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守护中国大粮仓:科学用养黑土地是关键

原创
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出品:科普中国

制作:李娜、雷琬莹(中国科学院东北地理与农业生态研究所)

监制:中国科学院计算机网络信息中心

“万物土中生,有土斯有粮”“民以食为天,食以土为本”。

一说起黑土,估计大家会马上想到一句俗语:“攥把黑土能出油,一两土二两油,插根筷子能发芽”。是的,这说的就是我们的黑土。

世界上只有四大黑土区,我国东北黑土区排名第三,她贡献了我国25%的粮食,是我国粮食安全的“压舱石”。黑土不仅养育着东三省一方水土,也承载着我国商品粮供给的重任。

图片来源:Veer图库

东北地区是我国的主要粮食产区,除盛产优质的“东北大米”而闻名外,东北黑土区还享有“黄金玉米带”“大豆之乡”的美喻。而玉米、水稻和大豆的产量领跑全国,这些作物不仅是关乎民生的商品粮,也是国家重要的战略储备粮。

2021年7月,农业农村部、国家发展和改革委员会、财政部、水利部、科学技术部、中国科学院、国家林业和草原局七部门联合印发《国家黑土地保护工程实施方案(2021-2025年)》,明确提出“十四五”期间将完成1亿亩黑土地保护任务,黑土耕地质量明显提升,土壤有机质含量平均提高10%以上。

那么,黑土为什么是黑色的?黑土地如何保护?黑土有机质含量又要如何提升呢?

东北黑土:耕地中的“大熊猫”

2020年7月,习总书记到吉林省视察时,强调要认真总结和推广,采取有效措施切实把黑土地这个“耕地中的大熊猫”保护好、利用好,使之永远造福人民。

黑土地之所以被称为“耕地中的大熊猫”,这和她的资源价值和战略地位密不可分。

首先,东北黑土是稀缺资源,具有独特的自然属性。

黑土是大自然赐予我们的珍贵资源,东北黑土是我国最宝贵的财富。中国东北黑土地耕地面积占东北黑土区耕地面积的50.6%,占中国耕地面积的10.0%。

其次,黑土是粮食生产的沃土。

黑土是一种性状好、肥力高、适宜植物生长的优质土壤类型,与其他类型土壤相比,具有水稳性团粒结构比重大、腐殖质含量高、结构疏松、容重低、持水能力强、通透性良好、微生物活性强等特点,具有良好的保肥与保水性能。

东北黑土区粮食产量和粮食调出量分别占全国总量的四分之一和三分之一。

冰天雪地里,皑皑白雪下覆盖的黑土地是我国的宝贵财富,这个黑白配,也正是我国国宝大熊猫的颜色。

因此,东北黑土地可以媲美我们的国宝神兽大熊猫。

黑土为何黑

东北地区的黑土是从大约200万年前才开始形成的。

200万年前,东北地区的土地主要表现为厚重的沙砾层,随着气候的湿化,东北地区逐渐发育出草原和森林植被。最终在约1.1万年前,形成了广布连片的典型草原、草甸草原、疏林草原。

该区域内夏季温暖湿润,植物生长茂盛,生长季雨热同期,冬季严寒少雪,土壤冻结深且延续时间长,季节性冻层明显。

每年10月中下旬气温迅速转冷而结冰,土壤中的微生物活动受到抑制,植物死亡后的残体不能迅速的分解,逐渐在土壤中积累起来,形成厚重的腐殖质层,为进一步积蓄土壤养分提供了充分的条件。而土壤中的腐殖质成分是黑色的,最终便形成了现今连片的黑土区。

典型厚层黑土土壤剖面(图片来源:李娜)

有机质锐减,黑土不再黑

黑土的形成是一个漫长的过程,但其退化的速度却像坐过山车一样迅速。

每形成1厘米厚度的黑土大约需要400年的时间,但在只用不养的情况下,黑土开垦40年,土壤有机质含量即可下降50%左右,下降速度惊人。

由于开垦后受到生态系统改变和人类活动的双重驱动,东北黑土地出现了严重的退化现象。

水土流失严重、土壤“破皮黄”、秸秆离地不还田、土壤压实板结、有机质下降、土壤质量降低,表现为“变薄、变瘦、变硬”的趋势。

土壤有机质含量和生产能力随开垦时间的变化(图片来源:参考文献1)

快速退化的黑土地已严重威胁到国家粮食安全和东北区域经济发展。如何在利用中保护黑土地、提升土壤肥力、实现黑土持续黑,是亟待解决的关键科学问题。

保护黑土地,守好中国大粮仓

保护和利用好黑土地,实现黑土持续黑、粮食持续稳产高产,需要科技的助力和振兴。

中国科学院东北地理与农业生态研究所一直致力于黑土地保护和利用方面的研究。黑龙江海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站创建了一系列不同农田管理措施下黑土质量演变长期定位实验,证实了通过向土壤中增施秸秆或有机肥,可较快速地提高土壤有机质,培肥土壤的同时,提升作物品质和质量。

多年来,通过技术模式的构建、优化和示范推广,研究团队提出了以秸秆粉碎、有机肥混合深翻还田,结合玉米-大豆轮作为关键技术的深耕培土“龙江模式”。

特别是黑土的成土母质肥力恢复的程度和速度,远超过表层黑土的肥力恢复程度和速度,这主要归因于“碳饥饿”状态的母质更有利于有机质的固存。

土壤2:1型黏土矿物吸附、磷钾养分释放、团聚结构周转、微生物生物化学的诸多耦合过程,都深刻影响土壤有机质的周转和稳定,持续影响外源碳进入土壤,形成稳定的土壤有机质。

有机物料施用对典型黑土和黑土母质肥力演变中土壤有机质含量的影响

(图片来源:参考文献1)

秸秆或有机肥还田,可不断地给黑土地“加餐”,将大量的养分返还给土壤,同时增加了土壤的蓄水能力和导气性,改善了土壤结构,提高了土壤微生物的数量和丰富度,促进了土壤中养分元素的循环,提高土壤的碳储量和土壤质量,使土壤更健康,充满生机。

秸秆或有机肥还田效果图(图片来源:李娜)

综上所述,退化的黑土是可以恢复的,只要时间允许、气候得当、外源物料充足、生物因素持续,即使是退化严重的黑土也是可以恢复的!然而,形成现在的黑土层至少要6万年的时间,黑土是这一最珍贵的土壤资源,无法人为重新构建。

所以,利用和保护好黑土地,是一项任重而道远的工程。

科学保护黑土地资源,让黑土持续黑,黑得发光发亮,守好中国大粮仓,时为己任,功在千秋。

中国人的饭碗,靠东北黑土,更需要中国人自己端!只有用科技去守护“中华大粮仓”,才能端好端牢“中国饭碗”。

参考文献:

韩晓增,李娜.中国东北黑土地研究进展与展望[J].地理科学,2018,38(07):1032-1041.

https://www.zhihu.com/question/26702027.

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