王子寅，唐万鹏，刘秉儒，赵晓玉，李子豪

植被毯覆盖对旱区露天煤矿土壤生态化学计量及酶活性的影响

王子寅1,2,3，唐万鹏1，刘秉儒1,2,3※，赵晓玉1,2,3，李子豪1

（1. 北方民族大学生物科学与工程学院，银川 750021；2. 国家民委黄河流域农牧交错区生态保护重点实验室，银川 750021；3. 宁夏特殊生境微生物资源开发与利用重点实验室，银川 750021）

为阐明不同材质植被毯覆盖对干旱地区露天煤矿土壤养分及酶活性的影响，以宁夏贺兰山自然保护区大峰矿为研究对象，分析秸秆、椰丝及秸秆-椰丝3种不同材质植被毯覆盖后矿区土壤有机碳、全氮、全磷、脲酶、蛋白酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶及生态化学计量比特征。结果表明：1）植被毯覆盖增加土壤表层有机碳和总氮含量且最大值为椰丝植被毯覆盖土壤，总磷含量无明显变化，10～20 cm土壤有机碳、总氮、总磷含量无明显变化；2）植被毯覆盖增加C/P、N/P且最大值同样为椰丝植被毯覆盖土壤，C/N无明显变化；3）植被毯覆盖土壤脲酶和碱性磷酸酶活性显著高于裸地，且0～10 cm大于10～20 cm，蛋白酶活性无显著变化，过氧化氢酶活性仅有椰丝植被毯的0～10 cm显著高于10～20 cm；4）土壤酶活性与环境因子的相关性和冗余分析结果显示：土壤TP、C/N是制约酶活性的主要影响因子，而N/P、TN是驱动酶活性的主要因子。三种植被毯覆盖后，土壤表层养分含量增加，同时增加了土壤表层的C/P和N/P，且促进表层土壤酶活性。此外，4种酶活性之间也存在显著正相关关系（<0.01）。相对于秸秆、秸秆-椰丝植被毯，椰丝植被毯提供土壤养分的能力更强。土壤酶活性与环境因子的相关性和冗余分析结果显示：土壤TP、C/N是制约酶活性的主要影响因子，而N/P、TN是驱动酶活性的主要因子。上述结果表明，植被毯覆盖后增加了土壤表层养分，同时促进表层土壤的酶活性。研究结果能够为旱区露天煤矿土壤植被毯生态修复技术的实施提供一定理论依据。

土壤；酶活性；生态化学计量；碳氮磷；植被毯；矿区；贺兰山

0 引 言

生态化学计量学（Ecological Stoichiometry）是结合生物学、化学和物理学等基本学科，研究生物体所需、并能影响生态系统生产力、营养循环以及食物链网的碳、氮、磷等元素之间动态平衡的一门新型交叉学科，旨在揭示生态系统的稳态转化机制[1]，为研究各营养级动态、生物多样性和生物地球化学循环提供新的研究观点[2]。目前，国内外学者针对生态化学计量特征的研究主要集中于草地、沙漠、湿地及森林生态系统等[3]方面，开展了一系列研究，并取得了许多成就。Wang等[4]通过对高寒退化草地的研究，结果发现草地退化对土壤碳、氮和磷的影响不同，导致土壤中碳氮和磷的降低，以及土壤微生物量中碳、氮和磷的含量降低。Wang等[5]发现对于喀斯特石漠化生态系统而言，不同采样点石漠化程度或植被覆盖率之间的土壤养分含量或化学计量比存在显著差异，且降水、温度、岩石裸露和土地覆盖是影响喀斯特石漠化生态系统土壤养分化学计量特征的主要环境因素。生态系统中碳氮磷等元素的循环是近二十年全球一直关注的前沿，已经广泛应用到微生物营养、生物共生关系、生态系统演替、群落结构与动态等方面的研究[6-7]，而土壤在陆地生态系统中具有重要地位，是植物生长发育的基础，为植物的生长和发育提供了必要的营养元素[8-9]。此外有研究表明，土壤的物理化学、微生物和生物化学特征都取决于酶，酶也是衡量土壤质量或生产力变化的重要指标[10]。赵雪等[11]研究发现土壤-1,4-葡萄糖苷酶活性、酶活性碳氮比、碳磷比显著下降，而-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、碱性磷酸酶、酶活性氮磷比显著升高，表明油井迹地土壤自然恢复过程中石油污染物含量显著降低，碳、氮养分不断积累，土壤微生物养分限制状况有所缓解。因此，探索土壤碳、氮、磷生态化学计量及酶活性特征，能够揭示土壤的养分调控因素、反映土壤的质量状况，对于掌控生态系统的物质循环具有重要意义[12]。

煤炭露天开采不仅破坏生态环境，而且还会恶化当地的生态系统，使得依靠自然生态恢复变得极为困难[13]。研究表明，目前全球约有670万hm2的土地被采矿破坏，其中中国占四分之一，且每年以4万hm2的速度增长[14-15][14][15]。贺兰山作为中国三大沙漠（毛乌素沙地、乌兰布和腾格里沙漠）与银川平原的分界线，是中国西北地区最后的生态保护屏障[16]。贺兰山煤矿资源的露天开采不仅破坏当地地表植被，而且造成水土流失，诱发滑坡等地质灾害，切断了生态保护区的生物走廊，对保护区的景观、水环境和生物多样性产生了巨大影响[17]。因此，贺兰山露天煤矿废弃地生态修复是一个迫在眉睫的环境问题。植被毯又称生态保护纤维毯[18]，广泛用于矿区的边坡防护、土壤侵蚀和生态恢复。矿区排土场植被毯修复技术是指通过使用天然无污染材料（如椰壳、秸秆、棉纤维）或废弃的合成材料（如聚乙烯、聚酯）制成的植被毯，为植物生长提供良好的生存环境，从而改善露天煤矿排土场地表土壤的结构和肥力，促进矿山生态系统的恢复[19]。目前，植被毯技术多运用于地震滑坡、公路边坡、沙化地及矿山废弃地等区域植被修复[20]，张俊娇等[21]仅对不同模式植被毯覆盖后植被和土壤水热肥变化进行研究，但对于植被毯覆盖后矿山废弃地土壤微生物群落结构的变化少有研究。因此，研究不同材质植被毯覆盖后的土壤理化指标和微生物群落结构对矿区生态恢复具有重要意义。

本研究以宁夏干旱半干旱地区露天煤矿排土场为研究对象，选取便宜易得的秸秆和椰丝两种材料制作成植被毯，探讨秸秆、秸秆-椰丝、椰丝3种不同材质的植被毯，并选取裸地作为对照，对其土壤碳、氮、磷生态化学计量以及酶活性特征进行研究，揭示农牧交错带露天煤矿不同材质植被毯覆盖的土壤养分循环规律，为西北干旱半干旱矿区生态系统的修复和植被重建提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区石嘴山市大武口区汝箕沟大峰矿排土场（39°2′～39°9′N，106°1′～106°15′E）。该地区面积约为200 km2，海拔约为1 823～2 120 m。气候为大陆性气候，全年刮西北风，最大风速约31 m/s，干燥且降雨量少，昼夜温差大，无地表径流[22]。矿区排土场的土壤主要由经大型机械筛选后的粗骨土、矿渣土和采矿废料组成，并在其表层覆盖20 cm左右表土。矿区植物主要为灌木和草本植物，优势植物有灰榆（L.）、沙东青（(Maxim. ex Kom.）Cheng f.）、中亚紫菀木（Novopokr.）、白茎盐生草（Moq.）、斜茎黄芪（Jacquin）等干旱、半干旱植物[23]。

1.2 试验设计

本研究于2021年5月在大峰矿排土场的秸秆（JG）、椰丝（YS）、秸秆-椰丝（JY）3种不同材质的植被毯覆盖下，并以裸地（CK）为对照，随机选取每钟材质植被毯的4个1 m×1 m样方作为对照，按照五点取样法，根据土壤剖面0～10和>10～20 cm分层采集土壤样品，在每个样方随机采集5个土壤样品作为复合样品。从3种植被毯类型和裸地共采集32个土样，装入消毒后的自封袋中，进行预处理（用镊子去除可见的植被毯碎屑和碎石），放入保温箱立即运回实验室。一部分土样于实验室自然干燥，用于土壤理化性质的测定，另一部分鲜土过1 mm筛后储存于4 ℃冰箱，用于酶活性的测定。手套、工具、袋子和其他采样物品使用前都经过消毒杀菌处理。

1.3 土壤理化性质及酶活性测定

经过处理后的土壤样品，进行土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）、全氮（Total Nitrogen, TN）、全磷（Total Phosphorus, TP）、脲酶（Urease）、蛋白酶（Protease）、碱性磷酸酶（Alkaline phosphatase, AKP）、过氧化氢酶（Catalase）等的测定。SOC采用TOC测定仪测定；TP采用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定；TN采用硫酸钾-硫酸铜-硒粉消煮，定氮仪自动分析法测定[24]。脲酶活性用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定；蛋白酶活性用茚三酮比色法测定；碱性磷酸酶（AKP）活性用对硝基苯磷酸二钠法测定；过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定[25]。

1.4 数据处理

使用Excel 2019对数据进行整理分类；使用IBM SPSS Statistics 24.0进行数据统计分析，采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）进行检验，土壤差异用新复极差法（Duncan）进行多重差异性分析，用皮尔森(Person)相关系数进行相关性分析，同时结合Origin 2021作图。

2 结果与分析

2.1 不同材质植被毯土壤碳氮磷含量特征

由表1可知，YS、JG、JY植被毯覆盖0～20 cm土壤土层有机碳含量的平均值分别为39.009、34.510、33.929 g/kg，CK植被毯为31.132 g/kg，YS植被毯土壤有机碳含量显著高于裸地。3种植被毯覆盖及CK土壤有机碳含量在0～10 cm土层具有显著差异（<0.05），表现为YS显著大于CK和JY，JG和YS和JY没有显著差异，其中YS植被毯覆盖土壤有机碳含量最高，为42.031 g/kg；而10～20 cm土壤土层有机碳含量没有显著差异。在垂直方向上，仅有JY植被毯覆盖土壤有机碳含量随土层深度增加而降低，其余处理无显著差异。

YS、JG、JY植被毯覆盖0～20 cm土壤土层总氮含量的平均值分别为0.605、0.568、0.569 g/kg，CK为0.510 g/kg。3种植被毯覆盖及CK土壤总氮含量在0～10 cm土层具有显著差异（<0.05），表现为YS和JG显著大于CK，JY和YS、JG以及CK没有显著差异，其中YS植被毯覆盖土壤总氮含量最高，为0.645 g/kg；而10～20 cm土壤土层总氮含量没有显著差异。在垂直方向上，3种不同材质植被毯覆盖土壤总氮与CK相比无显著差异。

土壤总磷随植被毯材质及土层深度没有显著性变化。

表1 不同材质植被毯覆盖土壤SOC、TN、TP含量

注：同列不同大写字母表示相同土壤指标不同处理间差异显著（＜0.05），同行不同小写字母表示相同土壤指标不同土壤深度差异显著（＜0.05）。

Note: Different capital letters in the same column indicate significant differences among different treatments for the same soil index (<0.05), different lowercase letters in the same column indicate significant differences between soil depths for the same soil index (<0.05).

2.2 不同材质植被毯土壤碳氮磷生态化学计量特征

土壤生态化学计量特征在不同材质植被毯覆盖间的变化规律如图1和图2所示。不同材质植被毯覆盖的土壤C/N、C/P、N/P的变化范围分别是59.910～64.589、77.351～102.991、1.265～1.600，平均值分别为61.813、89.761、1.456，见图1。其中：不同材质植被毯覆盖土壤的C/N无显著差异（＞0.05），YS植被毯覆盖土壤的C/P显著高于JG、JY和CK（＜0.05），YS和JY植被毯覆盖土壤的N/P显著高于CK（＜0.05）。

土壤C/N没有随植被毯材质和土层深度的变化而产生显著差异（图2a），土壤C/P和N/P没有随土层深度的变化而产生显著差异（图2b、2c）。不同材质植被毯覆盖0～10 cm土壤的C/P表现为YS、JY、JG植被毯覆盖土壤的C/P显著大于CK，且YS植被毯覆盖土壤的C/P最大（111.58）（图2b）。不同材质植被毯覆盖0～10cm的土壤的N/P表现为YS、JY、JG植被毯覆盖土壤的C/P显著大于CK，同样YS植被毯覆盖土壤的N/P最大（1.709）（图2c）。

注：不同小写字母表示差异显著（P＜0.05）。

注：不同大写字母表示在不同处理间差异显著（P＜0.05），不同小写字母表示相同处理不同土层深度间差异显著（P＜0.05）。下同。

2.3 不同材质植被毯土壤酶特征

如图3所示，不同材质植被毯覆盖的土壤脲酶、蛋白酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性的变化范围分别是6.248～12.495、0.094～0.109、1.606～3.371g/(g·h)和5.423～6.415 mg/(g·h)，平均值分别为10.369、0.104、2.404g/(g·h)和5.946 mg/(g·h)，其中：不同材质植被毯覆盖土壤的蛋白酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性无显著差异，YS、JG和JY植被毯覆盖土壤的脲酶活性显著高于CK，且JY的脲酶活性最高，为12.495g/(g·h)。

图3 不同材质植被毯覆盖土壤酶活性

在土壤层次，不同酶活性变化趋势不一致。不同材质植被毯覆盖0～10 cm土壤脲酶活性表现为JY、JG和YS显著大于CK，且JY植被毯覆盖土壤的脲酶活性最高（15.569g/(g·h)）；不同材质植被毯覆盖>10～20 cm土壤脲酶活性没有随植被毯材质的变化而产生显著差异；除CK和JY外，YS和JG植被毯覆盖的0～10 cm土壤脲酶活性均显著高于>10～20 cm土壤脲酶活性（图4a）。土壤蛋白酶活性没有随植被毯材质和土层深度的变化而产生显著差异（图4b）。不同材质植被毯覆盖0～10 cm土壤碱性磷酸酶活性表现为YS植被毯覆盖的土壤磷酸酶活性显著大于CK，酶活性为4.989g/(g·h)，JG和JY植被毯覆盖的土壤磷酸酶与YS和CK相比没有显著性差异；不同材质植被毯覆盖10～20 cm土壤碱性磷酸酶活性没有随植被毯材质的变化而产生显著差异；除CK和JG外，YS、JY植被毯覆盖的0～10 cm土壤碱性磷酸酶活性均显著高于>10～20 cm土壤碱性磷酸酶（图4c）。土壤过氧化氢酶活性没有随植被毯材质的变化而产生显著差异；且只有YS植被毯覆盖的0～10 cm土壤过氧化氢酶活性显著高于>10～20 cm土壤过氧化氢酶活性，CK、JG、JY均无显著差异（图4d）。

图4 不同材质植被毯覆盖不同土层土壤酶活性

2.4 土壤碳氮磷及其生态化学计量与土壤酶活性相关性分析

图5相关性分析结果显示，土壤有机碳与总氮呈极显著正相关，与脲酶、碱性磷酸酶、C/P和N/P呈显著正相关。总氮与脲酶、碱性磷酸酶、C/P和N/P呈极显著正相关，与过氧化氢酶呈显著正相关，与C/N呈显著负相关。脲酶与碱性磷酸酶、过氧化氢酶、N/P呈极显著正相关，与蛋白酶和C/P呈显著正相关。碱性磷酸酶与过氧化氢酶、C/P和N/P呈极显著正相关。过氧化氢酶与N/P呈显著正相关。C/N与N/P呈极显著正相关。

选取土壤有机碳、总氮、总磷等6个因子作为环境变量，4种酶活性作为响应变量，使用Canoco 4.5软件进行冗余分析（表2）。排序轴第一轴和第二轴的土壤酶活性特征值分别为0.486和0.011，土壤酶活性与环境因子相关性分别为0.740和0.401，前两轴环境因子对土壤酶活性累计解释量为49.7%，对土壤酶活性-环境因子累计解释量为99.6%。前两轴能在一定水平上反映环境因子与土壤酶活性的关系，且主要有第一轴决定。

注：*表示在0.05级别（双尾）具有显著相关性，**表示在0.01级别（双尾）具有显著相关性。

表2 土壤酶活性冗余分析排序的特征值及累计解释量

从土壤酶活性与环境因子冗余分析二维排序图（图6）可知，土壤N/P、TN、SOC和C/P的箭头连线较长，能够较好解释土壤酶活性的差异。N/P和TN与4种酶活性的夹角较小，呈正相关关系，说明二者是促进干旱地区露天煤矿酶活性的主导因子。

图6 土壤酶活性－环境因子的冗余分析二维排序图

进一步研究环境因子影响土壤酶活性的重要性，对各环境因子进行蒙特卡洛检验排序（表3）。各环境因子的影响排序依次为N/P>TN>SOC>C/P>TP>C/N。其中N/P的解释量达到29%，达到极显著水平（<0.01），而土壤TN的解释量为6%，达到显著水平（<0.05），SOC（=0.194）、C/P（=0.714）、TP（=0.780）和C/N（=0.880）则对土壤酶活性没有显著性影响。

表3 环境因子变量解释的重要性排序和显著性检验结果

3 讨 论

3.1 不同材质植被毯对土壤碳氮磷含量及化学计量比的影响

土壤碳氮磷是土壤养分的重要组成部分，主要受到凋落物分解、植物根系分泌物、土壤微生物活动及土壤呼吸等因素影响[26]。在本研究中，裸地养分含量低且风蚀严重，覆盖度几近为零，当采取人工措施进行植被毯覆盖后，风蚀逐渐减弱，有效地避免阳光直射，植被毯在微生物、环境等综合作用下逐渐分解，促使土壤碳氮的积累，与王星等[27]研究结果一致。本研究中，仅在0～10 cm土层中土壤有机碳和总氮以及JY覆盖后不同深度的土壤有机碳有显著变化趋势，总磷及>10～20 cm土层土壤养分没有显著变化。其中椰丝、秸秆、秸秆-椰丝的有机碳显著高于裸地，且椰丝有机碳含量最高；椰丝、秸秆的总氮显著高于秸秆-椰丝和裸地，椰丝总氮含量仍然最高，可能是由于植被毯透气性良好，呈现好氧环境，增加土壤微生物的活性，从而增强凋落物的分解，这与刘宏远等[28]结果一致。天然椰丝纤维具有比表面积大、中空、体积密度低和能够为微生物提供更多的附着繁殖空间，这可能导致椰丝植被毯覆盖的土壤有机碳和总氮含量高于秸秆植被毯[29]。由于时间等自然因素，植被毯风化后的营养物质只堆积在土壤表层，还未渗透到较深土层[30]，随着时间的推移，>10～20cm土层土壤养分可能会发生显著变化。磷元素是一种沉积性元素，土壤中的迁移率很低，且主要来源于母质的风化[31]，使得磷元素在土壤中分布较为均匀，不能够及时在土壤中聚集，所有没有显著性差异，与任丽娜等[32]、刘平等[33]研究结果一致。

土壤碳氮磷生态化学计量比作为环境变化的重要参数，是衡量土壤营养成分和营养平衡的重要指标[34]。土壤C/N用以反映土壤有机碳和氮的循环情况，体现有机质矿化速率，C/N越大说明矿化速率越慢[35]。本研究中不同材质植被毯覆盖后土壤的C/N均值为61.813，远高于中国土壤平均C/N水平11.90[36]，说明排土场土壤矿化速率慢。此外，不同材质植被毯覆盖后土壤的C/N总体无显著差异，表明研究区土壤中碳氮元素含量消耗与积蓄相对稳定，且二者含量密切相关，与张继辉等[37]研究结果一致。土壤C/P体现土壤微生物促进土壤有效磷释放的特性，表示土壤有机磷的矿化能力，对植物的生长发育具有重要意义，C/P越高表示磷元素有效性越低[38-39]。本研究中不同材质植被毯覆盖后土壤的C/P均值为89.761，远高于中国平均水平52.7[36]，说明研究区土壤磷的有效性较低。三种不同材质植被毯覆盖后土壤C/P明显高于裸地对照，说明植被毯覆盖之后能够有效减缓矿区土壤较快的矿化速率，有利于土壤有机质的积累，这与盘礼东等[40]研究结果一致。由于排土场土壤由粗骨土、矿渣土和采矿废料组成，可能会残留少量煤矿残渣，导致土壤C/N和C/P远高于中国平均水平[36]。N/P可以反映土壤养分的供给能力和限制性水平[41]。研究区不同材质植被毯覆盖后土壤的N/P均值为1.456，远低于全国陆地平均水平3.90[36]，说明研究区土壤表现为严重的N限制，与刘源等[42]研究结果一致。

3.2 不同材质植被毯对土壤酶活性的影响

土壤酶作为土壤的组成部分之一，其活性是衡量土壤微生物营养需求的重要指标，对调控有机物的形成和分解、土壤养分的转化和循环等方面发挥重要作用[43]。本研究中，除蛋白酶无显著差异，脲酶和碱性磷酸酶均表现为三种植被毯覆盖大于裸地，且表层大于深层，过氧化氢酶仅表现为椰丝植被毯表层土壤大于深层土壤，说明植被毯有利于覆盖后能加强酶活性。此外，土壤酶活性受到多方面因素的共同影响，且不同酶活性对于不同材质植被毯的覆盖措施的相应规律不一致。首先，植被毯风化能提供营养物质，促进改善表层土壤理化性质，相关性表明土壤碳氮磷含量能够促进土壤酶活性；此外，植被毯能为微生物提供充足的生存空间，微生物的代谢活动能释放酶，从而提高土壤酶活性[44]。

3.3 土壤碳氮磷及其生态化学计量比与酶活性的相关性分析

本研究中，不同植被毯覆盖后土壤碳氮磷及其生态化学计量和酶活性之间呈不同程度的正负相关性。土壤有机碳与总氮呈极显著正相关，与脲酶、碱性磷酸酶、C/P和N/P呈显著正相关；总氮与脲酶、碱性磷酸酶、C/P和N/P呈极显著正相关，与过氧化氢酶呈显著正相关，与C/N呈显著负相关，说明有机碳、总氮是土壤酶生产和分泌的能量来源[45]。通过诸多生物化学反应，土壤脲酶能提高土壤的供氮能力，碱性磷酸酶不仅与磷转化密切相关，还在碳氮转化中发挥一定的作用，过氧化氢酶能够有效防止过氧化氢的毒害作用。本研究中，脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶之间均存在显著正相关关系，说明土壤中的酶促反应既相对独立又彼此相互联系[46]。土壤酶活性与环境因子的冗余分析结果显示：土壤TP、C/N是制约酶活性的主要影响因子，而N/P、TN是驱动酶活性的主要因子。目前对于贺兰山矿区生态系统植被毯覆盖后土壤酶活性的主要调控因子的研究还不够深入，本试验在一定程度上表明植被毯覆盖技术对于旱区露天煤矿生态修复具有可行性，其余土壤容重、含水量、粒径等物理指标以及微生物特性可能也会对土壤酶活性具有一定影响，今后还需结合土壤物理性质-微生物特性-酶活性进行深入研究，进一步通过实验数据所得结果和结论评价植被毯技术的可行性和可靠性。本研究选取裸地进行对照处理，在后续研究中该部分区域也会进行采用技术措施生态修复。此外，本研究仅采取一个时间点的样本数据进行分析，还未从时间尺度上考虑植被毯覆盖后对矿区土壤微生物的影响，由于植被毯会随着时间的推移而逐渐分解，所以后续研究还会持续关注植被毯逐渐分解时土壤微生物群落结构的变化，为后期当地的植被恢复和重建提供一定基础。

4 结 论

秸秆、椰丝和秸秆-椰丝3种植被毯覆盖后，土壤表层养分含量增加，同时增加了土壤表层的C/P和N/P，且促进表层土壤酶活性，表明植被毯覆盖技术对于旱区露天煤矿生态修复具有可行性。此外，脲酶、蛋白酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶4种酶活性之间也存在显著正相关关系（<0.01）。相对于秸秆、秸秆-椰丝植被毯，椰丝植被毯提供土壤养分的能力更强。土壤酶活性与环境因子的相关性和冗余分析结果显示：土壤TP、C/N是制约酶活性的主要影响因子，而N/P、TN是驱动酶活性的主要因子。

[1] Elser J J, Sterner R W, Gorokhova E, et al. Biological stoichiometry from genes to ecosystems[J]. Ecology Letters, 2000, 3(6): 540-550.

[2] Bian F F, Wang Y K, Duan B L, et al. Drought stress introduces growth, physiological traits and ecological stoichiometry changes in two contrasting Cunninghamia lanceolata cultivars planted in continuous-plantation soils[J]. BMC Plant Biology, 2021, 21(1): 379.

[3] 宋佳杰，徐郗阳，白金泽，等. 秸秆还田配施化肥对土壤养分及冬小麦产量的影响[J/OL]. 环境科学：1-13.[2022-04-27].DOI:10.13227/j.hjkx.202112043.

Song Jiajie, Xu Xiyang, Bai Jinze, et al. Effects of straw returning and fertilizer application on soil nutrients and winter wheat yield[J/OL]. Environmental Science: 1-13. [2022-04-27]. DOI:10.13227/j.hjkx.202112043. (in Chinese with English abstract)

[4] Wang Y, Ren Z, Ma P P, et al. Effects of grassland degradation on ecological stoichiometry of soil ecosystems on the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Science of the Total Environment, 2020, 722(C): 137910.

[5] Wang L J, Wang P, Sheng M Y, et al. Ecological stoichiometry and environmental influencing factors of soil nutrients in the karst rocky desertification ecosystem, southwest China[J]. Global Ecology and Conservation, 2018, 16: e000449.

[6] Zhao F Z, Ren C J, Han X H, et al. Changes of soil microbial and enzyme activities are linked to soil C, N and P stoichiometry in afforested ecosystems[J]. Forest Ecology and Management, 2018, 427: 289-295.

[7] Shen F F, Wu J P, Fan H B, et al. Soil N/P and C/P ratio regulate the responses of soil microbial community composition and enzyme activities in a long-term nitrogen loaded Chinese fir forest[J]. Plant and Soil, 2019, 436: 91-107.

[8] Xu Y F, Huang Y, Li Y C. Summary of recent climate change studies on the carbon and nitrogen cycles in the terrestrial ecosystem and ocean in China[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2012, 29(5): 1027-1047.

[9] Tian D, Yan Z B, Niklas K J, et al. Global leaf nitrogen and phosphorus stoichiometry and their scaling exponent[J]. National Science Review, 2018, 5(5): 728-739.

[10] Avazpoor Z, Moradi M, Basiri R, et al. Soil enzyme activity variations in riparian forests in relation to plant species and soil depth[J]. Arabian Journal of Geosciences, 2019, 12(23): 1-9.

[11] 赵雪，贾小敏，卢笑玥，等. 黄土高原油井开发迹地自然恢复过程土壤酶活性及其化学计量特征[J/OL]. 应用与环境生物学报：1-13. [2022-04-25]. DOI:10.19675/ j.cnki.1006-687x.2021.10041.

Zhao Xue, Jia Xiaomin, Lu Xiaoyue, et al. Soil enzyme activity and its stoichiometric characteristics during natural recovery of oil well development site in the Loess Plateau[J/OL]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology: 1-13. [2022-04-25]. DOI:10.19675/ j.cnki.1006-687x.2021.10041. (in Chinese with English abstract)

[12] 孙德斌，栗云召，于君宝，等. 黄河三角洲湿地不同植被类型下土壤营养元素空间分布及其生态化学计量学特征[J/OL]. 环境科学：1-15. [2022-04-27]. DOI:10.13227/j.hjkx.202109011.

Sun Debin, Li Yunzhao, Yu Junbao, et al. Spatial distribution and eco-stoichiometric characteristics of soil nutrient elements under different vegetation types in the Yellow River Delta Wetland[J/OL]. Environmental Science: 1-15. [2022-04-27]. DOI:10.13227/j.hjkx.202109011. (in Chinese with English abstract)

[13] 原野，高国卿，高嫄，等. 黄土区大型露天煤矿复垦24a土壤碳氮组分特征[J]. 农业工程学报，2021，37(4)：167-174.

Yuan Ye, Gao Guoqing, Gao Yuan, et al. Characteristics of soil organic carbon and nitrogen fractions after 24 years of reclamation in a large open pit coal mine in the Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(4): 167-174. (in Chinese with English abstract)

[14] Ghosh D, Maiti S K. Biochar assisted eco-restoration of coal mine degraded land for un sustainable development goals[J]. Land Degradation & Development, 2021, 32(16): 4494-4508.

[15] 吴钢，魏东，周政达，等. 我国大型煤炭基地建设的生态恢复技术研究综述[J]. 生态学报，2014，34(11)：2812-2820.

Wu Gang, Wei Dong, Zhou Zhengda, et al. A summary of study on ecological restoration technology of large coal bases construction in China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(11): 2812-2820. (in Chinese with English abstract)

[16] 田佳，及金楠，钟琦，等. 贺兰山云杉林根土复合体提高边坡稳定性分析[J]. 农业工程学报，2017，33(20)：144-152.

Tian Jia, Ji Jinnan, Zhong Qi, et al. Analysis on improvement of slope stability in root-soil composite offorest in Helan Mountain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 144-152. (in Chinese with English abstract)

[17] 刘秉儒，李国旗，姜兴盛. 贺兰山自然保护区矿山生态修复现状评价及相关问题对策[J]. 宁夏农林科技，2021，62(4)：40-43，50.

Liu Bingru, Li Guoqi, Jiang Xingsheng. Countermeasures and evaluation of ecological restoration of mines in helan mountains nature reserve[J]. Ningxia Journal of Agriculture and Forestry Science and Technology, 2021, 62(4): 40-43, 50. (in Chinese with English abstract)

[18] Eugeniusz D, Lucyna N. Geotextiles in coastal engineering practice[J]. Geotextiles and Geomembranes, 1991, 10(2), 147-159.

[19] Chu Z X, Wang S C, Wang X M. Distribution pattern and limiting factors of vegetation in coal waste pile of Xinzhuangzi coal mine in Huainan[J]. Journal of Coal Science and Engineering (China), 2012, 18(4): 413-417.

[20] 刘兴良，刘世荣，刘杉，等. 生态毯植被恢复技术研究及其进展[J]. 四川林业科技，2019，40(6)：110-114.

Liu Xinliang, Liu Shirong, Liu Shan, et al. Research and progress of eco-carpet vegetation restoration technology[J]. Journal of Sichuan Forestry Science and Technology, 2019, 40(6): 110-114. (in Chinese with English abstract)

[21] 张俊娇，胡杨，史常青，等. 不同修复模式下排土场植被与土壤水热肥变化[J]. 中国水土保持科学（中英文），2022，20(3)：88-93.

Zhang Junjiao, Hu Yang, Shi Changqing, et al. Changes of vegetation and soil water, temperature and nutrient under different remediation modes in a dump[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2022, 20(3): 88-93. (in Chinese with English abstract)

[22] 陈云浩，李京，杨波，等. 基于遥感和GIS的煤田火灾监测研究：以宁夏汝箕沟煤田为例[J]. 中国矿业大学学报，2005，34(2)：226-230.

Chen Yunhao, Li Jing, Yang Bo, et al. Monitoring coal fires based on remotely sensed data and gis technique in coalfields: A case study of Rujigou Col field in Nixia, China[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2005，34(2): 226-230. (in Chinese with English abstract)

[23] Li Z H, Liu B R, Chen Z F, et al. Re-vegetation improves soil quality by decreasing soil conductivity and altering soil microbial communities: A case study of an opencast coal mine in the helan mountains[J]. Frontiers in Microbiology, 2022, 13:833711.

[24] 刘秉儒. 生态数据分析与建模[M]. 银川：宁夏人民教育出版，2019：83-85.

[25] Wang L G, Ye C L, Chen J, et al. Effects of continuous cropping on bacteria community in oil flax soil[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2022, 40(1): 70-75.

[26] Gao Y, He N P, Yu G R, et al. Long-term effects of different land use types on C, N, and P stoichiometry and storage in subtropical ecosystems: A case study in China[J]. Ecological Engineering, 2014, 67: 171-181.

[27] 王星，于双，许冬梅，等. 不同恢复措施对退化荒漠草原土壤碳氮及其组分特征的影响[J]. 草业学报，2022，31(1)：26-35.

Wang Xing, Yu Shuang, Xu Dongmei, et al. Effects of different restorative measures on soil carbon and nitrogen and their component fractions in a degraded desert steppe[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2022, 31(1): 26-35. (in Chinese with English abstract)

[28] 刘宏远，刘亮，李秀军，等. 植物纤维毯道路边坡防护技术综合效益评价[J]. 水土保持学报，2019，33(1)：345-352.

Liu Hongyuan, Liu Liang, Li Xiujun, et al. Comprehensive benefit evaluation on the protection technique of plant fiber blanket on the road side slope[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2019, 33(1): 345-352. (in Chinese with English abstract)

[29] Feng L J, Chen K, Han D D, et al. Comparison of nitrogen removal and microbial properties in solid-phase denitrification systems for water purification with various pretreated lignocellulosic carriers[J]. Bioresource Technology, 2017, 224: 236-245.

[30] 闫美芳，王璐，郝存忠，等. 煤矿废弃地生态修复的土壤有机碳效应[J]. 生态学报，2019，39(5)：1838-1845.

Yan Meifang, Wang Lu, Hao Cunzhong, et al. Effects of ecological restoration on soil organic carbon in post-mining lands[J]. Acta Ecologica Sinica, 2019, 39(5): 1838-1845. (in Chinese with English abstract)

[31] 简尊吉，倪妍妍，徐瑾，等. 马尾松人工林土壤碳氮磷生态化学计量学特征的纬度变化[J]. 林业科学研究，2022，35(2)：1-8.

Jian Zunji, Ni Yanyan, Xu Jin, et al. Latitudinal variations of soil C-N-P stoichiometry in(Lamb.) plantations[J]. Forest Research, 2022, 35(2): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[32] 任丽娜，王海燕，丁国栋，等. 密度调控对华北落叶松人工林土壤有机碳及养分特征的影响[J].干旱区资源与环境，2012，26(4)：138-143.

Ren Lina, Wang Haiyan, Ding Guodong, et al. Effects of-plantation density control on soil organic carbon and nutrients characteristics[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2012, 26(4): 138-143. (in Chinese with English abstract)

[33] 刘平，李鹏，杨章旗，等. 广西不同林龄和区域马尾松人工林的土壤C、N、P化学计量特征[J]. 广西科学，2022，29(1)：192-200.

Liu Ping, Li Peng, Yang Zhangqi, et al. Stoichiometric characteristics of Soil C, N and P inplantations of different ages and regions in Guangxi[J]. Guangxi Sciences, 2022, 29(1): 192-200. (in Chinese with English abstract)

[34] Zhang T, Wang T, Liu K S, et al. Effects of different amendments for the reclamation of coastal saline soil on soil nutrient dynamics and electrical conductivity responses[J]. Agricultural Water Management, 2015, 159: 115-122.

[35] Huang J,Yuan Z N. Ecological stoichiometric characteristics of soil SOC, TN, and TP under different restoration methods in Qixing River wetland[J]. Journal of King Saud University-Science, 2021, 33(4): 101407.

[36] Tian H Q, Chen G S, Zhang C, et al. Pattern and variation of C:N:P ratios in China's soils: A synthesis of observational data[J]. Biogeochemistry, 2010, 98(1/2/3): 139-151.

[37] 张继辉，蔡道雄，卢立华，等. 不同林龄柚木人工林土壤生态化学计量特征[J]. 生态学报，2020，40(16)：5718-5728.

Zhang Jihui, Cai Daoxiong, Lu Lihua, et al. Soil ecological stoichiometry of different aged Teak () plantations[J]. Acta Ecologica Sinica, 2020, 40(16): 5718-5728. (in Chinese with English abstract)

[38] Peng Y, Duan Y S, Huo W G, et al. C:P stoichiometric imbalance between soil and microorganisms drives microbial phosphorus turnover in the rhizosphere[J]. Biology and Fertility of Soils, 2022, 58(4): 421-433.

[39] Wang W Q, Jordi S, Wang C, et al. The response of stocks of C, N, and P to plant invasion in the coastal wetlands of China[J]. Global Change Biology, 2019, 25(2): 733-743.

[40] 盘礼东，李瑞，张玉珊，等. 西南喀斯特区坡耕地秸秆覆盖对土壤生态化学计量特征及产量的影响[J]. 生态学报，2022，42(11)：4428-4438.

Pan Lidong, Li Rui, Zhang Yushan, et al. Effects of straw mulching on soil ecological stoichiometry characteristics and yieldon sloping farmland in karst area, Southwestern China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2022, 42(11): 4428-4438. (in Chinese with English abstract)

[41] Mohsin A M, Hu X, Tariq A, et al. Carbon, nitrogen, and phosphorus stoichiometry mediate sensitivity of carbon stabilization mechanisms along with surface layers of a Mollisol after long-term fertilization in Northeast China[J]. Journal of Soils and Sediments, 2020, 21(2): 705-723.

[42] 刘源，李晓晶，段玉玺，等. 库布齐沙漠东部植被恢复对土壤生态化学计量的影响[J]. 干旱区研究，2022，39(3)：924-932.

Liu Yuan, Li Xiaojing, Duan Yuxi, et al. Effects of vegetation restoration on soil stoichiometry in the eastern Hobq Desert[J]. Arid Zone Research, 2022, 39(3): 924-932. (in Chinese with English abstract)

[43] Qiu X C, Peng D L, Tian H X, et al. Soil ecoenzymatic stoichiometry and microbial resource limitation driven by thinning practices and season types in Larix principis-rupprechtii plantations in North China[J]. Forest Ecology and Management, 2021, 482: 118880.

[44] Cui Y X, Fang L C, Guo X B, et al. Responses of soil bacterial communities, enzyme activities, and nutrients to agricultural-to-natural ecosystem conversion in the Loess Plateau, China[J]. Journal of Soils and Sediments, 2019, 19(3): 1427-1240.

[45] 姚宏佳，王宝荣，安韶山，等. 黄土高原生物结皮形成过程中土壤胞外酶活性及其化学计量变化特征[J]. 干旱区研究，2022，39(2)：456-468.

Yao Hongjia, Wang Baorong, An Shaoshan, et al. Variation in soil extracellular enzyme activities stoichiometry during biological soil crust formation in the Loess Plateau[J]. Arid Zone Research, 2022, 39(2): 456-468. (in Chinese with English abstract)

[46] 解心洁，李朝兴，贾小丽，等. 武夷山土壤养分及酶活性的空间分布特征[J]. 安徽农业科学，2017，45(9)：115-117.

Xie Xinjie, Li Chaoxing, Jia Xiaoli, et al. Spatial distribution characteristics of soil nutrients and enzyme activities in Wuyi Mountain[J]. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2017, 45(9): 115-117. (in Chinese with English abstract)

Effects of vegetation blanket cover on the ecological stoichiometry and enzymatic activity of opencast coal mine soils in arid areas

Wang Ziyin1,2,3, Tang Wanpeng1, Liu Bingru1,2,3※, Zhao Xiaoyu1,2,3, Li Zihao1

(1.,,750021,; 2.,,750021,; 3.,750021,)

This study aims to explore the effects of different vegetation blanket covers on the nutrient and enzyme activities of open-pit coal mine soils in arid areas. The research object was taken as the Dafeng mine in Ningxia Helan Mountains Nature Reserve. Three vegetation blanket covers were set as straw, straw-coir, and coir. Some parameters were measured, including the organic carbon, total nitrogen, total phosphorus, urease, protease, and alkaline phosphatase, as well as the peroxidase and ecological stoichiometric ratios of the mine soils. The results showed that: 1) The vegetation blanket covered with different materials increased the organic carbon and total nitrogen content of the surface layer of the soil. Specifically, the maximum content was achieved in the soil covered by the coir vegetation blanket. By contrast, there was no significant change in the total phosphorus content, and the organic carbon. Among them, there was the total nitrogen, and total phosphorus content of the soil from 10 to 20 cm. Only the organic carbon content of straw-coir vegetation blanket cover soil decreased with the increasing soil depth in the vertical direction. There was no change in the organic carbon, total nitrogen, and total phosphorus of the rest of the vegetation blanket-covered soil, as the soil depth increased. 2) The vegetation blanket cover with different materials increased C/P and N/P ratios. The maximum was also the soil covered by the coir vegetation blanket. There was no significant change in the C/N. Moreover, there was no change in the C/N, C/P and N/P, as the soil depth increased. 3) The urease and alkaline phosphatase activities of the vegetation blanket-covered soil were significantly higher than those of the bare ground. The soil from 0 to 10cm was greater than that from 10 to 20cm. There was no change in the protease activity with the depth of the soil layer. Furthermore, the catalase activity was significantly higher only in the soil from 0 to 10cm of the coir vegetation blanket than in the soil from 10 to 20 cm. 4) The correlation between soil enzyme activity and environmental factors showed that the total phosphorus of soil and C/N were the main influencing factors to govern the enzyme activity, whereas, the N/P and the total nitrogen of soil were the main factors to drive the enzyme activity. The nutrient content of the soil surface layer increased after the three vegetation blankets were mulched, which also increased the C/P and N/P of the soil surface layer, thus promoting surface soil enzyme activity. In addition, there was a significant positive correlation (<0.01) among the four enzyme activities. The coir vegetation blanket was more capable to provide soil nutrients, compared with the straw and straw-coir vegetation blankets. The redundancy analysis of soil enzyme activities and environmental factors showed that the total soil phosphorus of soil and C/N were the main influencing factors to govern the enzyme activities, while the N/P and the total nitrogen of soil were the main factors driving the enzyme activities. Consequently, the vegetation blankets cover increased the nutrients in the surface layer of the soil. At the same time, the enzyme activity was also promoted in the surface soil. The findings can provide a strong theoretical basis to implement the ecological restoration of vegetation blankets for the open-pit coal mine soil in arid areas.

soils; enzyme activity; ecological stoichiometry; C, N and P; vegetation blanket; mining area; Helan Mountains

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.013

S154.3; X826

A

1002-6819(2022)-15-0124-09

王子寅，唐万鹏，刘秉儒，等. 植被毯覆盖对旱区露天煤矿土壤生态化学计量及酶活性的影响[J]. 农业工程学报，2022，38(15)：124-132.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.013 http://www.tcsae.org

Wang Ziyin, Tang Wanpeng, Liu Bingru, et al. Effects of vegetation blanket cover on the ecological stoichiometry and enzymatic activity of opencast coal mine soils in arid areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(15): 124-132. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.15.013 http://www.tcsae.org

2022-05-04

2022-06-22

国家自然科学基金项目（32060280）；宁夏重点研发计划重点项目（2021BBF02009）；宁夏回族自治区科技创新领军人才项目（2021GKLRLX12）；中央高校基本科研业务费北方民族大学高层次人才引进科研启动项目（2019KYQ001）；北方民族大学研究生创新项目（YCX22172）

王子寅，研究方向为修复生态学。Email：ziyin_wang@foxmail.com

刘秉儒，博士，教授，研究方向为生态修复与生物多样性。Email：bingru.liu@163.com