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新疆松樹(shù)頭滅火區(qū)生態(tài)修復(fù)技術(shù)1.背景新疆是煤炭資源、分布大省，煤田火災(zāi)也非常嚴(yán)重。2009年完成的新疆第三次火區(qū)普查結(jié)果顯示，新疆還有49處煤田火災(zāi)區(qū)，面積達(dá)992萬(wàn)m2，多數(shù)火區(qū)已呈荒漠化和半荒漠化的狀態(tài)，造成了大面積土地資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境的惡化。煤火燃燒造成的大氣污染及動(dòng)植物棲息地的破壞，對(duì)新疆自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)均造成了嚴(yán)重的危害。多年來(lái)，新疆對(duì)煤田火區(qū)的研究主要集中在自燃機(jī)理、自燃條件、火區(qū)探測(cè)技術(shù)以及防滅火技術(shù)等方面，對(duì)火區(qū)環(huán)境效應(yīng)研究多限于定性分析。由于對(duì)生態(tài)修復(fù)技術(shù)了解和應(yīng)用得較少，火災(zāi)治理后，黃土覆蓋層常常受到雨水的沖刷，從而降低了滅火效果。2.研究區(qū)研究區(qū)位于烏魯木齊市南郊水西溝鄉(xiāng)松樹(shù)頭滅火區(qū)，地理坐標(biāo)為87°25′47″～87°26′30″E，43°19′26″～43°20′N(xiāo)。研究區(qū)位于天山北坡中段，高度差約50m，高程2392-2548m，地形坡度平均為10°。研究區(qū)屬大陸性干旱氣候，區(qū)域全年最低氣溫出現(xiàn)在1～2月，月均氣溫-15.95～9.59℃。全年最高氣溫出現(xiàn)在7-8月，月均氣溫23.1-25.8℃，晝夜溫差10℃以上。風(fēng)速較弱，一般為1.57～3.49m／s,相對(duì)濕度為42.02％～65.75％。火區(qū)表層土為滅火后覆蓋的生土，土質(zhì)疏松，多石塊，養(yǎng)分低下，受水蝕作用明顯，多有沖溝，植被很難生長(zhǎng)，其土壤特點(diǎn)在新疆煤礦滅火區(qū)是有一定的代表性。3.研究方法3.1植被調(diào)查和先鋒種的選取在進(jìn)行樣方調(diào)查前，對(duì)研究區(qū)周?chē)h(huán)境進(jìn)行考察，總體上了解研究區(qū)周?chē)h(huán)境的植被群落狀況。根據(jù)調(diào)查知，研究區(qū)沿東西南北四個(gè)方向的植被群落差別明顯，因此，在進(jìn)行樣方調(diào)查時(shí)，以研究區(qū)為中心，以其1000m的緩沖范圍為參照標(biāo)準(zhǔn)，沿東西南北四個(gè)方向設(shè)置四個(gè)樣帶或樣區(qū)，分別標(biāo)號(hào)A（南）、B（東）、C（北）、D（西）、E（研究區(qū)內(nèi)部），在每個(gè)樣帶中根據(jù)情況設(shè)置相應(yīng)的樣方進(jìn)行植被調(diào)查，于研究區(qū)內(nèi)部有植被生長(zhǎng)的區(qū)域設(shè)置樣方進(jìn)行植被調(diào)查。共調(diào)查樣方28個(gè)，其中A區(qū)設(shè)置七個(gè)樣方、BCD區(qū)分別設(shè)置五個(gè)樣方，E區(qū)（研究區(qū)內(nèi)部）設(shè)置六個(gè)樣方，同是在距離研究區(qū)35km設(shè)置五個(gè)樣方，作為對(duì)比，對(duì)比樣方的海拔高度范圍為1750—1860m。研究區(qū)樣方分布見(jiàn)圖3-1，樣方大小為1×1m，分別調(diào)查樣方內(nèi)植被的種數(shù)、多度、蓋度，并同時(shí)記錄每個(gè)樣方的經(jīng)緯度和海拔高度。本研究對(duì)研究區(qū)（覆土區(qū)）生態(tài)恢復(fù)中先鋒物種的確定主要本著以下三個(gè)原則：植被數(shù)量多、分布廣、優(yōu)勢(shì)度大。結(jié)合覆土區(qū)中自然定居的植被狀況，最終確定了研究區(qū)（覆土區(qū)）生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中的先鋒物種。總體上，針茅、苔草、黃芪三種在四個(gè)區(qū)域中都有分布，分布較廣，而且在A區(qū)中，針茅作為優(yōu)勢(shì)種，苔草為亞優(yōu)勢(shì)種，D區(qū)中針茅和黃芪作為優(yōu)勢(shì)種，苔草作為亞優(yōu)勢(shì)種，綜合AD兩區(qū)域，針茅、苔草、黃芪都是作為優(yōu)勢(shì)種的，數(shù)量大，且分布廣，在自然狀態(tài)下，這三種植被定居到研究區(qū)（覆土區(qū)）的幾率也是較大的。通過(guò)調(diào)查知，E區(qū)自然定居的植被有針茅、黃芪、苔草、天山薊、老鸛草、蒲公英、早熟禾、角果藜，其中針茅、黃芪、苔草在研究區(qū)（覆土區(qū)）的數(shù)量較大，分布較廣，優(yōu)勢(shì)度較大，與以上分析結(jié)果相吻合。因此，針茅、黃芪、苔草可以作為研究區(qū)（覆土區(qū)）生態(tài)恢復(fù)中的第一優(yōu)勢(shì)種。另外，A區(qū)中優(yōu)勢(shì)度較大的植被還有苦豆子、繁縷和火絨草，D區(qū)中優(yōu)勢(shì)度較大的植被還有披堿草、角果藜、天山薊，這幾種植被都可作為半生先鋒物種進(jìn)行適當(dāng)引種種植。3.2土壤改良選用粘合劑、保水劑、有機(jī)肥、復(fù)合肥、秸稈和鋪設(shè)厚度作為試驗(yàn)因素，各因素的水平設(shè)置根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定，各設(shè)置5個(gè)水平，試驗(yàn)材料及其水平設(shè)置表見(jiàn)表1。其中粘合劑采用的是北京金元易生態(tài)工程技術(shù)中心的旱寶貝粘合劑PAM-A30，保水劑研究采用的是北京金元易生態(tài)工程技術(shù)中心的3005KCE，由法國(guó)愛(ài)森SNF生產(chǎn)商提供，規(guī)格0.3~0.5mm，吸收倍率200~400倍，秸稈采用長(zhǎng)度為1~3cm的麥稈。有機(jī)肥主要是羊糞，從當(dāng)?shù)啬撩裉庂?gòu)買(mǎi)。選用L25（56）正交表，共25中試驗(yàn)方案，為無(wú)交互作用的多指標(biāo)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方案情況見(jiàn)表2。為方便起見(jiàn)，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行了編號(hào)粘合劑用A表示，保水劑用B表示，羊糞為C，復(fù)合肥為D，秸稈為E，鋪設(shè)厚度為F。樣方大小為1m×1m，設(shè)置三個(gè)平行。表1烏魯木齊松樹(shù)頭煤田滅火區(qū)混土營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)配比試驗(yàn)因素及其水平設(shè)置表Table1ExperimentfactorsandtheirleveltableoftheresearchonthesubstrateratioofplantedgrassseedmixedsoilinUrumqiShongshutoucoalfieldfire-fightingarea試驗(yàn)材料水平設(shè)置12345粘合劑/（g/m2）611162126保水劑/（g/m2）510152025羊糞/（kg/m2）11.5234復(fù)合肥/（g/m2）3040506070秸稈/（g/m2）90105120140160鋪設(shè)厚度/（cm）0.5-11-22-33-44-5表2烏魯木齊松樹(shù)頭煤田滅火區(qū)混土營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)配比試驗(yàn)正交試驗(yàn)試驗(yàn)方案表Table2SchemesoforthogonalexperimentoftheresearchonthesubstrateratioofplantedgrassseedmixedsoilinUrumqiShongshutoucoalfieldfire-fightingarea編號(hào)A粘合劑B保水劑C羊糞D復(fù)合肥E秸稈F鋪設(shè)厚度11124322215554331414144113135513225612334472222118325423942453510521552111351211223133313333255144324421553411416142553172444451834511219441224205433312115111522253222233523342445455125555443在研究區(qū)進(jìn)行基質(zhì)的配比和鋪設(shè)，并進(jìn)行基質(zhì)樣品采集。先加秸稈、種子、肥料、水、保水劑、羊糞和土壤，后加水開(kāi)始攪拌，邊攪拌邊緩慢加入粘合劑，充分?jǐn)嚢?0min，形成均勻的泥漿后進(jìn)行人工直接抹鋪，厚度均勻，平整表面。在添加粘合劑時(shí)需要邊加邊攪拌，不可一次性倒入水中。用手握一把基質(zhì)，沒(méi)有水分?jǐn)D出，松開(kāi)手會(huì)成團(tuán)，但輕輕觸碰，基質(zhì)會(huì)散開(kāi)。取少量混合物裝于袋子中，進(jìn)行室內(nèi)分析。一個(gè)月后對(duì)每個(gè)樣方的密度，蓋度和高度進(jìn)行調(diào)查，四個(gè)月后測(cè)定每個(gè)樣方的植物生長(zhǎng)指標(biāo)，如密度，蓋度和高度，地上生物量和地下生物量。植物指標(biāo)測(cè)定方法密度：記數(shù)一定面積的樣方內(nèi)草坪植物的個(gè)體數(shù)。通常樣方面積為50~100cm2。植被高度：在植被樣方中隨機(jī)測(cè)10株植物個(gè)體，用直尺抽樣量度法確定，樣本數(shù)10。蓋度：測(cè)定時(shí)將架子放置在選定的樣點(diǎn)上，計(jì)數(shù)草坪植物在每格中所占的比例，然后將每格的觀測(cè)值統(tǒng)計(jì)后，用百分?jǐn)?shù)表示出草坪的蓋度值。生物量：分為地上和地下2個(gè)部分。地下生物量的測(cè)定通常采用土鉆法，取樣后用水沖洗清除雜質(zhì)，烘干稱(chēng)重。地上生物量的測(cè)定為：用剪刀貼地面剪取1m×1m樣方中所有地上部分植物，裝入密封塑料袋，在室內(nèi)稱(chēng)鮮重：再將塑封袋中的植物倒出放于托盤(pán)，充分混合，全部稱(chēng)重，再置于烘箱，在60~80℃溫度下烘至恒重，稱(chēng)干重后計(jì)算樣方地上生物量。地上干重和地下干重之和為總生物量。3.2.1植物生物量極差分析各基質(zhì)試驗(yàn)中的地上鮮重、地上干重及地下干重，見(jiàn)表3。對(duì)各值進(jìn)行極差分析，極差R的大小反映了各試驗(yàn)因素對(duì)密度作用的大小，極差大表明該因子對(duì)密度的影響大，為主要因子。對(duì)地上鮮重而言，最優(yōu)水平組合選A5B2C5D4E5F3，RA=58.84，RB=41.09，RC=80.20，RD=90.11，RE=57.91，RF=77.45，所以影響因素的主次順序?yàn)椋篋>C>F>E>A>B。對(duì)地上干重而言，最優(yōu)水平組合選A5B4C5D4E2F3，RA=17.51，RB=23.17，RC=25.40，RD=35.25，RE=27.41，RF=30.40，影響因素的主次順序?yàn)椋篋>F>E>C>B>A。對(duì)地下干重而言，最優(yōu)水平組合，所以選A3B2C2D4E4F4，RA=43.78，RB=30.04，RC=28.18，RD=46.07，RE=32.29，RF=23.29，影響因素的主次順序?yàn)椋篋>A>E>B>C>F。表3各基質(zhì)試驗(yàn)方案的生物量數(shù)據(jù)Table3Biomassdatainorthogonalexperiments行號(hào)地上鮮重/(g/m2)地上干重/(g/m2)地下干重/(g/m2)1135.4744.9134.182166.5147.3160.803141.1651.5841.914124.1430.2837.575173.3647.8747.176121.1337.8254.127227.2769.7266.488268.9491.08100.869123.1832.8775.5110205.5860.0957.9811175.6653.8332.2412155.28953.8622.4613214.7572.93104.5414217.9485.68113.4015117.7738.1225.5316234.2784.0629.0617138.7341.7742.0118124.2731.8334.4919219.58107.4770.9620215.6772.6728.2721108.2425.7325.2222107.3032.4748.2523126.9331.00111.9524170.1346.6138.033.2.2植物密度、高度和蓋度的極差分析對(duì)植物生長(zhǎng)1個(gè)月和4個(gè)月后的密度、高度和蓋度進(jìn)行調(diào)查，見(jiàn)表4。表4兩個(gè)時(shí)期的植物密度、高度和蓋度Table4Vegetationdensity，heightandcoverintwoperiods行號(hào)1個(gè)月后4個(gè)月后蓋度總和高度總和密度蓋度總和高度總和密度/%/cm/株·m-2/%/cm/株·m-2111627.312912623.0125217626.912510622.385315630.814313430.8120410526.515714819.7142518429.917413824.111766026.29110225.08779127.31236823.1104815932.415010327.8145912230.215613023.595107531.31057724.1831110728.516310722.0154129128.612014324.1119139829.816412822.61051415324.520116826.2123156929.81039022.11331611434.818111925.71161720730.618615825.4114188132.31698219.91001918925.220111518.6125207324.213010722.2119216919.11097622.41442213420.41569720.51062317524.423217515.5125247230.6818631.2942510325.412113826.4122（1）對(duì)1個(gè)月后的密度而言，最優(yōu)水平組合選A3B4C2D2E2F5，RA=45.00，RB=48.40，RC=39.40，RD=34.00，RE=37.60，RF=29.80，各因素影響的主次順序?yàn)椋築>A>C>E>D>F。對(duì)4個(gè)月后的密度而言，最優(yōu)水平組合選A1B3C1D1E2F3，RA=19.60，RB=24.00，RC=15.80，RD=35.60，RE=32.80，RF=21.40，各因素影響的主次順序?yàn)椋篋>E>B>F>A>C。（2） 由種植1個(gè)月后的蓋度和高度極差分析，可見(jiàn)，對(duì)蓋度而言，最優(yōu)水平組合選A2B1C2D4E2F5，RA=9.32，RB=9.20，RC=4.80，RD=10.24，RE=14.32，RF=7.24，各因素影響的主次順序?yàn)椋篍>D>A>B>F>C。對(duì)高度而言，最優(yōu)水平組合選A3B2C4D5E5F3，RA=0.80，RB=1.38，RC=1.07，RD=1.20，RE=0.94，RF=0.76，各因素影響的主次順序?yàn)椋築>D>C>E>A>F。（3） 由種植4個(gè)月后蓋度和高度極差分析，可見(jiàn)，對(duì)蓋度而言，最優(yōu)水平組合選A4B1C2D4E4F3，RA=4.68，RB=6.88，RC=4.80，RD=8.16，RE=9.44，RF=5.96，各因素影響的主次順序?yàn)椋篍>D>B>F>C>A。對(duì)高度而言，最優(yōu)水平組合選A5B2C4D4E4F1。RA=0.19，RB=0.58，RC=1.20，RD=1.12，RE=1.33，RF=1.30，各因素影響的主次順序?yàn)镋>F>C>D>B>A。3.2.3 植物生長(zhǎng)狀況方差分析（1）種植1個(gè)月后的植物蓋度和高度方差分析根據(jù)1個(gè)月后蓋度方差分析，見(jiàn)表5，可見(jiàn)因素D（復(fù)合肥）和E（秸稈）對(duì)蓋度有極顯著影響，因素A（粘合劑）和B（保水劑）有顯著影響，因素C（羊糞）和F（鋪設(shè)厚度）對(duì)蓋度影響不顯著，理論上在試驗(yàn)允許的范圍內(nèi)可以選取任意水平。根據(jù)1個(gè)月后高度方差分析，見(jiàn)表5，可見(jiàn)B（保水劑）有顯著影響，其他因素均對(duì)蓋度影響不顯著，理論上在試驗(yàn)允許的范圍內(nèi)可以選取任意水平。表5種植1個(gè)月后植物的蓋度方差分析Table5Varianceanalysesofvegetationcoverafterplantingfor1month方差來(lái)源偏差平方和自由度均方和F值顯著性臨界值因素A1733.074433.273.00顯著2.45<F0.95<2.533.48<F0.99<3.65因素B1614.354403.592.79顯著因素C452.274113.070.78不顯著因素D2119.714529.933.67極顯著因素E3002.434750.615.20極顯著因素F949.554237.391.64不顯著誤差14442.08100144.42總和24313.47124表6種植1個(gè)月后植物的高度方差分析Table6Varianceanalysesofvegetationheightafterplantingfor1month方差來(lái)源偏差平方和自由度均方和F值顯著性臨界值因素A7.8741.971.04不顯著2.45<F0.95<2.533.48<F0.99<3.65因素B25.5846.393.39顯著因素C17.4944.372.32不顯著因素D17.2844.322.29不顯著因素E12.5243.131.66不顯著因素F6.6941.670.89不顯著誤差141.33751.88總和228.7699（2）種植2個(gè)月后的植物高度方差分析根據(jù)2個(gè)月后高度方差分析，見(jiàn)表7，可見(jiàn)所有因素均對(duì)蓋度影響不顯著，理論上在試驗(yàn)允許的范圍內(nèi)可以選取任意水平。表7種植2個(gè)月后植物的高度方差分析Table7Varianceanalysesofvegetationheightafterplantingfor2month方差來(lái)源偏差平方和自由度均方和F值顯著性臨界值因素A10935.7142733.932.28不顯著2.45<F0.95<2.533.48<F0.99<3.65因素B11274.9742818.732.35不顯著因素C3542.334885.580.74不顯著因素D6863.3541715.841.43不顯著因素E6636.2841659.071.39不顯著因素F499.854124.960.10不顯著誤差89835.69751197.81總和129588.1999（3）4個(gè)月后的植物蓋度和高度方差分析表8種植4個(gè)月后植物的蓋度方差分析Table3-21Varianceanalysesofvegetationcoverafterplantingfor4month方差來(lái)源偏差平方和自由度均方和F值顯著性臨界值因素A385.15496.292.03不顯著2.45<F0.95<2.533.48<F0.99<3.65因素B731.874182.973.85極顯著因素C338.11484.531.78不顯著因素D1399.474349.877.36極顯著因素E1698.594424.658.94極顯著因素F580.034145.013.05顯著誤差4751.8410047.52總和9885.07124根據(jù)4個(gè)月后蓋度方差分析，見(jiàn)表8，可見(jiàn)B（保水劑）、因素D（復(fù)合肥）和E（秸稈）對(duì)蓋度有極顯著影響，F(xiàn)（鋪設(shè)厚度）有顯著影響，因素A（粘合劑）和因素C（羊糞）和對(duì)蓋度影響不顯著，理論上在試驗(yàn)允許的范圍內(nèi)可以選取任意水平。表9種植4個(gè)月后高度方差分析Table3-22Varianceanalysesofvegetationheightafterplantingfor4month方差來(lái)源偏差平方和自由度均方和F值顯著性臨界值因素A0.5340.130.07不顯著2.45<F0.95<2.533.48<F0.99<3.65因素B3.8340.960.49極顯著因素C16.8744.222.18極顯著因素D20.3545.092.63顯著因素E27.1446.783.51顯著因素F19.5344.882.52顯著誤差145.05751.93總和233.2999根據(jù)4個(gè)月后高度方差分析，見(jiàn)表9，可見(jiàn)B（保水劑）和因素C（羊糞）對(duì)蓋度有極顯著影響，因素D（復(fù)合肥）、E（秸稈）和F（鋪設(shè)厚度）有顯著影響，因素A（粘合劑）和B（保水劑）對(duì)蓋度影響不顯著，理論上在試驗(yàn)允許的范圍內(nèi)可以選取任意水平。3.3最優(yōu)方案的選擇綜合平衡法是對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，先分別按單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析，找出其不同水平的最優(yōu)配方，然后根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度，以及各項(xiàng)指標(biāo)中所得出的因素主次、水平優(yōu)劣等進(jìn)行綜合平衡，最后確定整體最優(yōu)因素水平組合。按照粘合劑、保水劑、復(fù)合肥和秸稈