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新疆松树头灭火区生态修复技术1.背景新疆是煤炭资源、分布大省，煤田火灾也非常严重。2009年完成的新疆第三次火区普查结果显示，新疆还有49处煤田火灾区，面积达992万m2，多数火区已呈荒漠化和半荒漠化的状态，造成了大面积土地资源浪费和生态环境的恶化。煤火燃烧造成的大气污染及动植物栖息地的破坏，对新疆自然、社会和经济系统均造成了严重的危害。多年来，新疆对煤田火区的研究主要集中在自燃机理、自燃条件、火区探测技术以及防灭火技术等方面，对火区环境效应研究多限于定性分析。由于对生态修复技术了解和应用得较少，火灾治理后，黄土覆盖层常常受到雨水的冲刷，从而降低了灭火效果。2.研究区研究区位于乌鲁木齐市南郊水西沟乡松树头灭火区，地理坐标为87°25′47″～87°26′30″E，43°19′26″～43°20′N。研究区位于天山北坡中段，高度差约50m，高程2392-2548m，地形坡度平均为10°。研究区属大陆性干旱气候，区域全年最低气温出现在1～2月，月均气温-15.95～9.59℃。全年最高气温出现在7-8月，月均气温23.1-25.8℃，昼夜温差10℃以上。风速较弱，一般为1.57～3.49m／s,相对湿度为42.02％～65.75％。火区表层土为灭火后覆盖的生土，土质疏松，多石块，养分低下，受水蚀作用明显，多有冲沟，植被很难生长，其土壤特点在新疆煤矿灭火区是有一定的代表性。3.研究方法3.1植被调查和先锋种的选取在进行样方调查前，对研究区周围环境进行考察，总体上了解研究区周围环境的植被群落状况。根据调查知，研究区沿东西南北四个方向的植被群落差别明显，因此，在进行样方调查时，以研究区为中心，以其1000m的缓冲范围为参照标准，沿东西南北四个方向设置四个样带或样区，分别标号A（南）、B（东）、C（北）、D（西）、E（研究区内部），在每个样带中根据情况设置相应的样方进行植被调查，于研究区内部有植被生长的区域设置样方进行植被调查。共调查样方28个，其中A区设置七个样方、BCD区分别设置五个样方，E区（研究区内部）设置六个样方，同是在距离研究区35km设置五个样方，作为对比，对比样方的海拔高度范围为1750—1860m。研究区样方分布见图3-1，样方大小为1×1m，分别调查样方内植被的种数、多度、盖度，并同时记录每个样方的经纬度和海拔高度。本研究对研究区（覆土区）生态恢复中先锋物种的确定主要本着以下三个原则：植被数量多、分布广、优势度大。结合覆土区中自然定居的植被状况，最终确定了研究区（覆土区）生态恢复过程中的先锋物种。总体上，针茅、苔草、黄芪三种在四个区域中都有分布，分布较广，而且在A区中，针茅作为优势种，苔草为亚优势种，D区中针茅和黄芪作为优势种，苔草作为亚优势种，综合AD两区域，针茅、苔草、黄芪都是作为优势种的，数量大，且分布广，在自然状态下，这三种植被定居到研究区（覆土区）的几率也是较大的。通过调查知，E区自然定居的植被有针茅、黄芪、苔草、天山蓟、老鹳草、蒲公英、早熟禾、角果藜，其中针茅、黄芪、苔草在研究区（覆土区）的数量较大，分布较广，优势度较大，与以上分析结果相吻合。因此，针茅、黄芪、苔草可以作为研究区（覆土区）生态恢复中的第一优势种。另外，A区中优势度较大的植被还有苦豆子、繁缕和火绒草，D区中优势度较大的植被还有披碱草、角果藜、天山蓟，这几种植被都可作为半生先锋物种进行适当引种种植。3.2土壤改良选用粘合剂、保水剂、有机肥、复合肥、秸秆和铺设厚度作为试验因素，各因素的水平设置根据经验值设定，各设置5个水平，试验材料及其水平设置表见表1。其中粘合剂采用的是北京金元易生态工程技术中心的旱宝贝粘合剂PAM-A30，保水剂研究采用的是北京金元易生态工程技术中心的3005KCE，由法国爱森SNF生产商提供，规格0.3~0.5mm，吸收倍率200~400倍，秸秆采用长度为1~3cm的麦秆。有机肥主要是羊粪，从当地牧民处购买。选用L25（56）正交表，共25中试验方案，为无交互作用的多指标试验设计，试验方案情况见表2。为方便起见，对试验因素进行了编号粘合剂用A表示，保水剂用B表示，羊粪为C，复合肥为D，秸秆为E，铺设厚度为F。样方大小为1m×1m，设置三个平行。表1乌鲁木齐松树头煤田灭火区混土营养基质配比试验因素及其水平设置表Table1ExperimentfactorsandtheirleveltableoftheresearchonthesubstrateratioofplantedgrassseedmixedsoilinUrumqiShongshutoucoalfieldfire-fightingarea试验材料水平设置12345粘合剂/（g/m2）611162126保水剂/（g/m2）510152025羊粪/（kg/m2）11.5234复合肥/（g/m2）3040506070秸秆/（g/m2）90105120140160铺设厚度/（cm）0.5-11-22-33-44-5表2乌鲁木齐松树头煤田灭火区混土营养基质配比试验正交试验试验方案表Table2SchemesoforthogonalexperimentoftheresearchonthesubstrateratioofplantedgrassseedmixedsoilinUrumqiShongshutoucoalfieldfire-fightingarea编号A粘合剂B保水剂C羊粪D复合肥E秸秆F铺设厚度11124322215554331414144113135513225612334472222118325423942453510521552111351211223133313333255144324421553411416142553172444451834511219441224205433312115111522253222233523342445455125555443在研究区进行基质的配比和铺设，并进行基质样品采集。先加秸秆、种子、肥料、水、保水剂、羊粪和土壤，后加水开始搅拌，边搅拌边缓慢加入粘合剂，充分搅拌10min，形成均匀的泥浆后进行人工直接抹铺，厚度均匀，平整表面。在添加粘合剂时需要边加边搅拌，不可一次性倒入水中。用手握一把基质，没有水分挤出，松开手会成团，但轻轻触碰，基质会散开。取少量混合物装于袋子中，进行室内分析。一个月后对每个样方的密度，盖度和高度进行调查，四个月后测定每个样方的植物生长指标，如密度，盖度和高度，地上生物量和地下生物量。植物指标测定方法密度：记数一定面积的样方内草坪植物的个体数。通常样方面积为50~100cm2。植被高度：在植被样方中随机测10株植物个体，用直尺抽样量度法确定，样本数10。盖度：测定时将架子放置在选定的样点上，计数草坪植物在每格中所占的比例，然后将每格的观测值统计后，用百分数表示出草坪的盖度值。生物量：分为地上和地下2个部分。地下生物量的测定通常采用土钻法，取样后用水冲洗清除杂质，烘干称重。地上生物量的测定为：用剪刀贴地面剪取1m×1m样方中所有地上部分植物，装入密封塑料袋，在室内称鲜重：再将塑封袋中的植物倒出放于托盘，充分混合，全部称重，再置于烘箱，在60~80℃温度下烘至恒重，称干重后计算样方地上生物量。地上干重和地下干重之和为总生物量。3.2.1植物生物量极差分析各基质试验中的地上鲜重、地上干重及地下干重，见表3。对各值进行极差分析，极差R的大小反映了各试验因素对密度作用的大小，极差大表明该因子对密度的影响大，为主要因子。对地上鲜重而言，最优水平组合选A5B2C5D4E5F3，RA=58.84，RB=41.09，RC=80.20，RD=90.11，RE=57.91，RF=77.45，所以影响因素的主次顺序为：D>C>F>E>A>B。对地上干重而言，最优水平组合选A5B4C5D4E2F3，RA=17.51，RB=23.17，RC=25.40，RD=35.25，RE=27.41，RF=30.40，影响因素的主次顺序为：D>F>E>C>B>A。对地下干重而言，最优水平组合，所以选A3B2C2D4E4F4，RA=43.78，RB=30.04，RC=28.18，RD=46.07，RE=32.29，RF=23.29，影响因素的主次顺序为：D>A>E>B>C>F。表3各基质试验方案的生物量数据Table3Biomassdatainorthogonalexperiments行号地上鲜重/(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、高度和盖度的极差分析对植物生长1个月和4个月后的密度、高度和盖度进行调查，见表4。表4两个时期的植物密度、高度和盖度Table4Vegetationdensity，heightandcoverintwoperiods行号1个月后4个月后盖度总和高度总和密度盖度总和高度总和密度/%/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）对1个月后的密度而言，最优水平组合选A3B4C2D2E2F5，RA=45.00，RB=48.40，RC=39.40，RD=34.00，RE=37.60，RF=29.80，各因素影响的主次顺序为：B>A>C>E>D>F。对4个月后的密度而言，最优水平组合选A1B3C1D1E2F3，RA=19.60，RB=24.00，RC=15.80，RD=35.60，RE=32.80，RF=21.40，各因素影响的主次顺序为：D>E>B>F>A>C。（2） 由种植1个月后的盖度和高度极差分析，可见，对盖度而言，最优水平组合选A2B1C2D4E2F5，RA=9.32，RB=9.20，RC=4.80，RD=10.24，RE=14.32，RF=7.24，各因素影响的主次顺序为：E>D>A>B>F>C。对高度而言，最优水平组合选A3B2C4D5E5F3，RA=0.80，RB=1.38，RC=1.07，RD=1.20，RE=0.94，RF=0.76，各因素影响的主次顺序为：B>D>C>E>A>F。（3） 由种植4个月后盖度和高度极差分析，可见，对盖度而言，最优水平组合选A4B1C2D4E4F3，RA=4.68，RB=6.88，RC=4.80，RD=8.16，RE=9.44，RF=5.96，各因素影响的主次顺序为：E>D>B>F>C>A。对高度而言，最优水平组合选A5B2C4D4E4F1。RA=0.19，RB=0.58，RC=1.20，RD=1.12，RE=1.33，RF=1.30，各因素影响的主次顺序为E>F>C>D>B>A。3.2.3 植物生长状况方差分析（1）种植1个月后的植物盖度和高度方差分析根据1个月后盖度方差分析，见表5，可见因素D（复合肥）和E（秸秆）对盖度有极显著影响，因素A（粘合剂）和B（保水剂）有显著影响，因素C（羊粪）和F（铺设厚度）对盖度影响不显著，理论上在试验允许的范围内可以选取任意水平。根据1个月后高度方差分析，见表5，可见B（保水剂）有显著影响，其他因素均对盖度影响不显著，理论上在试验允许的范围内可以选取任意水平。表5种植1个月后植物的盖度方差分析Table5Varianceanalysesofvegetationcoverafterplantingfor1month方差来源偏差平方和自由度均方和F值显著性临界值因素A1733.074433.273.00显著2.45<F0.95<2.533.48<F0.99<3.65因素B1614.354403.592.79显著因素C452.274113.070.78不显著因素D2119.714529.933.67极显著因素E3002.434750.615.20极显著因素F949.554237.391.64不显著误差14442.08100144.42总和24313.47124表6种植1个月后植物的高度方差分析Table6Varianceanalysesofvegetationheightafterplantingfor1month方差来源偏差平方和自由度均方和F值显著性临界值因素A7.8741.971.04不显著2.45<F0.95<2.533.48<F0.99<3.65因素B25.5846.393.39显著因素C17.4944.372.32不显著因素D17.2844.322.29不显著因素E12.5243.131.66不显著因素F6.6941.670.89不显著误差141.33751.88总和228.7699（2）种植2个月后的植物高度方差分析根据2个月后高度方差分析，见表7，可见所有因素均对盖度影响不显著，理论上在试验允许的范围内可以选取任意水平。表7种植2个月后植物的高度方差分析Table7Varianceanalysesofvegetationheightafterplantingfor2month方差来源偏差平方和自由度均方和F值显著性临界值因素A10935.7142733.932.28不显著2.45<F0.95<2.533.48<F0.99<3.65因素B11274.9742818.732.35不显著因素C3542.334885.580.74不显著因素D6863.3541715.841.43不显著因素E6636.2841659.071.39不显著因素F499.854124.960.10不显著误差89835.69751197.81总和129588.1999（3）4个月后的植物盖度和高度方差分析表8种植4个月后植物的盖度方差分析Table3-21Varianceanalysesofvegetationcoverafterplantingfor4month方差来源偏差平方和自由度均方和F值显著性临界值因素A385.15496.292.03不显著2.45<F0.95<2.533.48<F0.99<3.65因素B731.874182.973.85极显著因素C338.11484.531.78不显著因素D1399.474349.877.36极显著因素E1698.594424.658.94极显著因素F580.034145.013.05显著误差4751.8410047.52总和9885.07124根据4个月后盖度方差分析，见表8，可见B（保水剂）、因素D（复合肥）和E（秸秆）对盖度有极显著影响，F（铺设厚度）有显著影响，因素A（粘合剂）和因素C（羊粪）和对盖度影响不显著，理论上在试验允许的范围内可以选取任意水平。表9种植4个月后高度方差分析Table3-22Varianceanalysesofvegetationheightafterplantingfor4month方差来源偏差平方和自由度均方和F值显著性临界值因素A0.5340.130.07不显著2.45<F0.95<2.533.48<F0.99<3.65因素B3.8340.960.49极显著因素C16.8744.222.18极显著因素D20.3545.092.63显著因素E27.1446.783.51显著因素F19.5344.882.52显著误差145.05751.93总和233.2999根据4个月后高度方差分析，见表9，可见B（保水剂）和因素C（羊粪）对盖度有极显著影响，因素D（复合肥）、E（秸秆）和F（铺设厚度）有显著影响，因素A（粘合剂）和B（保水剂）对盖度影响不显著，理论上在试验允许的范围内可以选取任意水平。3.3最优方案的选择综合平衡法是对各个指标进行综合分析，先分别按单个指标进行计算分析，找出其不同水平的最优配方，然后根据各项指标的重要程度，以及各项指标中所得出的因素主次、水平优劣等进行综合平衡，最后确定整体最优因素水平组合。按照粘合剂、保水剂、复合肥和秸秆