作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/8 13:32:29
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东北黑土地退化机理与保护利用关键技术及应用团队
用养结合,保护耕地中的“大熊猫”

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韩晓增(右)介绍黑土土壤有机质(沈春蕾摄)

黑土地是世界上最肥沃的土壤,被誉为耕地中的“大熊猫”。中国科学院发布的《东北黑土地白皮书(2020)》指出,我国东北黑土地总面积109万平方千米,其中典型黑土地耕地面积1853.33万公顷,是我国最重要的商品粮基地。

“如果说黑土地是耕地中的‘大熊猫’,那么黑土层就相当于‘大熊猫’的心脏,土壤有机质则是‘大熊猫’的血液。”中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员韩晓增告诉《中国科学报》,“这些年来,由于重用轻养,我国东北黑土地正处于‘亚健康’的状态,急需好好调理身子。”

韩晓增带领团队扎根黑土地30多年,通过定位观测试验为其“把脉问诊”,终于找到保护利用黑土地的“药方”。日前,以韩晓增为首的东北黑土地退化机理与保护利用关键技术及应用团队获2021年度中国科学院科技促进发展奖。

面黄肌瘦亚健康

“捏把黑土冒油花,插双筷子也发芽。”这曾是我国北大荒生态环境的写照,描述着这片黑土地的肥沃富饶,非常适合农作物生长。

北大荒指黑龙江省北部在三江平原、黑龙江沿河平原及嫩江流域的广大荒芜地区。20世纪50年代,我国在此进行大规模土地开垦、农场经营,使得北大荒变成了如今的北大仓。

黑土的形成对气候与地理环境的要求非常苛刻,全球仅有的四块黑土区分布在纬度相近的乌克兰平原、北美密西西比河流域、南美潘帕斯草原,以及我国的东北平原。

这些地区四季分明,春夏雨水充足,植物快速生长,积累了大量有机物;秋冬季温度骤降,有机物所蕴含的营养与能量还来不及被微生物分解,就被冰雪所掩盖,蕴含营养与能量的黑土经过不断积累,形成了30~100厘米的黑土层。

目前,我国的黑土区主要分布在呼伦贝尔草原、大小兴安岭地区、三江平原、松嫩平原、松辽平原和长白山地区,这些地区也是我国重要的大豆和玉米基地。

由于长年开垦、重用轻养,我国东北黑土地正在“变黄变瘦”。中国科学院海伦黑土水土保持监测研究站的观测数据显示,我国吉林、辽宁、内蒙古黑土区的黑土层大多不到30厘米,即使在开垦只有60~80年的黑龙江北部黑土层深厚区域,也需加强保护以阻止黑土层的退化。

黑土的形成需要漫长的历史,目前黑土地所存在的自然属性大约经过了1.1万年才形成,是第四纪全新世最后一个冰期结束后开始的土壤旺盛发育期所形成的属性,从土壤剖面的下层已经找到8000年前土壤固定的有机碳。

韩晓增介绍道,经历了近60年的农业耕作后,我国黑土耕层土壤有机质含量下降了1/3,部分地区甚至下降了更多。

他将黑土地比做一个年轻的小伙子:“小伙子干了很多的活,消耗了大量的体力,却好几天没吃饭了,身体有点吃不消,面黄肌瘦正处于亚健康状态。”

对症下药开良方

既然黑土地病了,那就要找准病灶、对症下药。1982年,大学毕业刚参加工作的韩晓增就开始关注黑土地,寻找其变薄变瘦的原因。

通过多年的定位观测试验,他带领团队找到了病因:东北平原水土流失区域黑土层迁移是导致黑土层“变薄”的主要原因;土壤旋耕或犁耕加速土壤有机质矿化,秸秆离田等措施造成有机物质归还少,导致有机质形成不足,造成黑土“变瘦”。

“当土壤有机质含量在4.5%以上时,对作物产量没有显著影响。”韩晓增向《中国科学报》介绍道,“我们的研究发现,土壤有机质锐减发生在0~35厘米土层的概率为97%。”

为此,韩晓增团队摸索出一套控制黑土有机质退化的“药方”——肥沃耕层构建技术。团队根据黑土层平均厚度和作物根系生长的适宜空间,将秸秆和有机肥深混入0~35厘米的土层中,进而构建一个深厚肥沃的土层,满足作物生长和黑土保护双重需求。

具体操作上,他们在黑土层变瘦的地区,采用粉碎机将玉米秸秆粉碎后,利用螺旋式犁壁犁进行深混还田。“在打破犁底层的同时,起到了梯次加深耕作层,厚沃增肥的效果。”韩晓增解释道。

那么,这套“药方”是否有效呢?

黑龙江省海伦市位于黑土带中心区域,韩晓增团队在此开展了一项为期35年的养分循环试验。他介绍:“单位面积农田生产的产品全部通过畜禽过腹后还田,黑土表层土壤有机质增加了1.1~5.31克/千克;极度退化的黑土母质裸露后,采用秸秆和有机肥熟化耕层土壤15年后,有机质可以达到中等肥力黑土的85%,粮食产量可以达到95%以上。”

如今,黑土地的保护与利用已经初见成效。以黑龙江省为例,全省有机质每年下降速度为0.1%~0.3%,已经降至此前的50%左右。

韩晓增预测,如果在东北黑土地全域实现秸秆还田和畜禽粪污无害化后回田,到2030年,东北黑土区耕地质量平均可提高1个等级以上,土壤有机质含量可以提高2克/千克以上。

增产增收获认可

海伦的试验结果显示,玉米平均增产10.2%,大豆平均增产12.3%。然而,要让农户认可,还需要深入田间示范。

按照“边研究、边示范、边推广应用”的思路,韩晓增团队从2003年开始将黑土保护与利用技术向农户介绍推广。

最开始,有农户认为土壤17厘米以下都是生土,翻上来的土壤没后“劲”,会造成减产。韩晓增给出的承诺是:“如果减产,我们赔钱。”最终农户试验了10亩地,效果很好。

2004年,海伦前进乡胜利村种植业大户杨海军在海伦市农业技术推广中心推介下,引进韩晓增团队研制的肥沃耕层构建技术和玉米—大豆高效轮作模式,种植的300亩玉米每亩增产81.6公斤,300亩大豆每亩增产18公斤。

连续10年的小范围推广也让黑土地保护利用技术在海伦当地和周边小有名气。

2013年,韩晓增团队与农业推广部门签署“关于开展肥沃耕层构建关键技术的技术服务协议”,开始在东北黑土区20个市县建立了肥沃耕层构建关键技术和模式示范点,面向不同经营主体相关人员开展面对面的指导。

这些年来,韩晓增团队尝试了多种黑土地保护利用技术或模式,如秸秆翻混还田、浅混还田、条耕条盖、玉米大豆轮作等。他指出:“这些技术在实际生产上还存在一定局限性,所以还需要因地制宜,对黑土地保护利用实施组合式的秸秆还田与耕作措施。”

如今已经退休的韩晓增每年近一半的时间仍然奔波在田间地头,他希望让更多的农户用上自己团队研究的黑土地保护利用技术。他表示:“黑土地是大自然给予我们的馈赠,我们不仅要合理用地,还要科学养地,只有这样才能造福子孙后代。”

 
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