坡地退耕种植藤椒对土壤水源涵养功能的影响

唐海龙，龚 伟，王景燕

（四川农业大学林学院/林业生态工程四川省重点实验室，成都 611130）

坡地退耕种植藤椒对土壤水源涵养功能的影响

唐海龙，龚 伟*，王景燕

（四川农业大学林学院/林业生态工程四川省重点实验室，成都 611130）

【目的】明确坡地退耕成藤椒林后土壤的水源涵养功能，为进一步种植和发展藤椒提供参考。【方法】以川东丘陵区坡耕地退耕后种植形成的3 a（TJ-3）和5 a（TJ-5）藤椒林及对照农耕地（CK）为对象，采集0～20cm和20～40cm土层土壤样品，测定土壤有机质、容重、孔隙度、持水量、贮水与排水能力和渗透性，并运用隶属函数法和主成分分析法对土壤水源涵养功能进行综合评价。【结果】藤椒林土壤有机质含量、孔隙度、持水量、贮水量、排水能力、渗透速率和渗透系数均高于农耕地，且随藤椒种植年限的增加而增加；土壤容重则相反，藤椒林低于农耕地，且随藤椒种植年限的增加而降低。基于隶属函数法和主成分分析法的水源涵养综合值大小顺序为TJ-5＞TJ-3＞CK，藤椒林地均显著高于农耕地；土壤水源涵养综合值与有机质、孔隙度、持水性和渗透性显著相关（p＜0.05）。【结论】种植藤椒对提高坡地土壤水源涵养功能具有重要作用。

藤椒；坡地退耕；水源涵养功能；综合评价

藤椒为竹叶花椒（Zanthoxylum armatum）的一个栽培品种，属芸香科（Rutaceae）花椒属（Zanthoxylum）植物，因其枝叶披散，延长状如藤蔓，故命名为藤椒[1]。藤椒为多年生灌木，果实成熟后鲜果呈碧绿色、干果呈灰绿色，因其清香浓郁，麻味绵长，近年来深受消费者青睐[2]，在四川盆周低山丘陵区广泛种植。藤椒具结果早、收益好、根系发达和固土能力强等特点[3]，已成为山丘区水土保持和助农增收的优良经济树种。目前对藤椒的研究主要集中在藤椒生物学特性与栽培管理[4-5]、有效成分及提取工艺[6-10]、病虫害机理与防治[11-12]等方面。目前，有关花椒属植物对土壤水源涵养功能影响的研究主要集中在花椒（Zanthoxylum bungeanum）上，一些学者的研究结果表明花椒种植可以提高水源涵养功能[13-18]，但也有研究结果表明花椒种植对土壤水源涵养功能的影响不明显[19]。迄今为止，有关藤椒种植对土壤水源涵养功能影响方面的研究尚未见报道，这难以满足当前藤椒产业发展的需要。为此，本研究以川东丘陵区岳池县长田乡种植的藤椒林为对象，研究坡地退耕成藤椒林后土壤水源涵养功能变化，并利用隶属函数法和主成分分析法对不同种植年限林分土壤水源涵养功能进行综合评价，以期为研究区坡地退耕还林及其水源涵养功能评价提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究地自然概况

研究区位于四川省东部岳池县长田乡藤椒基地（106°29＇E、30°43＇N），属中亚热带湿润季风气候区，气候温和，年平均气温17.5℃，极端最低气温-3.8℃，极端最高气温40.5℃，雨量充沛，年总降水量1204mm，年无霜期330 d，年总日照时数1182 h[20-21]。试验区土壤为紫色土，土层厚度40cm左右；试验区海拔490～540 m，坡度约12°。3 a和5 a藤椒林分别是2013年和2010年秋季坡地退耕后形成的，株行距为2 m×3 m，藤椒从3年龄开始采用“以采代剪”管理和采收后枝叶还地措施。退耕前农耕地采用玉米（Zea mays）+油菜（Brassica campestris）一年两熟种植方式。退耕前（2010年秋季）耕层（0～20cm）土壤理化性质（平均值）为：有机质9.82 g/kg、全氮0.70 g/kg、全磷0.35 g/kg、全钾 19.6 g/kg、碱解氮 56.1 mg/kg、有效磷31.4 mg/kg、速效钾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，选择有代表性的3 a和5 a藤椒林（分别以TJ-3和TJ-5表示）及农耕地（CK）建立10 m×10 m的标准地各3个。于2016年10月上旬在每个标准地内采用蛇形5点取样法分别采集0～20cm和20～40cm土层混合样品，带回实验室后，将每个样品分为2份：一份于室内通风处自然风干后供土壤有机质测定；另一份新鲜样用于土壤自然含水量测定。同时用环刀采集各土层原状土壤样品测定土壤水分物理性质和渗透性。测定指标包括：土壤有机质、容重、毛管孔隙、非毛管孔隙、通气度、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、土壤贮水量、排水能力、初渗速率、稳渗速率、初渗系数K10和稳渗系数K10。测定方法：土壤水分物理性质和渗透性采用环刀法；有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法[22-23]。

土壤水源涵养功能是多个相关指标综合反映的结果，为了系统评价藤椒种植对坡地水源涵养功能的影响差异，采用隶属函数法[23]和主成分分析法[24]对各标准地土壤水源涵养功能指标（土壤有机质、容重、毛管孔隙、非毛管孔隙、通气度、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、土壤贮水量、排水能力、初渗速率、稳渗速率、初渗系数K10和稳渗系数K10）分析评价得到水源涵养功能综合值，其值越大表示水源涵养能力越好。

1.3 数据处理

文中数据采用SPSS 22.0软件进行统计和分析，表中数据均为平均值±标准差，各变量间的显著性检验采用单因子方差分析（ANOVA）和最小显著极差法（SSR）进行分析。

2 结果与分析

2.1 土壤有机质、容重与孔隙度

藤椒林各土层土壤有机质、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通气度均显著高于农耕地，而藤椒林土壤容重低于农耕地，但差异不显著（表1）。同时，藤椒林和农耕地0～20cm土层有机质、毛管孔隙、非毛管孔隙和通气度均高于20～40cm土层，而0～20cm土层容重均小于20～40cm土层。随着种植年限的增加，藤椒林土壤有机质、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和通气度增加；相反，农耕地转变为藤椒林后土壤容重降低。与农耕地相比，种植藤椒3 a和5 a后，0～40cm土层有机质、毛管孔隙、非毛管孔隙、总孔隙和通气度分别增加12.5%～21.1%、3.1%～11.4%、32.5%～71.0%、4.9%～12.8%和4.8%～13.0%。与TJ-3的0～40cm土层相比，TJ-5的土壤有机质、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度和通气度分别增加7.6%、5.7%、29.1%、7.5%和7.8%。说明坡地退耕成藤椒林后对土壤有机质、孔隙度和通气度具有重要的改善作用。

表1 藤椒林和农耕地土壤有机质、容重与孔隙度Table 1 Soil organic matter,bulk density and porosity of Zanthoxylum armatum plantation and farmland

2.2 土壤持水性、贮水量和排水能力

藤椒林各土层自然含水量、最大持水量、最小持水量、非毛管持水量和土壤贮水量均显著高于农耕地，而毛管持水量和排水能力差异不显著（表2）。0～20cm土层各指标均高于20～40cm土层。与农耕地相比，坡地退耕为藤椒3 a和5 a后，0～40cm土层土壤自然含水量、最大持水量、最小持水量和非毛管持水量分别增加6.4%～15.4%、4.9%～12.8%、4.5%～11.7%和32.8%～71.1%。与TJ-3的0～40cm土层相比，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别增加8.5%、7.5%、6.9%和28.8%，且TJ-5与TJ-3差异显著。坡地退耕成藤椒林后，0～40cm土层土壤贮水量增加4.9%～12.6%。TJ-5比TJ-30～40cm土层的土壤贮水量提高7.3%。说明坡地退耕成藤椒林后对土壤持水量和贮水量均有较好的提高作用。

表2 藤椒林和农耕地土壤持水性与排水能力Table 2 Soil water holding capacity and drainage capacity of Zanthoxylum armatum plantation and farmland

2.3 土壤渗透性

藤椒林各土层初渗速率、稳渗速率、初渗系数K10和稳渗系数K10均显著高于农耕地，0～20cm土层渗透速率和渗透系数均低于20～40cm土层（表3）。随着种植年限的增加，藤椒林土壤渗透速率和渗透系数K10增加，且0～20cm土层与20～40cm土层的差值减小。与农耕地相比，坡地退耕为藤椒3 a和5 a后，0～40cm土层土壤初渗速率和稳渗速率分别增加66.3%～134.9%和72.7%～153.0%；初渗系数K10和稳渗系数K10分别增加67.7%～139.6%和72.0%～156.0%。与TJ-3的0～40cm土层相比，TJ-5的初渗速率、稳渗速率、初渗系数K10和稳渗系数K10分别增加42.3%、46.5%、42.9%和48.8%，且TJ-5与TJ-3差异显著。说明坡地退耕成藤椒林后对土壤渗透速率和渗透系数K10均有显著的提高作用，能有效增加土壤渗透性和减少地表径流。

表3 藤椒林和农耕地土壤渗透性及水源涵养综合值Table 3 Soil permeability and comprehensive value of Zanthoxylum armatum plantation and farmland

2.4 土壤水源涵养功能综合评价

利用隶属度函数法和主成分分析法分别计算得到水源涵养综合值Ⅰ和水源涵养综合值Ⅱ。由表3可知，藤椒林水源涵养综合值均显著高于农耕地，且随着种植年限的增加而增加，呈TJ-5＞TJ-3＞CK的变化规律；TJ-3与CK处理0～20cm土层水源涵养综合值与20～40cm土层相当，而TJ-5处理0～20cm土层水源涵养综合值显著高于20～40cm土层。隶属度函数法评价中，TJ-5和TJ-3的水源涵养综合值Ⅰ分别比CK提高200.8%和454.9%；主成分分析法评价中，TJ-5和TJ-3的水源涵养综合值Ⅱ分别比CK提高200.0%和461.5%，两种水源涵养功能评价方法评价结果差异不大，均可作为土壤水源涵养功能评价体系的研究方法。说明坡地退耕成藤椒林后对土壤水源涵养功能提升显著，且随着种植年限的增加，提升效果更为明显。由表4相关性分析可知，土壤水源涵养综合值Ⅰ（综合值Ⅱ相似）与有机质、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、总孔隙度、通气度、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、土壤贮水量、稳渗速率和稳渗系数K10显著相关（p＜0.05），与容重和排水能力相关性不显著（p＞0.05）。

3 讨论

土壤有机质是维持土壤结构的重要组成部分，对土壤容重、孔隙度及持水性具有重要的影响。有研究结果表明种植花椒能提高土壤有机质含量，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，如郭天雷等[25]的研究发现，紫色丘陵区坡耕地种植花椒生物埂7 a后0～20cm土层土壤有机质含量比农耕地增加45.8%，容重降低16.7%，毛管孔隙、非毛管孔隙和总孔隙分别增加15.3%、12.5%和14.3%；吴丽丽等[14]对坡耕地种植花椒生物埂的研究发现，土壤有机质含量比农耕地提高48.6%，容重降低29.5%，总孔隙增加28.4%；杨志荣等[13]的研究发现，径流小区种植花椒7 a后，容重比农耕地降低10.8%，毛管孔隙、非毛管孔隙和总孔隙比农耕地分别增加3.5%、44.9%和10.3%。相反，也有研究结果表明种植花椒对土壤有机质含量没有提高作用，如郑郁等[27]对金沙江干热河谷区的研究发现，花椒林土壤有机质含量与玉米农耕地无差异。本研究发现，坡地退耕成藤椒林后，土壤有机质含量比农耕地提高12.5%～21.1%，容重变化不显著，毛管孔隙、非毛管孔隙、总孔隙和通气度显著增加。这与多数学者的研究结果相同，而与郑郁等[27]的研究结果有一定差异，可能是本研究采用了“以采代剪”的管理方式，和采摘后的枝叶剩余物均原位还地，其分解后为藤椒林地提供了大量的有机物质和养分，有助于增加土壤有机质，改善土壤容重和孔隙度，提高土壤水源涵养功能。

表4 土壤水源涵养综合值与各指标相关性分析Table 4 Correlation analysis between comprehensive value of soil water conservation and its indexes

土壤是水分储蓄和供给的主要场所，土壤持水量、贮水和排水能力是衡量土壤水源涵养功能的重要指标[28]。大量的研究结果表明种植花椒能提高土壤持水性能，如杨志荣等[13]的研究发现，径流小区种植花椒7 a后，0～30cm土壤自然含水量、最大持水量和毛管持水量比农耕地升高58.7%、22.7%和20.9%，贮水量比农耕地增加48.7%；吴丽丽等[14]的研究发现，7 a花椒坡耕地生物埂土壤自然含水量比草埂增加35.8%；鲍乾等[15]的研究发现，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%；汪三树等[17]对重庆紫色丘陵区坡耕地生物埂研究发现，7 a花椒生物埂0～20cm土层最大和最小持水量比草埂分别增加33.1%和6.3%。相反，也有研究结果表明种植花椒对土壤持水性有降低作用，如何艳等[19]的研究发现，8 a花椒林地0～20cm土层自然含水量比耕地低4.8%。本研究结果发现，坡地退耕成藤椒林后各土层持水量、贮水量和排水能力均高于农耕地。因此，藤椒种植对改善土壤持水性和排水性具有重要的作用。

土壤渗透能力表征土壤透水和涵蓄水性能的高低，较高的土壤渗透性能减缓地表径流，缓解水土流失，增加土壤水源涵养性能[29-30]。研究结果表明种植花椒能显著提高土壤渗透性能。魏玉君等[31]的研究发现，0～20cm土层花椒条田初渗速率和稳渗速率分别比对照高10.3%和25.0%；谭润民等[32]的研究发现坡地种植花椒后，土壤渗透速率比对照增加100.0%；高福军等[33]的研究发现不同径流小区中，4 a花椒林地土壤渗透速率比对照增加70.5%；汪三树等[17]的研究发现，丘陵区坡耕地花椒埂土壤初渗速率和稳渗速率分别比草埂增高54.3%和181.6%；郭天雷等[25]的研究结果与汪三树等相似，坡地花椒埂的初渗速率和稳渗速率均显著高于草埂。本研究结果发现，坡地退耕成藤椒林后0～40cm土层土壤初渗速率和稳渗速率分别增加66.3%～134.9%和72.7%～153.0%；初渗系数K10和稳渗系数K10则分别增加67.7%～139.6%和72.0%～156.0%。藤椒林地渗透速率和渗透系数均显著增加，其原因可能是藤椒根系的生长对土壤的穿插作用强，且枝叶还地后有机质增加，土壤孔隙度增大、容重减小，从而改善藤椒林地土壤渗透性有关。

4 结论

坡地退耕成藤椒林后，0～40cm土层土壤有机质、孔隙度、通气度、持水量、贮水量、排水能力和渗透性能均有不同程度的提高，且随藤椒种植年限的增加而升高；土壤容重下降，随种植年限的增加而降低。隶属度函数法和主成分分析法均可用于评价土壤水源涵养功能，种植藤椒3 a和5 a后土壤水源涵养综合值均显著高于农耕地，且随着种植年限的增加而增大，呈TJ-5＞TJ-3＞CK的变化趋势。因此，坡地退耕成藤椒林对提高土壤水源涵养功能、减免水土流失、改善区域生态环境具有重要意义。

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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

四川省农作物育种攻关项目（2016NYZ0035）；四川省农业科技成果转化项目（16NZ0067）。

唐海龙，博士研究生，E-mail:tanghl2010@163.com。*责任作者：龚伟，教授，主要从事森林培育及经济林研究，E-mail:gongwei@sicau.edu.cn。

（本文审稿：沈会涛；责任编辑：巩艳红；英文编辑：徐振锋）