導  讀

我國東北黑土地是世界上最肥沃的土壤，土壤環境質量良好，適合優質農產品生產。黑土地開墾時間約200年，但是土壤肥力發生了巨大變化。開墾后大約經歷了30年有機質含量快速下降期，使土壤中氮、磷和鉀的比例更適合作物生長且肥力不斷的提高； 此后，土壤有機質呈現緩慢下降的趨勢，土壤肥力也隨之下降，這部分土壤有機質流失導致了黑土地退化。政府先后采取了多項黑土保護措施，獲得了初步成效。建議進一步深化黑土地的科學技術研究；強化黑土保護政策的可持續性；建立可靠的野外監測網絡，積累有價值的基礎數據；實行黑土地保護的科技-管理-生產三位一體方式，實現全民保護黑土地。

文/韓曉增 鄒文秀（中國科學院東北地理與農業生態研究所）

來源：中國科學院院刊（2018年第2期）

我國東北黑土地主要分布在黑龍江、吉林、遼寧和內蒙古東四盟，總面積124.4萬平方公里。黑土地主要是在溫帶和寒溫帶草原化草甸植被下形成的一類表層含有暗色腐殖化物質的土壤，俗稱“黑土地”，美國土壤分類系統稱為“軟土”，中國土壤分類系統稱為“均腐土”。黑土地在全球范圍內面積約900萬平方公里，占陸地總面積的7%，集中分布在俄羅斯大平原、美國密西西比河流域和我國東北平原。黑土地是由中國土壤發生分類的黑土、黑鈣土、白漿土、草甸土、棕壤和暗棕壤等土類組成，是世界上最肥沃的土壤。東北黑土地是我國糧食安全的壓艙石，糧食產量占全國的1/4，商品量占全國的1/4，調出量占全國的1/3。

黑土地的開發始于清朝末期，開墾極為緩慢，均是在地形適宜的肥沃平原上采用原始的人畜方式開墾。第一次黑土地大面積開墾始于20世紀50年代末至60年代初，主要是由轉業官兵成建制來到了松嫩平原的中北部和三江平原，開墾地勢相對平坦但交通不便的肥沃黑土地。20世紀60年代末至70 年代，大量的城市“知識青年”也來到了這個地區繼續開墾。此時大面積的草地、林地和濕地已經被開墾，大量坡地的草木被砍伐一空，

大量的濕地變成了耕地。開墾初期錯誤地認為肥沃的黑土地可以在沒有任何投入的情況下持續利用，進而以掠奪性生產方式貫穿整個黑土地開墾過程，導致東北黑土地質量快速下降，生產上必須依賴投入大量化肥才能獲得高產。因此，如何能更好地保護黑土地，又能不斷地提高黑土地的質量，滿足國家糧食安全和生態安全的雙重需求，是亟待解決的重大問題。

1 黑土質量現狀與存在的問題

1.1 開墾后期土壤有機質含量降低導致耕地地力下降

自然黑土是在第三紀、第四紀更新世或者全新世的砂礫和黏土層上發育的土壤，其在雨熱同季的氣候下，形成了茂密的植被層，然后因迅速轉冷而結冰，土壤表層有機物質的積累大于分解，經過幾千年的時間形成了深厚肥沃的黑土層。黑土開墾后的土壤質量變化大致經歷了兩個階段（圖 1）。

第一個階段是農田作物代替了自然植被，由于作物的秸稈和籽粒移除土壤和耕作，導致土壤有機質快速分解，分解過程中釋放的氮、磷和鉀有利于作物生長，土壤肥力不斷增強。這一階段大約經歷了30年，此時東北北部地區土壤有機質每年下降速度為 1.5%—2.6%，東北南部地區每年下降速度為0.5%—0.7%。

第二階段為穩定性農業利用階段，土壤有機質平均以每年0.1% 左右速度下降，這個階段雖然有機質下降的速度變慢，但是對土壤肥力的影響是至關重要的。當其他生產條件相同的情況下，土壤有機質含量每下降0.5%，作物產量則下降15.0% 甚至更多。為了保住農作物產量，農民不得不大量使用化肥；然而，化肥投入量越來越高，其利用率卻不斷下降。

1.2 坡耕地水土流嚴重

水土流失主要是指將肥沃的黑土層流失殆盡，土壤亞表層或者黃土狀母質露出地表，從而導致地表土壤有機質含量顯著下降，降低了土壤生產力，甚至使部分土壤喪失生產能力。黑土地是由坡度小、坡面長的漫川漫崗所組成的。開墾初期，大于3.0°坡的地形，經常發生劇烈的面蝕和溝蝕，二者交替進行。我國東北黑土地開墾的前10年，每年平均流失土層厚度在1.0—3.0cm；而隨著開墾年限的延長和農民采取了水保措施，目前每年流失量在 1.0—3.0mm 之間。水土流失導致農田干旱，作物利用大氣降水能力降低，表層所含的有機質和營養元素遷移導致土壤貧瘠；農民為了降低這部分損失，加大了化肥使用量，與平地相比，坡耕地化肥施用量增加了30%左右，而未被利用的化肥一部分進入水體污染環境。

1.3 黑土地環境質量存在著潛在被污染的風險

我國東北黑土地比較潔凈，除了遼河流域少部分區域外，其他地區土壤基本沒有污染，是我國重要的有機農產品生產基地。由于氣候寒冷，種植業復種指數低，病蟲草害發生程度較輕，農藥使用量相對較小，目前為止還沒有出現大面積有機氯農藥、多環芳烴、多氯聯苯和硝基芳香化合物的污染，僅局部地區有少量的點源污染。在土壤成土母質中，重金屬含量比較低，加上耕地地形條件和一年一季的生產方式，到目前為止土壤比較健康。對22 個典型市縣的土壤樣品中鎘（Cd）、鉛（Pb）、銅（Cu）和鋅（Zn）進行檢測分析，4種重金屬的檢出范圍依次為0.13—2.31 mg/kg、10.52—57.48 mg/kg、42.13—227.10 mg/kg 和9.95—46.18 mg/kg。在4種重金屬變化值范圍內，高端數值的土壤樣品全部來自于城市周邊土壤和設施蔬菜土壤，說明我國東北黑土地雖然土壤環境質量相對較好，但也有潛在污染發生的可能性，在環境保護方面仍然需要給予足夠的重視。

2 黑土地保護措施的調控成效與亟待解決的問題

為了保護東北黑土地這個世界性的珍貴土地資源和建立優質農產品生產基地，中央和地方政府先后實施了中低產田改造、沃土工程、測土配方施肥和黑土地保護工程，以多樣化的方式開展了黑土地的保護和肥力提升工作，取得了顯著成效，但同時仍存在一些亟待解決的問題。

2.1 秸稈還田技術成效

目前，東北黑土地秸稈還田方式主要包括秸稈覆蓋還田、混土還田和秸稈離田漚制有機肥還田等3種方式。

秸稈覆蓋還田包括全免耕全覆蓋還田和間隔免耕間隔覆蓋兩種。秸稈全免耕-全覆蓋還田最早是由張曉平于2002年在東北區開展的一項技術，同時引進了相應的農業機具并國產化。該項技術對于保護土壤水分、控制水土流失和減少秸稈在田間燃燒污染環境方面起到了引領的作用。但是由于秸稈地面覆蓋后，土壤解凍提溫慢，影響種子發芽出苗，同時存在春季播種困難等問題，該項技術應用受到了限制；秸稈覆蓋后在地面腐解，腐解物與土壤接觸受限，分解后以氣體的形式直接進入大氣，或者在地表0—5 cm內富集，影響土壤有機質在整個土層中的提升。間隔免耕-間隔覆蓋技術最早是由吉林農業科學院劉武仁于1999年提出，核心技術內容包括玉米寬窄行播種，條帶間隔深松，玉米秸稈全量還田方式為條帶間隔覆蓋。這項技術解決了土壤解凍提溫慢、春季播種困難和易跑墑的問題，但是限制提升耕層土壤有機質含量的問題仍然未得到有效解決。

秸稈混土還田包括玉米秸稈深混、淺混和深埋3種技術途徑。韓曉增于2005年提出了玉米秸稈深混還田方式。方式一，將秸稈深混到20—35cm 土層中，秸稈的腐殖化系數0.13，半腐解物殘存率提高了16.7%；該方式的優點是保水、改土、快速提升亞耕層土壤有機質含量。方式二，將秸稈深混到0—35cm 全層，腐殖化系數為0.17，半腐解物的含量提高了16.9% 。玉米秸稈連續還田3年，黑土地0—35cm 表層有機質含量增加了1.47 g/kg，平均增加29% 以上；對于保護黑土層、保護土壤水分和提高春季土壤溫度均具有較好的效果。秸稈淺混還田是將秸稈還入0—15cm 左右表層土壤中，由于還田深度的限制，秸稈與土壤的比例不合理，導致土壤容易跑墑，不利于春季作物出苗。秸稈深埋還田是將秸稈埋入40cm 土層以下，能夠增加土壤中某一層土壤有機質的含量，但是不能全層提高土壤有機質含量。

2.2 有機肥還田成效

有機肥在黑土保護中的作用已經得到了廣泛認可，其功能主要包括提高土壤養分含量，增加黑土表層腐殖化物質的含量，從而改善土壤的肥力屬性，有利于黑土層的保育。來源于人畜糞污和農業生產中廢棄的有機物，經過無害化處理后形成了能夠培肥土壤的有機物料。不同來源有機物料形成的有機肥，在施用后的腐殖化系數范圍為0.3—0.6，加權平均0.36。有機肥對黑土保護作用主要表現在“質”和“量”的差異。當有機肥的有機質含量 > 70.0%（烘干基），施用量在6000±1500kg/hm2 以上時，連續施用3年，黑土地土壤有機質含量能夠增加0.9—1.8 g/kg，0—35cm 黑土地表層土壤腐殖化物質增加36.0%以上。有機肥中有機質含量和施用量小于上述閾值，則不能提升黑土層腐殖化物質的含量，僅能改善土壤某些肥力屬性，達到短期增產目的。

2.3 作物輪作措施的成效

目前，黑土地區主栽作物包括玉米、大豆和水稻。受氣候條件制約，該區域一年一季，水田和旱田不能進行輪作，以旱地作物輪作為主。20世紀80年代以前，以玉米、大豆和小麥輪作為主，也有少部分玉米、大豆和雜糧輪作，基本保持了土壤肥力。從20 世紀80年代開始，農業生產開始關注經濟效益，卻忽視了輪作效應，在黑土地南部玉米連作成為主要種植方式，而北部大豆連作則成為主要種植方式；然而到了2000年以后，受經濟效益驅動，玉米連作成了黑土地區域內主要的種植方式。大豆連作對土壤的影響主要表現在增加了土壤中土傳病蟲害的發生，加長、加大了土壤有害生物鏈和生物網，導致土壤生物肥力下降，進而降低大豆產量。在黑土地北部土壤有機質含量較高的地區，玉米連作導致黑土地表層土壤有機質含量下降，連作21年后有機質含量下降了14.7%，土壤容重增加了16.3%，土壤基礎肥力降低。

輪作有利于黑土地保護。在玉米-玉米-大豆輪作模式下，黑土層有機質含量增加了0.15g/kg，比玉米連作條件下土壤有機質提高 7.5%，玉米產量提高了11.2%。大豆-玉米輪作比連作玉米土壤有機質含量提高了15.6%，大豆茬比玉米茬土壤水分含量提高了 21.5%，速效磷含量提高了16.3%。如果以連作玉米的產量為對照，大豆和玉米兩區輪作使玉米增產 8.8%；玉米-大豆-小麥三區種植，玉米增產14.1%。

2.4 黑土層保護的技術成效

根據黑土的剖面構型、黑土層的性質、黑土層退化特征以及旱地主栽作物根系在土體中分布和區域的氣候條件，研發出黑土層保護技術體系，實現黑土保護與可持續生產并行的效果。在玉米等旱地作物收獲后，采用具有秸稈粉碎功能的機具將秸稈破碎拋灑在田面，然后采用螺旋式犁壁犁，將0—35cm 土層旋轉90±30°，均勻將秸稈深混到0—35cm土層之中。也可以用優質有機肥替代秸稈深混到0—35cm 土層之中，或者秸稈配合優質有機肥深混到0—35cm土層之中。黑土層保護技術提升黑土表層蓄水能力，飽和含水量達到了210mm 以上，田間持水能力達到了140mm 以上，可以保證99%的單次降水全部儲存于土壤之中，并且提高了土壤供水能力，有效地調節了區域性的年際間和季節間的降水不均問題。全表層提升土壤腐殖化物質的含量，通過機械深混的功能，實行 3 次黑土層保護技術后，就能夠使0—35cm土層中每個位點的土壤的位置互換一次，使新加入的秸稈和有機肥能在土壤表層均勻分布，有利于黑土表層有機質的增補和更新。同時由于該項操作是在秋季實行，通過土層互換，使土壤病原菌和蟲卵置于土壤表面，經過凍融和太陽紫外線照射，部分病原菌和蟲卵會死亡，從而減輕了次年病蟲害發生。土層位置互換還可以改善土壤物理結構，活化土壤養分，有利于作物生長發育。

經過近10年的努力，我國東北地區黑土地有機質下降速度過快的問題，已經得到基本控制，目前亟須解決的問題是如何進一步提升、恢復黑土地原有的高肥力屬性和定向培育改良一些障礙性屬性。

3 黑土地保護的問題與建議

3.1 高度重視大中型養殖場畜禽糞污中的重金屬污染黑土地的問題

施用有機肥是保護黑土地的重要方式之一，畜禽糞則是有機肥的重要來源，但是其中的重金屬也是東北黑土地重金屬污染的重要來源。近年來，東北黑土區大中型養殖場的數量呈增加的趨勢。養殖場的畜禽糞污含有超量的重金屬，例如，牛糞中重金屬Cu 和Zn的含量分別是200和800mg/kg，豬糞中Cu、Zn、鎘（Cd）和砷（As）的平均含量分別為506、2088、0.83和9.1 mg/kg；雞糞中 Cu、Zn、Cd 和 As 的平均含量分別是61、429、0.53、11.31 mg/kg。對照國家《農用污泥中污染物控制標準》，可以看出部分受檢畜禽糞污重金屬超標。重金屬超標的畜禽糞污若被作為黑土保護中的有機肥物料培肥土壤，一段時間以后重金屬積累增加，土壤就會被嚴重污染。但是，到目前為止，國內外還沒有找到理想的重金屬污染土壤的修復方法。如若東北黑土區出現大面積重金屬污染，潔凈的黑土地將無法生產優質農產品。因此，這個問題是黑土保護過程中的首要問題。肥力退化可以通過土壤管理較快恢復，但是受重金屬污染土壤的修復則需要很長的時間，同時還需要投入巨大的人力和財力。

3.2 加強黑土地保護的研究工作，建立科學合理的輪作和土壤耕作制度

建議政府部門和科研機構，以目前我國的黑土保護為目標，開展黑土形成、演化過程和保護性調控機制的長期不間斷研究，為國家黑土保護工作提供基礎理論的支撐。在東北黑土區根據氣候特點和種植業布局，建立合理輪作制度，充分發揮豆科作物能夠改善土壤結構的優勢，耦合深翻、淺旋和免耕等耕作措施建立周期性的輪耕制度；通過有機物料（有機肥和秸稈）還田，打破犁底層，增加耕層厚度，提高耕層有機質含量和水養庫容，不斷促進黑土地質量提升。在東北黑土區的南部建立基于“深（翻）、免（耕）、淺（旋）”耕作組合的玉米連作優化模式，在東北黑土區中部建立基于“一深一淺加兩免”耕作組合的米豆輪作模式，在東北黑土區北部建立基于“深、免、淺”耕作組合的米—豆—豆輪作模式。

3.3 強化黑土地保護工作的可持續性

目前，黨中央和國務院已經提出了“藏糧于地、藏糧于技”的戰略，確立土地所有權、承包權和經營權，為黑土地保護在政策法規方面奠定了基礎。實施了兩年的東北黑土地保護試點項目已經形成了較為成熟的運行機制，提出的黑土地保護利用技術模式已經初見成效。建議將黑土地保護利用試點項目的運行機制和技術模式進一步提升總結，形成能落地、能復制、能推廣的實用性技術，并在東北全區推廣應用，形成技術操作規程和指導規范。黑土地保護是一項長期的工作，有效的黑土地保護利用技術需要經多年的努力，才能顯現出效果。因此，建議政府部門建立可持續性的黑土地保護利用機制，實現黑土地的可持續利用。

3.4 鼓勵土地流轉，擴大經營規模，全面推進機械化，配套相應的補貼政策

在東北黑土區，有機物料深混還田是黑土地保護的重要措施之一，有機物料深混全量還田過程中需要大型農機具，作業面積大，一家一戶小規模的經營方式不利于大馬力拖拉機的使用。建議，東北黑土區加快發展家庭農場（大戶）、農民合作社、聯合社和農業企業等新型經營主體。通過土地流轉的方式，發展多種形式適度規模經營。強化農機配套建設，充分發揮新型經營主體的現代農機裝備和規模種植優勢，做到與生產規模相匹配。國家對新型經營主體購置大型農機具予以補貼，同時對黑土地保護利用過程中的關鍵作業環節給予補貼。例如，使用螺旋式犁壁犁進行有機物料深混還田過程需要的機械作業成本補貼為1500元/公頃。

3.5 加強宣傳力度和科技培訓強度，提高黑土地保護意識

通過各級媒體報道我國黑土地存在的問題及現狀，強調東北黑土區在我國糧食生產尤其是優質農產品的生產中的重要作用，提高黑土地保護的意識，實現黑土地在保護中利用，在利用中保護的長期發展目標。通過舉辦各級培訓班集中培訓農技推廣人員、新型職業農民、合作社負責人等人員，提高黑土地保護利用的科學水平；通過下鄉進村入戶巡回培訓、科技大集、科普展覽、廣播電視講座、技術咨詢、網絡遠程培訓、發放技術光盤及技術明白紙等多種手段，廣泛開展農民科技普及培訓。

3.6 建立可靠的野外監測網絡，積累有價值的基礎數據

黑土地保護的監測工作已經得到了各級政府的高度重視——通過國家科技部建立了野外農田觀測站，通過農業部建立了部屬野外觀測站，黑土保護項目也建立基于各試點縣（市）的監測網絡。但是為了統一管理，充分發揮其作用，更有針對性地保護黑土地，建議在農業部耕地質量監測保護中心設立黑土地保護分中心，整合國家科技部、農業部、教育部和中國科學院的有關臺站，在隸屬關系不變的前提下，實現業務統一指揮的科技體系——將由原縣（市）農業技術推廣部門負責的監測站點，劃歸有科技實力的野外觀測研究站和機構負責。

3.7 落實科技-管理-生產三位一體，實現技術研發的原創性、系統性和應用性

建議相關立項部門聯合設立黑土地保護項目，將項目的科學問題、技術研發、技術設計和項目實施作為一個系統操作。例如，近期農業部立項的東北黑土地保護利用試點項目，科技部就要匹配科學問題研究和技術研發兩部分內容的科研經費。農業部在項目中建立項目設計、項目示范和全試點區域聯動的，由科學家參與、政府主導、農民實施的系統方案。在工作的實施過程中力求做到以下兩點：① 在立項的全過程中，廣泛聽取各不同層面的科學家和一線技術工作人員的意見，包括在項目立項過程前進行公示；② 在項目執行過程中，對非保密項目，建議全程公開，監督項目承擔人的工作。來源：土壤觀察。