坡地退耕種植藤椒對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能的影響

唐海龍，龔 偉，王景燕

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130）

坡地退耕種植藤椒對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能的影響

唐海龍，龔 偉*，王景燕

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院/林業(yè)生態(tài)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130）

【目的】明確坡地退耕成藤椒林后土壤的水源涵養(yǎng)功能，為進(jìn)一步種植和發(fā)展藤椒提供參考?！痉椒ā恳源|丘陵區(qū)坡耕地退耕后種植形成的3 a（TJ-3）和5 a（TJ-5）藤椒林及對(duì)照農(nóng)耕地（CK）為對(duì)象，采集0～20cm和20～40cm土層土壤樣品，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、容重、孔隙度、持水量、貯水與排水能力和滲透性，并運(yùn)用隸屬函數(shù)法和主成分分析法對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)?！窘Y(jié)果】藤椒林土壤有機(jī)質(zhì)含量、孔隙度、持水量、貯水量、排水能力、滲透速率和滲透系數(shù)均高于農(nóng)耕地，且隨藤椒種植年限的增加而增加；土壤容重則相反，藤椒林低于農(nóng)耕地，且隨藤椒種植年限的增加而降低?；陔`屬函數(shù)法和主成分分析法的水源涵養(yǎng)綜合值大小順序?yàn)門(mén)J-5＞TJ-3＞CK，藤椒林地均顯著高于農(nóng)耕地；土壤水源涵養(yǎng)綜合值與有機(jī)質(zhì)、孔隙度、持水性和滲透性顯著相關(guān)（p＜0.05）?！窘Y(jié)論】種植藤椒對(duì)提高坡地土壤水源涵養(yǎng)功能具有重要作用。

藤椒；坡地退耕；水源涵養(yǎng)功能；綜合評(píng)價(jià)

藤椒為竹葉花椒（Zanthoxylum armatum）的一個(gè)栽培品種，屬蕓香科（Rutaceae）花椒屬（Zanthoxylum）植物，因其枝葉披散，延長(zhǎng)狀如藤蔓，故命名為藤椒[1]。藤椒為多年生灌木，果實(shí)成熟后鮮果呈碧綠色、干果呈灰綠色，因其清香濃郁，麻味綿長(zhǎng)，近年來(lái)深受消費(fèi)者青睞[2]，在四川盆周低山丘陵區(qū)廣泛種植。藤椒具結(jié)果早、收益好、根系發(fā)達(dá)和固土能力強(qiáng)等特點(diǎn)[3]，已成為山丘區(qū)水土保持和助農(nóng)增收的優(yōu)良經(jīng)濟(jì)樹(shù)種。目前對(duì)藤椒的研究主要集中在藤椒生物學(xué)特性與栽培管理[4-5]、有效成分及提取工藝[6-10]、病蟲(chóng)害機(jī)理與防治[11-12]等方面。目前，有關(guān)花椒屬植物對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能影響的研究主要集中在花椒（Zanthoxylum bungeanum）上，一些學(xué)者的研究結(jié)果表明花椒種植可以提高水源涵養(yǎng)功能[13-18]，但也有研究結(jié)果表明花椒種植對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能的影響不明顯[19]。迄今為止，有關(guān)藤椒種植對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能影響方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，這難以滿足當(dāng)前藤椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要。為此，本研究以川東丘陵區(qū)岳池縣長(zhǎng)田鄉(xiāng)種植的藤椒林為對(duì)象，研究坡地退耕成藤椒林后土壤水源涵養(yǎng)功能變化，并利用隸屬函數(shù)法和主成分分析法對(duì)不同種植年限林分土壤水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為研究區(qū)坡地退耕還林及其水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究地自然概況

研究區(qū)位于四川省東部岳池縣長(zhǎng)田鄉(xiāng)藤椒基地（106°29＇E、30°43＇N），屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，年平均氣溫17.5℃，極端最低氣溫-3.8℃，極端最高氣溫40.5℃，雨量充沛，年總降水量1204mm，年無(wú)霜期330 d，年總?cè)照諘r(shí)數(shù)1182 h[20-21]。試驗(yàn)區(qū)土壤為紫色土，土層厚度40cm左右；試驗(yàn)區(qū)海拔490～540 m，坡度約12°。3 a和5 a藤椒林分別是2013年和2010年秋季坡地退耕后形成的，株行距為2 m×3 m，藤椒從3年齡開(kāi)始采用“以采代剪”管理和采收后枝葉還地措施。退耕前農(nóng)耕地采用玉米（Zea mays）+油菜（Brassica campestris）一年兩熟種植方式。退耕前（2010年秋季）耕層（0～20cm）土壤理化性質(zhì)（平均值）為：有機(jī)質(zhì)9.82 g/kg、全氮0.70 g/kg、全磷0.35 g/kg、全鉀 19.6 g/kg、堿解氮 56.1 mg/kg、有效磷31.4 mg/kg、速效鉀91.3 mg/kg和pH 7.69。

1.2 研究方法

在坡向、坡度、坡位和海拔基本一致的地段，選擇有代表性的3 a和5 a藤椒林（分別以TJ-3和TJ-5表示）及農(nóng)耕地（CK）建立10 m×10 m的標(biāo)準(zhǔn)地各3個(gè)。于2016年10月上旬在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)采用蛇形5點(diǎn)取樣法分別采集0～20cm和20～40cm土層混合樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室后，將每個(gè)樣品分為2份：一份于室內(nèi)通風(fēng)處自然風(fēng)干后供土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定；另一份新鮮樣用于土壤自然含水量測(cè)定。同時(shí)用環(huán)刀采集各土層原狀土壤樣品測(cè)定土壤水分物理性質(zhì)和滲透性。測(cè)定指標(biāo)包括：土壤有機(jī)質(zhì)、容重、毛管孔隙、非毛管孔隙、通氣度、自然含水量、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、非毛管持水量、土壤貯水量、排水能力、初滲速率、穩(wěn)滲速率、初滲系數(shù)K10和穩(wěn)滲系數(shù)K10。測(cè)定方法：土壤水分物理性質(zhì)和滲透性采用環(huán)刀法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[22-23]。

土壤水源涵養(yǎng)功能是多個(gè)相關(guān)指標(biāo)綜合反映的結(jié)果，為了系統(tǒng)評(píng)價(jià)藤椒種植對(duì)坡地水源涵養(yǎng)功能的影響差異，采用隸屬函數(shù)法[23]和主成分分析法[24]對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)地土壤水源涵養(yǎng)功能指標(biāo)（土壤有機(jī)質(zhì)、容重、毛管孔隙、非毛管孔隙、通氣度、自然含水量、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、非毛管持水量、土壤貯水量、排水能力、初滲速率、穩(wěn)滲速率、初滲系數(shù)K10和穩(wěn)滲系數(shù)K10）分析評(píng)價(jià)得到水源涵養(yǎng)功能綜合值，其值越大表示水源涵養(yǎng)能力越好。

1.3 數(shù)據(jù)處理

文中數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，各變量間的顯著性檢驗(yàn)采用單因子方差分析（ANOVA）和最小顯著極差法（SSR）進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)、容重與孔隙度

藤椒林各土層土壤有機(jī)質(zhì)、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通氣度均顯著高于農(nóng)耕地，而藤椒林土壤容重低于農(nóng)耕地，但差異不顯著（表1）。同時(shí)，藤椒林和農(nóng)耕地0～20cm土層有機(jī)質(zhì)、毛管孔隙、非毛管孔隙和通氣度均高于20～40cm土層，而0～20cm土層容重均小于20～40cm土層。隨著種植年限的增加，藤椒林土壤有機(jī)質(zhì)、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通氣度增加；相反，農(nóng)耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樘俳妨趾笸寥廊葜亟档汀Ｅc農(nóng)耕地相比，種植藤椒3 a和5 a后，0～40cm土層有機(jī)質(zhì)、毛管孔隙、非毛管孔隙、總孔隙和通氣度分別增加12.5%～21.1%、3.1%～11.4%、32.5%～71.0%、4.9%～12.8%和4.8%～13.0%。與TJ-3的0～40cm土層相比，TJ-5的土壤有機(jī)質(zhì)、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、總孔隙度和通氣度分別增加7.6%、5.7%、29.1%、7.5%和7.8%。說(shuō)明坡地退耕成藤椒林后對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、孔隙度和通氣度具有重要的改善作用。

表1 藤椒林和農(nóng)耕地土壤有機(jī)質(zhì)、容重與孔隙度Table 1 Soil organic matter,bulk density and porosity of Zanthoxylum armatum plantation and farmland

2.2 土壤持水性、貯水量和排水能力

藤椒林各土層自然含水量、最大持水量、最小持水量、非毛管持水量和土壤貯水量均顯著高于農(nóng)耕地，而毛管持水量和排水能力差異不顯著（表2）。0～20cm土層各指標(biāo)均高于20～40cm土層。與農(nóng)耕地相比，坡地退耕為藤椒3 a和5 a后，0～40cm土層土壤自然含水量、最大持水量、最小持水量和非毛管持水量分別增加6.4%～15.4%、4.9%～12.8%、4.5%～11.7%和32.8%～71.1%。與TJ-3的0～40cm土層相比，TJ-5的自然含水量、最大持水量、最小持水量和非毛管持水量分別增加8.5%、7.5%、6.9%和28.8%，且TJ-5與TJ-3差異顯著。坡地退耕成藤椒林后，0～40cm土層土壤貯水量增加4.9%～12.6%。TJ-5比TJ-30～40cm土層的土壤貯水量提高7.3%。說(shuō)明坡地退耕成藤椒林后對(duì)土壤持水量和貯水量均有較好的提高作用。

表2 藤椒林和農(nóng)耕地土壤持水性與排水能力Table 2 Soil water holding capacity and drainage capacity of Zanthoxylum armatum plantation and farmland

2.3 土壤滲透性

藤椒林各土層初滲速率、穩(wěn)滲速率、初滲系數(shù)K10和穩(wěn)滲系數(shù)K10均顯著高于農(nóng)耕地，0～20cm土層滲透速率和滲透系數(shù)均低于20～40cm土層（表3）。隨著種植年限的增加，藤椒林土壤滲透速率和滲透系數(shù)K10增加，且0～20cm土層與20～40cm土層的差值減小。與農(nóng)耕地相比，坡地退耕為藤椒3 a和5 a后，0～40cm土層土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率分別增加66.3%～134.9%和72.7%～153.0%；初滲系數(shù)K10和穩(wěn)滲系數(shù)K10分別增加67.7%～139.6%和72.0%～156.0%。與TJ-3的0～40cm土層相比，TJ-5的初滲速率、穩(wěn)滲速率、初滲系數(shù)K10和穩(wěn)滲系數(shù)K10分別增加42.3%、46.5%、42.9%和48.8%，且TJ-5與TJ-3差異顯著。說(shuō)明坡地退耕成藤椒林后對(duì)土壤滲透速率和滲透系數(shù)K10均有顯著的提高作用，能有效增加土壤滲透性和減少地表徑流。

表3 藤椒林和農(nóng)耕地土壤滲透性及水源涵養(yǎng)綜合值Table 3 Soil permeability and comprehensive value of Zanthoxylum armatum plantation and farmland

2.4 土壤水源涵養(yǎng)功能綜合評(píng)價(jià)

利用隸屬度函數(shù)法和主成分分析法分別計(jì)算得到水源涵養(yǎng)綜合值Ⅰ和水源涵養(yǎng)綜合值Ⅱ。由表3可知，藤椒林水源涵養(yǎng)綜合值均顯著高于農(nóng)耕地，且隨著種植年限的增加而增加，呈TJ-5＞TJ-3＞CK的變化規(guī)律；TJ-3與CK處理0～20cm土層水源涵養(yǎng)綜合值與20～40cm土層相當(dāng)，而TJ-5處理0～20cm土層水源涵養(yǎng)綜合值顯著高于20～40cm土層。隸屬度函數(shù)法評(píng)價(jià)中，TJ-5和TJ-3的水源涵養(yǎng)綜合值Ⅰ分別比CK提高200.8%和454.9%；主成分分析法評(píng)價(jià)中，TJ-5和TJ-3的水源涵養(yǎng)綜合值Ⅱ分別比CK提高200.0%和461.5%，兩種水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果差異不大，均可作為土壤水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)體系的研究方法。說(shuō)明坡地退耕成藤椒林后對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能提升顯著，且隨著種植年限的增加，提升效果更為明顯。由表4相關(guān)性分析可知，土壤水源涵養(yǎng)綜合值Ⅰ（綜合值Ⅱ相似）與有機(jī)質(zhì)、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、通氣度、自然含水量、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、非毛管持水量、土壤貯水量、穩(wěn)滲速率和穩(wěn)滲系數(shù)K10顯著相關(guān)（p＜0.05），與容重和排水能力相關(guān)性不顯著（p＞0.05）。

3 討論

土壤有機(jī)質(zhì)是維持土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分，對(duì)土壤容重、孔隙度及持水性具有重要的影響。有研究結(jié)果表明種植花椒能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，如郭天雷等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，紫色丘陵區(qū)坡耕地種植花椒生物埂7 a后0～20cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量比農(nóng)耕地增加45.8%，容重降低16.7%，毛管孔隙、非毛管孔隙和總孔隙分別增加15.3%、12.5%和14.3%；吳麗麗等[14]對(duì)坡耕地種植花椒生物埂的研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量比農(nóng)耕地提高48.6%，容重降低29.5%，總孔隙增加28.4%；楊志榮等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，徑流小區(qū)種植花椒7 a后，容重比農(nóng)耕地降低10.8%，毛管孔隙、非毛管孔隙和總孔隙比農(nóng)耕地分別增加3.5%、44.9%和10.3%。相反，也有研究結(jié)果表明種植花椒對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量沒(méi)有提高作用，如鄭郁等[27]對(duì)金沙江干熱河谷區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，花椒林土壤有機(jī)質(zhì)含量與玉米農(nóng)耕地?zé)o差異。本研究發(fā)現(xiàn)，坡地退耕成藤椒林后，土壤有機(jī)質(zhì)含量比農(nóng)耕地提高12.5%～21.1%，容重變化不顯著，毛管孔隙、非毛管孔隙、總孔隙和通氣度顯著增加。這與多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果相同，而與鄭郁等[27]的研究結(jié)果有一定差異，可能是本研究采用了“以采代剪”的管理方式，和采摘后的枝葉剩余物均原位還地，其分解后為藤椒林地提供了大量的有機(jī)物質(zhì)和養(yǎng)分，有助于增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤容重和孔隙度，提高土壤水源涵養(yǎng)功能。

表4 土壤水源涵養(yǎng)綜合值與各指標(biāo)相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between comprehensive value of soil water conservation and its indexes

土壤是水分儲(chǔ)蓄和供給的主要場(chǎng)所，土壤持水量、貯水和排水能力是衡量土壤水源涵養(yǎng)功能的重要指標(biāo)[28]。大量的研究結(jié)果表明種植花椒能提高土壤持水性能，如楊志榮等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，徑流小區(qū)種植花椒7 a后，0～30cm土壤自然含水量、最大持水量和毛管持水量比農(nóng)耕地升高58.7%、22.7%和20.9%，貯水量比農(nóng)耕地增加48.7%；吳麗麗等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，7 a花椒坡耕地生物埂土壤自然含水量比草埂增加35.8%；鮑乾等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，0～30cm花椒林地土壤含水量、最大持水量、最小持水量、毛管持水量和蓄水量比荒地增加10.9%、19.7%、18.8%、8.5%和3.5%；汪三樹(shù)等[17]對(duì)重慶紫色丘陵區(qū)坡耕地生物埂研究發(fā)現(xiàn)，7 a花椒生物埂0～20cm土層最大和最小持水量比草埂分別增加33.1%和6.3%。相反，也有研究結(jié)果表明種植花椒對(duì)土壤持水性有降低作用，如何艷等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，8 a花椒林地0～20cm土層自然含水量比耕地低4.8%。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，坡地退耕成藤椒林后各土層持水量、貯水量和排水能力均高于農(nóng)耕地。因此，藤椒種植對(duì)改善土壤持水性和排水性具有重要的作用。

土壤滲透能力表征土壤透水和涵蓄水性能的高低，較高的土壤滲透性能減緩地表徑流，緩解水土流失，增加土壤水源涵養(yǎng)性能[29-30]。研究結(jié)果表明種植花椒能顯著提高土壤滲透性能。魏玉君等[31]的研究發(fā)現(xiàn)，0～20cm土層花椒條田初滲速率和穩(wěn)滲速率分別比對(duì)照高10.3%和25.0%；譚潤(rùn)民等[32]的研究發(fā)現(xiàn)坡地種植花椒后，土壤滲透速率比對(duì)照增加100.0%；高福軍等[33]的研究發(fā)現(xiàn)不同徑流小區(qū)中，4 a花椒林地土壤滲透速率比對(duì)照增加70.5%；汪三樹(shù)等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，丘陵區(qū)坡耕地花椒埂土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率分別比草埂增高54.3%和181.6%；郭天雷等[25]的研究結(jié)果與汪三樹(shù)等相似，坡地花椒埂的初滲速率和穩(wěn)滲速率均顯著高于草埂。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，坡地退耕成藤椒林后0～40cm土層土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率分別增加66.3%～134.9%和72.7%～153.0%；初滲系數(shù)K10和穩(wěn)滲系數(shù)K10則分別增加67.7%～139.6%和72.0%～156.0%。藤椒林地滲透速率和滲透系數(shù)均顯著增加，其原因可能是藤椒根系的生長(zhǎng)對(duì)土壤的穿插作用強(qiáng)，且枝葉還地后有機(jī)質(zhì)增加，土壤孔隙度增大、容重減小，從而改善藤椒林地土壤滲透性有關(guān)。

4 結(jié)論

坡地退耕成藤椒林后，0～40cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、孔隙度、通氣度、持水量、貯水量、排水能力和滲透性能均有不同程度的提高，且隨藤椒種植年限的增加而升高；土壤容重下降，隨種植年限的增加而降低。隸屬度函數(shù)法和主成分分析法均可用于評(píng)價(jià)土壤水源涵養(yǎng)功能，種植藤椒3 a和5 a后土壤水源涵養(yǎng)綜合值均顯著高于農(nóng)耕地，且隨著種植年限的增加而增大，呈TJ-5＞TJ-3＞CK的變化趨勢(shì)。因此，坡地退耕成藤椒林對(duì)提高土壤水源涵養(yǎng)功能、減免水土流失、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

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Effect of Conversion Slope Farmland to Zanthoxylum armatum Plantation on Soil Water Conversation Function

TANG Hai-long，GONG Wei*，WANG Jing-yan
（College of Forestry，Sichuan Agricultural University·Sichuan Provincial Key Laboratory of Ecological Forestry Engineering，Chengdu 611130，China）

【Objective】The objective of the study was to evaluate the effect of conversion slope farmland to Z.armatum plantation on soil water conservation function and to provide a reference forfurther cultivation and development of Z.armatum.【Method】The experiment included three treatments：①slope farmland（CK）；②three-year-old Z.armatum plantation（TJ-3）；③five-year-old Z.armatum plantation（TJ-5）.Soil samples of 0～20cm and 20～40cm layers in the hilly area of eastern Sichuan were collected for soil organic matter，bulk density，porosity，water-holding capacity，water storage，drainage capacity and soil permeability determination.Methods of membership function and principal component analysis were used for the comprehensive evaluation of soil water conservation function.【Results】Soil organic matter content，porosity，water-holding capacity，water storage，drainage capacity，infiltration rate and infiltration coefficient（K10）of Z.armatum plantations were higher than those of CK and the values of these indexes often increased with plantation age.Soil bulk density of Z.armatum was lower than that of CK and it decreased with plantation age.The comprehensive values（including membership function method and principal component analysis method）of water conservation（CVWC）were ranked as TJ-5＞TJ-3＞CK，and the difference was significant between plantations and CK.The CVWC was sig-nificantly correlated to soil organic matter，porosity，water-holding capacity and soil permeability（p＜0.05）.【Conclusion】Conversion slop farmland to Z.armatum plantation plays an important role in soil water conservation function improvement.

Zanthoxylum armatum；conversion of slope farmland to forest；water conservation function；comprehensiveevaluation

Q949.752.7；S727.21

A

1000-2650（2017）03-0322-06

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.03.006

2017-04-27

四川省農(nóng)作物育種攻關(guān)項(xiàng)目（2016NYZ0035）；四川省農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（16NZ0067）。

唐海龍，博士研究生，E-mail:tanghl2010@163.com。*責(zé)任作者：龔偉，教授，主要從事森林培育及經(jīng)濟(jì)林研究，E-mail:gongwei@sicau.edu.cn。

（本文審稿：沈會(huì)濤；責(zé)任編輯：鞏艷紅；英文編輯：徐振鋒）