CN109490185A - 煤炭基地树种耐尘性评价方法及耐尘树种选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤炭基地树种耐尘性评价方法及耐尘树种选择方法，属于煤炭基地环境保护技术领域。该种煤炭基地树种耐尘性评价方法，包括以下步骤：植株缓苗期培育，植株滞尘实验，植株生物信息测量，计算树种耐尘系数，确定综合评价指标，获取各综合评价指标权重，计算树种综合耐尘能力。该煤炭基地耐尘树种的选择方法，采用如上所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，对所述待选树种的综合耐尘能力进行排序，选择综合耐尘能力值高的待选树种作为煤炭基地耐尘树种。本发明旨在建立一个客观的、可操作性强的煤炭基地树种耐尘性评价方法，得出树种综合耐尘能力评价值，为煤炭基地树种的选择提供一个科学的，有指导意义的数据和方法支撑。

Description

煤炭基地树种耐尘性评价方法及耐尘树种选择方法
技术领域
本发明属于煤炭基地环境保护技术领域，具体涉及一种煤炭基地树种耐尘性评价方法及耐尘树种选择方法。
背景技术
煤炭基地由于其生产特性，在其周围的环境中存在有大量的粉尘颗粒污染物，合适的耐尘树种的选择有利于改善煤炭基地的生产生活环境。然而，煤炭基地周围的粉尘颗粒污染物会对树种的生长发育尤其是其光合作用产生负面影响，导致树种叶片黄斑或干枯，甚至导致树种死亡。如何评价煤炭基地周围树种的耐尘性及如何选择最为合适的树种以最大程度适应煤炭基地的生产环境，是目前煤炭基地环境改善的一个重要课题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可操作性强的、结论准确的、有现实指导意义的煤炭基地树种耐尘性评价方法。
本发明还提供一种科学地选择种植树种的煤炭基地耐尘树种选择方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种煤炭基地树种耐尘性评价方法，包括以下步骤：
a.植株缓苗期培育：选取若干长势一致的树种实生幼苗，采用煤炭基地覆土作为培养土壤进行缓苗期盆栽培育，获取实验盆栽植株；
b.植株滞尘实验：在植株的生长速生期，将实验盆栽植株随机分成数量相等的实验组和对照组，所述实验组实验盆栽植株放置于煤炭基地洗煤厂内，以进行植株耐尘实验，所述对照组实验盆栽植株放置于煤炭基地的排矸场内，以作为对照实验；
c.植株生物信息测量：于大雨过后的预定时间，测量获取实验组实验盆栽植株及对照组实验盆栽植株的生物信息的测定值；
d.计算树种耐尘系数：利用以下公式，计算各生物信息所对应的耐尘系数：
耐尘系数＝(实验组生物信息测定值/对照组生物信息测定值)×100％；
e.确定综合评价指标：对获取的耐尘系数首先进行逆向指标正相化处理，然后利用主成分分析法进行对耐尘系数的数据统计分析，确定若干相互独立的综合评价指标；
f.获取各综合评价指标权重：利用以下公式获取各综合评价指标权重：
式中，Wj表示第j个综合评价指标在所有综合评价指标中的重要程度，即权重；Pj代表经主成分分析所得的第j个综合评价指标的贡献率；
g.计算树种综合耐尘能力：采用以下公式计算各品种树种耐尘树种综合耐尘能力：
式中，D为滞尘条件下由综合评价指标评价所得的综合耐尘能力评价值，U(Xj)表示第j个综合评价指标Xj经数据归一化处理后所得指标值；
一种煤炭基地耐尘树种的选择方法，选取若干品种树种作为待选树种，采用如上所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，对所述待选树种进行评价，获得所述待选树种的综合耐尘能力，对所述待选树种的综合耐尘能力进行排序，选择综合耐尘能力值高的待选树种作为煤炭基地耐尘树种，进行广泛种植。
本发明采用上述技术方案，其有益效果在于：其一，建立一个客观的、可操作性强的煤炭基地树种耐尘性评价方法，经过滞尘实验过程，获取多项滞尘指标，计算滞尘系数，定义为害系数，利用主成分分析法进行对耐尘系数的数据统计分析，经过一系列计算，得出合理的树种综合耐尘能力评价值，为煤炭基地种植树种的选择提供一个科学的，有指导意义的数据和方法支撑。其二，采用主成分分析法进行对耐尘系数的数据统计分析，利用降维的思想，把多项具有复杂关系的滞尘指标转化为少数几个综合评价指标，其中每个主成分都能够反映原始变量的大部分信息，且所含信息互不重复，使问题简单化，同时得到的结果更加科学有效的数据信息。
附图说明
图1为煤炭基地树种耐尘性评价方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合本发明的附图，对本发明的技术方案以及技术效果做进一步详细的阐述。
请参看图1，本发明实施例提供了一种煤炭基地树种耐尘性评价方法10，包括以下步骤：
a.植株缓苗期培育：选取若干长势一致的树种实生幼苗，采用煤炭基地覆土作为培养土壤进行缓苗期盆栽培育，获取实验盆栽植株。缓期培育获得实验树种样本，缓苗期间进行实验室常规管理，使得实验树种样本涨势一致，具有可比较性。
b.植株滞尘实验：在植株的生长速生期，将实验盆栽植株随机分成数量相等的实验组和对照组，所述实验组实验盆栽植株放置于煤炭基地洗煤厂内，以进行植株耐尘实验，所述对照组实验盆栽植株放置于煤炭基地的排矸场内，以作为对照实验。所述盆栽植株每7日浇水一次，并进行常规管理。
c.植株生物信息测量：于大雨过后的指定时间，测量获取植株生物信息。优选的，于降水量大于15mm的大雨过后7日，测量一次植株生物信息。所述生物信息包括生长指标、生物量指标、滞尘量、为害指数及光合生理指标。
所述生长指标包括株高(PH)、地径(GD)、新稍长度(BL)、冠幅(CW)、比叶重(SLW)、主根系长度(MRL)；所述生物量指标叶生物量比(LMR)、茎生物量比(SMR)、根生物量比(RMR)、根冠比(R/S)、叶片含水量(LWC)、植株含水量(PWC)；所述光合生理指标包括蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、水分利用效率(WUE)。以上指标均通过常规测量方法获得，不再赘述。
所述滞尘量包括单位叶重量滞尘量及单位叶面积滞尘量，通过以下步骤获取：
c1.大雨过后指定时间，剪取植株上、中、下和部位及四周方位叶片若干片；
c2.利用万分之一电子天平进行第一次带尘叶片称量，获得初始含尘叶片的质量；
c3.利用蒸馏水湿润过的酒精棉球对叶片表面进行彻底洗脱擦拭，清除叶片所滞粉尘后，对叶片进行第二次称量，测得不含尘叶片质量；
c4.用便携式叶面积仪测量获得植株叶片的叶面积；
c5.应用以下公式，计算单位叶重量滞尘量：
式中，D1为单位叶重量滞尘量，M1为初始含尘叶片的质量，M2为不含尘叶片质量；
c6.应用以下公式，计算单位叶面积滞尘量：
式中，D2为单位叶面积滞尘量，Si为第i片植株叶片的叶面积。
其中，叶片样本测定设置若干重复实验组。
所述为害指数通过以下方法获取：
调查各植株顶梢不同方位和部位的若干片叶，根据为害症状对为害程度进行分级，赋予各危害度分级受害级代表值，并通过以下公式计算为害指数：
所述“根据为害症状对为害程度进行分级，赋予各危害度分级受害级代表值”如下表。
表1叶片受滞尘为害的分级标准
d.计算树种耐尘系数：利用以下公式，计算各指标的耐尘系数：
耐尘系数＝(实验组耐尘指标测定值/对照组耐尘指标测定值)×100％。
引入耐尘系数，消除各树种之间的背景差异，较好地反映树种耐尘性的强弱。
e.确定综合评价指标：对获取的耐尘系数首先进行逆向指标正相化处理，然后利用主成分分析法进行对耐尘系数的数据统计分析，确定若干相互独立的综合评价指标。
所述主成分分析法以特征根＞1，累计贡献率＞90％为判定依据，确定综合评价指标，同时获取各综合评价指标的贡献率。利用主成分分析法，把多指标转化为少数几个综合评价指标(即主成分)，其中每个主成分都能够反映原始变量的大部分信息，且所含信息互不重复。这种方法在引进多方面变量的同时将复杂因素归结为几个主成分，使问题简单化，同时得到的结果更加科学有效的数据信息。
f.获取各综合评价指标权重：利用以下公式获取各综合评价指标权重：
式中，Wj表示第j个综合评价指标在所有综合评价指标中的重要程度，即权重；Pj代表经主成分分析所得的第j个综合评价指标的贡献率。
g.计算各品种树种耐尘树种综合耐尘能力：采用以下公式计算各品种树种耐尘树种综合耐尘能力：
式中，D为滞尘条件下由综合评价指标评价所得的综合耐尘能力评价值，U(Xj)表示第j个综合评价指标Xj经数据归一化处理后所得指标值。
其中，数据归一化采用Min-Max归一化法，其计算公式如下：
式中，Xmax与Xmin表示全部综合评价指标中的最大与最小值。
又一实施例中，一种煤炭基地耐尘树种的选择方法，选取若干品种树种作为待选树种，采用如上所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，对所述待选树种进行评价，对所述待选树种的综合耐尘能力进行排序，选择综合耐尘能力值高的待选树种作为煤炭基地耐尘树种，进行广泛种植。
以下通过一具体的实施方式，进一步对本发明的技术方案进行进一步说明。
一、实验阶段
于2018年4月，将长势一致的1年生柠条(Caragana korshinskii Kom.)、柽柳(Tamarix chinensis Lour.)、紫穗槐(Amorpha fruticosa Linn.)、花棒(Hedysarumscoparium Fisch.et Mey.)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、蒙古莸(Caryopterismongholica Bunge)、沙地柏(Sabina vulgaris Ant.)、白榆(Ulmus pumila L.)、沙枣(Elaeagnus angustifolia Linn.)的实生幼苗，移植于普通塑料花盆内(上口径×下口径×高＝380mm×250mm×320mm)，盆土为灵武羊场湾煤矿排矸场覆土土壤，每盆装盛土量一致，每树种栽植20盆，每盆1株，放置在宁夏大学实验农场(宁夏永宁县，E106.237587,N38.230188；海拔：1117m)。缓苗期间进行常规管理。
于植株生长速生期，将盆栽苗搬运至灵武羊场湾煤矿(宁夏灵武市，E106.596757，N38.004279；海拔：1232m)进行滞尘试验，随机选择10盆放置在羊场湾煤矿洗煤厂内，为滞尘处理实验组；其余10盆放置在1号排矸场，为对照组；所有盆栽每7天浇水一次。大雨(>15mm的降水)过后7天(即2018年8月27日、9月8日、9月25日、10月13日)测一次指标。
在滞尘初始(8月6日)及最终(10月13日)各测量一次生长指标及生物量分配，包括株高(PH)、地径(GD)、新稍长度(BL)、冠幅(CW)、比叶重(SLW)、主根系长度(MRL)、叶生物量比(LMR)、茎生物量比(SMR)、根生物量比(RMR)、根冠比(R/S)、叶片含水量(LWC)、植株含水量(PWC)。
降雨后7日进行采样，自所选树木上、中、下及四周方位轻轻剪取叶片30片，用自封袋密封带回实验室。利用万分之一电子天平进行第一次带尘叶片称量。采取带袋称量的方式，测得质量减去密封袋质量获得初始含尘叶片的质量(M1)，利用蒸馏水湿润过的酒精棉球对叶片表面进行彻底洗脱擦拭，清除叶片所滞粉尘后，对叶片进行第二次称量，测得不含尘叶片质量(M2)。用便携式叶面积仪测量叶面积，记为S1，S2，…，S30(cm2)。叶片样本测定设置3组重复。
应用以下公式，计算单位叶重量滞尘量：
式中，D1为单位叶重量滞尘量，M1为初始含尘叶片的质量，M2为不含尘叶片质量；
应用以下公式，计算单位叶面积滞尘量：
式中，D2为单位叶面积滞尘量，Si为第i片植株叶片的叶面积。
为了便于更直接清楚的观测滞尘对植株的形态影响，在滞尘试验过程中，调查各树种顶梢不同方位(东、西、南、北)和部位(上、中、下)的10片叶，按下列为害程度进行分级，并计算其为害指数。
表1叶片受滞尘为害的分级标准
于试验的初始、中间、最终时期，利用TARGAS-1光合仪在晴天9:00-11:00测定光合生理，包括蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、水分利用效率(WUE)等滞尘生理指标。
二、数据处理
计算各指标的耐尘系数，将逆向指标正向化，利用SPSS 21.0软件进行主成分分析。
计算耐尘系数：
耐尘系数＝(滞尘胁迫测定值/对照测定值)×100％ (公式1)
各综合评价指标的隶属函数值U(Xj)的计算公式：
U(Xj)＝(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin) (公式2)
式中，Xj表示第j个综合评价指标，Xmax与Xmin表示第j个综合评价指标的最大与最小值。
各综合评价指标的权重通过以下公式计算：
Wj表示第j个综合评价指标在所有综合评价指标中的重要程度，即权重；Pj代表经主成分分析所得的各树种第j个综合评价指标的贡献率。
各树种综合耐尘能力大小的计算公式如下：
式中，D值为各树种在干旱胁迫及滞尘条件下由综合评价指标评价所得的耐尘综合评价值。
三、结果与分析
利用主成分分析计算各个指标的权重，建立树种耐尘性评价指标体系，权重越大，则该指标重要性越大。各指标中，单位叶面积滞尘量、单位叶重量滞尘量、气孔导度、主根系长度、蒸腾速率、光合速率、为害指数、水分利用效率、根生物量比的权重相对较大(>0.05)，可作为树种耐尘性评价的主要指标。
表2树种耐尘性评价指标体系
树种耐尘性综合评价
利用公式1，计算9树种的各单项指标耐尘系数，对逆向指标进行正向化处理(表3)。
表3各单项指标耐尘系数
对9树种的20个单项指标的耐尘系数进行主成分分析(表4)，前6个综合评价指标的贡献率分别为30.500％、18.816％、16.114％、13.391％、9.345％、7.074％，累积贡献率达到95.24％，故将20个单项指标转变为新的互相独立的综合评价指标CI1～CI6。
表4各指标主成分的特征向量及贡献率
利用公式2与3分别得出6个综合评价指标的隶属函数值和权重，然后采用公式4得出各树种的耐尘综合评价D值，根据D值及排序，得出耐尘性强弱顺序依次为(表5)：柠条＞紫穗槐＞沙地柏＞花棒＞柽柳＞沙冬青＞白榆＞蒙古莸＞沙枣。
表5各树种的综合评价指标值
表6各树种的权重、U(Xj)、D值及排序
3.结论
通过计算各个指标的权重，建立树种耐尘性评价指标体系，权重越大，则该指标重要性越大。各指标中，单位叶面积滞尘量、单位叶重量滞尘量、气孔导度、主根系长度、蒸腾速率、光合速率、为害指数、水分利用效率、根生物量比的权重可作为树种耐尘性评价的主要指标。根据D值及排序，得出耐尘性强弱顺序依次为：柠条＞紫穗槐＞沙地柏＞花棒＞柽柳＞沙冬青＞白榆＞蒙古莸＞沙枣。说明柠条、紫穗槐、沙地柏、花棒的耐尘性较强；柽柳、沙冬青耐尘能力次之；白榆、蒙古莸、沙枣的耐尘性较弱。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种煤炭基地树种耐尘性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.植株缓苗期培育：选取长势一致的树种实生幼苗，采用煤炭基地覆土作为培养土壤进行缓苗期盆栽培育，获取实验盆栽植株；
b.植株滞尘实验：在植株的生长速生期，将实验盆栽植株随机分成数量相等的实验组和对照组，所述实验组实验盆栽植株放置于煤炭基地洗煤厂内，以进行植株耐尘实验，所述对照组实验盆栽植株放置于煤炭基地的排矸场内，以作为对照实验；
c.植株生物信息测量：于大雨过后的预定时间，测量获取实验组实验盆栽植株及对照组实验盆栽植株的生物信息的测定值；
d.计算树种耐尘系数：利用以下公式，计算各生物信息所对应的耐尘系数：
耐尘系数＝(实验组生物信息测定值/对照组生物信息测定值)×100％；
e.确定综合评价指标：对获取的耐尘系数首先进行逆向指标正相化处理，然后利用主成分分析法进行对耐尘系数的数据统计分析，确定若干相互独立的综合评价指标；
f.获取各综合评价指标权重：利用以下公式获取各综合评价指标权重：
式中，Wj表示第j个综合评价指标在所有综合评价指标中的重要程度，即权重；Pj代表经主成分分析所得的第j个综合评价指标的贡献率；
g.计算树种综合耐尘能力：采用以下公式计算树种综合耐尘能力：
式中，D为滞尘条件下由综合评价指标评价所得的综合耐尘能力评价值，U(Xj)表示第j个综合评价指标Xj经数据归一化处理后所得指标值。
2.如权利要求1所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，其特征在于，步骤c中，所述滞尘指标包括：生长指标、生物量指标、滞尘量、为害指数及光合生理指标。
3.如权利要求2所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，其特征在于，所述生长指标包括株高、地径、新稍长度、比叶重、主根系长度及冠幅；所述生物量指标包括叶生物量比、茎生物量比、根生物量比、根冠比、叶片含水量及植株含水量；所述滞尘量包括单位叶面积滞尘量及单位叶重量滞尘量；所述光合生理指标包括蒸腾速率、气孔导度、光合速率、胞间CO2浓度及水分利用效率。
4.如权利要求3所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，其特征在于，所述滞尘量通过以下步骤获取：
c1.大雨过后指定时间，剪取植株上、中、下及四周方位叶片若干片；
c2.利用万分之一电子天平进行第一次带尘叶片称量，获得初始含尘叶片的质量；
c3.利用蒸馏水湿润过的酒精棉球对叶片表面进行彻底洗脱擦拭，清除叶片所滞粉尘后，对叶片进行第二次称量，测得不含尘叶片质量；
c4.用便携式叶面积仪测量获得植株叶片的叶面积；
c5.应用以下公式，计算单位叶重量滞尘量：
式中，D1为单位叶重量滞尘量，M1为初始含尘叶片的质量，M2为不含尘叶片质量；
c6.应用以下公式，计算单位叶面积滞尘量：
式中，D2为单位叶面积滞尘量，Si为第i片植株叶片的叶面积。
5.如权利要求2所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，其特征在于，所述为害指数通过以下方法获取：
调查各植株顶梢不同方位和部位的若干片叶，根据为害症状对为害程度进行分级，赋予各危害度分级受害级代表值，并通过以下公式计算为害指数：
6.如权利要求5所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，其特征在于，所述“根据为害症状对为害程度进行分级，赋予各危害度分级受害级代表值”包括：
叶片为害症状为叶片绿色，正常，其为害程度分级为0级，受害级代表值为0；叶片为害症状为叶片绿色，有个别褪色斑点或轻微皱褶、卷曲，其为害程度分级为1级，受害级代表值为1；
叶片为害症状为叶片褪色面积达到叶面积的1/3，明显卷曲，其为害程度分级为2级，受害级代表值为2；
叶片为害症状为叶片3/4以上部分干枯，严重卷曲，其为害程度分级为3级，受害级代表值为3；
叶片为害症状为叶片全部枯黄或完全卷缩，且易破碎，其为害程度分级为4级，受害级代表值为4；
叶片为害症状为叶片脱落，其为害程度分级为5级，受害级代表值为5。
7.如权利要求1所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，其特征在于，步骤e中，所述逆向指标正相化处理通过以下公式进行：
正向指标＝1-逆向指标。
8.如权利要求1所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，其特征在于，步骤e中，所述主成分分析法以特征根＞1，累计贡献率＞90％为判定依据，确定综合评价指标，同时获取各综合评价指标的贡献率。
9.如权利要求1所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，其特征在于，步骤g中，采用以下公式进行数据归一化处理：
式中，Xmax与Xmin表示全部综合指标中的最大与最小值。
10.一种煤炭基地耐尘树种的选择方法，其特征在于，选取若干品种树种作为待选树种，采用如权利要求1～9中任意一项所述的煤炭基地树种耐尘性评价方法，对所述待选树种进行评价，得到所述待选树种的综合耐尘能力，对所述待选树种的综合耐尘能力进行排序，选择综合耐尘能力值高的待选树种作为煤炭基地耐尘树种，进行广泛种植。
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