全 文 ：造林整地对栗钙土钙积层化学性质干扰的研究*
陈立新* * 赵雨森 张 岩 (东北林业大学森林资源与环境学院,哈尔滨 150040)
任启玉 (内蒙古巴林右旗黄花治沙林场, 巴林右旗 024000)
王丽和 (内蒙古扎兰屯林校, 扎兰屯 162650)
摘要 采用对比分析方法, 对不同年龄杨树人工林地整地与未整地土壤化学性质进行了研究. 结果表明, 经
犁沟整地破除钙积层后, 土壤化学性质约在 10 7年恢复到整地前状态,随后土壤养分迅速减小, 以至低于整地
前水平. 20 年后随着林地有机物质的积累, 养分开始回升,最终林地养分高于整地前水平. 土壤养分恢复的先后
顺序为有机质、CaCO 3、有效 N、全 P、全 N、速效 K 和有效 P, 恢复周期分别为 6、7、7 5、9、10、17、17 5 年.钙积层
部位恢复周期为 114 年, 恢复先后顺序为有效 N、全P、有机质、速效K、CaCO3、全 N 和有效 P,恢复周期为55、
6、6、8 5、9 5、10、34 年.
关键词 栗钙土 钙积层 化学性质 干扰 恢复周期
Disturbance of site preparation on chemical properties of calcic horizon in chestnut soil. Chen L ixin, Zhao Yuseng
and Zhang Yan ( Nor theast Forestry Univ ersity , H arbin 150040) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 1999, 10(2) : 159~ 162.
This study comparativ ely analyzed the soil chemical pr operties o f different aged poplar ( Populus spp. ) plantations with
and wit hout site pr eparation. After its calcic horizon was broken by ditchploughing , t he so il took about 10. 7 yr for its
chemical properties recovering to the st ate of no site prepar ation. After that, soil nutr ients decreased rapidly , and even
below to the level of no site preparation. Twenty years later , w ith the accumulation o f organic matter, soil nutrients
incr eased again, and ultimately higher than befor e site preparation. The successive order of soil nutr ient recover y was
organic matt er, CaCO 3, available N , total P , to tal N , rapidly available K, and available P, with the recovery cycle of
6, 7, 7. 5, 9, 10, 17 and 17. 5 yr, r espectiv ely; w hile the r ecovery cycle of soil nutr ients in calcic horizon w as 11. 4 yr ,
and the successive order w as available N , total P , organic matter, rapidly available K , CaCO3 , total N , and available
P, with the r ecovery cycle o f 5. 5, 6, 6, 8. 5, 9. 5, 10 and 34 y r, r espectively.
Key words Chestnut soil, Calcic horizon, Chemical propert ies, Disturbance, Recovery cycle.
* 国家! 九五∀科技攻关项目( 96- 007- 010- 403) .
* * 通讯联系人.
1998- 10- 28收稿, 1998- 12- 08接受.
1 引 言
内蒙古巴林右旗地处半干旱草原地带, 栗钙土占
全旗总面积的 4802% . 该地区栗钙土具有明显坚硬
的钙积层,树木根系很难穿透, 严重影响了树木生长.
虽然造林前进行整地能破除钙积层, 但是土壤表层中
的钙与有机质分解释放出的钙, 在雨季以重碳酸钙形
态向下淋溶,在土壤下层淀积形成新的钙积层,又重新
影响树木生长, 致使该地区!小老树∀现象较为普遍.以
往对栗钙土的研究主要针对成土条件、分类、土壤改
良、树种选择和造林技术以及高浓度重碳酸盐引起的
植物缺铁机理等方面做了大量工作[ 1~ 5, 8, 12~ 14] , 而对
栗钙土钙积层破除后土壤理化性质恢复周期的研究甚
少.为了搞清整地后钙积层重新形成的时间, 本文从土
壤化学性质角度,揭示了整地后土壤化学性质随整地
时间变化的规律,为成功地营造草牧场防护林提供理
论依据.
2 自然概况与研究方法
21 自然概况
试验地设在内蒙古赤峰市巴林右旗黄花林场, 该场地处我
国温带半干旱草原栗钙土地区, 大兴安岭的东南缘, 是著名的
科尔沁草原的组成部分, 地理坐标为 43#12∃55% ~ 44#27∃52%N,
118#12∃09%~ 120#04∃42%E.属于半干旱大陆性气候, 春季干旱、
风大, 年均气温 49 & , 无霜期 131d, 年均降水量 3576mm, 年
蒸发量为 2103mm,全年蒸发量为年降水总量 6 倍, 干旱年份可
达 12 倍,湿润度年均为 0 35,年均风速为 34m∋s- 1, 母岩以花
岗岩、花岗片麻岩及石英砂岩残积物、坡积物为主, 地带性土壤
属栗钙土,植被为草原类型, 主要为针茅+ 羊草+ 杂类草+ 山
杏灌丛草原,主要造林树种有杨树、樟子松、云杉、榆树等.
22 材料来源
样地位于黄花治沙林场境内,研究对象为 1~ 35 年生杨树
人工林地, 林地造林前用开沟犁开沟整地, 沟深 35 ~ 40cm, 沟
宽 40~ 50cm,在沟底人工深挖 25~ 30cm 的穴, 然后进行栽植,
应 用 生 态 学 报 1999 年 4 月 第 10 卷 第 2 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Apr. 1999, 10( 2)(159~ 162
株行距为 1m ) 4m. 按整地后 1、5、10、15、20、30、35 年不同年
龄,设置 7 块临时标准地, 在每块标准地内分整地和未整地挖 2
个土壤剖面,整地土壤剖面设置在株间,垂直于犁沟整地方向.
未整地土壤剖面设置在两行树之间.剖面按每 20cm 为一层, 自
上向下共分 3 层,并分层采样.
23 测定方法
土壤有机质测定采用重铬酸钾氧化法,全 N 测定采用半微
量凯氏法,全 P 测定采用酸溶钼锑抗比色法, 有效 N 采用碱解
扩散法,有效 P 采用碳酸氢钠浸提法,速效 K采用醋酸铵浸提
剂, PE5000 型原子吸收分光光度法, CaCO 3采用气量法.
3 结果与分析
31 土壤有机质的变化
开深沟整地将底层土壤翻上, 回填表层熟土, 增加
了深层土壤养分,同时整地后土壤的水、温、气等环境
条件得以改善[ 6, 13] , 微生物活动加剧, 促进了植物枝
叶的分解,从而使土壤有机质发生变化,尤其是土壤底
层更为明显.整地 1年后,土壤中有机质含量比未整地
增加 27倍, 其中 0~ 20cm 土层有机质增加 13 倍,
20~ 40cm 土层增加 40 倍, 40~ 60cm 土层增加 88
倍(表 1) .
表 1 整地与未整地土壤有机质含量的比较
Table 1 Comparison of organic matter content between si te preparation
and no site preparation(%)
类型
T ype
采样深度
Depth
( cm)
年 龄 Age( yr. )
1 5 10 15 20 30 35
整地 0~ 20 4254 1894 2100 2343 3266 4560 3207
S ite 20~ 40 3528 2540 2800 1548 2068 3967 1290
prepar 40~ 60 2. 733 1. 547 1. 257 0. 432 3. 103 2. 078 2. 828
ation 平均 Mean3. 505 1. 994 2. 052 1. 441 2. 812 3. 535 2. 442
未整地 0~ 20 1. 850 2. 526 2. 020 2. 197 3. 549 3. 309 3. 410
No site 20~ 40 0. 700 2. 092 2. 476 3. 292 2. 864 1. 594 1. 783
preparat ion 40~ 60 0. 280 0. 890 3. 710 1. 315 1. 571 2. 778 0. 975
平均 Mean0. 943 1. 836 2. 735 2. 268 2. 661 2. 560 2. 056
整地后土壤有机质显著增加, 土壤养分提高, 因而
造林成活率增加, 促进了幼林生长. 但是这种增加趋
势,只是在整地初期几年内显著, 后期由于土壤水分、
总孔隙度、硬度等物理性质的逐渐恢复[ 7] , 土壤中有
机质含量会迅速下降, 以致下降至整地前水平之后仍
继续下降.实验结果也表明了这一点,整地 5年后土壤
有机质比整地前增加 86% , 6年时有机质下降至整地
前水平,整地 10、15年有机质分别减少 25%、365%.
20年以后随着树木生长, 森林生态环境形成, 有机物
质不断积累,土壤有机质会逐渐回升,以至恢复到整地
前水平之后,仍继续上升,整地 30、35年土壤有机质分
别增加 381%和 188% (表 1) .
由表 1可以看出, 1~ 35年林地有机质的变化可
分为 4个阶段: 1~ 6年由于整地作用有机质处于增加
阶段; 6~ 15年整地后有机质下降阶段; 15~ 19年为恢
复阶段; 19~ 35 年防护林!自肥作用∀, 有机质重新增
加阶段.当各土层整地提高有机质作用消失, 出现整地
与未整地有机质相等时, 认为此时期为土壤干扰后的
恢复周期.因此,整地后土壤有机质恢复到整地前状态
需 6年,即土壤有机质恢复周期为 6年.这一结果与三
好洋[ 10]通过翻耕土地改善土壤物理性效果消失时间
相近(效果消失时间 5年) .土壤垂直恢复顺序为先土
壤表层和土壤底层, 后中间层. 其中 0~ 20cm 土层有
机质恢复周期为 4年, 20~ 40cm 土层为 105年, 40~
60cm 为 6年.钙积层部位恢复周期也为 6年.
32 土壤 CaCO3 含量的变化
调查地区栗钙土通体土壤均有石灰性反应,有明
显的钙积层. 整地破除钙积层之后, 使 CaCO3 含量在
土体中重新分配,表现出在表层含量减少、在底层增加
的趋势. 整地 5年后 CaCO3 含量降低 355% ,其中在
0~ 20cm 土层降低 220% , 在 20 ~ 40cm 土层降低
662%,在 40~ 60cm 土层增加 43% (表 2) . 这是因
为整地后土壤疏松、渗透率增加, 有机物分解加快, 使
表土残存的钙和有机质分解释放出的钙, 以重碳酸钙
形态向下淋失, 在土壤底层重新聚积造成的.
表 2 整地与未整地土壤碳酸钙含量的比较
Table 2 Comparison of CaCO3 content between si te preparation and no si te
preparation(%)
类型
T ype
采样深度
Depth( cm)
年 龄 Age( yr. )
5 10 15 20 30 35
整地 0~ 20 1. 31 0. 32 10. 64 3. 74 8. 46 1. 62
S ite 20~ 40 5. 52 18. 27 12. 94 2. 86 1. 69 9. 97
preparat ion 40~ 60 12. 58 15. 67 24. 29 2. 97 3. 98 6. 91
平均 Mean 6. 47 11. 42 15. 96 3. 19 4. 71 6. 17
未整地 0~ 20 1. 68 1. 80 8. 99 7. 19 4. 21 1. 81
No site 20~ 40 16. 35 3. 91 17. 99 8. 80 4. 47 5. 06
preparat ion 40~ 60 12. 06 15. 74 9. 04 3. 36 3. 54 12. 20
平均 Mean 10. 03 7. 15 12. 01 6. 45 4. 07 6. 36
整地后土壤 CaCO3 含量显著减少,这种减少趋势
仅在整地初期 7年内显著, 随着 CaCO3 重新淋溶、淀
积和土壤物理性质的恢复, CaCO3 含量迅速增加,以至
增加到整地前状态.整地 15 年后土壤中 CaCO3 含量
迅速降低,随后又出现 CaCO3含量增加的趋势.因此,
整地后土壤 CaCO3 含量恢复到整地前水平需要 7年,
恢复顺序为先土壤中间层和底层, 后土壤表层, 0~
20cm CaCO3 含量恢复周期为 125年, 20~ 40cm土层
为 7年, 40~ 60cm 土层为 95年. 钙积层部位恢复周
期为 95年.
33 土壤全量养分的变化
整地后土壤的水、气、热条件均利于微生物活动和
有机物质的分解,这使整地后初期土壤全量养分表现
为一定程度的增加. 增加的养分大部分能及时被造林
地植物吸收和利用. 随着整地后土壤物理性质的恢复,
160 应 用 生 态 学 报 10卷
表 3 整地与未整地土壤全 N和全 P含量的比较
Table 3 Comparison of total N and P between si te preparation and no si te preparation(%)
养分含量
Nutrient
content ( % )
采样深度
Depth
( cm)
整地年龄 Site preparat ion age(yr)
1 5 10 15 20 30 35
未整地年龄 No site preparast ion age( yr)
1 5 10 15 20 30 35
全 N 0~ 20 0122 0081 0009 0068 0058 0123 0071 0101 0086 0027 0078 0069 0079 0034
T otal N 20~ 40 0027 0041 0011 0007 0046 0112 0033 0047 0011 0052 0067 0135 0049 0005
40~ 60 0125 0131 0043 0027 0049 0417 0005 0042 0024 0067 0006 0038 0022 0038
平均 Mean 0091 0084 0021 0034 0051 0217 0036 0063 0040 0049 0050 0081 0050 0026
全磷 0~ 20 0038 0030 0035 0035 0032 0064 0030 0020 0029 0041 0038 0037 0043 0060
T otal P 20~ 40 0035 0036 0034 0047 0039 0043 0035 0010 0036 0043 0036 0061 0049 0039
40~ 60 0040 0026 0023 0031 0038 0031 0035 0005 0022 0038 0032 0041 0042 0037
平均 Mean 0038 0031 0031 0038 0036 0046 0033 0012 0029 0041 0035 0046 0045 0045
整地效果逐渐消失, 枯落物分解减缓,有机质降低, 从
而使土壤全N、全 P 养分含量迅速下降,以至低于原来
的水平. 20 年以后随着树木的生长, 林地有机物质不
断积累,林地有机质增加, 土壤全 N 和全 P 养分会逐
渐回升,恢复到整地前状态甚至高于原土壤养分(表
3) .
结果证明, 犁沟整地后 1~ 10年内,土壤养分元素
不同程度地得到提高.整地 1年后,全 N提高 444%,
全P 提高 2167% , 整地 5 年后全 N、全 P 分别提高
1. 1倍和 6. 9%. 整地 10~ 20年内土壤养分元素低于
原养分水平. 整地 10 年后, 全 N、全 P 分别降低
571%和 244% , 20年以后土壤养分呈现出逐渐增加
的趋势.整地后 30 年全 N、全 P 增加 334%和 22%.
因此,整地后土壤全 N、全 P营养元素恢复到整地前状
态约需 10和 9年, 其中全 N: 0~ 20cm 土层恢复周期
为 4年, 20~ 40和 40~ 60cm,土层恢复周期为 2和 10
年;全 P: 0~ 20、20~ 40和 40~ 60cm 土层恢复周期分
别为 6、10和 6年.土壤层次恢复顺序: 全 N 为先中间
和表层,最后是底层;全 P 为先底层和表层, 最后是中
间层. 钙积层全 N、全 P 恢复整地前水平, 其恢复周期
10和 6年.
34 土壤速效养分的变化
栗钙土 pH 值偏大, CaCO3 含量高,严重地影响了
土壤中有效P、Fe和 K等元素的浓度,造成植物缺 Fe、
P和 K[ 9] .整地后可以改善土壤物理性质,促进有机养
分的分解和矿化作用,特别是 N、P 等养分可以从无效
态转化为林木根系吸收利用的有效状态. 同时整地加
剧了土壤风化, 促进可溶性盐类的释放和各种营养元
素的有效化,尤其有效 K的提高更为明显[ 6] .
整地后提高了土壤有效 N,这种效果在整地 1~ 5
年更为显著.整地 1年后,有效 N 提高 912% ,其中 0
~ 20cm 土层提高 577%, 20 ~ 40cm 土层提高
102%, 40~ 60cm 土层提高 5613% . 整地 10年后土
壤表层有效 N 下降至比原水平还低, 而底层仍高出整
地前水平, 表明有效 N 的恢复也是先土壤表层和底
层,后土壤中间层. 0~ 20、20~ 40和 40~ 60cm 土层恢
复周期分别为 55、13 和 55年(表 4) . 整地 10年后
有效 N 逐渐降低, 恢复到整地前状态之后仍继续降
低,这种状态一直持续到 35年.因此, 土壤有效 N 恢
复到整地前水平所需要时间约 75 年, 钙积层部位有
效 N恢复周期为 55年.
土壤有效 P 的变化也呈一定规律性,整地提高了
土壤有效 P, 这种效果 1~ 5 年显著. 10~ 15年有效 P
迅速降低,低于整地前状态, 15年以后又开始增加.因
此,从 0~ 60cm 土壤平均值看, 土壤有效 P 恢复周期
为175年,钙积层部位有效P 恢复周期为 34年. 各土
表 4 整地与未整地土壤有效养分含量的比较
Table 4 Comparison of available nutrinent content between site preparation and no si te preparation(g∋g- 1)
养分含量
Available
nut rient
content
( g∋g- 1)
采样深度
Depth
( cm)
整地年龄 S ite preparat ion age( yr. )
1 5 10 15 20 30 35
未整地年龄No site preparast ion age( yr. )
1 5 10 15 20 30 35
有效 N 0~ 20 148398 85834 34910 95094 98536 123575 47918 94078 84779 48727 79661 53914 97865 48599
Available 20~ 40 55053 67168 62852 27718 59891 18175 21071 49973 39331 34740 49509 189662 82001 17926
N 40~ 60 101272 23455 20753 6858 77651 40323 20918 15313 20934 68434 60595 59665 176293 41690
平均 Mean 101568 58819 39505 43223 78693 60691 29969 53121 48348 50634 63255 101080 118720 36072
有效磷 0~ 20 1586 14234 6617 1903 1235 1469 2546 0032 2175 4920 1064 2074 1332 5131
Available 20~ 40 1329 1456 0717 0203 0555 9211 1431 0475 1027 0610 1319 1292 1587 2259
P 40~ 60 0818 1413 0874 2237 1303 2042 0440 0410 0864 0828 0715 0562 0509 0873
平均 Mean 1244 5701 2736 1448 1031 4241 1472 0306 1355 2119 1032 1309 1143 2754
速效钾 0~ 20 - 252847 72433 111765 184524 137183 107199 - 89050 56296 103237 91367 115976 63857
Rapidly 20~ 40 - 91374 53532 29710 89592 57704 75283 - 111596 46374 71765 209941 73901 84113
available 40~ 60 - 93233 41604 93454 91913 92708 88378 - 50808 59991 45686 73662 62200 66452
K 平均 Mean - 145818 55856 78310 122010 95865 90287 - 83818 54220 73563 124990 84026 71474
1612 期 陈立新等:造林整地对栗钙土钙积层化学性质干扰的研究
层恢复顺序先土壤中间层和表层, 后土壤底层. 0~ 20、
20~ 40和 40~ 60cm 土层恢复周期分别为 175、105
和 34年(表 4) .
整地提高了土壤中速效 K 的含量,但是这种增加
趋势在整地初期几年明显,随着整地时间的延长, 由整
地带来的效果逐渐消失. 在一定时期,恢复到整地前状
态,甚至有所下降.速效 K表层没有明显恢复趋势. 20
~ 40和 40~ 60cm 土层恢复周期为 115和 85年(表
4) ,各层土壤恢复顺序为先底层后表层.土壤恢复周期
为 17年, 钙积层部位为 85年.
4 结论与讨论
41 整地后,林地土壤化学性质发生了相应变化. 主
要表现在: CaCO3含量整地初期降低,而后增加,土壤
有机质及土壤养分(全 N、全 P、有效 N、P、K)整地后
初期明显增加,随后迅速减小, 以至低于整地前水平.
20年后随着林木生长和森林环境的形成以及林地有
机物质的不断积累, 养分又有增加趋势,最终林地养分
高于造林前水平.
42 随土壤深度变化,土壤化学性质呈一定规律性.
土壤有机质、全 P、有效N 恢复时间顺序为先土壤表层
和底层,后土壤中间层; CaCO3、全 N、有效 P 恢复时间
顺序为先土壤中间层, 后土壤表层和底层;速效 K 恢
复时间顺序为先底层后表层. 0~ 20、20~ 40 和 40~
60cm 土壤有机质、CaCO3、全 N、全 P、有效 N、有效 P、
速效 K恢复周期分别为 4、10. 5、6年; 125、7、95年;
4、2、10年; 6、10、6 年; 55、13、55 年; 115、105、34
年; 115、85年.
43 整地破除钙积层后,土壤化学性质恢复整地前水
平需 107年,养分恢复的先后顺序为有机质、CaCO3、
有效 N、全 P、全 N、速效 K和有效 P,恢复周期分别为
6、7、75、9、10、17、175年; 钙积层部位养分恢复周期
为114年, 恢复的先后顺序为有效 N、全 P、有机质、
速效 K、CaCO3、全 N 和有效 P, 恢复周期为 55、6、6、
85、95、10、34年. 其中 0~ 20、20~ 40 和 40~ 60cm
土层恢复周期为 81、92、114年.
44 根据以上结论建议在栗钙土地区造林, 为了提高
造林成活率、促进林木生长, 造林前用深松犁破碎心
土,消除坚硬的钙积层.同时在穴底增施堆肥或厩肥,
可延长钙积层恢复时间. 另外,选择根系穿透能力强或
浅根性的树种(如白榆、山杏、杨树、云杉等)或对针叶
树种和杨树等树种造林时根系接种外生菌根,增强树
种的抗逆性和扩大根系营养空间. 也可以在树木速生
期到来之后、钙积层恢复之前, 6~ 10年之间,在树木
行间或株间,用深松犁或深松爆破技术及时进行深松,
达到林木速生丰产的目的.
参考文献
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作者简介 陈立新,女, 34 岁,硕士, 讲师,主要研究森林土壤营
养管理,发表论文 7 篇. Email: wzqsilv@ public. hr. hl. cn
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