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2023-01-31
1厘米黑土要400年才能形成，科學(xué)家如何守護黑土糧倉？
更新時間：2022-10-08 16:05:49作者：智慧百科
9月下旬，幾輛大巴車在鄉(xiāng)間小路穿梭，從窗外望去，廣袤的松嫩平原一望無際，即將迎來收獲。
“黑土糧倉”先導(dǎo)專項科學(xué)總顧問、中國工程院院士張佳寶下車后匆匆走進農(nóng)田一處深約1米的土坑考察土壤情況。南都記者在現(xiàn)場看到，土坑內(nèi)土壤層次分明，松散的表層黃土下有明顯的黑土層，夾雜著白色斑駁，這是含有碳酸鈣的表現(xiàn)。
但和想象中黝黑的黑土不同，黑土實物更接近淺一些的暗褐色。張佳寶在土坑看后做出評價，“黑土退化很嚴(yán)重了。”
黑土中的黑色來源于有機質(zhì)，有機物料腐殖化會生成一種棕色至暗褐色的腐殖酸，腐殖酸含量高，土的顏色就黑。張佳寶介紹，當(dāng)?shù)仫L(fēng)蝕嚴(yán)重，土壤質(zhì)地變粗，有機物分解速度變快，黑土因此“褪色”。
“每形成一厘米黑土要經(jīng)過約400年，一陣風(fēng)刮過去，吹走的不是幾毫米黑土，而是1個世紀(jì)?！睆埣褜氈钢翆痈嬖V南都記者。
在東北，一場黑土糧倉“科技會戰(zhàn)”已經(jīng)開展一年多時間。2021年，中國科學(xué)院啟動“黑土糧倉”先導(dǎo)專項，為黑土地保護與利用提供系統(tǒng)解決方案，為保障國家糧食安全和生態(tài)安全提供科技支撐。南都記者了解到，這是上世紀(jì)農(nóng)業(yè)科技“黃淮?！睍?zhàn)之后，中科院在新時代的一場新的農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)戰(zhàn)役。
為何將黑土地保護提到如此高度？對于黑土地保護和利用，我們已經(jīng)走到了哪一步？近日，南都記者隨中科院一行來到東北黑土地區(qū)尋找答案。
東北黑土地是中國的糧倉。
“變薄”“變瘦”“變硬”
在齊齊哈爾市梅里斯攻關(guān)試驗區(qū)，常年流傳一句俗語，“一年刮兩次大風(fēng)，一次刮半年?！边@里冬春季大風(fēng)頻發(fā)，風(fēng)蝕十分強烈，最大風(fēng)速超過7 m/s，嚴(yán)重破壞土地生產(chǎn)力。
張佳寶指著挖好的土坑告訴南都記者，每形成一厘米黑土要經(jīng)過約400年時間，三四十厘米的黑土層形成則需要大概1萬年時間。
“一陣風(fēng)刮過去，就能吹走一個世紀(jì)?！彼f。這可不是什么浪漫化的表述，一個驚人的數(shù)據(jù)顯示，東北黑土層的平均厚度已經(jīng)由上世紀(jì)中葉的60-80厘米下降到目前的20-40厘米。
“黑土糧倉”先導(dǎo)專項科學(xué)總顧問、中國工程院院士張佳寶評估黑土退化情況。
對于東北黑土地面臨的主要問題，專家們普遍用“變薄”“變瘦”“變硬”來概括。
簡單來說，黑土“變瘦”指的是有機質(zhì)的下降。研究數(shù)據(jù)顯示，東北黑土地土壤有機質(zhì)降幅高達21%，是我國耕地土壤有機質(zhì)唯一下降區(qū)域；“變薄”主要是因為土壤侵蝕。“變硬”則是因為有機質(zhì)降低了后，機械化作業(yè)導(dǎo)致土壤壓實“變硬”，作物難以破土出苗，農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。
而在這三個問題中，土壤侵蝕造成東北黑土地“變薄”又格外突出。除了大家熟悉的水蝕、風(fēng)蝕外，凍融造成的侵蝕是東北黑土地的特有難題。“先凍再融化，土壤會變松，水一沖，侵蝕起來比什么都要快?！睆埣褜氄f，“凍融侵蝕比黃土高原的水土侵蝕程度還要厲害?！?/p>
全球有四大片黑土地，包括北美中部密西西比河流域、烏克蘭-俄羅斯平原、中國東北、南美潘帕斯草原。我國東北黑土分布區(qū)是全球四大黑土集中分布區(qū)之一，包括黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部。東北黑土分布區(qū)面積 16.35 億畝，耕地面積 5.37 億畝，其中典型黑土區(qū)耕地面積約 2.78 億畝。
“黑土地具有養(yǎng)分利用效率高的優(yōu)勢，單季作物畝施肥量僅為其他地區(qū)土壤的70%左右，而同樣條件下，黑土地會比其他土地多產(chǎn)出10%?！睆埣褜氄f。
與之相對應(yīng)的，是東北在中國糧食供應(yīng)中的“壓艙石”地位。一方面，中國糧食對外依存度依然較高。2021年，我國累計進口糧食1.6億噸，占糧食總產(chǎn)量的24%。而作為我國最重要的糧食生產(chǎn)基地和商品糧輸出基地，全國排名前10位產(chǎn)糧縣均在東北黑土分布區(qū)。2021年，東北三省及內(nèi)蒙古地區(qū)合計增產(chǎn)達188億斤，對全國糧食增產(chǎn)貢獻率70.3% 。
張佳寶還特別強調(diào)一個數(shù)據(jù)，“商品糧調(diào)出量”?！斑@里一年只種一季，但輸出的商品糧占全國商品糧總量的1/3 ?！彼f。如今，長期高強度利用，加之土壤侵蝕，導(dǎo)致土壤有機質(zhì)含量下降、生態(tài)功能退化，嚴(yán)重影響東北地區(qū)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展。
齊齊哈爾市梅里斯攻關(guān)試驗區(qū)的黑土。
何為“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)？
1934年5月11日，美國西部草原地區(qū)發(fā)生了一場人類歷史上空前未有的黑色風(fēng)暴。風(fēng)暴刮了3天3夜，形成一個東西長2400公里，南北寬1440公里，高3400米的迅速移動的巨大黑色風(fēng)暴帶。
這場黑風(fēng)暴背后，是不合理的農(nóng)墾、過度放牧、過度采樵、單一耕種，導(dǎo)致植被和地表結(jié)構(gòu)的破壞，使草原枯萎、土地沙化。自此，美國提出保護性耕作，通過秸稈覆蓋、少耕、休閑等措施提高土壤有機質(zhì)含量。
“90年前美國經(jīng)歷的問題，我們正在經(jīng)歷?！睆埣褜氄f。在東北，一場“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)已經(jīng)實行一年多時間。
何為科技會戰(zhàn)？據(jù)中科院科技促進發(fā)展局副局長許航介紹，這個名字是為致敬和傳承“黃淮?！笨萍紩?zhàn)精神。上世紀(jì)中科院在黃淮海地區(qū)打響了農(nóng)業(yè)科技會戰(zhàn)，使會戰(zhàn)地區(qū)的糧食年生產(chǎn)能力提高了500億斤，為我國糧食增產(chǎn)做出矚目貢獻。
值得一提的是，這也是中科院首次在非軍工專項中啟用兩總制（總指揮、總工程師），重視程度可見一斑。其中，總指揮是專項第一負責(zé)人，總工程師專門負責(zé)專項技術(shù)線。
2021年3月，中科院與吉林省聯(lián)合上報“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)，向國家揭榜掛帥。從去年起，中科院先后與吉林省、遼寧省、黑龍江省、內(nèi)蒙古簽署框架協(xié)議。此外，中科院還派遣青年骨干擔(dān)任科技副職，結(jié)合不同示范區(qū)特色，掛職不同崗位，將示范區(qū)攻關(guān)任務(wù)與地方農(nóng)業(yè)工作結(jié)合，推廣技術(shù)和模式。
中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所（以下簡稱中科院地理所）副研究員侯瑞星就是其中一位，他掛職的是齊齊哈爾市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局副局長，負責(zé)種養(yǎng)循環(huán)、黑土保護性增碳技術(shù)示范工作。
中科院地理所副研究員侯瑞星介紹黑土地保護措施。
在梅里斯攻關(guān)試驗區(qū)，他介紹了針對風(fēng)蝕嚴(yán)重地區(qū)所實施的兩種保護性耕作措施，滅茬秸稈覆蓋免耕和高留茬秸稈覆蓋免耕。
據(jù)了解，科研團隊分別在保護性耕作和傳統(tǒng)耕作的樣地上布設(shè)了完整的風(fēng)蝕觀測系統(tǒng)，包括6套全方位集沙儀和兩套八向集沙儀，在2021年和2022年對不同耕作模式下土壤風(fēng)蝕特征進行了觀測。
結(jié)果顯示，在當(dāng)?shù)氐膫鹘y(tǒng)耕模式下，土壤年風(fēng)蝕量可達31-76噸/公頃，相應(yīng)的土壤有機碳年損失量達1-2噸/公頃，造成了土壤和養(yǎng)分的流失；在兩種保護性耕作模式下，風(fēng)蝕量可降低61%-64%，其中，0~10 cm的輸沙量下降了58%。兩種保護性耕作措施不僅留住了黑土，還提高了肥料的有效利用率。
“因此，梅里斯區(qū)的風(fēng)蝕阻控，在耕作措施方面要注重秸稈覆蓋和高留茬，一方面能夠通過覆蓋來保護表土，另一方面可以增加地表粗糙度，降低近地風(fēng)速。”侯瑞星說。
以上只是黑土地保護試驗區(qū)諸多舉措中的一角?！昂谕良Z倉”先導(dǎo)專項辦負責(zé)人李祿軍告訴南都記者，科技會戰(zhàn)注重發(fā)揮中科院不同研究所的專業(yè)優(yōu)勢，從各個角度各出奇招?！氨热鐝耐寥澜嵌?，怎么做秸稈還田、有機肥；從作物角度，培育一些肥地的作物比如大豆；從農(nóng)機角度，研究如何減少施肥量，提高土地養(yǎng)分利用率等等?！?/p>
拿出黑土地退化清單
對于此次科技會戰(zhàn)科學(xué)總顧問張佳寶來說，此行他還重點關(guān)注一項工作的進展，那就是黑土地退化清單。
他還記得，在一次向有關(guān)部門匯報黑土地退化情況時，被問到一個問題，“一直都在說黑土地退化，到底退化到了什么程度？”張佳寶當(dāng)時沒有回答上來。
“拿不出清單”這個問題也困擾了黑土地保護相關(guān)人員多年。張佳寶說，要摸清黑土地家底，需要建立黑土地不同尺度耕地質(zhì)量監(jiān)測與評價大數(shù)據(jù)平臺，利用分類評價體系和智慧監(jiān)測技術(shù)體系，最后達到讓“大家的辦公桌上就能看到黑土地退化程度”的效果。
這樣的愿景正逐漸成為現(xiàn)實。在齊齊哈爾核心示范區(qū)依安縣，南都記者看到了“星-空-地”立體監(jiān)測網(wǎng)正在將最古老的農(nóng)業(yè)和最先進的大數(shù)據(jù)結(jié)合起來，作為中科院打造“全域定制模式”的第一步。
什么是“星-空-地”立體監(jiān)測網(wǎng)？星基平臺指的是基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合機器學(xué)習(xí)等自動分類算法，實現(xiàn)耕地范圍、播種面積等的快速提取和統(tǒng)計分析，獲取縣域墾殖歷史、環(huán)境本底、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、種植制度等數(shù)據(jù)；空基平臺指的是可以支持無人機多機型任務(wù)的指揮與測控，依托相應(yīng)載荷，實現(xiàn)作物生長環(huán)境、周期，以及從灌溉到土壤變化，再到病蟲害侵襲等苗情、災(zāi)情的信息監(jiān)測；在地面觀測方面，目前在依安縣安裝的全自動的農(nóng)用生態(tài)觀測站有22臺套，覆蓋不同范圍的不同作物類型，參數(shù)采集頻率可以提高到分鐘級。
在此基礎(chǔ)上，記者看到了針對依安縣太北村C101號地塊開具的一張“病歷單”：所有者：趙XX 編號：C101 分類分級：低氮磷輕度水蝕耕地 問題診斷：水蝕和過度耕作導(dǎo)致地力退化，產(chǎn)量明顯下降 ；解決方案：免耕秸稈覆蓋還田+保護性增碳 、修復(fù)技術(shù)（有機肥定向深施免翻技術(shù)及配套農(nóng)機）、玉米-大豆輪作 ；施肥推薦：有機肥1000kg/畝。
經(jīng)過一段時間的“治療”，2021年該地塊“病情”有明顯好轉(zhuǎn)：地表徑流減少79.1%，表土流失減少95%，土壤結(jié)構(gòu)改善，團聚體直徑提升0.1-0.15mm，全氮增加18.5%；玉米產(chǎn)量從500kg/畝提升到560kg/畝，提升12%。
培養(yǎng)適合東北黑土區(qū)的作物品種
南都記者注意到，除了黑土地亟需合理保護和利用，在“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)中，尋找適應(yīng)東北黑土區(qū)的作物品種也是一大關(guān)鍵問題。
中科院科技促進發(fā)展局副局長許航表示，“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)目標(biāo)是實現(xiàn)東北黑土地保護與利用的平衡，用科技支撐國家糧食安全的“壓艙石”?！皷|北區(qū)域溫度低，對玉米、大豆、水稻等作物的低溫適應(yīng)性有很高要求，培育高產(chǎn)、耐逆、適合規(guī)?；N植的品種是當(dāng)務(wù)之急?！彼f。
東北，秋收時節(jié)，大片的大豆在風(fēng)中輕輕搖晃。從事“東生”大豆研究已有30多年，李艷華站在10萬畝核心示范區(qū)的大豆田中，看起來心情不錯。她隨手摘下一個豆莢，向現(xiàn)場人們展示自己培育出的“東生19”大豆，并歷數(shù)該大豆的優(yōu)點：豆子圓黃勻亮，產(chǎn)量高穩(wěn)產(chǎn)性好，蛋白質(zhì)、油脂含量也高。經(jīng)濟效益也顯而易見，收購價格普遍高于市場其他品種0.05-0.20元/斤，很受農(nóng)民、糧商和加工企業(yè)的歡迎。
李艷華在大豆田里向南都記者介紹“東生”大豆。
“大豆不光對人體來說有營養(yǎng)，對黑土地也有保護作用，是對土壤環(huán)境非常友好的作物?！彼嬖V記者，大豆具有固氮能力。用老百姓話來說就是能讓土壤更“熱乎”，只要種了大豆，下一茬種其他作物都可以減少施肥，產(chǎn)量還更高，能有效緩解過多施肥導(dǎo)致的土壤板結(jié)。
當(dāng)前，我國大豆嚴(yán)重依賴進口，自給率不足15%，大豆穩(wěn)定供應(yīng)面臨嚴(yán)峻考驗。我國耕地面積有限，加之國產(chǎn)大豆品種單產(chǎn)低、種植效益差，單純通過擴大大豆種植面積難以有效解決大豆自給難題。中科院東北地理所大豆育種團隊先后培育出“東生”系列大豆新品種31個，分別滿足高產(chǎn)、高脂、早熟，耐鹽堿等需求。
“我現(xiàn)在最主要目標(biāo)就是提高產(chǎn)量，對于國家糧食安全來說，我們心里有底氣，我們能做多少做多少?！彼f。
未來黑土地保護走向何方？
在采訪中，南都記者注意到，不少受訪者都提到同一個觀點，那就是“到現(xiàn)在為止我們還在就黑土地保護黑土地。”
“黑土地為什么在這個地方產(chǎn)生？它的形成和當(dāng)?shù)厮疅豳Y源和自然生態(tài)格局相協(xié)調(diào)?！睆埣褜氄f，林、草、濕地是黑土地的重要生態(tài)屏障?！叭绻@個地方濕地不存在了，森林也不存在了，黑土地一定不存在。所以我們一定要把黑土地的保護和整個生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)一起來做?！睆埣褜氄J為，這代表了未來黑土地保護的方向。
黑土地保護的種種舉措到底能否有用？不如看看前人的經(jīng)驗。在黑色風(fēng)暴事件后，美國采取了保護性耕作，這在后來被證明頗具成效：上世紀(jì)30年代，美國黑土地有機質(zhì)斷崖式下降，40、50年代維持同一水平，到70年代開始向上，上世紀(jì)末美國黑土地有機質(zhì)增加了3%-5%，目前為止，黑土有機質(zhì)已經(jīng)恢復(fù)到接近原來水平。
前有黑土治理的成功經(jīng)驗，中國土壤治理專家對此頗具信心?！皠e人已經(jīng)干過了，也干成功了，我們不要擔(dān)心，可以弄成?！睆埣褜氄f。
但也要看到經(jīng)驗的另一面：不要指望黑土地的保護和恢復(fù)能在3到5年解決問題，這是一個漫長的過程。張佳寶表示，美國黑土地治理花了30-50年時間，但中國的建制化體系決定了治理效率只會更高，也許20年后，我國的土壤科研工作者就能看到黑土地保護“開花結(jié)果”。
采寫/攝影：南都記者 王凡 發(fā)自黑龍江齊齊哈爾