保存微生物菌种的安醅管以浸有75%酒精的脱脂棉擦净，用火焰加热安醅管的顶端，滴少量无菌水至加热顶端使其破裂，用镊子敲开破裂的安醅管。用无菌吸管吸取0.3～0.5mL适宜的液体培养基，滴入安醅管内，轻轻振荡，使冻干菌体溶解呈悬浮状。吸取全部菌体悬浮液，分别移植于2支斜面培养基试管中，在建议的温度下培养激活，使之具有良好的生长繁殖能力。

2) 斜面培养。将活化好的目的菌种采用划线法保存于斜面培养基上，30℃培养3～5天。枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和赖氨酸芽孢杆菌均选用营养肉汁培养基：蛋白胨10g，NaCl 5g，牛肉膏5g，琼脂15g，蒸馏水1000mL，pH7.0。胶冻样芽胞杆菌选用硅酸盐细菌培养基：蔗糖10g，酵母膏0.4g，K₂HPO₄ 0.5g，CaCO₃ 1g，MgSO₄·7H₂O 0.2g，FeCl₃ 0.005g，琼脂18g，蒸馏水1000mL，pH7.0～7.2。褐球固氮菌选用固氮菌琼脂培养基：蔗糖或甘露醇10g，K₂HPO₄·3H₂O 0.5g，NaCl 0.2g，CaCO₃ 1g，MgSO₄·7H₂O 0.2g，琼脂15～20g，蒸馏水1000mL，pH7.0～7.2。

3) 液体摇瓶、发酵罐培养扩大。枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌和赖氨酸芽孢杆菌的发酵培养过程是：将活化后保存于斜面上的菌种接于装有100mL营养肉汁培养基的250mL摇瓶中，30℃、170r/min摇瓶培养18～24h，得到种子液；将种子液按体积比10%的接种量接入种子罐的发酵培养基中，30℃、180r/min发酵培养20～24h，获得发酵种子液，然后将发酵种子液按体积比10%的接种量接入发酵罐的发酵培养基中，30℃、180r/min发酵培养36～48h，得到发酵菌液；种子罐和发酵罐中的发酵培养基为牛肉膏5g/L，蛋白胨5g/L，NaCl 5g/L，pH7.0，121℃实罐灭菌25min。胶冻样芽胞杆菌的发酵培养过程是：将活化后保存于斜面上的菌种接于装有100mL硅酸盐细菌培养基的250mL摇瓶中，30℃、170r/min摇瓶培养18～24h，得到种子液；将种子液按体积比10%的接种量接入种子罐的发酵培养基中，30℃、180r/min发酵培养22～24h，获得发酵种子液，然后将发酵种子液按体积比10%的接种量接入发酵罐的发酵培养基中，30℃、180r/min发酵培养36～48h，得到发酵菌液；种子罐和发酵罐中的发酵培养基为蔗糖10g/L，酵母膏0.4g/L，K₂HPO₄ 0.5g/L，CaCO₃ 1g/L，MgSO₄·7H₂O 0.2g/L，FeCl₃ 0.005g/L，pH7.0～7.2，121℃实罐灭菌25min。褐球固氮菌的发酵培养过程是：将活化后保存于斜面上的菌种接于装有100mL固氮菌培养基的250mL摇瓶中，30℃、170r/min摇瓶培养16～24h，得到种子液；将种子液按体积比10%的接种量接入种子罐的发酵培养基中，30℃、180r/min发酵培养16～24h，获得发酵种子液，然后将发酵种子液按体积比10%的接种量接入发酵罐的发酵培养基中，30℃、180r/min发酵培养36～48h，得到发酵菌液；种子罐和发酵罐中的发酵培养基为蔗糖10g/L，K₂HPO₄·3H₂O 0.5g/L，NaCl 0.2g/L，CaCO₃ 1g/L，MgSO₄·7H₂O 0.2g/L，pH7.0～7.2，121℃实罐灭菌25min。

调节上述发酵好的各种发酵液中菌浓度达到1×10⁹～1×10¹¹CFU/mL，将各种发酵液在20～30℃，3500～7000rpm条件下离心20～40min，离心沉淀物用无菌水洗涤1～5次，再次离心，离心沉淀物即为各菌种的菌泥。

实施例2

称取枯草芽孢杆菌菌泥50g、地衣芽孢杆菌菌泥50g，与硅藻土150g、膨润土150g混合，搅拌器匀速搅拌均匀，置于15～50℃的无菌通风室中通风干燥，至含水量＜10%，得到Ⅰ型微生物制剂，有效活菌数＞2×10⁸CFU/g。

称取胶冻样芽孢杆菌菌泥50g、地衣芽孢杆菌菌泥75g，与硅藻土175g、膨润土200g混合，添加钙镁磷肥75g，搅拌器匀速搅拌均匀，置于15～50℃的无菌通风室中通风干燥，至含水量＜10%，得到Ⅱ型微生物制剂，有效活菌数＞2×10⁸CFU/g。

称取褐球固氮菌菌泥25g、巨大芽孢杆菌菌泥25g、胶冻样芽孢杆菌菌泥50g、赖氨酸芽孢杆菌菌泥25g，与秸秆粉150g、木屑100g、草炭土125g混合，再添加钙镁磷肥85g，搅拌器匀速搅拌均匀，置于15～50℃的无菌通风室中通风干燥，至含水量＜10%，得到Ⅲ型微生物制剂，有效活菌数＞2×10⁸CFU/g。

实施例3

称取枯草芽孢杆菌菌泥50g、地衣芽孢杆菌菌泥75g，与硅藻土200g、膨润土175g混合，搅拌器匀速搅拌均匀，置于15～50℃的无菌通风室中通风干燥，至含水量＜10%，得到Ⅰ型微生物制剂，有效活菌数＞2×10⁸ CFU/g。

称取胶冻样芽孢杆菌菌泥75g、地衣芽孢杆菌菌泥75g，与硅藻土200g、膨润土250g混合，添加钙镁磷肥90g，搅拌器匀速搅拌均匀，置于15～50℃的无菌通风室中通风干燥，至含水量＜10%，得到Ⅱ型微生物制剂，有效活菌数＞2×10⁸CFU/g。

称取褐球固氮菌菌泥50g、巨大芽孢杆菌菌泥75g、胶冻样芽孢杆菌菌泥125g、赖氨酸芽孢杆菌菌泥100g，与秸秆粉350g、木屑350g、草炭土350g混合，再添加钙镁磷肥250g，搅拌器匀速搅拌均匀，置于15～50℃的无菌通风室中通风干燥，至含水量＜10%，得到Ⅲ型微生物制剂，有效活菌数＞2×10⁸CFU/g。

应用例1

矸石山堆放时，首先在最下部铺设厚度为6m的第一矸石层，机械压实后，铺设一层20cm厚的由粘黄土与粉煤灰按1∶0.6的比例混合的覆土层，机械压实，每亩撒施5kg实施例2的Ⅰ型微生物制剂。上部再堆积厚度3m的第二矸石层，压实后在矸石层上堆积20cm后的粉煤灰层，机械压实后，每亩撒施6kg实施例2的Ⅱ型微生物制剂。之后再覆盖1m的细小颗粒矸石层，机械压实，覆盖80cm的疏松黄土层，黄土层上撒施或条施实施例2的Ⅲ型微生物制剂，用量为每亩9kg，并种植农作物。

应用例2

矸石山堆放时，首先在最下部铺设厚度为8m的第一矸石层，机械压实后，铺设一层30cm厚的由粘黄土与粉煤灰按1∶1的比例混合的覆土层，机械压实，每亩撒施8kg实施例3的Ⅰ型微生物制剂。上部再堆积厚度5m的第二矸石层，压实后在矸石层上堆积30cm后的粉煤灰层，机械压实后，每亩撒施10kg实施例3的Ⅱ型微生物制剂。之后再覆盖2m的细小颗粒矸石层，机械压实，覆盖60cm的疏松黄土层，黄土层上撒施或条施实施例3的Ⅲ型微生物制剂，用量为每亩10kg，并种植农作物。