中国网/中国发展门户网讯  黑土是典型的地带性土壤，以富含有机质（碳）和潜在肥力高而著称。世界上共有四大片黑土区，主要分布于中纬度温带草原，包括我国的东北平原、俄罗斯-乌克兰平原、北美密西西比河流域和南美潘帕斯大草原，总面积占世界无冰土地面积的7%，居住着2.86%的世界人口，耕地面积占全球的17.4%。黑土区水热适宜、地块平坦广阔，不仅是所在国家的粮食核心产区，更是世界粮仓。

我国东北黑土区面积108.75×10⁴ km²，耕地面积5.63亿亩，占全国耕地的1/4，每年粮食总产占全国的1/4，商品粮调出量占全国总调出量的1/3，对国家粮食安全发挥着“压舱石”和“稳压器”的作用。东北黑土区虽开垦仅有100余年，但由于国家粮食生产的刚性现实和农户生计及经济收入的强烈需求，导致黑土地高强度的掠夺式经营，使之发生了“变薄”“变瘦”“变硬”“变碎”等严重退化现象，土壤质量和生产力持续下降，严重威胁黑土地可持续粮食稳产高产。2020年7月22日，习近平总书记在吉林省考察时强调：“一定要采取有效措施，保护好黑土地这一‘耕地中的大熊猫’，留给子孙后代。”因此，建立一种在利用中保护的黑土地生产模式势在必行。

本文基于20余年在黑土地开展的区域采样调查和长期定位田间试验的结果，重点评估了黑土地退化过程中“变瘦”所表征的碳损失过程及其对土壤自然生产力和农田生产力的影响，深入探讨了退化黑土增碳培育进而增加粮食产能的技术效果与途径，旨在为黑土地保护决策制定与技术措施推广应用提供科学依据。

黑土碳损失是高强度利用下的必然

土壤有机质（SOM）是衡量土壤质量的最重要指标，常用其含量变化表征土壤退化过程。研究发现，当自然生态系统中的草地和林地开垦为农田时，最初20—40年，土壤被熟化，SOM含量快速下降是必然的过程，对地力起到提升作用；其后由于黑土碳输出高于输入，SOM含量进一步下降，土壤碳储量降低，质量变劣，肥力下降，被称为土壤退化。

黑土退化失碳过程

黑土发生退化已是不争的事实，但究竟退化到什么程度，退化过程如何？则需要定量回答黑土“变瘦”问题。在中国科学院“耕地保育与持续高效现代农业试点工程”重大项目和战略性先导科技专项A类项目的支持下，笔者团队分别于2002年和2019年在典型黑土带开展了系统大样点采样，共采集1500个土壤样品，并基于原样点空间对比分析，首次从区域尺度揭示了黑土带耕层土壤SOM退化过程，发现目前耕层（0—20 cm）黑土SOM含量已下降到36.0 g/kg，较开垦前的1895年下降了近60%。其中第二次全国土壤普查的1982—2002年的20年间，SOM年均下降速率为0.5%，而2002—2019年的17年间，年均下降速率变缓为0.3%，仍呈下降的趋势（图1）。该结果进一步验证了1999年国家启动的“973”项目“土壤质量演变规律与持续利用”得出的“黑土是我国目前唯一SOM含量仍在持续降低的农耕土壤”的结论。

黑土碳会无限降低吗？

SOM演变历来是国内外农田生态系统研究关注的热点，目前已达成广泛的定性共识，即SOM含量不会无限制地下降。剔除土壤侵蚀因素的影响，对于某一田块，在气候一定且生产管理不变的情况下，最终会达到趋于稳定的波动状态，即稳定态；此时，土壤碳的收支平衡，SOM含量被称为稳定态平衡点。为揭示这一过程，2005年，笔者团队运用空间移位的方法，利用我国黑土带南北900 km长、东西200 km宽，降雨相近，南北气温呈梯度分布，同一土壤且SOM含量也呈梯度分布的区位优势，将SOM含量16.8—110.0 g/kg的原状1 m黑土土体分别迁移到年均气温1.5℃的黑龙江省海伦市和年均气温4.5℃的吉林省德惠市，建立了黑土SOM梯度长期定位田间试验。利用20年的SOM演变观测数据构建了基于RothC模型的农田黑土有机碳模型，并使用区域数据对模型进行验证，模型拟合度达到0.9。随后，利用该模型对黑土带平衡点进行了定量预测。结果表明，从吉林省梨树县到黑龙江省北安市，在现有农耕管理制度下，最终SOM含量会在22—50 g/kg范围内达到平衡，不再下降；SOM演变主要受温度驱动的矿化和腐殖化过程影响，温度越高，平衡点越低。同时，若实施增加有机物料输入等保护性管理措施，SOM含量会提升到新的平衡点。

黑土退化碳损失对作物产量的影响有多大？

中国工程院院士张佳宝提出了农田内稳性地力理论，将农田生产力划分为基础性土壤肥力、速效性肥料肥力、限制性水热肥力三大组成部分。基础性土壤肥力又被称为土壤基础肥力或土壤自然生产力，土壤退化导致其向枯竭型（母质）发展；速效性肥料肥力受人类管理调控，成为当前种植者加大化肥投入以维持作物高产的主要措施；限制性水热肥力主要受气候影响，东北雨养农业，存在着“靠天吃饭”，干预度低的问题。但是，农业管理措施的进步能够改变土壤水热特性和过程调控土壤肥力。例如，土壤耕作可以提高耕层温度，地表覆盖可以降低蒸发、增加土壤蓄水量，以及冷凉区实施大垄种植等都是提升黑土水热肥力的有效措施。

农田黑土SOM含量下降，势必导致土壤基础肥力降低。为了量化这一影响，利用笔者团队建立的黑土SOM梯度长期定位田间试验的不施肥处理（代表黑土自然生产力）和施用化肥处理（代表黑土农田现实生产力）连续20年的试验数据，建立了SOM含量与生产力的定量关系。由于该试验在同一地点开展，气候条件相同且种植作物均为玉米，施肥等管理措施一致，剔除了其他因素干扰，SOM含量差异成为唯一变量，从而能够准确揭示SOM对产量的影响。研究发现，玉米产量与表层（0—20 cm）黑土SOM含量呈单峰曲线关系，并不是SOM越高产量越好，而是存在一个对应最高产量的SOM含量（即阈值）。施肥条件下最高产量对应的SOM阈值为70 g/kg，而不施肥条件下最高产量对应的SOM阈值为80 g/kg（图2）。这一结果与国内外大多数研究得出的SOM含量与作物产量呈正线性关系的结论不同。这主要是因为国内外已有研究多集中于SOM含量上限60 g/kg；而此长期试验在剔除气候影响下，通过空间移位将SOM含量变幅上限提高到110 g/kg，从而扩展了国际上SOM与作物产量的定量关系。发现过高的SOM含量会导致土壤持水保水能力过强，土壤温度降低，影响作物生长发育和干物质积累，造成产量减少。观测发现，SOM含量为110 g/kg的小区春季土壤含水量要比SOM含量为50 g/kg的小区高10个百分点，土壤温度却低1.5℃，这是造成产量下降的重要原因之一。试验结果的重要意义在于，就黑土区粮食生产和退化黑土培育目标而言，SOM只需提高到最高产量的70 g/kg即可，而不是越高越好。

此外，20年的黑土SOM梯度长期定位田间试验也厘清了黑土农田地力份额占比。相对于不施肥处理，施肥处理下玉米产量翻番，水热因素对作物产量的影响幅度可达25%。利用阈值70 g/kg和区域平均SOM含量36 g/kg，根据建立的土壤有机质含量与作物生产力关系，可计算得出黑土碳储量的减少已导致自然生产力丧失了20%。这一结果表明保持高的土壤碳储量是维持作物高产稳产的必要前提，同时解释了为什么黑土持续退化的同时作物单产仍能保持增长的关键原因，那就是，除作物品种改良因素外，化肥的施用及其投入量的增加是维持作物高产的核心。

黑土碳损失能恢复吗？

黑土碳储量的下降势必导致土壤结构和功能趋劣，进而引起自然生产力下降，严重影响黑土农田的稳产高产能力。黑土失碳是碳输入低于碳分解输出所致，增碳只能依靠施用有机肥或秸秆还田等有机物料的额外输入。退化黑土改良已被纳入国家黑土地高标准农田建设的重要内容，应采取哪些具体措施，其增碳速率和效果如何，必须给出科学的定论。

有机肥施用增碳

有机肥或农家肥施用是中华农耕文明之遗产，可改善土壤结构，保持和提升地力。然而，对于退化黑土而言，有机肥施用的效果如何，需要施用多少量，施用多少年才能达到培肥黑土和保持作物产量？2005年，笔者团队建立了连续施用有机肥恢复退化黑土田间长期定位试验，明确了相关问题。研究数据表明，与SOM含量42 g/kg的对照相比，初始SOM含量27 g/kg（即碳损失35%）的黑土，每年施用农家堆沤肥15 t/hm²（SOM含量30%）的处理小区，第1年作物产量仅为对照的60%，连续实施7年后 SOM含量增加至43 g/kg，产量恢复到对照水平；而单施化肥的对照小区SOM含量由42 g/kg略降至41 g/kg，这说明施用有机肥可阻控黑土退化，是快速恢复退化黑土SOM含量和提高作物产量的有效途径。

秸秆覆盖免耕增碳

黄土母质能快速转化形成黑土吗？

黑土是在黄土状亚黏土碳不断累积发育形成的；随着土壤碳的消耗，其颜色由黑变灰，甚至变黄（SOM含量低于2%时），黑土自然肥力随之下降。通过外源碳的输入，土壤颜色会逐渐加深，恢复为黑土。面对当前国家粮食生产的刚性需求，迫切需要通过增碳快速恢复退化黑土质量，提升粮食产能。

相关启示

粮食安全是我国头等大事，黑土地作为国家最大的商品粮基地，主要种植玉米、水稻和大豆，对保障国家粮食安全起着举足轻重的作用。然而，100余年的高强度利用导致黑土发生了严重的退化，出现黑土层变薄、土壤碳损耗、土壤变硬，以及附加酸化、破碎化和次生盐碱化等问题，对可持续稳产高产产生了威胁。鉴于今后一段时间内，我国粮食生产仍将面对高压态势，维持高质量黑土是保障粮食产能的根本，碳储量既是衡量黑土质量的核心，也是保证粮食产能的基础——黑土有碳粮不慌。围绕黑土碳和粮食产量关系的核心问题，从研究结果中可获3方面启示。

黑土增碳需科学谋定。施用有机肥可以一次性快速补充碳的损耗，增产显著；依托高标准农田建设的地力提升工程，经济可行，效果显著。但若不从根本上转变传统的常规耕作制度，培肥后的黑土仍会再次退化，其增碳和增产效应只能维持数年。秸秆全量覆盖保护性耕作虽然培肥黑土效果较缓，但能够对1 m深度土体的土壤起到增碳的作用，实现从初期减产到后期稳步缓慢增产的长期效应。

褐煤有望成为扭转黑土退化的有效资源。褐煤储量大，分布于近地表，易开采；褐煤在自然转化的过程中，植物源的有机碳被不断浓缩成以腐植酸为主的稳定碳源，施到土壤中易与土壤矿物结合，稳定性强，增碳效果优于传统有机肥，有望成为快速“黄土变黑土”的有机碳源（图3）。

粮食安全是我国头等大事，黑土地作为国家最大的商品粮基地，今后一段时期内我国粮食生产必然要面对高压态势，不同于世界上其他三大片黑土地，我国黑土地势必要走利用中保护的道路。黑土地保护已被列为国家重点工程，国家年投入专项资金已达1000亿元以上，以退化黑土培育为核心的地力提升工程已被列入高标准农田建设的重要内容之一。因此，维持或提升黑土碳获得难得机遇，科学高效培育退化黑土对维持黑土地粮食产能将起到关键的作用。

（作者：张兴义、沈庆松、郭明明、李娜、李建业、陈一民、李彦生、刘晓冰，中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土地保护与利用重点实验室；陈强，哈尔滨师范大学地理科学学院。《中国科学院院刊》供稿）