作者:秦志伟 来源: 中国科学报 发布时间:2020/6/24 9:41:59
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拯救黑土地:从黑土形成过程入手


免耕精量播种机田间作业。

 

本报记者 秦志伟

粮食产量占全国总产量的1/4、调出粮食占全国的1/3,这是东北黑土地的贡献,它已成为保障国家粮食安全不可或缺的“功臣”。

然而,这样的“功臣”却变得不再健康。中国科学院东北地理与农业生态研究所(以下简称东北地理所)科研人员研究发现,由于重利用轻养护、掠夺式的经营管理方式,导致黑土退化加剧,使得土壤有机质处于平稳微降期的黑土,退化速率增长了10倍以上。

2016年,东北地理所“一三五”战略规划设立了“黑土农田地力提升关键技术研究与示范”重大突破项目。由此,一支拯救黑土地和提升黑土农田地力的研究团队就此形成,并源源不断地贡献着力量。

土壤有机质下降成必然趋势

黑土的形成历经上万年,其突出特征是土壤有机质含量高。但黑土被开垦为农田后,土壤有机质逐渐下降成为必然趋势。

项目首席科学家、东北地理所研究员李秀军向《中国科学报》介绍,黑土的退化一般经历土壤有机质快速下降、缓慢下降、平稳微降三个阶段。“正常利用情况下,黑土开垦150年以后,基本处于第三阶段,目前东北农田黑土大部分处于这一阶段。”

但原本处在平稳微降期的东北黑土,正走着不一样的路。

根据研究团队长期定位监测结果,黑土农田土壤腐殖质层厚度、耕层土壤有机质含量、土壤养分(氮、磷)含量减少50%以上。与此同时,农民为了追求作物高产,采取过量施用化肥来弥补土壤养分不足,导致了化肥利用率降低、土壤酸化和板结、生物多样性降低,进一步加剧了土壤退化,形成了恶性循环。

李秀军给出了几组数据:东北黑土地南部薄层黑土区,耕层土壤有机质含量已由开垦前的4%~6%下降到1.5%~3%;北部黑土区,耕层土壤有机质含量由开垦初期的8%~10%下降到3%~5%。

更为严重的是,在南部薄层黑土区和平原周边侵蚀较重黑土区,已有3%左右耕地土壤腐殖质层完全消失,出现“破皮黄”。

“黑土退化的核心是土壤物理、化学、生物结构变差,进而导致土壤养分、水分涵养能力下降,不利于作物生长。”这是研究团队通过在中国科学院海伦农业生态实验站等野外实验站和研究基地的长期定位研究以及对遍布黑土区几百个土壤剖面样品分析得出的结论。

研究发现,土壤有机质含量每下降1个百分点,作物产量降低13%~20%。长此下去,无疑会对粮食安全造成巨大威胁。

“当前还可以通过增大化肥用量来维持粮食高产稳产,但如果黑土持续退化,依靠化肥维持粮食产量将越来越困难。”李秀军表示,随着化肥用量的加大,化肥利用率也正在降低,农业生产成本增加的同时,还会引发面源污染,对江河湖泊、地下水以及区域整体生态环境将造成严重破坏。

仿照黑土形成过程是治理关键

几年来,李秀军和团队成员厘清了黑土农田生产过程中土壤物理、化学、生物变化及交互作用机制,为黑土农田地力提升奠定了理论基础。

研究发现,合理的土壤团聚结构是支撑黑土地力的关键,也是土壤物理、化学、生物交互作用的核心。李秀军表示,土壤微生物在土壤团聚过程中发挥着重要作用,微生物分泌的有机胶结物质和微生物自身的残体是土壤团聚体形成的关键要素,贡献率占79%。

“遏制黑土退化的关键是仿照黑土形成过程中有机残体的累积,也就是增加对农田的有机物料投入。”在李秀军看来,在目前农业机械化水平逐渐提高条件下,有机肥大量投入已不可能实现。因此,秸秆还田成为增加有机物料投入、解决黑土退化的唯一途径。

庆幸的是,研究团队最终发现退化黑土具有可恢复特性。

李秀军告诉《中国科学报》,通过连续实施秸秆还田16年,严重退化黑土的土壤有机碳可以从4.2g/kg增至12.1g/kg,年均增加18.8%。“按这样的速度,经过20年左右时间,黑土的土壤有机质可在目前基础上提高1倍以上,基本达到黑土有机质可恢复潜力的最好水平。”李秀军及其团队成员对此极具信心。

但秸秆还田也有多种方式,如秸秆覆盖还田、秸秆翻埋还田、秸秆过腹还田、秸秆碳化还田等。目前该团队针对前两种方式取得了关键技术上的突破,相关技术模式受到农户及推广部门的欢迎。

以秸秆覆盖还田为例,在东北地区,秸秆覆盖很容易影响春季耕作和播种。为此,团队成员、东北地理所研究员梁爱珍等在学习发达国家保护性耕作技术基础上,成功研发了适于黑土区特点的系列免耕精量播种机械,并集成构建了秸秆覆盖还田保护性耕作技术模式,该技术模式已在黑土区得到推广应用。

据梁爱珍介绍,团队已与农业机械生产企业合作,实现了免耕精量播种机械的产业化生产,相关机械被列入了国家农机补贴目录,为研究成果大面积推广应用奠定了基础。

截至目前,包括秸秆覆盖还田保护性耕作、侵蚀黑土水土保持在内的诸多技术模式已在黑龙江省、吉林省多地得到推广应用,累计推广100余万亩,增加经济收益8000多万元,为国家黑土保护工程实施提供了技术支撑。

值得一提的是,吉林省已将该项目的相关技术模式写入政府工作报告,在全省做重点推广。

除此之外,研究团队的改良型玉米、水稻高光效种植模式,肥沃耕层构建技术,机械化、规模化玉米—大豆高效轮作模式等均取得了显著效果,树立了现代农业科技示范推广的典范。

一批青年科技人员展露锋芒

黑土农田地力提升是一个系统工程,不是一朝一夕就能做到的。它既涉及土壤学中的土壤物理、土壤化学、土壤动物和微生物等学科,又涉及到作物栽培和耕作、作物生理生态以及农业机械等学科。

在这支团队中,中科院黑土区农业生态重点实验室共有25位研究员,其中10位参与到该项目中。“不同学科间的合作,主要体现在实验过程中的协作。”李秀军说。

例如,在苗带轮替休耕模式的研究过程中,作物生理生态科学家完成作物光合生理、养分生理的研究,作物栽培和耕作科学家完成作物垄距、株距、播种的研究,土壤学家完成秸秆还田方式以及秸秆在土壤中的分解转化和对土壤影响的研究,农机科学家研究新模式生产过程中的配套机械,最后大家汇总研究成果,共同讨论形成完整方案,再将方案应用、完善。

在共同研究讨论中,一批青年科技人员也慢慢成长起来。“一旦实验方案明确,年轻科技人员就成为实施的主力军,要充分激发其创新思维,并给予他们财力、人力充分自主权。”李秀军说。

在这支团队中,梁爱珍担任了“退化黑土农田保护性耕作技术研究与示范”课题负责人,并在项目执行过程中晋升为研究员;引进的李向楠博士在这项工作中发挥了重要作用,目前担任中科院黑土区农业生态重点实验室副主任,并获得了国家自然科学优秀青年基金资助。

黑土保护和黑土农田地力提升需要这些人的不懈努力。在李秀军看来,虽然经过几代科技工作者的努力,已取得众多技术成果,但某些技术在落地和农民应用过程中仍存在改进空间,需要机械配套。

“农民和农村合作组织更关心农田的产出效益如何提高,对黑土保护的意识相对淡薄。因此,在技术模式的应用过程中必须给予农民一定的补贴,否则技术模式难以落地。”李秀军说。

 

《中国科学报》 (2020-06-24 第1版 要闻)
 
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