Ratio of dominant dust retaining plants in waste dump of desert open-pit coal mine based on CATS model

乌海市(38°35′44″~40°27′01″N, 105°57′15″~107°48′21″E)位于内蒙古自治区西部，地处黄河上游，东、北与鄂尔多斯市相接，西邻阿拉善盟，南部与宁夏回族自治区石嘴山市毗连。全市地势东西高、中间低，南高北低，处在贺兰山脉北部余端，是南北走向的桌子山、甘德尔山、五虎山之间形成的狭长平坦谷地。乌海市处于干旱荒漠区，属于典型的温带大陆性气候，夏季高温少雨，冬季寒冷少雪，春秋干旱多风，昼夜温差大。年平均气温为9.8 ℃，年平均降水量为157.9 mm，年平均蒸发量为3249.0 mm^[24]，多年平均湿度为42%，年平均风速为2.7 m·s⁻¹。该地区的植被类型以荒漠植被为主，其中草本主要有针茅Stipa capillata、猪毛菜Salsola collina、骆驼蓬Peganum harmala、火煤草Olgaea leucophylla、沙蒿Artemisia desertorum、雾冰藜Bassia dasyphylla等。

选择乌海市新星煤矿4号排土场作为本研究试验场地。4号排土场位于进矿道路东侧，南北走向，坡度38°，共6个台阶。由下往上第1~4台阶坡高为25 m，第5台阶坡高为28 m，第6台阶正在排土。第1台阶和第2台阶采用干砌石护坡，第3台阶和第4台阶主要采用人工覆土、撒播草籽、草帘覆盖和菱形沙柳Salix cheilophila沙障等边坡防护措施，覆土深度不足50 cm，并配置喷灌系统；第5台阶和第6台阶未进行治理^[24]。已治理坡面主要植物有柠条锦鸡儿Caragana korshinskii、紫苜蓿Medicago sativa、黑沙蒿Artemisia ordosica、细枝山竹子Hedysarum scoparium等，未治理坡面分布的植物主要是沙蓬Agriophyllum squarrosum、雾冰藜、白茎盐生草Halogeton arachnoideus等。

为深入了解研究区植物的种类和功能性状，于2020年8月，在排土场周围根据不同植物群落组成共选择14个5 m×5 m植物样地进行调查。为减少降雨对植物叶片冲刷，影响叶片滞尘量的测定，调查均在降雨8 d后进行。每个样地随机选取3个1 m×1 m的草本样方，总计42个草本样方。记录每个样地的坐标位置，统计每个样方中的植物种及其株数，同时获取植物叶片和完整根系。

同一样地的每种植物随机选取3株生长良好、无病害的健康植株作为样本，用剪刀小心剪下健康完整的叶片若干，装入干净的自封袋中并牢固封口。每种植物重复3次，带回实验室4 ℃保存。采集过程均佩戴聚乙烯手套，减少抖动，避免叶片上尘土掉落。

采集被选的3株健康植株的叶片后，用铁锹小心挖取植株的完整根系，轻轻抖落浮土，装入标本夹，带回实验室4 ℃保存，待测。

为减少降雨对土壤水分测定的影响，均在降雨8 d后测定土壤含水量。在排土场未治理坡面设置1个样地，随机选取3个1 m×1 m排土场样方。对42个草本样方和3个排土场样方按五点梅花法用土钻钻取0~30 cm的土壤样品，带回室内用烘干法进行土壤水分测定。

2020年8月，采用流动监测法，使用Dustmate便携式粉尘监测仪测定14个草本样地(C_草本)和1个排土场样地(C_排土场)的总悬浮颗粒物浓度。每个监测点每天早晚各监测1次，1 min采集1次数据，共采集6次，取每日6次平均值作为该监测点的总悬浮颗粒物浓度背景值。

植物单位叶面积在单位时间内滞留的粉尘量可用于评价其滞尘能力^[25]。本研究采用水洗过滤差重法^[26]测定所调查的植物种的单位叶面积滞尘量(D)。将采集的叶片放入盛有蒸馏水的烧杯中浸泡，并用软毛刷小心清洗叶片正、反面的粉尘，用蒸馏水冲洗叶片后晾干备用。将所有清洗液用已知质量的0.15 μm孔径的滤膜(上海新亚混合纤维微孔滤膜)过滤。过滤后的滤膜放入60 ℃烘箱(Binder FED53)烘干至恒量，再用万分之一天平称量，求得滤膜过滤前后质量之差即为植物叶片滞尘量(W)。清洗晾干后的叶片经扫描仪(Epson 600)扫描后，用Photoshop 7.0软件计算叶面积(S)，求得植物单位叶面积滞尘量(D)：$D=W/S。 $

将采集的根系用蒸馏水小心洗去泥沙，置于根系盘并使之充分舒展，用扫描仪(Epson V850 Pro)扫描得到图像，经配置的Scanner.cal校准文件处理后，用WinRHIZO-Pro根系分析系统分析根系体积。

由于植物分布区域不同，大气粉尘浓度背景值影响植物滞尘过程，因此，需要对实测单位叶面积滞尘量(D_实测)进行校正，通过计算模拟同一环境条件下各物种的单位叶面积滞尘量，即标准单位叶面积滞尘量(D_标准)。校正公式为：$D_{标准}=D_{实测} \times (C_{排土场}/C_{草本})。 $

通过环境过滤理论可得到用于植被恢复的物种组合，1个功能性状目标值可以得到1种群落组合^[19]。为了确定未来植被恢复群落的功能性状目标，需要根据环境条件对群落平均性状(C_WM，表示群落内所测物种某一性状值与其相对生物量积的总和^[27])进行回归，从而根据待恢复区域的环境条件(如土壤水分)获得最优性状值(功能性状目标值$ {{\bar T}_{k}} $)。$\displaystyle {C_{{\rm{WM}}}} = \sum\limits_{i = 1}^S {{p_i} {t_i}} 。$其中：S为物种数，p_i为第i物种的相对多度，t_i为第i物种的平均性状值。

采用广义线性模型对植物样地的根体积与其相对生物量积的总和(C_WM)和土壤水分进行线性回归和相关性分析

CATS模型是由最大熵(Maxent)模型转化而来。该模型简化了种群动态变化的复杂性，可从物种库中筛选出适合的植物种，使得在给定环境中以某种相对多度和某些植物功能性状决定群落组成^[28]。该模型基于物种和群落水平的功能性状来预测区域中每个物种的相对多度分布。当得到待恢复区域的功能目标值时，CATS模型就可以合理地预测物种的相对多度^[19]。该模型的数学公式如下：$\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^S {{t_{ik}}{p_i} = {{\bar T}_k}}$；$\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^S {{p_i} = 1}$；${p}_{i} ＞ 0 $。其中：t_ik为第i个物种的第k个性状；p_i为物种i相对多度；$ {\bar{T}_{k}} $为功能性状目标值；S为物种数。

通常情况下，性状数少于物种数，方程组可能出现多解，即欠定线性方程组。采用R包limSolve求解约束线性方程，“xsample”函数采用马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC，迭代次数iter设置为2 000)算法对解空间进行采样。用线性代数方法，将CATS模型改写成Ax=b矩阵，其中A为系数矩阵(即物种平均性状)，x为未知物种相对多度矩阵，b为常数(即性状约束值)。若约束值一致(1个解或者无穷多个解存在)，可从x得到统一的样本，即得到满足功能性状约束条件的物种相对多度的范围。

根据植物样方调查的植物种，选择适合生长的乡土植物，如表(1)所示。

选择合理的功能性状目标值($ {{\bar T}_{k}} $)，这些目标值应落在物种库中功能性状值的范围内。对于植物根体积，根据排土场土壤水分含量，结合根体积的C_WM与土壤水分的线性回归关系，模拟得到未来植物群落的根体积性状目标值($ {{\bar T}_{k1}} $)。对于植物单位叶面积滞尘量，从各植物种的标准单位叶面积滞尘量中选择较高的数值作为未来植物群落的单位叶面积滞尘量性状目标值($ {{\bar T}_{k2}} $)。

通过对14个植物样地的调查，选取了22种乡土植物种，并且对每种植物的单位叶面积滞尘量和根体积进行测定。由表1可知：根体积与单位叶面积滞尘量呈反比关系。其中猪毛菜、燥原芥Ptilotrichum cancscens、阿尔泰狗娃花Aster altaicus均表现为单位叶面积滞尘量较高、根体积较小；与上述3种植物相反，防风Saposhnikovia divaricata、骆驼蓬、戈壁天门冬Asparagus gobicus表现出单位叶面积滞尘量较少、根体积较大；驴欺口Echinops latifolius、冷蒿Artemisia frigida、沙葱Allium mongolicum的单位叶面积滞尘量和根体积分别为2.00 g·m⁻²和0.30 cm³，表现出单位叶面积滞尘量和根体积均较小；其余物种的单位叶面积滞尘量和根体积分别为5.00~35.00 g·m⁻²和0.50~5.80 cm³。

将42个草本样方的C_WM与土壤含水量进行曲线估算，发现两者呈现“U”型曲线分布(图1)，以土壤含水量1.1%为分界点，C_WM随土壤含水量增加先减小后增大。由C_WM(y)与土壤含水量(x)拟合得到二次函数关系式：y=20423x²−446.49x+3.2461 (P＜0.05)，将排土场土壤含水量代入方程计算，模拟得到未来植物群落的根体积性状目标值($ {{\bar T}_{k1}} $) =2.85 cm³。

Figure 1.  Relationship between C_WM values of root volume and soil moisture content

根据模拟得到的未来植物群落的根体积性状目标值($ {{\bar T}_{k1}} $)和设定的单位叶面积滞尘量性状目标值($ {{\bar T}_{k2}} $)，以及22种植物的根体积和单位叶面积滞尘量，使用CATS模型得到的各植物种相对多度(图2)。由图2可见：猪毛菜和骆驼蓬的平均相对多度较高，中位数分别为0.41和0.32，阿尔泰狗娃花、防风、燥原芥、戈壁天门冬的平均相对多度分别为0.05、0.04、0.01和0.01。其他物种相对多度为0。这表明：在研究区的环境条件下，猪毛菜适合作为群落的优势物种，骆驼蓬适合作为群落的亚优势物种，其他物种不适合作为群落的优势物种。

Figure 2.  Relatively abundant distribution of plant species

植物种的选择是植被恢复过程中的重要环节^[29]。在干旱荒漠区露天煤矿排土场进行植被重建能否成功很大程度上取决于植物种类的选择，排土场首要的环境限制因子是土壤水分。植物形成了多种生理生态特征以应对干旱胁迫，特别是增大根茎比。植物根系中许多功能性状与土壤含水量有关，极端干旱环境下白梭梭Haloxylon persicum的根系生物量和根长与土壤含水量呈极显著正相关^[30]；白刺Nitraria tangutorum中根系生物量和细根生物量与土壤水分呈显著相关^[31]；本研究对根体积C_WM与土壤含水量进行曲线估算，两者成“U”型曲线分布。当土壤含水量少于1.1%时，土壤含水量与根体积C_WM是负相关关系，这可能是植物为适应干旱环境的一种响应。韩锦峰等^[32]研究发现：在烤烟Nicotiana tabacum伸根期，轻度土壤干旱条件下根系体积增长迅速，干物质积累量大。席璐璐等^[33]研究发现：1年生草本植物在轻度干旱胁迫时，会增加根系活力，保证根系从土壤中吸收更多水分，以缓解干旱对生长的抑制。而在重度干旱胁迫时，茎长明显下降。植物通过延伸主根系长度、增加根长来适应严重干旱。本研究中，当土壤含水量大于1.1%时，土壤含水量与根体积C_WM是正相关关系。这可能是因为当土壤含水量增加，植物根系通过增大根体积以便于更好地吸收水分。要更加全面地研究干旱区植物的适应策略，还需要对植物诸多性状进行监测。

排土场植被恢复的另一目标是滞尘。本研究排土场处于干旱荒漠区，其所在的乌海市，形成了以工矿业为主的单一化产业结构，容易产生大量粉尘^[34]，对环境和人体产生强烈的负面影响。本研究测定了22种草本植物单位叶面积的滞尘量，高值与低值之间差异明显，分析其原因可能有2个方面：①不同植物距离地面的高度不同，大气颗粒物浓度随高度分布存在差异。②不同植物叶表面微结构差异较大，对不同大气颗粒物的滞留能力存在差异。另外，大气颗粒物之间的质量存在差异。植物滞留空气颗粒物受到多方面因素的影响，而植物种类和叶表面形态对于大气颗粒物的滞留具有重要的影响作用。今后研究不同植物种的滞尘功能，还需观测植物种的其他性状，特别是植物叶面微结构特征与其滞尘能力之间的关系，有利于科学合理选择优势滞尘植物种。

植被恢复常用2类方法，其一是从历史视角，参照过去某一环境条件下植物群落的组成结构确定配置方式^[35]，该方法的风险在于过去与未来的环境条件可能差异巨大，得到的植被恢复策略不能保证适用于未来的环境条件。其二是根据立地条件、生态功能或用途进行恢复，对不同植物种进行对比试验^[36]，选择最适合当下环境和需求的植物种进行群落配置，筛选出适宜植物种，模拟群落的时空结构，作为待恢复区域的植被恢复策略。杨修等^[35]对德兴铜矿1号尾矿库的立地条件进行调查，发现植被恢复的主要限制因子是土壤条件，又经过立地试验对15种草种进行优劣比较，发现最优的适生先锋草种为水蜡烛Dysophylla yatabeana。也有研究者利用集成地统计学、点格局分析和空间比较方法^[37]，对乌海市的灌木与土壤养分的空间格局关系进行量化，以筛选得到适生植物种，但该方法适合用于灌木和乔木研究，对于密生草本难以得到空间格局关系。CATS模型联系理论和实践，基于植物功能性状，通过植物对环境的响应与影响，预测未来环境条件下的群落丰富度，得到在排土场适合种植猪毛菜和骆驼蓬。猪毛菜是1年生草本，叶片具表皮毛可降低蒸腾作用，具有发达的薄壁储水组织提高水分蓄存能力，增加根冠比适应干旱环境^[38]。骆驼蓬为蒺藜科Zygophyllaceae骆驼蓬属Peganum多年生草本，主要分布在中国西北部的干旱半干旱地区，是荒漠植被的重要组成成分之一，具有发达的根系和很强的耐盐耐旱抗寒特性^[39]。有研究表明：骆驼蓬通过降低比叶面积^[40]，产生较厚的蜡质角质层、发达的栅栏组织和排列紧密的海绵组织，减弱蒸腾应对干旱胁迫，因此，猪毛菜和骆驼蓬能够适应排土场干旱少雨的环境。但这仅仅是理论研究结果，还没有经过实践检验。如果引入更多的植物功能性状，在实践中不断修正CATS模型参数，那么研究结果更具有统计学意义，更有利于指导植被修复工作。

本研究通过调查内蒙古自治区乌海市新星煤矿排土场及其周边的适生性草本植物，将植物的滞尘功能和适生性用于筛选优势滞尘植物，经CATS模型模拟得到配比，将植物功能性状的滞尘作用从物种水平推至群落尺度。本研究建议以猪毛菜和骆驼蓬的相对多度比6∶4进行播种，作为研究区的植被恢复策略。