劉 琴，楊建英，侯 健，譚 錦，張明浩

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083）

露天礦在開采過程中形成的排土場，由松散的土石混合剝離物構(gòu)成，一般占礦山用地的一半以上[1]。中國的露天礦大多位于干旱少雨區(qū)域[2]，在大風(fēng)天氣易產(chǎn)生大量沙(粉)塵[3]，是當(dāng)?shù)卮髿馕廴镜闹饕獊碓粗籟4]，危害人體健康和周邊環(huán)境，因此修復(fù)排土場迫在眉睫[5-6]。研究表明：植物可以有效地減少大氣中顆粒物的含量[7]。與非生物材料相比，植物獨特的形態(tài)結(jié)構(gòu)具備吸著、黏附顆粒物的良好條件，并可隨生長更新葉片，提高滯塵能力[8]。植物在漫長的進(jìn)化和發(fā)展過程中，與環(huán)境相互作用，逐漸形成了許多內(nèi)在生理和外在形態(tài)方面的適應(yīng)策略，這些適應(yīng)策略的表現(xiàn)即為植物功能性狀[9]。一方面，植物對環(huán)境變化產(chǎn)生響應(yīng)(響應(yīng)性狀)；另一方面，植物對生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生影響(影響性狀)[10]。基于此，在選擇植物種時，既要考慮植物的適生性，也要使形成的植物群落發(fā)揮重要的生態(tài)功能，比如涵養(yǎng)水源、保持土壤、滯沙滯塵等[11]。當(dāng)前，國內(nèi)外對植物滯塵能力的研究主要集中在城市綠化的喬灌木[12-13]，而對于干旱荒漠區(qū)特別是露天礦開采區(qū)的草本植物滯塵功能研究較少。礦區(qū)排土場土壤肥力較差，氮、磷、有機質(zhì)缺乏，制約植物的生長發(fā)育[14]。根據(jù)植物群落演替規(guī)律，復(fù)墾初期群落植被以1～2年生草本為主[15]。草本植物根系較密，在固著松散土壤顆粒[16]，減少揚塵方面效果較好。關(guān)于露天礦排土場的植被恢復(fù)，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。實際工作中主要分為2類：一是參照歷史[17]，二是進(jìn)行對比試驗[18]。目前，國際上提出了一種新思路，即理論研究與植被恢復(fù)工作實際相結(jié)合，通過模型分析給出恢復(fù)策略[19]?；谏尺^濾[20]、競爭理論[21]、質(zhì)量比理論[22]等生態(tài)學(xué)理論，選擇適宜的植物種及其配比，預(yù)測性相對較好，適合對環(huán)境條件發(fā)生顯著變化的區(qū)域進(jìn)行植被恢復(fù)。

本研究以內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市新星煤礦排土場及其周邊為研究區(qū)域，調(diào)查研究區(qū)地帶性適生植被及沙 (粉)塵特征，采用植物功能性狀統(tǒng)計模型 (Community Assembly by Trait Selection, CATS 模型)進(jìn)行分析[19,23]，結(jié)合生態(tài)學(xué)理論與植被修復(fù)實際工作，篩選出礦區(qū)抗逆適生的植物種，建立應(yīng)對特定環(huán)境條件的優(yōu)勢滯塵植物功能性狀配比，以發(fā)揮較好的滯塵效果，改善排土場及其周邊的生態(tài)環(huán)境，以期為烏海市礦區(qū)環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)，為今后理論研究運用于實踐提供參考。

1 樣地設(shè)置與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

烏海市 (38°35′44″～40°27′01″N, 105°57′15″～107°48′21″E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，地處黃河上游，東、北與鄂爾多斯市相接，西鄰阿拉善盟，南部與寧夏回族自治區(qū)石嘴山市毗連。全市地勢東西高、中間低，南高北低，處在賀蘭山脈北部余端，是南北走向的桌子山、甘德爾山、五虎山之間形成的狹長平坦谷地。烏海市處于干旱荒漠區(qū)，屬于典型的溫帶大陸性氣候，夏季高溫少雨，冬季寒冷少雪，春秋干旱多風(fēng)，晝夜溫差大。年平均氣溫為9.8 ℃，年平均降水量為157.9 mm，年平均蒸發(fā)量為3 249.0 mm[24]，多年平均濕度為42%，年平均風(fēng)速為2.7 m·s-1。該地區(qū)的植被類型以荒漠植被為主，其中草本主要有針茅Stipa capillata、豬毛菜Salsola collina、駱駝蓬Peganum harmala、火煤草Olgaea leucophylla、沙蒿Artemisia desertorum、霧冰藜Bassia dasyphylla等。

選擇烏海市新星煤礦4號排土場作為本研究試驗場地。4號排土場位于進(jìn)礦道路東側(cè)，南北走向，坡度38°，共6個臺階。由下往上第1～4臺階坡高為25 m，第5臺階坡高為28 m，第6臺階正在排土。第1臺階和第2臺階采用干砌石護(hù)坡，第3臺階和第4臺階主要采用人工覆土、撒播草籽、草簾覆蓋和菱形沙柳Salix cheilophila沙障等邊坡防護(hù)措施，覆土深度不足50 cm，并配置噴灌系統(tǒng)；第5臺階和第6臺階未進(jìn)行治理[24]。已治理坡面主要植物有檸條錦雞兒Caragana korshinskii、紫苜蓿Medicago sativa、黑沙蒿Artemisia ordosica、細(xì)枝山竹子Hedysarum scoparium等，未治理坡面分布的植物主要是沙蓬A(yù)griophyllum squarrosum、霧冰藜、白莖鹽生草Halogeton arachnoideus等。

1.2 野外試驗

1.2.1 植物樣方調(diào)查 為深入了解研究區(qū)植物的種類和功能性狀，于2020年8月，在排土場周圍根據(jù)不同植物群落組成共選擇14個5 m×5 m植物樣地進(jìn)行調(diào)查。為減少降雨對植物葉片沖刷，影響葉片滯塵量的測定，調(diào)查均在降雨8 d后進(jìn)行。每個樣地隨機選取3個1 m×1 m的草本樣方，總計42個草本樣方。記錄每個樣地的坐標(biāo)位置，統(tǒng)計每個樣方中的植物種及其株數(shù)，同時獲取植物葉片和完整根系。

1.2.2 植物葉片獲取 同一樣地的每種植物隨機選取3株生長良好、無病害的健康植株作為樣本，用剪刀小心剪下健康完整的葉片若干，裝入干凈的自封袋中并牢固封口。每種植物重復(fù)3次，帶回實驗室4 ℃保存。采集過程均佩戴聚乙烯手套，減少抖動，避免葉片上塵土掉落。

1.2.4 土壤含水量測定 為減少降雨對土壤水分測定的影響，均在降雨8 d后測定土壤含水量。在排土場未治理坡面設(shè)置1個樣地，隨機選取3個1 m×1 m排土場樣方。對42個草本樣方和3個排土場樣方按五點梅花法用土鉆鉆取0～30 cm的土壤樣品，帶回室內(nèi)用烘干法進(jìn)行土壤水分測定。

1.2.5 總懸浮顆粒物監(jiān)測 2020年8月，采用流動監(jiān)測法，使用Dustmate便攜式粉塵監(jiān)測儀測定14個草本樣地(C草本)和1個排土場樣地(C排土場)的總懸浮顆粒物濃度。每個監(jiān)測點每天早晚各監(jiān)測1次，1 min采集1次數(shù)據(jù)，共采集6次，取每日6次平均值作為該監(jiān)測點的總懸浮顆粒物濃度背景值。

1.3 室內(nèi)試驗

1.3.1 植物單位葉面積滯塵量(D)測定 植物單位葉面積在單位時間內(nèi)滯留的粉塵量可用于評價其滯塵能力[25]。本研究采用水洗過濾差重法[26]測定所調(diào)查的植物種的單位葉面積滯塵量(D)。將采集的葉片放入盛有蒸餾水的燒杯中浸泡，并用軟毛刷小心清洗葉片正、反面的粉塵，用蒸餾水沖洗葉片后晾干備用。將所有清洗液用已知質(zhì)量的0.15 μm孔徑的濾膜(上海新亞混合纖維微孔濾膜)過濾。過濾后的濾膜放入60 ℃烘箱(Binder FED53)烘干至恒量，再用萬分之一天平稱量，求得濾膜過濾前后質(zhì)量之差即為植物葉片滯塵量(W)。清洗晾干后的葉片經(jīng)掃描儀(Epson 600)掃描后，用Photoshop 7.0軟件計算葉面積(S)，求得植物單位葉面積滯塵量(D)：D=W/S。

1.3.2 植物根體積測量 將采集的根系用蒸餾水小心洗去泥沙，置于根系盤并使之充分舒展，用掃描儀(Epson V850 Pro)掃描得到圖像，經(jīng)配置的Scanner.cal校準(zhǔn)文件處理后，用WinRHIZO-Pro根系分析系統(tǒng)分析根系體積。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 植物葉片滯塵量校正 由于植物分布區(qū)域不同，大氣粉塵濃度背景值影響植物滯塵過程，因此，需要對實測單位葉面積滯塵量(D實測)進(jìn)行校正，通過計算模擬同一環(huán)境條件下各物種的單位葉面積滯塵量，即標(biāo)準(zhǔn)單位葉面積滯塵量(D標(biāo)準(zhǔn))。校正公式為：D標(biāo)準(zhǔn)=D實測×(C排土場/C草本)。

1.4.2 群落平均性狀值計算 通過環(huán)境過濾理論可得到用于植被恢復(fù)的物種組合，1個功能性狀目標(biāo)值可以得到1種群落組合[19]。為了確定未來植被恢復(fù)群落的功能性狀目標(biāo)，需要根據(jù)環(huán)境條件對群落平均性狀(CWM，表示群落內(nèi)所測物種某一性狀值與其相對生物量積的總和[27])進(jìn)行回歸，從而根據(jù)待恢復(fù)區(qū)域的環(huán)境條件(如土壤水分)獲得最優(yōu)性狀值(功能性狀目標(biāo)值k)。。其中：S為物種數(shù)，pi為第i物種的相對多度，ti為第i物種的平均性狀值。

1.4.3 相關(guān)性分析與線性模型擬合 采用廣義線性模型對植物樣地的根體積與其相對生物量積的總和(CWM)和土壤水分進(jìn)行線性回歸和相關(guān)性分析

1.5 CATS 模型

EMBBO算法將前文所述的向量評估BBO算法、非支配排序BBO算法、小生境Pareto BBO算法集成一體進(jìn)行并行計算，使EMBBO算法在解決不同規(guī)模的貨位分配問題或在優(yōu)化求解的任意階段都具備良好的性能。適用于同軌雙車貨位分配問題的EMBBO算法基本流程圖如圖5所示。

通常情況下，性狀數(shù)少于物種數(shù)，方程組可能出現(xiàn)多解，即欠定線性方程組。采用R包limSolve求解約束線性方程，“xsample”函數(shù)采用馬爾可夫鏈蒙特卡洛(MCMC，迭代次數(shù)iter設(shè)置為2 000)算法對解空間進(jìn)行采樣。用線性代數(shù)方法，將CATS模型改寫成Ax=b矩陣，其中A為系數(shù)矩陣(即物種平均性狀)，x為未知物種相對多度矩陣，b為常數(shù)(即性狀約束值)。若約束值一致(1個解或者無窮多個解存在)，可從x得到統(tǒng)一的樣本，即得到滿足功能性狀約束條件的物種相對多度的范圍。

1.5.2 植物種選取 根據(jù)植物樣方調(diào)查的植物種，選擇適合生長的鄉(xiāng)土植物，如表(1)所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物功能性狀分布

通過對14個植物樣地的調(diào)查，選取了22種鄉(xiāng)土植物種，并且對每種植物的單位葉面積滯塵量和根體積進(jìn)行測定。由表1可知：根體積與單位葉面積滯塵量呈反比關(guān)系。其中豬毛菜、燥原芥Ptilotrichum cancscens、阿爾泰狗娃花Aster altaicus均表現(xiàn)為單位葉面積滯塵量較高、根體積較??；與上述3種植物相反，防風(fēng)Saposhnikovia divaricata、駱駝蓬、戈壁天門冬Asparagus gobicus表現(xiàn)出單位葉面積滯塵量較少、根體積較大；驢欺口Echinops latifolius、冷蒿Artemisia frigida、沙蔥Allium mongolicum的單位葉面積滯塵量和根體積分別為2.00 g·m-2和0.30 cm3，表現(xiàn)出單位葉面積滯塵量和根體積均較?。黄溆辔锓N的單位葉面積滯塵量和根體積分別為5.00～35.00 g·m-2和0.50～5.80 cm3。

表1 植物種功能性狀值Table 1 Functional trait values of plant species

2.2 CWM 與土壤含水量的相關(guān)性分析

將42個草本樣方的CWM與土壤含水量進(jìn)行曲線估算，發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)“U”型曲線分布(圖1)，以土壤含水量1.1%為分界點，CWM隨土壤含水量增加先減小后增大。由CWM(y)與土壤含水量(x)擬合得到二次函數(shù)關(guān)系式：y=20 423x2-446.49x+3.246 1 (P＜0.05)，將排土場土壤含水量代入方程計算，模擬得到未來植物群落的根體積性狀目標(biāo)值(k1) =2.85 cm3。

圖1 CWM 與土壤含水量的關(guān)系Figure 1 Relationship between CWM values of root volume and soil moisture content

2.3 基于 CATS 模型得到的相對多度

圖2 植物種相對多度分布Figure 2 Relatively abundant distribution of plant species

3 討論與結(jié)論

植物種的選擇是植被恢復(fù)過程中的重要環(huán)節(jié)[29]。在干旱荒漠區(qū)露天煤礦排土場進(jìn)行植被重建能否成功很大程度上取決于植物種類的選擇，排土場首要的環(huán)境限制因子是土壤水分。植物形成了多種生理生態(tài)特征以應(yīng)對干旱脅迫，特別是增大根莖比。植物根系中許多功能性狀與土壤含水量有關(guān)，極端干旱環(huán)境下白梭梭Haloxylon persicum的根系生物量和根長與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)[30]；白刺Nitraria tangutorum中根系生物量和細(xì)根生物量與土壤水分呈顯著相關(guān)[31]；本研究對根體積CWM與土壤含水量進(jìn)行曲線估算，兩者成“U”型曲線分布。當(dāng)土壤含水量少于1.1%時，土壤含水量與根體積CWM是負(fù)相關(guān)關(guān)系，這可能是植物為適應(yīng)干旱環(huán)境的一種響應(yīng)。韓錦峰等[32]研究發(fā)現(xiàn)：在烤煙Nicotiana tabacum伸根期，輕度土壤干旱條件下根系體積增長迅速，干物質(zhì)積累量大。席璐璐等[33]研究發(fā)現(xiàn)：1年生草本植物在輕度干旱脅迫時，會增加根系活力，保證根系從土壤中吸收更多水分，以緩解干旱對生長的抑制。而在重度干旱脅迫時，莖長明顯下降。植物通過延伸主根系長度、增加根長來適應(yīng)嚴(yán)重干旱。本研究中，當(dāng)土壤含水量大于1.1%時，土壤含水量與根體積CWM是正相關(guān)關(guān)系。這可能是因為當(dāng)土壤含水量增加，植物根系通過增大根體積以便于更好地吸收水分。要更加全面地研究干旱區(qū)植物的適應(yīng)策略，還需要對植物諸多性狀進(jìn)行監(jiān)測。

排土場植被恢復(fù)的另一目標(biāo)是滯塵。本研究排土場處于干旱荒漠區(qū)，其所在的烏海市，形成了以工礦業(yè)為主的單一化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生大量粉塵[34]，對環(huán)境和人體產(chǎn)生強烈的負(fù)面影響。本研究測定了22種草本植物單位葉面積的滯塵量，高值與低值之間差異明顯，分析其原因可能有2個方面：①不同植物距離地面的高度不同，大氣顆粒物濃度隨高度分布存在差異。②不同植物葉表面微結(jié)構(gòu)差異較大，對不同大氣顆粒物的滯留能力存在差異。另外，大氣顆粒物之間的質(zhì)量存在差異。植物滯留空氣顆粒物受到多方面因素的影響，而植物種類和葉表面形態(tài)對于大氣顆粒物的滯留具有重要的影響作用。今后研究不同植物種的滯塵功能，還需觀測植物種的其他性狀，特別是植物葉面微結(jié)構(gòu)特征與其滯塵能力之間的關(guān)系，有利于科學(xué)合理選擇優(yōu)勢滯塵植物種。

植被恢復(fù)常用2類方法，其一是從歷史視角，參照過去某一環(huán)境條件下植物群落的組成結(jié)構(gòu)確定配置方式[35]，該方法的風(fēng)險在于過去與未來的環(huán)境條件可能差異巨大，得到的植被恢復(fù)策略不能保證適用于未來的環(huán)境條件。其二是根據(jù)立地條件、生態(tài)功能或用途進(jìn)行恢復(fù)，對不同植物種進(jìn)行對比試驗[36]，選擇最適合當(dāng)下環(huán)境和需求的植物種進(jìn)行群落配置，篩選出適宜植物種，模擬群落的時空結(jié)構(gòu)，作為待恢復(fù)區(qū)域的植被恢復(fù)策略。楊修等[35]對德興銅礦1號尾礦庫的立地條件進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)的主要限制因子是土壤條件，又經(jīng)過立地試驗對15種草種進(jìn)行優(yōu)劣比較，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的適生先鋒草種為水蠟燭Dysophylla yatabeana。也有研究者利用集成地統(tǒng)計學(xué)、點格局分析和空間比較方法[37]，對烏海市的灌木與土壤養(yǎng)分的空間格局關(guān)系進(jìn)行量化，以篩選得到適生植物種，但該方法適合用于灌木和喬木研究，對于密生草本難以得到空間格局關(guān)系。CATS模型聯(lián)系理論和實踐，基于植物功能性狀，通過植物對環(huán)境的響應(yīng)與影響，預(yù)測未來環(huán)境條件下的群落豐富度，得到在排土場適合種植豬毛菜和駱駝蓬。豬毛菜是1年生草本，葉片具表皮毛可降低蒸騰作用，具有發(fā)達(dá)的薄壁儲水組織提高水分蓄存能力，增加根冠比適應(yīng)干旱環(huán)境[38]。駱駝蓬為蒺藜科Zygophyllaceae駱駝蓬屬Peganum多年生草本，主要分布在中國西北部的干旱半干旱地區(qū)，是荒漠植被的重要組成成分之一，具有發(fā)達(dá)的根系和很強的耐鹽耐旱抗寒特性[39]。有研究表明：駱駝蓬通過降低比葉面積[40]，產(chǎn)生較厚的蠟質(zhì)角質(zhì)層、發(fā)達(dá)的柵欄組織和排列緊密的海綿組織，減弱蒸騰應(yīng)對干旱脅迫，因此，豬毛菜和駱駝蓬能夠適應(yīng)排土場干旱少雨的環(huán)境。但這僅僅是理論研究結(jié)果，還沒有經(jīng)過實踐檢驗。如果引入更多的植物功能性狀，在實踐中不斷修正CATS模型參數(shù)，那么研究結(jié)果更具有統(tǒng)計學(xué)意義，更有利于指導(dǎo)植被修復(fù)工作。

本研究通過調(diào)查內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市新星煤礦排土場及其周邊的適生性草本植物，將植物的滯塵功能和適生性用于篩選優(yōu)勢滯塵植物，經(jīng)CATS模型模擬得到配比，將植物功能性狀的滯塵作用從物種水平推至群落尺度。本研究建議以豬毛菜和駱駝蓬的相對多度比6∶4進(jìn)行播種，作為研究區(qū)的植被恢復(fù)策略。