韓曉增，鄒文秀

東北黑土地保護(hù)利用研究足跡與科技研發(fā)展望*

韓曉增，鄒文秀

（中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081）

中國(guó)東北黑土是世界上最肥沃、墾殖時(shí)間較短的土壤類型之一，在保障國(guó)家糧食安全中具有非常重要的地位。本文在總結(jié)東北黑土地概況（定義、分布、土壤類型和墾殖時(shí)間）的基礎(chǔ)上，梳理了東北黑土地的研究足跡，并提出了未來(lái)東北黑土地科技研發(fā)的方向。東北黑土地包括黑土、黑鈣土、草甸土、白漿土、暗棕壤和棕壤6種土壤類型，主要分布在遼河平原、松嫩平原和三江平原。自然黑土肥力較高，但是開(kāi)墾后受生態(tài)系統(tǒng)改變和人類活動(dòng)的雙重驅(qū)動(dòng)，土壤肥力發(fā)了巨大變化，土壤有機(jī)質(zhì)含量在墾殖初期（約30 a）迅速下降，開(kāi)墾50 a后下降速度趨于穩(wěn)定；侵蝕區(qū)黑土層受風(fēng)蝕和水蝕等影響出現(xiàn)了不同程度的流失。有機(jī)培肥、輪作、等高種植等技術(shù)措施已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于黑土培肥與水土流失防治。黑土層是黑土地的標(biāo)志性土層，是黑土地肥力的核心?；诤谕翆颖Ｗo(hù)的東北黑土地保護(hù)利用建議從以下3方面開(kāi)展科學(xué)研究：（1）解析人類活動(dòng)下的黑土層厚度及顏色變化過(guò)程和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，探索現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理方式下維持和增加黑土層厚度的技術(shù)途徑；（2）針對(duì)東北黑土地6種土壤類型耕地限制糧食生產(chǎn)能力的主控因子，因地制宜建立以“肥沃耕層構(gòu)建”、“障礙性土層消減”和“控蝕固土增肥”為核心的東北黑土地保護(hù)利用技術(shù)模式，研發(fā)相關(guān)配套技術(shù)，探索模式的適應(yīng)性及應(yīng)用效果和機(jī)理；（3）以長(zhǎng)坡為研究對(duì)象建立水土流失觀測(cè)場(chǎng)，集中研發(fā)坡耕地控制面蝕和溝蝕的新技術(shù)和新模式。

東北黑土地；研究足跡；黑土層；土壤有機(jī)質(zhì)；肥沃耕層；障礙消減

中國(guó)東北黑土地主要分布在遼河平原、松嫩平原和三江平原（38°43′N～53°33′N，115°31′E～135°05′E），從東到西1 600 km，從南到北1 400 km范圍內(nèi)，是世界三大黑土帶之一[1-2]。自然黑土是在第三紀(jì)、第四紀(jì)更新世或者全新世的砂礫和黏土層上發(fā)育的土壤，區(qū)域內(nèi)獨(dú)特的氣候、水文條件和植被類型為土壤中腐殖質(zhì)的積累奠定了基礎(chǔ)，形成了深厚肥沃的黑土層[3]，黑土成為世界上最肥沃的土壤之一。東北黑土區(qū)是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，耕地面積3.6×107hm2[4]，占全國(guó)的1/4；糧食總量占全國(guó)的1/4，商品糧占全國(guó)的1/4，調(diào)出量占全國(guó)的1/3[5]。東北地區(qū)由于氣候冷涼，土地開(kāi)墾時(shí)間較短，土壤表層普遍存在黑色或暗黑色的腐殖質(zhì)，民間俗稱“黑土地”。雖然自然土壤比較肥沃，但是黑土開(kāi)墾后經(jīng)歷了輪耕休耕期、人畜低強(qiáng)度利用期和機(jī)械化高強(qiáng)度利用期[6]，用養(yǎng)失調(diào)和土壤侵蝕導(dǎo)致黑土自然肥力逐年下降，黑土發(fā)生退化，主要表現(xiàn)在黑土層中有機(jī)質(zhì)銳減、耕作層變薄、犁底層增厚，物理性質(zhì)惡化，生物功能退化等[6-8]，加之東北區(qū)域內(nèi)部分土壤類型存在原生障礙（如白漿土的白漿層、黑鈣土的鈣積層），影響了東北黑土區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食產(chǎn)能的穩(wěn)定與提升，威脅了東北黑土地在國(guó)家糧食安全中發(fā)揮的“壓倉(cāng)石”和“穩(wěn)壓器”作用。對(duì)東北黑土地開(kāi)展保護(hù)利用，全面提升黑土地耕地地力已經(jīng)成為當(dāng)前亟需解決的重大問(wèn)題，已經(jīng)引起了國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度重視。習(xí)近平總書(shū)記2016年、2018年和2020年在東北視察時(shí)，均對(duì)黑土地保護(hù)作出了重要指示，強(qiáng)調(diào)“要采取工程、農(nóng)藝、生物等多種措施，將黑土地保護(hù)好、利用好”；“堅(jiān)持用養(yǎng)結(jié)合，綜合施策”；“要保護(hù)好黑土地，這是‘耕地中的大熊貓’”。“黑土地保護(hù)”的實(shí)質(zhì)是保護(hù)黑土地的黑土層，把“黑土地利用好”的實(shí)質(zhì)是創(chuàng)造一個(gè)深厚肥沃的耕層，穩(wěn)定和提高作物產(chǎn)量。為此，理論上有必要將黑土地的定義、分布和墾殖前后變化以及黑土地保護(hù)利用的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行梳理和總結(jié)。鑒于此，筆者根據(jù)40余年在東北黑土地的研究工作和經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)梳理了近70年?yáng)|北黑土地保護(hù)利用的研究足跡，總結(jié)分析東北黑土地的主要科學(xué)和技術(shù)研究進(jìn)展，探討了未來(lái)的重點(diǎn)研究方向，為下一步黑土地保護(hù)利用的科學(xué)研究和技術(shù)研發(fā)提供參考，同時(shí)也將為開(kāi)展“東北黑土地保護(hù)利用”國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃的制定和實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 黑土地概況

1.1 黑土地的定義與分布

“黑土地”是農(nóng)民對(duì)黑土的俗稱。東北地區(qū)是我國(guó)土地開(kāi)墾較晚的區(qū)域，開(kāi)墾初期農(nóng)民將一犁深（15～18 cm）目測(cè)為黑色、松軟的土壤稱為黑土地，涵蓋了黑土、黑鈣土、草甸土、白漿土和暗棕壤等[9]，其分布的行政區(qū)域包括遼寧省、吉林省、黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)的東四盟（赤峰市、通遼市、呼倫貝爾市和興安盟），土地面積124.4萬(wàn)km2[10]。由于成土母質(zhì)、氣候、地形和植被等的多樣性，東北地區(qū)土類有32個(gè)[11]，占全國(guó)土壤類型總數(shù)的70%。自然土壤黑土層（A層）厚度與區(qū)域內(nèi)氣候條件密切相關(guān)，其中分布在光熱資源豐富的干旱和半干旱地區(qū)的土壤類型A層較薄，開(kāi)墾后由自然土壤轉(zhuǎn)變?yōu)楦魍寥篮?，A層中的黑色腐殖質(zhì)迅速被分解，A層的黑色逐漸消失，接近淋溶層（B層）的顏色，部分土壤類型A層顏色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌赏聊纲|(zhì)顏色，例如棕壤[2]。在東北北部和東部，由于生長(zhǎng)季雨熱同季，夏季植被茂盛生長(zhǎng)，積累了大量有機(jī)物質(zhì)，冬季漫長(zhǎng)而寒冷，微生物活動(dòng)受限，有利于有機(jī)物質(zhì)積累，土壤有機(jī)質(zhì)積累大于分解，形成了深厚的黑土層。形成于此環(huán)境中的土壤類型雖然開(kāi)墾多年，但是A層依然表現(xiàn)為黑色或暗黑色，黑土即是典型代表[2]。在上述具有獨(dú)特黑土層的土壤類型中，大部分呈復(fù)區(qū)分布在松嫩平原、三江平原和遼河平原。為了更好地管理黑土地，研究學(xué)者提出了黑土區(qū)的概念，先后將黑土、黑鈣土分布區(qū)域合并為黑土區(qū)，后又將草甸土并入。由于概念不清，黑土區(qū)的范圍和面積一直比較模糊[9]。2004年初，由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所組織東北地區(qū)科研院所和大專院校的專家實(shí)施了科技部的“東北黑土資源利用現(xiàn)狀及發(fā)展戰(zhàn)略研究”項(xiàng)目。該項(xiàng)研究首次綜合學(xué)術(shù)界、政府部門和農(nóng)民的意見(jiàn)，根據(jù)土壤肥力屬性，將東北黑土區(qū)的土壤類型劃為：黑土、黑鈣土、草甸土、白漿土、暗棕壤和棕壤6種土壤類型[12]。在2017年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、財(cái)政部、國(guó)土資源部、環(huán)境保護(hù)部和水利部發(fā)布了《東北黑土地保護(hù)規(guī)劃綱要（2017—2030年）》[5]，在“綱要”中定義了黑土地，是指擁有黑色或暗黑色腐殖質(zhì)表土層的土地，是一種性狀好、肥力高、適宜農(nóng)耕的優(yōu)質(zhì)土地，明確了“黑土地”等同于“黑土區(qū)”。至此，東北黑土區(qū)和黑土地的定義得到了統(tǒng)一。根據(jù)第二次全國(guó)土壤普查和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“全國(guó)耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)試點(diǎn)”的數(shù)據(jù)，確定黑土地面積為2.6×107hm2[4]，占東北區(qū)耕地面積的72%（表1）。

1.2 黑土地的土壤類型與墾殖時(shí)間

1.2.1 黑土地的土壤類型 根據(jù)《東北黑土地保護(hù)規(guī)劃綱要（2017—2030年）》[5]的規(guī)定，黑土地的土壤類型包括黑土、黑鈣土、草甸土、白漿土、暗棕壤和棕壤等6種土類，每種土壤類型的典型剖面見(jiàn)圖1，每種土壤類型[2]的特點(diǎn)如下：

黑土。黑土是東北黑土地的代表性土類，主要分布在松嫩平原，即黑龍江、吉林兩省和內(nèi)蒙古的興安盟及呼倫貝爾市。自然黑土主要植被類型是草原化草甸，在成土過(guò)程中由于氣候寒冷、生長(zhǎng)季短，雨熱同季，植被生長(zhǎng)茂盛，冬季漫長(zhǎng)寒冷，土壤有機(jī)質(zhì)積累大于分解，加之黃土狀沉積母質(zhì)以黏土礦物為主，有利于形成腐殖質(zhì)含量高低不等的黑土層（A）[2]。按照黑土層厚度可以將黑土劃分為薄層黑土（<30 cm）、中厚層黑土（30～60 cm）、厚層黑土（>60 cm），其中薄層黑土和中厚層黑土占95%以上。

表1 東北黑土區(qū)6種土壤類型的耕地面積[4]

黑鈣土。黑鈣土主要分布在松嫩平原西部，大興安嶺東西兩側(cè)和松遼分水嶺地區(qū)。氣候?yàn)榘敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū)，植被為草甸草原，母質(zhì)為中新生代的河湖沉積物，地形為低平原，海拔高度在150～200 m。黑鈣土A層在50～80 cm，有機(jī)質(zhì)含量較低（1.5%～2.5%），保水能力差；B層石灰反應(yīng)強(qiáng)烈。貧瘠和石灰反應(yīng)是限制黑鈣土作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要因素。

草甸土。草甸土是一種非地帶性土壤，在東北地區(qū)均有分布，但是主要分布在三江平原。草甸土的顯著特點(diǎn)是土壤剖面上僅有A層和C層，A層深度介于20～50 cm之間，也有少數(shù)深達(dá)100 cm以上。草甸土的典型成土地形特點(diǎn)是地勢(shì)低洼、排水不暢，地下水可以補(bǔ)給土壤表層，土壤表層常年含水量為田間持水量的70%～90%，部分時(shí)段土壤會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)甚至地表出現(xiàn)積水。區(qū)域內(nèi)草甸植物生長(zhǎng)旺盛，表層土壤有機(jī)質(zhì)積累大于分解，黑土層較厚。

白漿土。白漿土是東北地區(qū)重要的耕作土壤之一，主要分布在黑龍江省三江平原和吉林省的東部。分布區(qū)域?qū)儆诎霛駶?rùn)和濕潤(rùn)氣候，母質(zhì)以第四紀(jì)河湖黏土沉積物為主，地形主要是低平原、河谷階地和山前洪積臺(tái)地等，地下水埋藏8～10 m，植被以喜濕植物為主，如苔草和小葉樟。白漿土剖面結(jié)構(gòu)比較特殊，A層厚度介于50～70 cm之間，但黑土層較薄，約15 cm，下層即為白漿層（Aw層），厚度為15～30 cm。白漿層是一種障礙土層，呈酸性、貧瘠，物理性狀極差，濕潤(rùn)時(shí)幾乎不能透水，干時(shí)堅(jiān)硬，不利于作物根系生長(zhǎng)。

暗棕壤。暗棕壤是在溫帶濕潤(rùn)森林植被下發(fā)育的土壤，主要分布在大興安嶺東坡和環(huán)小興安嶺、張廣才嶺、長(zhǎng)白山淺山區(qū)向平原過(guò)渡區(qū)域，海拔高度小于1 200 m。母質(zhì)以花崗巖為主，其次是玄武巖、砂巖和礫巖。暗棕壤剖面結(jié)構(gòu)為A層較薄，厚度介于15～20 cm之間，AB過(guò)渡層淺薄，厚度介于5～10 cm之間，土壤貧瘠，多為坡耕地。暗棕壤是東北耕地面積最大的一個(gè)土類。

棕壤。棕壤主要分布在暖溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，植被類型主要為闊葉林，母質(zhì)以基巖風(fēng)化物為主，其次為坡積物、洪積物和沖積物。棕壤是黑土地中最特殊的土壤類型，其剖面結(jié)構(gòu)中的A層不存在黑色土層，A層干時(shí)呈亮黃棕色，濕時(shí)呈濁棕色。A層有機(jī)質(zhì)含量較低，一般為10.0～20.0 g·kg–1；B層發(fā)育不明顯，A層和C層可明顯區(qū)分[13-14]。全層砂粒含量較高，土壤比較貧瘠。

1.2.2 東北黑土地墾殖時(shí)間 自然黑土開(kāi)墾為耕作土壤后，由于生態(tài)系統(tǒng)的改變，土壤的一些屬性在短期內(nèi)發(fā)生了顯著快速的變化[6]；農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定后這些屬性的變化速度變得緩慢，在良好農(nóng)業(yè)管理措施下，土壤屬性會(huì)向肥沃土壤方向演化[3]。東北黑土地開(kāi)墾時(shí)間較晚，至今還存在少數(shù)不典型的和碎片化分布的自然土壤。分布在遼河平原的黑土地的開(kāi)發(fā)可以追溯到公元1660年（距今360 a）。當(dāng)時(shí)遼河中下游平原的棕壤在清朝開(kāi)始解禁，被墾殖的耕地面積為3 333 hm2，至1780年（距今240 a）開(kāi)墾面積達(dá)到了2.33×105hm2，至1890年遼河上游棕壤的開(kāi)墾進(jìn)入盛期[15]。因此，可以認(rèn)定遼河平原棕壤的平均開(kāi)墾時(shí)間約為200年。松嫩平原北緯45°以南的黑土（松嫩平原南部），于1860年開(kāi)始大規(guī)模解禁墾殖，至1900年進(jìn)入了開(kāi)墾的盛期[15]；因此，可以認(rèn)定松嫩平原南部黑土平均開(kāi)墾時(shí)間約為150 a。北緯45°以北地區(qū)的黑土、白漿土、黑鈣土和草甸土（松嫩平原北部），具有一定開(kāi)墾規(guī)模的時(shí)間始于1900年，至1945年形成了一定開(kāi)發(fā)規(guī)模[16]，至此該區(qū)域耕地的開(kāi)墾時(shí)間可以認(rèn)定約100 a[17]。三江平原白漿土的開(kāi)墾始于1700年，到1800年開(kāi)墾了約1.33×104hm2，1800—1930年開(kāi)墾面積增加至4.67×105hm2，1945—1950年被開(kāi)墾耕地面積約增加至7.87×105hm2，土壤類型已由白漿土擴(kuò)增到草甸土和暗棕壤。1950—1960年為解放后大開(kāi)荒的第一階段，耕地面積擴(kuò)大至1.53×106hm2；三江平原共經(jīng)歷了四次大開(kāi)荒，至2000年墾殖耕地面積已達(dá)4.00×106hm2[17]，宜農(nóng)耕地墾殖完成。從這個(gè)過(guò)程看，三江平原的白漿土、草甸土和暗棕壤的耕地實(shí)際利用年限可以認(rèn)定為60 a左右。

2 黑土地的土壤屬性研究足跡

2.1 黑土地開(kāi)墾前后土壤有機(jī)質(zhì)變化

由于東北黑土地開(kāi)墾時(shí)間較短，目前仍然能夠找到少量殘存的自然土壤，學(xué)者們通過(guò)對(duì)比自然土壤和耕作土壤發(fā)現(xiàn)耕作黑土肥力發(fā)生了巨大變化[6-7，18-21]，于是東北黑土地嚴(yán)重退化就成了“共識(shí)”。實(shí)際上黑土地由自然土壤向耕作土壤轉(zhuǎn)變過(guò)程中，一些土壤屬性的變化是由生態(tài)系統(tǒng)改變所驅(qū)動(dòng)的，還有一些土壤屬性與農(nóng)藝措施有關(guān)[6，22]。當(dāng)前亟需解決的黑土地退化阻控和保護(hù)利用的核心問(wèn)題，是探索優(yōu)化農(nóng)藝措施來(lái)實(shí)現(xiàn)黑土地保護(hù)性利用的目標(biāo)。黑土地的肥沃核心是具有深厚肥沃的黑土層和土壤中富含有機(jī)質(zhì)，其他屬性均為這兩個(gè)屬性所調(diào)控。

黑土地6種土壤類型的自然土壤和開(kāi)墾初期A層有機(jī)質(zhì)含量差異較大[2]。黑土從南部吉林公主嶺到北部黑龍江右岸，黑土層有機(jī)質(zhì)含量逐漸升高，南部吉林德惠黑土有機(jī)質(zhì)含量為22.7 g·kg–1[23]，黑龍江哈爾濱（北緯 45°）以北到北安、嫩江黑土有機(jī)質(zhì)含量在56.2～95.5 g·kg–1之間[2，24]。三江平原自然草甸土A層有機(jī)質(zhì)為107.1 g·kg–1，最高可達(dá)到244.0 g·kg–1[25]；松嫩平原北部草甸土A層有機(jī)質(zhì)含量為59.6 g·kg–1[25]；據(jù)統(tǒng)計(jì)黑龍江省（第二次土壤普查的605個(gè)土壤剖面）和吉林?。ǖ诙瓮寥榔詹榈?85個(gè)土壤剖面）草甸土A層土壤有機(jī)質(zhì)的平均含量分別為41.2 g·kg–1[26]和22.9 g·kg–1[27]。三江平原是典型白漿土的主要分布區(qū)域，自然植被下白漿土（3個(gè)典型剖面）A層有機(jī)質(zhì)平均含量為97.7 g·kg–1，其中最高值為137.9 g·kg–1[28]；曾昭順等[29]1963年在松嫩平原和三江平原的典型白漿土區(qū)域調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)白漿土A層有機(jī)質(zhì)含量在89.5～91.2 g·kg–1之間。黑鈣土A層有機(jī)質(zhì)含量在30.0～80.0 g·kg–1之間；山麓剝蝕平原的森林草原地區(qū)也存在少量A層有機(jī)質(zhì)含量在80.0 g·kg–1以上的黑鈣土[2，30]。暗棕壤A層有機(jī)質(zhì)含量在53.6～101.9 g·kg–1之間[2]，長(zhǎng)白山山麓2個(gè)暗棕壤典型剖面A層有機(jī)質(zhì)含量分別為51.8 g·kg–1和73.4 g·kg–1[31]。分布在遼河平原的棕壤，由于區(qū)域內(nèi)水熱條件良好，加之墾殖時(shí)間較長(zhǎng)，基本沒(méi)有自然土壤；部分區(qū)域看似自然土壤，但開(kāi)墾時(shí)也是次生植被類型而非原始植被，次生植被下棕壤A層有機(jī)質(zhì)含量在10.0～30.0 g·kg–1之間[2]。因此，東北黑土地?zé)o論是自然土壤還是開(kāi)墾初期的耕地，A層土壤有機(jī)質(zhì)含量均較高，加之母質(zhì)以黏土礦物為主，土壤表層均顯為黑色或暗黑色。

黑土地開(kāi)墾后土壤中的植物殘?bào)w在微生物的作用下迅速分解，有機(jī)質(zhì)積累條件被破壞，土壤有機(jī)質(zhì)含量迅速下降[6，32]。黑土從自然土壤到相對(duì)穩(wěn)定的耕作土壤大約經(jīng)過(guò)了30 a的土地利用方式轉(zhuǎn)換期，被稱作墾殖初期。該時(shí)期耕作層土壤有機(jī)質(zhì)含量在東北北部以每年1.5%～2.6%、南部以0.5%～0.7%的速度下降（表2）[22]。到了穩(wěn)定利用時(shí)期，土壤有機(jī)質(zhì)含量平均每年下降速度為0.1%左右，此時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)含量的下降對(duì)作物產(chǎn)量影響比較顯著，據(jù)統(tǒng)計(jì)耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量每年下降0.5%，作物產(chǎn)量減少15%[22]。黑土地開(kāi)墾50 a后土壤有機(jī)質(zhì)的下降速度趨于穩(wěn)定，為0.06%·a–1左右（表2）。根據(jù)能夠查閱到的相關(guān)文獻(xiàn)，白漿土開(kāi)墾初期也出現(xiàn)了土壤有機(jī)質(zhì)迅速下降的現(xiàn)象，開(kāi)墾前10～15 a下降速度為2.90%·a–1～2.97%·a–1，開(kāi)墾后的41～50 a下降速度為0.25%（表2）。關(guān)于草甸土開(kāi)墾過(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)含量變化的研究均集中在三江平原，在開(kāi)墾前5 a下降速度為10.61%·a–1，6～15 a和16～25 a間每年下降速度分別為5.35%和3.76%（表2）；軍川農(nóng)場(chǎng)和290農(nóng)場(chǎng)的草甸土在開(kāi)墾30 a間有機(jī)質(zhì)含量每年下降速度分別為2.78%和2.97%之間[19]。根據(jù)宋達(dá)泉[33]的報(bào)道，淋溶黑鈣土有機(jī)質(zhì)在開(kāi)墾前20 a的下降速度為3.6%·a–1。目前未查閱到暗棕壤和棕壤土壤有機(jī)質(zhì)隨開(kāi)墾年限變化的相關(guān)文獻(xiàn)，但是根據(jù)設(shè)立在典型暗棕壤和棕壤分布區(qū)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)分析了它們?cè)诶眠^(guò)程中土壤有機(jī)質(zhì)的變化過(guò)程[34]。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示在常規(guī)種植條件下（僅施用化肥）暗棕壤34 a間耕層土壤有機(jī)質(zhì)下降了8.00%，下降速度為0.23%·a–1，棕壤33 a間耕層土壤有機(jī)質(zhì)下降了6.91%，下降速度為0.21%·a–1。張之一[32]通過(guò)分析11篇參考文獻(xiàn)的33對(duì)黑土墾殖前后土壤有機(jī)質(zhì)變化的數(shù)據(jù)，也證實(shí)了黑土開(kāi)墾后3～5 a間，耕層土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)生了快速下降現(xiàn)象，然后呈緩慢下降，達(dá)到一定年限后，如果農(nóng)藝措施未發(fā)生變化，基本呈維持狀態(tài)。東北黑土地6種土類非侵蝕區(qū)黑土層有機(jī)質(zhì)含量或者耕層土壤有機(jī)質(zhì)隨開(kāi)墾時(shí)間變化表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)[35]。

表2 東北黑土地土壤有機(jī)質(zhì)下降速度

2.2 東北黑土地非侵蝕區(qū)黑土層變化

黑土層厚度是評(píng)價(jià)黑土地土壤肥力的重要指標(biāo)之一，學(xué)者們普遍將黑土地開(kāi)墾后黑土層變薄[40-41]歸因于水蝕和風(fēng)蝕，但是在非侵蝕區(qū)，如松嫩平原和三江平原低洼易澇地區(qū)，黑土層是如何變薄的呢？鮮有文獻(xiàn)對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行深入剖析。據(jù)參加了20世紀(jì)50年代黑龍江流域和三江平原調(diào)查、黑龍江省第一次和第二次土壤調(diào)查的張之一[42]分析，對(duì)東北黑土地非侵蝕區(qū)黑土層變薄的部分報(bào)道與事實(shí)不符。產(chǎn)生誤解的原因有兩個(gè)，一是土壤容重。自然黑土的黑土層結(jié)構(gòu)良好，植被根系多，疏松多孔，其最小容重為0.6 g·cm–3[43]，一般在0.8～0.9 g·cm–3之間[42]；自然白漿土黑土層容重在0.54～0.76 g·cm–3之間[29，35]；而第二次土壤普查時(shí)黑土和白漿土耕地黑土層的平均容重分別為1.11 g·cm–3和1.08 g·cm–3[26]。如果按照自然黑土的黑土層度為30 cm（相當(dāng)于薄層黑土）、容重為0.75 g·cm–3計(jì)算，耕地土壤的黑土層厚度就變成了20.3 cm，黑土層厚度減小了32.2%，與張之一[42]的研究結(jié)果相近，按照相同方法計(jì)算白漿土的黑土層厚度減小了40%。二是成土條件。東北地區(qū)成土條件差異較大，自然黑土的黑土層厚度由南至北逐漸增加[2]。以黑土為例，劃分了薄層黑土、中厚層黑土和厚層黑土，這就說(shuō)明，自然土壤根據(jù)成土條件不同會(huì)發(fā)育成不同厚度的黑土層[26]。目前，東北地區(qū)耕作黑土的黑土層也存在同樣的分布規(guī)律。關(guān)于非侵蝕區(qū)黑土層厚度的研究建議未來(lái)集中在以下兩個(gè)方面，（1）現(xiàn)有研究結(jié)論大部分基于時(shí)間換空間的方法獲得[7]，缺乏可比性，建議建立黑土層厚度定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，開(kāi)展長(zhǎng)期觀測(cè)研究；（2）提出能夠量化黑土層厚度變化的科學(xué)分析方法，傳統(tǒng)的黑土層厚度判定依靠挖掘剖面，然后人為劃定黑土層界面，需要大量的時(shí)間和人力；雖然現(xiàn)在很多專家通過(guò)土鉆測(cè)定黑土層厚度能夠節(jié)約一定的時(shí)間和成本，但是由于土壤的空間異質(zhì)性較大，該方法的誤差就更大，這些誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了黑土層厚度的變化值。

2.3 侵蝕區(qū)域黑土層變化

東北黑土區(qū)典型的地貌特征為漫川漫崗。根據(jù)國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)，黑龍江省2°以上坡耕地占總耕地面積的23.4%，其中2°～6°坡耕地占坡耕地總面積的77.7%[44]；吉林省2°以上的坡耕地占總耕地面積的28.1%，其中2°～6°坡耕地占坡耕地總面積的60.1%[45]；內(nèi)蒙古自治區(qū)2°以上的坡耕地占總耕地面積的31.8%，其中2°～6°坡耕地占坡耕地總面積的90.8%[46]；由此推論東北黑土地坡耕地主要由300～1 000 m坡長(zhǎng)、2°～6°坡度的坡耕地所組成[47]。

根據(jù)水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果，黑龍江省海倫和賓縣9°坡耕地土層流失厚度分別為1.2 mm·a–1[48]和1.5 mm·a–1[49]，而克山、拜泉和甘南縣5°坡耕地土層流失厚度分別為1.6 mm·a–1、2.2 mm·a–1和2.1 mm·a–1[50]（表3）。在遼寧省鐵嶺棕壤區(qū)長(zhǎng)達(dá)11 a的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，坡度、作物覆蓋和種植方式是影響土層流失速度的最主要因素。不同坡度坡耕地土層流失速度表現(xiàn)為裸地>玉米和大豆順坡種植>玉米和大豆等高種植（表4），6°、10°和15°坡的平均土層流失量分別為0.37 mm·a–1、0.83 mm·a–1和1.70 mm·a–1。但是上述數(shù)據(jù)是試驗(yàn)小區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)，僅在一定程度上代表實(shí)際情況。Yang等[51]采用RUSLE模型（Revised Universal Soil Loss Equation）估算了吉林德惠和榆樹(shù)黑土層流失速率并預(yù)測(cè)了黑土層消失時(shí)間，分析發(fā)現(xiàn)黑土層流失的速度與土壤類型等密切相關(guān)。吉林榆樹(shù)中厚層、薄層和破皮黃黑土的黑土層流失速度分別為0.48 mm·a–1、1.13 mm·a–1和2.00 mm·a–1，德惠中厚層、薄層和破皮黃黑土的黑土層流失速度分別為0.35 mm·a–1、0.99 mm·a–1和1.73 mm·a–1；根據(jù)預(yù)測(cè)中厚黑土、薄層黑土和破皮黃黑土層在榆樹(shù)消失的時(shí)間分別為839 a、221 a和50 a，在德惠消失的時(shí)間分別為1 130 a、252 a和58 a。因此，東北黑土地水土流失對(duì)黑土層厚度的影響沒(méi)有鄭北鷹和朱偉光等報(bào)道那樣嚴(yán)重[52]。

137Cs示蹤也是一種重要的研究水土流失量的方法[54-56]。楊維鴿等[57]采用137Cs分析了東北中部黑龍江省賓縣坡耕地侵蝕特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)黑土坡耕地侵蝕特點(diǎn)為坡面侵蝕坡腳沉積，不同坡面部位侵蝕率不同，坡面平均侵蝕率為2.4 mm·a–1，坡腳沉積率為1.2 mm·a–1。在東北黑土區(qū)南部的吉林省德惠市黑土坡面平均侵蝕速率為1.8 mm·a–1，坡腳沉積率為2.0 mm·a–1[58]。通過(guò)分析東北黑土地半干旱區(qū)2個(gè)坡面水蝕和風(fēng)蝕的復(fù)合侵蝕量發(fā)現(xiàn)，坡面水蝕分別為2.0 mm·a–1和1.7 mm·a–1，風(fēng)蝕分別為0.5 mm·a–1和1.0 mm·a–1[59]。張曉平等[60]通過(guò)系統(tǒng)分析

表3 黑龍江省侵蝕區(qū)黑土層流失厚度

注：*連續(xù)三年觀測(cè)平均值，**連續(xù)四年觀測(cè)平均值，***連續(xù)七年觀測(cè)平均值，黑土層流失厚度均按照容重1.2 g·cm–3計(jì)算。根據(jù)侵蝕模數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，下同。Note：*Mean value of experimental three years，**Mean value of experimental four years，***Mean value of experimental seven years；black soil loss thickness was estimated using the bulk density of 1.2 g·cm–3.

表4 遼寧省坡長(zhǎng)20 m坡耕地黑土層流失厚度[53]

注：*玉米和大豆輪作。Note：Rotation of maize and soybean.

一級(jí)河道上的嫩江江橋、大萊、松花江哈爾濱三個(gè)水文觀測(cè)站的多年平均含沙量、輸沙量和輸沙模數(shù)后發(fā)現(xiàn)，黑土水蝕遷移的土壤大部分沉積在五級(jí)河道的河漫灘上，形成草甸土和沼澤土，極少量進(jìn)入到四級(jí)和三級(jí)河道的河漫灘上，基本上沒(méi)有在一、二級(jí)河道沉積。

綜合分析長(zhǎng)期定位觀測(cè)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[50]和137Cs的計(jì)算數(shù)據(jù)[54，56]，以一個(gè)自然小流域的完整坡地為基本單元，分析了土壤流失與沉積后認(rèn)定東北黑土地中的坡耕地土層流失速度為0.5～1.5 mm·a–1，平均1.0 mm·a–1比較符合區(qū)域的實(shí)際情況。1997年水利部頒布了《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，提出了東北黑土地允許土壤流失標(biāo)準(zhǔn)為200 t·km–2·a–1，相當(dāng)于0.16 mm·a–1（按照土壤容重為1.2 g·cm–3轉(zhuǎn)換）[61]。部分學(xué)者采用勘察和訪問(wèn)農(nóng)戶的方法獲得了黑土地侵蝕率為4.2 mm·a–1[62]，不具有代表性。更有學(xué)者夸張地表述，“據(jù)調(diào)查20 世紀(jì)50 年代黑土地黑土層厚度為60～70 cm，現(xiàn)在一般只有20～30 cm”[63]。事實(shí)上在20世紀(jì)50年代的土壤調(diào)查中，沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道坡耕地的黑土層能達(dá)到60～70 cm。坡地中的自然黑土均屬于薄層黑土，黑土層厚度小于30 cm[2]。

東北地區(qū)的風(fēng)蝕主要發(fā)生在西部半干旱區(qū)以及半干旱和半濕潤(rùn)區(qū)交錯(cuò)帶，黑土地6種土壤類型中全部的黑鈣土、部分棕壤和薄層黑土分布在這個(gè)區(qū)域。在遼西北風(fēng)沙半干旱區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈覆蓋風(fēng)蝕度較對(duì)照減少4.2 cm[64]。雖然李勝龍等[65]利用野外集沙儀定點(diǎn)監(jiān)測(cè)了黑土的風(fēng)蝕特征，但是僅關(guān)注耕作方式和地表覆蓋對(duì)輸沙量的影響，而關(guān)于黑土層受風(fēng)蝕影響的田間實(shí)地監(jiān)測(cè)研究鮮有報(bào)道?，F(xiàn)有大部分研究基于調(diào)查估算和室內(nèi)模擬的方法獲得了風(fēng)蝕對(duì)黑土層厚度影響的相關(guān)數(shù)據(jù)[66]，但是這部分結(jié)果與實(shí)際差距較大。通過(guò)137Cs間接測(cè)定了風(fēng)蝕對(duì)土壤的搬運(yùn)作用在0.5～1.0 mm·a–1的范圍內(nèi)[67]。大風(fēng)和沙塵暴能間接預(yù)測(cè)風(fēng)蝕發(fā)生的趨勢(shì)，通過(guò)分析嫩江、克山、海倫、哈爾濱、長(zhǎng)春和四平1951—2000 年間大風(fēng)發(fā)生的日數(shù)發(fā)現(xiàn)，大風(fēng)主要發(fā)生在3—5月份，從大風(fēng)發(fā)生日數(shù)年際間變化能夠發(fā)現(xiàn)東北黑土區(qū)南部長(zhǎng)春和四平的年大風(fēng)日數(shù)表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，中北部哈爾濱、海倫和嫩江的年大風(fēng)日數(shù)1980年后有增加的趨勢(shì)；而沙塵暴呈現(xiàn)了明顯的變少趨勢(shì)[68]，是因大風(fēng)日數(shù)的變化趨勢(shì)影響了沙塵暴日數(shù)的變化趨勢(shì)。遲文峰等[69]研究發(fā)現(xiàn)極端天氣沙塵暴次數(shù)減少和年平均風(fēng)速降低與土壤風(fēng)蝕下降顯著相關(guān)。從大風(fēng)日數(shù)和沙塵暴發(fā)生日數(shù)的時(shí)間變化序列分析，克山、海倫、哈爾濱、長(zhǎng)春和四平的風(fēng)蝕環(huán)境在減弱。

土壤侵蝕一直是熱點(diǎn)問(wèn)題，也是黑土地保護(hù)的焦點(diǎn)問(wèn)題。目前從黑土侵蝕的相關(guān)研究來(lái)看，存在著碎片化和缺少野外長(zhǎng)期精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題，一些重要參數(shù)是學(xué)者們估計(jì)和推算出來(lái)的，然后互相引用形成了“虛擬”的流行數(shù)據(jù)。

3 討 論

3.1 黑土地保護(hù)與土壤培育

3.1.1 坡耕地水土流失的治理技術(shù) 坡耕地自然黑土層較薄（<30 cm），墾殖后在土壤侵蝕和過(guò)度墾殖的雙重影響下土壤肥力迅速降低。為了恢復(fù)坡耕地土壤肥力，早在20世紀(jì)50和60年代大量學(xué)者們就關(guān)注了坡耕地治理。陳景嵐[70]在1965年提出了在坡耕地修土梯田用以控制水土流失，梯田是東北地區(qū)首先實(shí)施的一項(xiàng)坡耕地治理技術(shù)。據(jù)黑龍江省克山實(shí)驗(yàn)站和吉林省遼源水保站的觀測(cè)結(jié)果顯示，梯田起到了良好的控蝕效果[2]。基于水土保持的耕作方法的研究一直是水土流失治理技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)方向。在6°以下的坡耕地，學(xué)者們提出了等高耕作、橫坡作壟、帶狀間作、糧草輪作、壟向區(qū)田、深松蓄水和保護(hù)性耕作等控蝕、保水、固土技術(shù)[2]。采用橫坡作壟和植物籬技術(shù)措施地表徑流量分別減少了50%～80%和90%，深松耕法可以減小94%的水蝕，營(yíng)造農(nóng)田防護(hù)林風(fēng)速可以降低25%，有效控制風(fēng)蝕[71]。在東北黑土區(qū)中部海倫的研究發(fā)現(xiàn)，免耕和橫坡壟作年徑流量分別較傳統(tǒng)耕作減少97.7%和96.8%，侵蝕模數(shù)分別減少98.9%和99.2%[48]。趙雨森和魏永霞[72]的研究發(fā)現(xiàn)覆膜+壟向區(qū)田、免耕秸稈覆蓋和壟向區(qū)田也能夠有效控制黑土坡耕地水土流失。坡面治理主要采取從上至下挖截流溝、建荒山荒坡灌木梗、栽種水保林、疏林草地生態(tài)修復(fù)、修水平梯田、地埂植物帶、改壟等技術(shù)措施；溝道治理主要采取了修建谷坊和塘壩以及侵蝕溝秸稈填埋等工程措施[73]。黑土侵蝕地區(qū)的坡耕地治理技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，20世紀(jì)50和60年代研發(fā)的技術(shù)模式[2]一直沿用至今。具有原始創(chuàng)新的能大面積推廣應(yīng)用的新技術(shù)較少，風(fēng)蝕區(qū)和水蝕區(qū)相比，創(chuàng)新性技術(shù)就更少，在未來(lái)的研究中有待加強(qiáng)。

3.1.2 非侵蝕地區(qū)黑土地保育技術(shù) 東北黑土地非侵蝕區(qū)的保育技術(shù)主要從耕作土壤管理角度出發(fā)，利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的秸稈、畜禽糞污等廢棄物無(wú)害化后施入土壤中，補(bǔ)充黑土層有機(jī)質(zhì)損失，保持黑土層有機(jī)質(zhì)不下降或者緩慢上升。丁瑞興和劉樹(shù)桐[43]、韓曉增和鄒文秀[22]認(rèn)為黑土地開(kāi)墾一定年限后需要開(kāi)展培肥工作，以維持和提升土壤耕地地力，土壤培肥措施除了耕作外，主要還包括有機(jī)肥施用和輪作等途徑。黑土比較肥沃，土壤培肥相關(guān)研究起步較晚。1988年王兆榮等[74]報(bào)道了在東北中部的黑土經(jīng)過(guò)2 a農(nóng)家肥施用后，土壤有機(jī)質(zhì)提高了9.6%～22.3%，同時(shí)表現(xiàn)出了隨著農(nóng)家肥施用量增加土壤有機(jī)質(zhì)含量增加的趨勢(shì)。與對(duì)照區(qū)相比，有機(jī)肥、作物秸稈和牧草還田5 a后黑土有機(jī)質(zhì)分別增加了19.8%、16.5%和10.4%[75]。東北黑土帶上德惠[76]、公主嶺[77]、哈爾濱[34]和海倫[78]（從南到北）的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究均表明長(zhǎng)期有機(jī)培肥能夠顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量（表5）。在東北黑土區(qū)南部德惠經(jīng)9 a有機(jī)培肥土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了11.0%～12.4%，公主嶺經(jīng)38 a有機(jī)培肥有機(jī)質(zhì)含量增加了14.4%～31.1%；中部哈爾濱經(jīng)32 a有機(jī)培肥土壤有機(jī)質(zhì)增加了8.3%，海倫經(jīng)過(guò)10 a有機(jī)培肥土壤有機(jī)質(zhì)增加了13.3%。土壤有機(jī)質(zhì)的增加與有機(jī)物料投入的種類和投入量密切相關(guān)。值得關(guān)注的是在東北黑土區(qū)中部中厚層黑土區(qū)海倫的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)采用試驗(yàn)田的糧食喂豬，秸稈墊圈與豬糞尿漚制有機(jī)肥還田，實(shí)行循環(huán)生產(chǎn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量經(jīng)過(guò)27 a累計(jì)增加了7.4%[79]，證明了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的廢棄物無(wú)害化處理后80%以上還田可以保證耕作土壤有機(jī)質(zhì)不降低或者緩慢上升[34]，進(jìn)一步驗(yàn)證了在東北黑土區(qū)開(kāi)展種養(yǎng)結(jié)合循環(huán)生產(chǎn)的可能性。基于分布在黑龍江（13個(gè)）和吉林（4個(gè)）的17個(gè)國(guó)家級(jí)黑土長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析，自1988年以來(lái)，監(jiān)測(cè)區(qū)黑土有機(jī)質(zhì)含量總體上呈上升趨勢(shì)，其中1988—1997年監(jiān)測(cè)初期土壤有機(jī)質(zhì)含量略有下降，1998—2013年有機(jī)質(zhì)含量呈上升趨勢(shì)[80]。長(zhǎng)期有機(jī)肥施用不僅能夠增加有機(jī)質(zhì)含量，還能夠影響有機(jī)質(zhì)的組成。姜巖等[81]在1965年報(bào)道了施用有機(jī)肥料能夠增加黑土中有效態(tài)的胡敏酸物質(zhì)，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，增加土壤中有效態(tài)養(yǎng)分含量。吳景貴等[82]研究發(fā)現(xiàn)施用玉米秸稈和有機(jī)肥能夠顯著增加土壤胡敏酸中脂肪族結(jié)構(gòu)成分，單施有機(jī)肥顯著增加土壤胡敏酸中羥基含量，添加秸稈游離羧基含量顯著增多。秸稈和有機(jī)肥施用后土壤中富啡酸的甲基、亞甲基和次甲基結(jié)構(gòu)成分顯著增加，游離羧基含量也顯著增多；不同培肥方式對(duì)黑土胡敏酸和富啡酸的元素組成有較大影響[82]。

表5 長(zhǎng)期黑土培肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

趙德林和王政本[84]在1982年就提出了白漿土的培育方法，即采用大劑量有機(jī)肥施用、深耕與施肥相結(jié)合、豆科與禾本科輪作實(shí)現(xiàn)耕地“用”“養(yǎng)”協(xié)調(diào)的目標(biāo)。崔順吉等[85]在1982—1984年連續(xù)向高、中和低肥力的白漿土施用2.7 t·hm–2有機(jī)肥，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量在高肥力土壤減少了0.27%，在中肥力土壤減少了0.03%，而在低肥力土壤增加了2.4%，說(shuō)明初始土壤有機(jī)質(zhì)含量和有機(jī)物投入量是影響白漿土培肥效果的主要因素。連續(xù)10 a施用25.5 t·hm–2牛糞后白漿土有機(jī)質(zhì)含量增加了9.3%[86]。陳恩鳳等[87]最早在1960年就通過(guò)研究證明了有機(jī)肥料在棕壤培肥上具有明顯的效果。位于沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)棕壤試驗(yàn)站內(nèi)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究結(jié)果表明，連續(xù)33 a施用有機(jī)肥后棕壤土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了13.1%～19.5%[34]，有機(jī)質(zhì)的增加量與投入量密切相關(guān)。武志杰等[88]研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)3 a有機(jī)物料施用后棕壤有機(jī)質(zhì)含量增加了3.1%～27.8%，不同有機(jī)物料對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)增加效果表現(xiàn)為秸稈>土糞>牛糞>根茬說(shuō)明了較高C/N的有機(jī)物料還田對(duì)維持甚至提高土壤有機(jī)質(zhì)含量效果更佳[89]。黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黑河分院于1979年在黑河典型暗棕壤區(qū)設(shè)立了長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，用以監(jiān)測(cè)暗棕壤肥力對(duì)不同農(nóng)藝措施的響應(yīng)過(guò)程，研究結(jié)果表明每3 a施用1次3 t·hm–2麥秸能夠遏制暗棕壤有機(jī)質(zhì)含量下降，但是沒(méi)有達(dá)到有效提升的效果[88，90-91]，如果要顯著提高暗棕壤的有機(jī)質(zhì)含量，必須增加有機(jī)物料的投入量。有機(jī)物料施用對(duì)黑鈣土的培肥效果也非常顯著，高同彬等[92]在黑龍江省富裕的研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)2 a施用腐熟牛糞和秸稈，黑鈣土有機(jī)質(zhì)含量分別增加了18.4%和10.5%；竇森[93]在吉林黑鈣土的研究中也得到了相似的結(jié)論，施用馬糞、玉米秸稈和豆秸一年后土壤有機(jī)質(zhì)增加了18.3%，關(guān)于黑鈣土長(zhǎng)期培肥的研究沒(méi)有發(fā)現(xiàn)更多的資料。在草甸土方面的研究發(fā)現(xiàn)，豬糞、綠肥（紫花苜蓿）和稻草連續(xù)5 a還田，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了8.1%～14.9%[94]。

3.2 黑土層保育理念與技術(shù)模式

東北黑土地的顯著特點(diǎn)是具有富含土壤有機(jī)質(zhì)的黑色或者暗黑色的黑土層（A層），但是墾殖后頻繁耕作擾動(dòng)導(dǎo)致黑土層中有機(jī)質(zhì)銳減[3]。為了阻控有機(jī)質(zhì)減少和提升有機(jī)質(zhì)含量，學(xué)者做了大量的研究工作[77，88，95]，但是從黑土層或者適宜耕層厚度角度考慮，黑土層保育的研究始于2007年，鄒文秀等[95]采用耕作的方法將秸稈、有機(jī)肥和化肥施入0～20 cm和20～35 cm土層，在0～35 cm的黑土層中土壤有機(jī)質(zhì)、水分物理性質(zhì)和生物學(xué)活性均取得了顯著培育效果。中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（海倫站）在東北黑土區(qū)中部設(shè)立了一個(gè)35 a的耕地恢復(fù)成自然草地景觀的定位試驗(yàn)?；谠撛囼?yàn)的研究結(jié)果表明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)為自然生態(tài)系統(tǒng)后，土壤腐殖物質(zhì)得到恢復(fù)，0～5 cm黑土層土壤有機(jī)質(zhì)已經(jīng)由54.0 g·kg–1[96]增加至87.8 g·kg–1[97]，增加了62.6%；同時(shí)該層土壤顏色已接近自然土壤顏色。但是，同一地塊相鄰區(qū)域同步開(kāi)展的不同經(jīng)營(yíng)制度試驗(yàn)研究結(jié)果表明，采用農(nóng)田生產(chǎn)的糧食通過(guò)畜牧過(guò)腹和秸稈墊圈還田技術(shù)模式后土壤有機(jī)質(zhì)僅增加了7.4%[22]，而采用秸稈深混黑土層保護(hù)技術(shù)，可以保持和提升0～20 cm黑土層有機(jī)質(zhì)含量[22]。海倫站連續(xù)13 a秸稈還田定位試驗(yàn)研究結(jié)果表明，0～20 cm黑土層土壤有機(jī)質(zhì)由44.5 g·kg–1增加至48.9 g·kg–1，增加了9.9%[98]。范圍等[99]在黑鈣土上開(kāi)展一個(gè)2 a試驗(yàn)研究結(jié)果表明，秸稈均勻施入0～20 cm土層，土壤有機(jī)質(zhì)可以增加27.8%。秸稈覆蓋還田技術(shù)主要影響表層土壤有機(jī)質(zhì)含量[100]，Li等[101]基于東北黑土區(qū)中部海倫連續(xù)15 a免耕秸稈覆蓋定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)耕作（無(wú)秸稈還田）相比，免耕僅提高了0～5 cm土層有機(jī)質(zhì)含量（28.8%），對(duì)5～20 cm土層有機(jī)質(zhì)沒(méi)有顯著影響。在黑土區(qū)南部德惠，孫冰潔等[102]的研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)13 a免耕秸稈覆蓋后0～5 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)增加了36.4%，而翻耕-秸稈深混后0～5 cm和5～10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量分別增加了6.4%和7.5%。黑土區(qū)南部梨樹(shù)的研究表明，連續(xù)5 a免耕秸稈覆蓋后0～5 cm和5～15 cm土層有機(jī)質(zhì)含量增加了37.8%和8.2%[103]。由此可見(jiàn)將能增加土壤有機(jī)質(zhì)的有機(jī)物料放在土壤表面，僅能提升0～5 cm或者0～10 cm土層的土壤有機(jī)質(zhì)，如果增加有機(jī)物料施入深度，達(dá)到黑土層平均厚度（35 cm），即可保育整個(gè)黑土層的土壤有機(jī)質(zhì)不下降，又可以提高有機(jī)物料的腐質(zhì)化系數(shù)[95]。

3.3 保護(hù)性耕作的優(yōu)勢(shì)與局限性

保護(hù)性耕作是指任何能夠保證在播種后地表作物殘留物覆蓋率不低于30%的耕作措施[104]，免耕秸稈覆蓋是典型的保護(hù)性耕作措施，但是免耕無(wú)覆蓋和少耕是否屬于保護(hù)性耕作措施，目前未有統(tǒng)一的定論[105]。筆者認(rèn)為，保護(hù)性耕作應(yīng)該是一切對(duì)土壤良好屬性有保護(hù)作用的耕作措施的總稱，最典型保護(hù)性耕作措施是少、免耕[105]。東北黑土區(qū)最早的少耕研究始于1979年，吉林省少耕法機(jī)械化試驗(yàn)研究協(xié)作組在吉林省的榆樹(shù)市、公主嶺市的懷德縣和南崴子鎮(zhèn)均設(shè)置了包括連續(xù)翻耕、耙地和原壟卡種（免耕）等耕作方式在內(nèi)的田間試驗(yàn)，調(diào)查了耕作方式對(duì)作物產(chǎn)量和土壤屬性的影響，值得注意的是所有試驗(yàn)小區(qū)均具有深翻基礎(chǔ)，秸稈全部移除。研究結(jié)果表明免耕未表現(xiàn)出顯著的作物增產(chǎn)效果，由于播種機(jī)械的限制還存在玉米根茬影響播種質(zhì)量導(dǎo)致缺苗的問(wèn)題[106]。免耕秸稈全覆蓋還田相關(guān)研究是由楊學(xué)明[104]于2002年開(kāi)始的，同時(shí)引進(jìn)了免耕播種機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)具并實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。免耕秸稈全覆蓋還田對(duì)于保持土壤含水量、控制水土流失和減少秸稈焚燒保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面具有重要作用。但是，秸稈覆蓋后，由于春季土壤解凍提溫慢而影響了種子發(fā)芽出苗[107]，同時(shí)還存在春季播種困難等問(wèn)題，限制了該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用。秸稈覆蓋還田后在地表腐解，腐解產(chǎn)物與土壤接觸面積有限，分解后以氣體的形式直接進(jìn)入大氣，或者在地表 0～5 cm 內(nèi)富集，影響土壤有機(jī)質(zhì)在整個(gè)土層中的提升[108]。間隔免耕-間隔覆蓋技術(shù)最早是由吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)院劉武仁[109]于 1999 年提出，核心技術(shù)內(nèi)容包括玉米寬窄行播種和條帶間隔深松，玉米秸稈全量還田方式為條帶間隔覆蓋。該項(xiàng)技術(shù)解決了春季土壤解凍提溫慢、春季播種困難和易跑墑等問(wèn)題，但是限制提升耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量的問(wèn)題仍然未得到有效解決。受土壤類型和積溫的影響，東北黑土區(qū)北部還存在免耕秸稈覆蓋玉米減產(chǎn)的問(wèn)題，Chen等[110]研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)7 a免耕秸稈覆蓋，平地和坡耕地玉米分別減產(chǎn)28.4%和13.8%；大豆生育期延后。其主要原因是免耕秸稈覆蓋影響了春季播種質(zhì)量和地溫提升。張之一[42]認(rèn)為從美國(guó)引進(jìn)的保護(hù)性耕作是防治土壤侵蝕很好的方法。但是美國(guó)的黑土土壤質(zhì)地多為粉壤質(zhì)，而我國(guó)東北地區(qū)的黑土土壤質(zhì)地較黏重，在引進(jìn)中，應(yīng)該注意結(jié)合中國(guó)的實(shí)際進(jìn)行研究和改進(jìn)。

4 問(wèn)題與展望

4.1 黑土層保護(hù)的科技展望

在東北黑土地的6種土壤類型中，墾殖時(shí)間較長(zhǎng)的棕壤耕地已經(jīng)失去了原始黑土層，按發(fā)生分類的黑土層是耕作層或者受耕作影響的亞耕層；白漿土和暗棕壤墾殖前自然土壤的黑土層比較淺薄，由于開(kāi)墾時(shí)間較晚和位于東北北部的冷涼和低山丘陵區(qū)，目前仍然殘存著少量淺薄黑土層；黑鈣土分布在熱量相對(duì)較高的半干旱地區(qū)，黑土層中有機(jī)質(zhì)減少已經(jīng)導(dǎo)致土壤黑色變淡。東北黑土區(qū)以北緯45°為界，南部黑土層較薄，北部還存在中厚黑土層，大部分黑土層在30 cm以上，有機(jī)質(zhì)含量35 g·kg–1以上；草甸土黑土層及其有機(jī)質(zhì)含量與中厚黑土相似。由此可見(jiàn)，科學(xué)上需要明確目前還存在黑土層的耕地，在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)管理方式下是否能夠得到保持？自然土壤黑土層形成過(guò)程在科學(xué)上基本清晰，但是人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的黑土層厚度以及顏色等變化過(guò)程需要進(jìn)一步的剖析和預(yù)測(cè)。在預(yù)測(cè)黑土層的變化方向和速度時(shí)，還需要闡明土壤有機(jī)質(zhì)在黑土層中的變化過(guò)程與調(diào)控機(jī)制，揭示黑土層有機(jī)質(zhì)與黏土礦物形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體的功能與機(jī)制。集中科研力量研發(fā)中厚層黑土保育的原創(chuàng)性技術(shù)和以原創(chuàng)性技術(shù)為核心的技術(shù)模式，在北緯45°以北的黑土帶上建立大于4萬(wàn)km2黑土層保護(hù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)中厚層黑土的永續(xù)利用。

4.2 肥沃耕層的理論與實(shí)踐

在東北黑土區(qū)淺薄型黑土層的耕地上，基于實(shí)現(xiàn)耕地園田化（高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田）的目標(biāo)，研發(fā)肥沃耕層構(gòu)建理論和原創(chuàng)性技術(shù)。淺薄型黑土層的黑土一部分是在自然成土過(guò)程中形成的，還有一部分是墾殖過(guò)程中由于人類活動(dòng)導(dǎo)致的[2]。對(duì)于淺薄型黑土層的耕地，在現(xiàn)有耕作方式下是否能夠通過(guò)新技術(shù)應(yīng)用恢復(fù)至中厚型黑土層的耕地？目前沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。研究學(xué)者僅在土壤有機(jī)質(zhì)緩慢上升或部分地區(qū)略有下降進(jìn)行了碎片化的報(bào)道[34]。我國(guó)東北黑土地和國(guó)際上同類地區(qū)耕地承載的保障糧食安全的重要性不同，東北黑土地在保障我國(guó)糧食安全中具有非常重要的戰(zhàn)略地位。因此，研究淺薄型黑土層耕地的肥沃耕層理論、新技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用模式是推動(dòng)黑土地耕地地力提升和實(shí)現(xiàn)糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的核心。

4.3 障礙性土層消減

白漿土在成土過(guò)程中由于黏粒的懸浮遷移和干濕交替導(dǎo)致在黑土層以下形成了白漿層[26]。白漿層質(zhì)地黏重，有明顯的淀積黏土膜，具有黏、瘦、硬、酸等特點(diǎn)，是典型的障礙層次。白漿土黑土層淺薄，肥力較低；白漿層影響土壤中水、熱、氣的流通和養(yǎng)分釋放以及作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，是東北黑土地中的低產(chǎn)土壤類型。針對(duì)白漿層障礙消減的技術(shù)研發(fā)，取得了包括心土培肥在內(nèi)的一系列研究成果[84]，對(duì)白漿層障礙消減起到了顯著作用，但是機(jī)械和成本限制了該項(xiàng)技術(shù)在白漿層障礙消減中的應(yīng)用。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上急需可操作性強(qiáng)、成本低的白漿土障礙消減技術(shù)和模式。

4.4 侵蝕區(qū)控蝕增肥的科技展望

1）水蝕。黑土坡耕地水蝕過(guò)程研究比較清楚，但是控制水蝕技術(shù)的研發(fā)及阻控機(jī)理研究相對(duì)緩慢，目前生產(chǎn)上仍然沿用20世紀(jì)50—60年代的技術(shù)[2]。由于黑土坡耕地的典型地形是漫川漫崗，其特點(diǎn)是坡度小、坡面長(zhǎng)，一些坡耕地水土流失監(jiān)測(cè)小區(qū)的坡長(zhǎng)介于20～30 m之間[52]，因此觀測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際有一定差距。坡耕地水蝕分為面蝕和溝蝕，面蝕控制技術(shù)以固土保水為主，溝蝕控制技術(shù)以攔水截土為主，但是缺乏坡耕地整體排水系統(tǒng)的科學(xué)研究。相關(guān)的攔水截土技術(shù)均無(wú)法控制水不流動(dòng)，因此需要針對(duì)黑土地的特殊地形、地貌條件，因地制宜研發(fā)坡耕地區(qū)域排水技術(shù)，形成完善的排水系統(tǒng)。由此看來(lái)，黑土區(qū)坡耕地急需建立以長(zhǎng)坡為研究對(duì)象的水土流失長(zhǎng)期觀測(cè)場(chǎng)，重點(diǎn)研究坡耕地區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)降能排水技術(shù)和溝蝕控制技術(shù)；集中攻關(guān)坡耕地控制面蝕的新技術(shù)和新模式。

2）風(fēng)蝕。在東北黑土地的6種土壤類型中黑鈣土位于半干旱風(fēng)蝕區(qū)，余下的5種土壤類型主要分布在半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)區(qū)域，風(fēng)蝕主要發(fā)生在春天。由于東北黑土地的風(fēng)蝕程度低于我國(guó)典型風(fēng)蝕區(qū)域，所以進(jìn)一步研究黑土地區(qū)域內(nèi)氣候特征、植被覆蓋度、地面粗糙度和種植方式對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響程度和閾值是非常重要的。在東北黑土區(qū)設(shè)立風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，對(duì)制定防風(fēng)蝕技術(shù)對(duì)策和指導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用具有非常重要的科學(xué)價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，研究容忍風(fēng)蝕量和風(fēng)蝕土壤遷移及沉降規(guī)律，為風(fēng)蝕控制技術(shù)研發(fā)提供科學(xué)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。根據(jù)黑土區(qū)季節(jié)性風(fēng)蝕特點(diǎn)，研發(fā)具有早春快生的農(nóng)田防護(hù)林新樹(shù)種和地面覆蓋作物新品種是這個(gè)地區(qū)首先需要解決的問(wèn)題。免耕覆蓋技術(shù)必須解決防止秸稈被風(fēng)吹失的技術(shù)問(wèn)題，建立綜合土壤防風(fēng)蝕技術(shù)體系，提出可操作性強(qiáng)，能夠應(yīng)用的綜合防風(fēng)蝕模式。

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Research Perspectives and Footprint of Utilization and Protection of Black Soil in Northeast China

HAN Xiaozeng, ZOU Wenxiu

(Northeast Institute of Geography and Agroecosystem, Chinese Academy of Sciences, Harbin 150081, China)

Black soils in Northeast China, reclaimed in recent 60～200 years, is one of the most productive soils in the world, and plays a vital role in guaranteeing national food security. Based on the summarized general situation of black soils in Northeast China including definition, distribution, soil types and reclamation span, this review presents a research footprint for black soils in the recent 70 years and raises future research orientations. Black soils including mollisol, chernozem, meadow soil, albic soil, dark brown soil, and brown soil are dominantly distributed in Liaohe plain, Songnen plain, and Sanjiang plain. The soil fertility under virgin land is relatively high but underwent great changed under the combined role of ecological system change and human activity. Also, the soil organic matter (SOM) sharply decreased during the early period (0-30 a) of black soils reclamation, then the decrease rate of SOM tended to reach stability after 50 years of reclamation. Black soil layer loss observed in eroded regions resulted from water erosion and wind erosion. The organic amendment, rotation, and contouring cropping were extensively adopted to enhance soil fertility and control soil erosion. The black soil layer is the landmark layer in black soils and is the core of soil fertility. Given black soil layer protection, the following suggestions can play a key role in the protection and utilization of black soil:(1) reveal the change processes of thickness and color in black soil layer and the driving mechanism and explore approaches that maintain and increase black soil layer thickness in current agronomic practices;(2) integrate building patterns of protection and utilization of black soil according to the local conditions. Consider conditions such as the core of fertile cultivated layer, barriers layer subduction and conservation of water and soil based on the dominant factor limiting black soils’ productivity, and deeply mining the adaptation, effect and mechanism of the patterns;(3) establish monitoring sites on the long slopes in the slope cropland and focus on new technologies research related to controlling soil erosion.

Black soil in Northeast; Research footprint; Black soil layer; Soil organic matter; Fertile cultivated layer; Barriers layer subduction

S153

A

10.11766/trxb202102280114

韓曉增，鄒文秀. 東北黑土地保護(hù)利用研究足跡與科技研發(fā)展望[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2021，58（6）：1341–1358.

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*中國(guó)科學(xué)院野外臺(tái)站聯(lián)盟項(xiàng)目（KFJ-SW-YW035-4）、黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（GA19B101，GA19B105）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41771327）資助Supported by the Field Station Union Project of Chinese Academy of Sciences（No. KFJ-SW-YW035-4），Applied Technology Research and Development Program of Heilongjiang （Nos. GA19B101，GA19B105），The Natural Science Foundation of China（No. 41771327）

韓曉增（1957—），男，遼寧人，研究員，主要從事土壤肥力研究。E-mail：xzhan@iga.ac.cn

2021–02–28；

2021–03–30；

2021–04–19

（責(zé)任編輯：檀滿枝）