2021, Vol. 58
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中国东北黑土地主要分布在辽河平原、松嫩平原和三江平原（38°43'N~53°33'N，115°31'E~135°05'E），从东到西1 600 km，从南到北1 400 km范围内，是世界三大黑土带之一[ 1- 2]。自然黑土是在第三纪、第四纪更新世或者全新世的砂砾和黏土层上发育的土壤，区域内独特的气候、水文条件和植被类型为土壤中腐殖质的积累奠定了基础，形成了深厚肥沃的黑土层[ 3]，黑土成为世界上最肥沃的土壤之一。东北黑土区是我国重要的商品粮生产基地，耕地面积3.6×107 hm2[ 4]，占全国的1/4；粮食总量占全国的1/4，商品粮占全国的1/4，调出量占全国的1/3[ 5]。东北地区由于气候冷凉，土地开垦时间较短，土壤表层普遍存在黑色或暗黑色的腐殖质，民间俗称“黑土地”。虽然自然土壤比较肥沃，但是黑土开垦后经历了轮耕休耕期、人畜低强度利用期和机械化高强度利用期[ 6]，用养失调和土壤侵蚀导致黑土自然肥力逐年下降，黑土发生退化，主要表现在黑土层中有机质锐减、耕作层变薄、犁底层增厚，物理性质恶化，生物功能退化等[ 6- 8]，加之东北区域内部分土壤类型存在原生障碍（如白浆土的白浆层、黑钙土的钙积层），影响了东北黑土区农业可持续发展和粮食产能的稳定与提升，威胁了东北黑土地在国家粮食安全中发挥的“压仓石”和“稳压器”作用。对东北黑土地开展保护利用，全面提升黑土地耕地地力已经成为当前亟需解决的重大问题，已经引起了国家领导人的高度重视。习近平总书记2016年、2018年和2020年在东北视察时，均对黑土地保护作出了重要指示，强调“要采取工程、农艺、生物等多种措施，将黑土地保护好、利用好”；“坚持用养结合，综合施策”；“要保护好黑土地，这是‘耕地中的大熊猫’”。“黑土地保护”的实质是保护黑土地的黑土层，把“黑土地利用好”的实质是创造一个深厚肥沃的耕层，稳定和提高作物产量。为此，理论上有必要将黑土地的定义、分布和垦殖前后变化以及黑土地保护利用的相关研究进展进行梳理和总结。鉴于此，笔者根据40余年在东北黑土地的研究工作和经验，系统梳理了近70年东北黑土地保护利用的研究足迹，总结分析东北黑土地的主要科学和技术研究进展，探讨了未来的重点研究方向，为下一步黑土地保护利用的科学研究和技术研发提供参考，同时也将为开展“东北黑土地保护利用”国家行动计划的制定和实施提供科学依据，为农业生产提供指导意见。
1 黑土地概况 1.1 黑土地的定义与分布“黑土地”是农民对黑土的俗称。东北地区是我国土地开垦较晚的区域，开垦初期农民将一犁深（15~18 cm）目测为黑色、松软的土壤称为黑土地，涵盖了黑土、黑钙土、草甸土、白浆土和暗棕壤等[ 9]，其分布的行政区域包括辽宁省、吉林省、黑龙江省和内蒙古自治区的东四盟（赤峰市、通辽市、呼伦贝尔市和兴安盟），土地面积124.4万km²[ 10]。由于成土母质、气候、地形和植被等的多样性，东北地区土类有32个[ 11]，占全国土壤类型总数的70%。自然土壤黑土层（A层）厚度与区域内气候条件密切相关，其中分布在光a热资源丰富的干旱和半干旱地区的土壤类型A层较薄，开垦后由自然土壤转变为耕作土壤后，A层中的黑色腐殖质迅速被分解，A层的黑色逐渐消失，接近淋溶层（B层）的颜色，部分土壤类型A层颜色逐渐转变为成土母质颜色，例如棕壤[ 2]。在东北北部和东部，由于生长季雨热同季，夏季植被茂盛生长，积累了大量有机物质，冬季漫长而寒冷，微生物活动受限，有利于有机物质积累，土壤有机质积累大于分解，形成了深厚的黑土层。形成于此环境中的土壤类型虽然开垦多年，但是A层依然表现为黑色或暗黑色，黑土即是典型代表[ 2]。在上述具有独特黑土层的土壤类型中，大部分呈复区分布在松嫩平原、三江平原和辽河平原。为了更好地管理黑土地，研究学者提出了黑土区的概念，先后将黑土、黑钙土分布区域合并为黑土区，后又将草甸土并入。由于概念不清，黑土区的范围和面积一直比较模糊[ 9]。2004年初，由黑龙江省农业科学院和中国科学院南京土壤研究所组织东北地区科研院所和大专院校的专家实施了科技部的“东北黑土资源利用现状及发展战略研究”项目。该项研究首次综合学术界、政府部门和农民的意见，根据土壤肥力属性，将东北黑土区的土壤类型划为：黑土、黑钙土、草甸土、白浆土、暗棕壤和棕壤6种土壤类型[ 12]。在2017年，农业农村部联合国家发展改革委员会、财政部、国土资源部、环境保护部和水利部发布了《东北黑土地保护规划纲要（2017—2030年）》[ 5]，在“纲要”中定义了黑土地，是指拥有黑色或暗黑色腐殖质表土层的土地，是一种性状好、肥力高、适宜农耕的优质土地，明确了“黑土地”等同于“黑土区”。至此，东北黑土区和黑土地的定义得到了统一。根据第二次全国土壤普查和农业农村部“全国耕地地力调查与质量评价试点”的数据，确定黑土地面积为2.6×107 hm2 [ 4]，占东北区耕地面积的72%（ 表 1）。
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表 1 东北黑土区6种土壤类型的耕地面积[ 4] Table 1 Arable area of 6 soil types in the black soil region in Northeast China |
根据《东北黑土地保护规划纲要（2017—2030年）》[ 5]的规定，黑土地的土壤类型包括黑土、黑钙土、草甸土、白浆土、暗棕壤和棕壤等6种土类，每种土壤类型的典型剖面见 图 1，每种土壤类型[ 2]的特点如下：
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图 1 东北黑土地6种土壤类型的典型剖面 Fig. 1 Typical soil profiles of 6 soil types in black soil region in Northeast China |
黑土。黑土是东北黑土地的代表性土类，主要分布在松嫩平原，即黑龙江、吉林两省和内蒙古的兴安盟及呼伦贝尔市。自然黑土主要植被类型是草原化草甸，在成土过程中由于气候寒冷、生长季短，雨热同季，植被生长茂盛，冬季漫长寒冷，土壤有机质积累大于分解，加之黄土状沉积母质以黏土矿物为主，有利于形成腐殖质含量高低不等的黑土层（A）[ 2]。按照黑土层厚度可以将黑土划分为薄层黑土（< 30 cm）、中厚层黑土（30~60 cm）、厚层黑土（> 60 cm），其中薄层黑土和中厚层黑土占95%以上。
黑钙土。黑钙土主要分布在松嫩平原西部，大兴安岭东西两侧和松辽分水岭地区。气候为半干旱季风气候区，植被为草甸草原，母质为中新生代的河湖沉积物，地形为低平原，海拔高度在150~200 m。黑钙土A层在50~80 cm，有机质含量较低（1.5%~2.5%），保水能力差；B层石灰反应强烈。贫瘠和石灰反应是限制黑钙土作物高产稳产的主要因素。
草甸土。草甸土是一种非地带性土壤，在东北地区均有分布，但是主要分布在三江平原。草甸土的显著特点是土壤剖面上仅有A层和C层，A层深度介于20~50 cm之间，也有少数深达100 cm以上。草甸土的典型成土地形特点是地势低洼、排水不畅，地下水可以补给土壤表层，土壤表层常年含水量为田间持水量的70%~90%，部分时段土壤会达到饱和状态甚至地表出现积水。区域内草甸植物生长旺盛，表层土壤有机质积累大于分解，黑土层较厚。
白浆土。白浆土是东北地区重要的耕作土壤之一，主要分布在黑龙江省三江平原和吉林省的东部。分布区域属于半湿润和湿润气候，母质以第四纪河湖黏土沉积物为主，地形主要是低平原、河谷阶地和山前洪积台地等，地下水埋藏8~10 m，植被以喜湿植物为主，如苔草和小叶樟。白浆土剖面结构比较特殊，A层厚度介于50~70 cm之间，但黑土层较薄，约15 cm，下层即为白浆层（Aw层），厚度为15~30 cm。白浆层是一种障碍土层，呈酸性、贫瘠，物理性状极差，湿润时几乎不能透水，干时坚硬，不利于作物根系生长。
暗棕壤。暗棕壤是在温带湿润森林植被下发育的土壤，主要分布在大兴安岭东坡和环小兴安岭、张广才岭、长白山浅山区向平原过渡区域，海拔高度小于1 200 m。母质以花岗岩为主，其次是玄武岩、砂岩和砾岩。暗棕壤剖面结构为A层较薄，厚度介于15~20 cm之间，AB过渡层浅薄，厚度介于5~10 cm之间，土壤贫瘠，多为坡耕地。暗棕壤是东北耕地面积最大的一个土类。
棕壤。棕壤主要分布在暖温带湿润、半湿润海洋性季风气候区，植被类型主要为阔叶林，母质以基岩风化物为主，其次为坡积物、洪积物和冲积物。棕壤是黑土地中最特殊的土壤类型，其剖面结构中的A层不存在黑色土层，A层干时呈亮黄棕色，湿时呈浊棕色。A层有机质含量较低，一般为1.0~2.0 g·kg–1；B层发育不明显，A层和C层可明显区分[ 13- 14]。全层砂粒含量较高，土壤比较贫瘠。
1.2.2 东北黑土地垦殖时间自然黑土开垦为耕作土壤后，由于生态系统的改变，土壤的一些属性在短期内发生了显著快速的变化[ 6]；农田生态系统稳定后这些属性的变化速度变得缓慢，在良好农业管理措施下，土壤属性会向肥沃土壤方向演化[ 3]。东北黑土地开垦时间较晚，至今还存在少数不典型的和碎片化分布的自然土壤。分布在辽河平原的黑土地的开发可以追溯到公元1660年（距今360 a）。当时辽河中下游平原的棕壤在清朝开始解禁，被垦殖的耕地面积为3 333 hm2，至1780年（距今240 a）开垦面积达到了2.33×105 hm2，至1890年辽河上游棕壤的开垦进入盛期[ 15]。因此，可以认定辽河平原棕壤的平均开垦时间约为200年。松嫩平原北纬45°以南的黑土（松嫩平原南部），于1860年开始大规模解禁垦殖，至1900年进入了开垦的盛期[ 15]；因此，可以认定松嫩平原南部黑土平均开垦时间约为150 a。北纬45°以北地区的黑土、白浆土、黑钙土和草甸土（松嫩平原北部），具有一定开垦规模的时间始于1900年，至1945年形成了一定开发规模[ 16]，至此该区域耕地的开垦时间可以认定约100 a[ 17]。三江平原白浆土的开垦始于1700年，到1800年开垦了约1.33×104 hm2，1800—1930年开垦面积增加至4.67×105 hm2，1945—1950年被开垦耕地面积约增加至7.87×105 hm2，土壤类型已由白浆土扩增到草甸土和暗棕壤。1950—1960年为解放后大开荒的第一阶段，耕地面积扩大至1.53×106 hm2；三江平原共经历了四次大开荒，至2000年垦殖耕地面积已达4.00×106 hm2[ 17]，宜农耕地垦殖完成。从这个过程看，三江平原的白浆土、草甸土和暗棕壤的耕地实际利用年限可以认定为60 a左右。
2 黑土地的土壤属性研究足迹 2.1 黑土地开垦前后土壤有机质变化由于东北黑土地开垦时间较短，目前仍然能够找到少量残存的自然土壤，学者们通过对比自然土壤和耕作土壤发现耕作黑土肥力发生了巨大变化[ 6- 7， 18- 21]，于是东北黑土地严重退化就成了“共识”。实际上黑土地由自然土壤向耕作土壤转变过程中，一些土壤属性的变化是由生态系统改变所驱动的，还有一些土壤属性与农艺措施有关[ 6， 22]。当前亟需解决的黑土地退化阻控和保护利用的核心问题，是探索优化农艺措施来实现黑土地保护性利用的目标。黑土地的肥沃核心是具有深厚肥沃的黑土层和土壤中富含有机质，其他属性均为这两个属性所调控。
黑土地6种土壤类型的自然土壤和开垦初期A层有机质含量差异较大[ 2]。黑土从南部吉林公主岭到北部黑龙江右岸，黑土层有机质含量逐渐升高，南部吉林德惠黑土有机质含量为22.7 g·kg–1[ 23]，黑龙江哈尔滨（北纬45°）以北到北安、嫩江黑土有机质含量在56.2~95.5 g·kg–1之间[ 2， 24]。三江平原自然草甸土A层有机质为107.1 g·kg–1，最高可达到244.0 g·kg–1[ 25]；松嫩平原北部草甸土A层有机质含量为59.6 g·kg–1[ 25]；据统计黑龙江省（第二次土壤普查的605个土壤剖面）和吉林省（第二次土壤普查的285个土壤剖面）草甸土A层土壤有机质的平均含量分别为41.2 g·kg–1[ 26]和22.9 g·kg–1[ 27]。三江平原是典型白浆土的主要分布区域，自然植被下白浆土（3个典型剖面）A层有机质平均含量为97.7 g·kg–1，其中最高值为137.9 g·kg–1[ 28]；曾昭顺等[ 29]1963年在松嫩平原和三江平原的典型白浆土区域调查时发现白浆土A层有机质含量在89.5~91.2 g·kg–1之间。黑钙土A层有机质含量在30.0~80.0 g·kg–1之间；山麓剥蚀平原的森林草原地区也存在少量A层有机质含量在80.0 g·kg–1以上的黑钙土[ 2， 30]。暗棕壤A层有机质含量在53.6~101.9 g·kg–1之间[ 2]，长白山山麓2个暗棕壤典型剖面A层有机质含量分别为51.8 g·kg–1和73.4 g·kg–1[ 31]。分布在辽河平原的棕壤，由于区域内水热条件良好，加之垦殖时间较长，基本没有自然土壤；部分区域看似自然土壤，但开垦时也是次生植被类型而非原始植被，次生植被下棕壤A层有机质含量在10.0~30.0 g·kg–1之间[ 2]。因此，东北黑土地无论是自然土壤还是开垦初期的耕地，A层土壤有机质含量均较高，加之母质以黏土矿物为主，土壤表层均显为黑色或暗黑色。
黑土地开垦后土壤中的植物残体在微生物的作用下迅速分解，有机质积累条件被破坏，土壤有机质含量迅速下降[ 6， 32]。黑土从自然土壤到相对稳定的耕作土壤大约经过了30 a的土地利用方式转换期，被称作垦殖初期。该时期耕作层土壤有机质含量在东北北部以每年1.5%~2.6%、南部以0.5%~0.7%的速度下降（ 表 2）[ 22]。到了稳定利用时期，土壤有机质含量平均每年下降速度为0.1%左右，此时土壤有机质含量的下降对作物产量影响比较显著，据统计耕层土壤有机质含量每年下降0.5%，作物产量减少15%[ 22]。黑土地开垦50 a后土壤有机质的下降速度趋于稳定，为0.06%·a–1左右（ 表 2）。根据能够查阅到的相关文献，白浆土开垦初期也出现了土壤有机质迅速下降的现象，开垦前10~15 a下降速度为2.90%·a–1~2.97%·a–1，开垦后的41~50 a下降速度为0.25%（ 表 2）。关于草甸土开垦过程中土壤有机质含量变化的研究均集中在三江平原，在开垦前5 a下降速度为10.61%·a–1，6~15 a和16~25 a间每年下降速度分别为5.35%和3.76%（ 表 2）；军川农场和290农场的草甸土在开垦30 a间有机质含量每年下降速度分别为2.78%和2.97%之间[ 19]。根据宋达泉[ 33]的报道，淋溶黑钙土有机质在开垦前20 a的下降速度为3.6%·a–1。目前未查阅到暗棕壤和棕壤土壤有机质随开垦年限变化的相关文献，但是根据设立在典型暗棕壤和棕壤分布区的长期定位试验分析了它们在利用过程中土壤有机质的变化过程[ 34]。长期监测数据显示在常规种植条件下（仅施用化肥）暗棕壤34a间耕层土壤有机质下降了8.00%，下降速度为0.23%·a–1，棕壤33年间耕层土壤有机质下降了6.91%，下降速度为0.21%·a–1。张之一[ 32]通过分析11篇参考文献的33对黑土垦殖前后土壤有机质变化的数据，也证实了黑土开垦后3~5 a间，耕层土壤有机质发生了快速下降现象，然后呈缓慢下降，达到一定年限后，如果农艺措施未发生变化，基本呈维持状态。东北黑土地6种土类非侵蚀区黑土层有机质含量或者耕层土壤有机质随开垦时间变化表现出相同的趋势[ 35]。
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表 2 东北黑土地土壤有机质下降速度 Table 2 Decreased rate of soil organic matter of black soils in Northeast China |
黑土层厚度是评价黑土地土壤肥力的重要指标之一，学者们普遍将黑土地开垦后黑土层变薄[ 40- 41]归因于水蚀和风蚀，但是在非侵蚀区，如松嫩平原和三江平原低洼易涝地区，黑土层是如何变薄的呢？鲜有文献对这一问题进行深入剖析。据参加了20世纪50年代黑龙江流域和三江平原调查、黑龙江省第一次和第二次土壤调查的张之一[ 42]分析，对东北黑土地非侵蚀区黑土层变薄的部分报道与事实不符。产生误解的原因有两个，一是土壤容重。自然黑土的黑土层结构良好，植被根系多，疏松多孔，其最小容重为0.6 g·cm–3[ 43]，一般在0.8~0.9 g·cm–3之间[ 42]；自然白浆土黑土层容重在0.54~0.76 g·cm–3之间[ 29， 35]；而第二次土壤普查时黑土和白浆土耕地黑土层的平均容重分别为1.11 g·cm–3和1.08 g·cm–3[ 26]。如果按照自然黑土的黑土层度为30 cm（相当于薄层黑土）、容重为0.75 g·cm–3计算，耕地土壤的黑土层厚度就变成了20.3 cm，黑土层厚度减小了32.2%，与张之一[ 42]的研究结果相近，按照相同方法计算白浆土的黑土层厚度减小了40%。二是成土条件。东北地区成土条件差异较大，自然黑土的黑土层厚度由南至北逐渐增加[ 2]。以黑土为例，划分了薄层黑土、中厚层黑土和厚层黑土，这就说明，自然土壤根据成土条件不同会发育成不同厚度的黑土层[ 26]。目前，东北地区耕作黑土的黑土层也存在同样的分布规律。关于非侵蚀区黑土层厚度的研究建议未来集中在以下两个方面，（1）现有研究结论大部分基于时间换空间的方法获得[ 7]，缺乏可比性，建议建立黑土层厚度定位监测点，开展长期观测研究；（2）提出能够量化黑土层厚度变化的科学分析方法，传统的黑土层厚度判定依靠挖掘剖面，然后人为划定黑土层界面，需要大量的时间和人力；虽然现在很多专家通过土钻测定黑土层厚度能够节约一定的时间和成本，但是由于土壤的空间异质性较大，该方法的误差就更大，这些误差远远超过了黑土层厚度的变化值。
2.3 侵蚀区域黑土层变化东北黑土区典型的地貌特征为漫川漫岗。根据国土调查数据，黑龙江省2°以上坡耕地占总耕地面积的23.4%，其中2°~6°坡耕地占坡耕地总面积的77.7%[ 44]；吉林省2°以上的坡耕地占总耕地面积的28.1%，其中2°~6°坡耕地占坡耕地总面积的60.1%[ 45]；内蒙古自治区2°以上的坡耕地占总耕地面积的31.8.8%，其中2°~6°坡耕地占坡耕地总面积的90.8%[ 46]；由此推论东北黑土地坡耕地主要由300~1 000 m坡长、2°~6°坡度的坡耕地所组成[ 47]。
根据水土流失监测点的观测结果，黑龙江省海伦和宾县9°坡耕地土层流失厚度分别为1.2 mm·a–1[ 48]和1.5 mm·a–1[ 49]，而克山、拜泉和甘南县5°坡耕地土层流失厚度分别为1.6 mm·a–1、2.2 mm·a–1和2.1 mm·a–1[ 50]（ 表 3）。在辽宁省铁岭棕壤区长达11a的监测结果显示，坡度、作物覆盖和种植方式是影响土层流失速度的最主要因素。不同坡度坡耕地土层流失速度表现为裸地 > 玉米和大豆顺坡种植 > 玉米和大豆等高种植（ 表 4），6°、10°和15°坡的平均土层流失量分别为0.37 mm·a–1、0.83 mm·a–1和1.70 mm·a–1。但是上述数据是试验小区观测数据，仅在一定程度上代表实际情况。Yang等[ 51]采用RUSLE模型（Revised Universal Soil Loss Equation）估算了吉林德惠和榆树黑土层流失速率并预测了黑土层消失时间，分析发现黑土层流失的速度与土壤类型等密切相关。吉林榆树中厚层、薄层和破皮黄黑土的黑土层流失速度分别为0.48 mm·a–1、1.13 mm·a–1和2.00 mm·a–1，德惠中厚层、薄层和破皮黄黑土的黑土层流失速度分别为0.35 mm·a–1、0.99 mm·a–1和1.73 mm·a–1；根据预测中厚黑土、薄层黑土和破皮黄黑土层在榆树消失的时间分别为839 a、221 a和50 a，在德惠消失的时间分别为1130 a、252 a和58 a。因此，东北黑土地水土流失对黑土层厚度的影响没有郑北鹰和朱伟光等报道那样严重[ 52]。
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表 3 黑龙江省侵蚀区黑土层流失厚度 Table 3 Loss thickness of black soil layer in Heilongjiang Province |
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表 4 辽宁省坡长20 m坡耕地黑土层流失厚度[ 53] Table 4 Loss thickness of black soil layer on the slope cropland with a slope length of 20 m |
137Cs示踪也是一种重要的研究水土流失量的方法[ 54- 56]。杨维鸽等[ 57]采用137Cs分析了东北中部黑龙江省宾县坡耕地侵蚀特点，发现黑土坡耕地侵蚀特点为坡面侵蚀坡脚沉积，不同坡面部位侵蚀率不同，坡面平均侵蚀率为2.4 mm·a–1，坡脚沉积率为1.2 mm·a–1。在东北黑土区南部的吉林省德惠市黑土坡面平均侵蚀速率为1.8 mm·a–1，坡脚沉积率为2.0 mm·a–1[ 58]。通过分析东北黑土地半干旱区2个坡面水蚀和风蚀的复合侵蚀量发现，坡面水蚀分别为2.0 mm·a–1和1.7 mm·a–1，风蚀分别为0.5 mm·a–1和1.0 mm·a–1[ 59]。张晓平等[ 60]通过系统分析一级河道上的嫩江江桥、大莱、松花江哈尔滨三个水文观测站的多年平均含沙量、输沙量和输沙模数后发现，黑土水蚀迁移的土壤大部分沉积在五级河道的河漫滩上，形成草甸土和沼泽土，极少量进入到四级和三级河道的河漫滩上，基本上没有在一、二级河道沉积。
综合分析长期定位观测场的监测数据[ 50]和137Cs的计算数据[ 54， 56]，以一个自然小流域的完整坡地为基本单元，分析了土壤流失与沉积后认定东北黑土地中的坡耕地土层流失速度为0.5~1.5 mm·a–1，平均1.0 mm·a–1比较符合区域的实际情况。1997年水利部颁布了《土壤侵蚀分类分级标准》，提出了东北黑土地允许土壤流失标准为200 t·km–2·a–1，相当于0.16 mm·a–1（按照土壤容重为1.2 g·cm–3转换）[ 61]。部分学者采用勘察和访问农户的方法获得了黑土地侵蚀率为4.2 mm·a–1[ 62]，不具有代表性。更有学者夸张地表述，“据调查20世纪50年代黑土地黑土层厚度为60~70 cm，现在一般只有20~30 cm ”[ 63]。事实上在20世纪50年代的土壤调查中，没有文献报道坡耕地的黑土层能达到60~70 cm。坡地中的自然黑土均属于薄层黑土，黑土层厚度小于30 cm[ 2]。
东北地区的风蚀主要发生在西部半干旱区以及半干旱和半湿润区交错带，黑土地6种土壤类型中全部的黑钙土、部分棕壤和薄层黑土分布在这个区域。在辽西北风沙半干旱区的研究发现，玉米秸秆覆盖风蚀度较对照减少4.2 cm[ 64]。虽然李胜龙等[ 65]利用野外集沙仪定点监测了黑土的风蚀特征，但是仅关注耕作方式和地表覆盖对输沙量的影响，而关于黑土层受风蚀影响的田间实地监测研究鲜有报道。现有大部分研究基于调查估算和室内模拟的方法获得了风蚀对黑土层厚度影响的相关数据[ 66]，但是这部分结果与实际差距较大。通过137Cs间接测定了风蚀对土壤的搬运作用在0.5~1.0 mm·a–1的范围内[ 67]。大风和沙尘暴能间接预测风蚀发生的趋势，通过分析嫩江、克山、海伦、哈尔滨、长春和四平1951—2000年间大风发生的日数发现，大风主要发生在3—5月份，从大风发生日数年际间变化能够发现东北黑土区南部长春和四平的年大风日数表现为下降趋势，中北部哈尔滨、海伦和嫩江的年大风日数1980年后有增加的趋势；而沙尘暴呈现了明显的变少趋势[ 68]，是因大风日数的变化趋势影响了沙尘暴日数的变化趋势。迟文峰等[ 69]研究发现极端天气沙尘暴次数减少和年平均风速降低与土壤风蚀下降显著相关。从大风日数和沙尘暴发生日数的时间变化序列分析，克山、海伦、哈尔滨、长春和四平的风蚀环境在减弱。
土壤侵蚀一直是热点问题，也是黑土地保护的焦点问题。目前从黑土侵蚀的相关研究来看，存在着碎片化和缺少野外长期精准监测等问题，一些重要参数是学者们估计和推算出来的，然后互相引用形成了“虚拟”的流行数据。
3 讨论 3.1 黑土地保护与土壤培育 3.1.1 坡耕地水土流失的治理技术坡耕地自然黑土层较薄（< 30 cm），垦殖后在土壤侵蚀和过度垦殖的双重影响下土壤肥力迅速降低。为了恢复坡耕地土壤肥力，早在20世纪50和60年代大量学者们就关注了坡耕地治理。陈景岚[ 70]在1965年提出了在坡耕地修土梯田用以控制水土流失，梯田是东北地区首先实施的一项坡耕地治理技术。据黑龙江省克山实验站和吉林省辽源水保站的观测结果显示，梯田起到了良好的控蚀效果[ 2]。基于水土保持的耕作方法的研究一直是水土流失治理技术研发的热点方向。在6°以下的坡耕地，学者们提出了等高耕作、横坡作垄、带状间作、粮草轮作、垄向区田、深松蓄水和保护性耕作等控蚀、保水、固土技术[ 2]。采用横坡作垄和植物篱技术措施地表径流量分别减少了50%~80%和90%，深松耕法可以减小94%的水蚀，营造农田防护林风速可以降低25%，有效控制风蚀[ 71]。在东北黑土区中部海伦的研究发现，免耕和横坡垄作年径流量分别较传统耕作减少97.7%和96.8%，侵蚀模数分别减少98.9%和99.2%[ 48]。赵雨森和魏永霞[ 72]的研究发现覆膜+垄向区田、免耕秸秆覆盖和垄向区田也能够有效控制黑土坡耕地水土流失。坡面治理主要采取从上至下挖截流沟、建荒山荒坡灌木梗、栽种水保林、疏林草地生态修复、修水平梯田、地埂植物带、改垄等技术措施；沟道治理主要采取了修建谷坊和塘坝以及侵蚀沟秸秆填埋等工程措施[ 73]。黑土侵蚀地区的坡耕地治理技术发展相对缓慢，20世纪50和60年代研发的技术模式[ 2]一直沿用至今。具有原始创新的能大面积推广应用的新技术较少，风蚀区和水蚀区相比，创新性技术就更少，在未来的研究中有待加强。
3.1.2 非侵蚀地区黑土地保育技术东北黑土地非侵蚀区的保育技术主要从耕作土壤管理角度出发，利用农业生产的秸秆、畜禽粪污等废弃物无害化后施入土壤中，补充黑土层有机质损失，保持黑土层有机质不下降或者缓慢上升。丁瑞兴和刘树桐[ 43]、韩晓增和邹文秀[ 22]认为黑土地开垦一定年限后需要开展培肥工作，以维持和提升土壤耕地地力，土壤培肥措施除了耕作外，主要还包括有机肥施用和轮作等途径。黑土比较肥沃，土壤培肥相关研究起步较晚。1988年王兆荣等[ 74]报道了在东北中部的黑土经过2 a农家肥施用后，土壤有机质提高了9.6%~22.3%，同时表现出了随着农家肥施用量增加土壤有机质含量增加的趋势。与对照区相比，有机肥、作物秸秆和牧草还田5 a后黑土有机质分别增加了19.8%、16.5%和10.4%[ 75]。东北黑土带上德惠[ 76]、公主岭[ 77]、哈尔滨[ 34]和海伦[ 78]（从南到北）的长期定位试验研究均表明长期有机培肥能够显著增加土壤有机质含量（ 表 5）。在东北黑土区南部德惠经9 a有机培肥土壤有机质含量增加了11.0%~12.4%，公主岭经38 a有机培肥有机质含量增加了14.4%~31.1%；中部哈尔滨经32 a有机培肥土壤有机质增加了8.3%，海伦经过10 a有机培肥土壤有机质增加了13.3%。土壤有机质的增加与有机物料投入的种类和投入量密切相关。值得关注的是在东北黑土区中部中厚层黑土区海伦的长期定位试验研究还发现采用试验田的粮食喂猪，秸秆垫圈与猪粪尿沤制有机肥还田，实行循环生产，土壤有机质含量经过27 a累计增加了7.4%[ 79]，证明了农业生产的废弃物无害化处理后80%以上还田可以保证耕作土壤有机质不降低或者缓慢上升[ 34]，进一步验证了在东北黑土区开展种养结合循环生产的可能性。基于分布在黑龙江（13个）和吉林（4个）的17个国家级黑土长期监测点的数据分析，自1988年以来，监测区黑土有机质含量总体上呈上升趋势，其中1988—1997年监测初期土壤有机质含量略有下降，1998—2013年有机质含量呈上升趋势[ 80]。长期有机肥施用不仅能够增加有机质含量，还能够影响有机质的组成。姜岩等[ 81]在1965年报道了施用有机肥料能够增加黑土中有效态的胡敏酸物质，促进土壤团粒结构的形成，增加土壤中有效态养分含量。吴景贵等[ 82]研究发现施用玉米秸秆和有机肥能够显著增加土壤胡敏酸中脂肪族结构成分，单施有机肥显著增加土壤胡敏酸中羟基含量，添加秸秆游离羧基含量显著增多。秸秆和有机肥施用后土壤中富啡酸的甲基、亚甲基和次甲基结构成分显著增加，游离羧基含量也显著增多；不同培肥方式对黑土胡敏酸和富啡酸的元素组成有较大影响[ 82]。
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表 5 长期黑土培肥对土壤有机质含量的影响 Table 5 Effects of organic amendment on soil organic matter contents based on long-term experiments |
赵德林和王政本[ 84]在1982年就提出了白浆土的培育方法，即采用大剂量有机肥施用、深耕与施肥相结合、豆科与禾本科轮作实现耕地“用”“养”协调的目标。崔顺吉等[ 85]在1982—1984年连续向高、中和低肥力的白浆土施用2.7 t·hm–2有机肥，通过分析发现土壤有机质含量在高肥力土壤减少了0.27%，在中肥力土壤减少了0.03%，而在低肥力土壤增加了2.4%，说明初始土壤有机质含量和有机物投入量是影响白浆土培肥效果的主要因素。连续10 a施用25.5 t·hm–2牛粪后白浆土有机质含量增加了9.3%[ 86]。陈恩凤等[ 87]最早在1960年就通过研究证明了有机肥料在棕壤培肥上具有明显的效果。位于沈阳农业大学棕壤试验站内的长期定位试验研究结果表明，连续33 a施用有机肥后棕壤土壤有机质含量增加了13.1%~19.5%[ 34]，有机质的增加量与投入量密切相关。武志杰等[ 88]研究发现连续3 a有机物料施用后棕壤有机质含量增加了3.1%~27.8%，不同有机物料对土壤有机质增加效果表现为秸秆 > 土粪 > 牛粪 > 根茬说明了较高C/N的有机物料还田对维持甚至提高土壤有机质含量效果更佳[ 89]。黑龙江省农业科学院黑河分院于1979年在黑河典型暗棕壤区设立了长期定位试验，用以监测暗棕壤肥力对不同农艺措施的响应过程，研究结果表明每3 a施用1次3 t·hm–2麦秸能够遏制暗棕壤有机质含量下降，但是没有达到有效提升的效果[ 88， 90- 91]，如果要显著提高暗棕壤的有机质含量，必须增加有机物料的投入量。有机物料施用对黑钙土的培肥效果也非常显著，高同彬等[ 92]在黑龙江省富裕的研究发现连续2 a施用腐熟牛粪和秸秆，黑钙土有机质含量分别增加了18.4%和10.5%；窦森[ 93]在吉林黑钙土的研究中也得到了相似的结论，施用马粪、玉米秸秆和豆秸一年后土壤有机质增加了18.3%，关于黑钙土长期培肥的研究没有发现更多的资料。在草甸土方面的研究发现，猪粪、绿肥（紫花苜蓿）和稻草连续5 a还田，土壤有机质含量增加了8.1%~14.9%[ 94]。
3.2 黑土层保育理念与技术模式东北黑土地的显著特点是具有富含土壤有机质的黑色或者暗黑色的黑土层（A层），但是垦殖后频繁耕作扰动导致黑土层中有机质锐减[ 3]。为了阻控有机质减少和提升有机质含量，学者做了大量的研究工作[ 77， 88， 95]，但是从黑土层或者适宜耕层厚度角度考虑，黑土层保育的研究始于2007年，邹文秀等[ 95]采用耕作的方法将秸秆、有机肥和化肥施入0~20 cm和20~35 cm土层，在0~35 cm的黑土层中土壤有机质、水分物理性质和生物学活性均取得了显著培育效果。中国科学院海伦农业生态实验站（海伦站）在东北黑土区中部设立了一个35a的耕地恢复成自然草地景观的定位试验。基于该试验的研究结果表明农田生态系统恢复为自然生态系统后，土壤腐殖物质得到恢复，0~5 cm黑土层土壤有机质已经由54.0 g·kg–1[ 96]增加至87.8 g·kg–1[ 97]，增加了62.6%；同时该层土壤颜色已接近自然土壤颜色。但是，同一地块相邻区域同步开展的不同经营制度试验研究结果表明，采用农田生产的粮食通过畜牧过腹和秸秆垫圈还田技术模式后土壤有机质仅增加了7.4%[ 22]，而采用秸秆深混黑土层保护技术，可以保持和提升0~20 cm黑土层有机质含量[ 22]。海伦站连续13 a秸秆还田定位试验研究结果表明，0~20 cm黑土层土壤有机质由44.5 g·kg–1增加至48.9 g·kg–1，增加了9.9%[ 98]。范围等[ 99]在黑钙土上开展一个2 a试验研究结果表明，秸秆均匀施入0~20 cm土层，土壤有机质可以增加27.8%。秸秆覆盖还田技术主要影响表层土壤有机质含量[ 100]，Li等[ 101]基于东北黑土区中部海伦连续15 a免耕秸秆覆盖定位试验研究发现，与常规耕作（无秸秆还田）相比，免耕仅提高了0~5 cm土层有机质含量（28.8%），对5~20 cm土层有机质没有显著影响。在黑土区南部德惠，孙冰洁等[ 102]的研究发现连续13 a免耕秸秆覆盖后0~5 cm土层土壤有机质增加了36.4%，而翻耕-秸秆深混后0~5 cm和5~10 cm土层有机质含量分别增加了6.4%和7.5%。黑土区南部梨树的研究表明，连续5 a免耕秸秆覆盖后0~5 cm和5~15 cm土层有机质含量增加了37.8%和8.2%[ 103]。由此可见将能增加土壤有机质的有机物料放在土壤表面，仅能提升0~5 cm或者0~10 cm土层的土壤有机质，如果增加有机物料施入深度，达到黑土层平均厚度（35 cm），即可保育整个黑土层的土壤有机质不下降，又可以提高有机物料的腐质化系数[ 95]。
3.3 保护性耕作的优势与局限性保护性耕作是指任何能够保证在播种后地表作物残留物覆盖率不低于30%的耕作措施[ 104]，免耕秸秆覆盖是典型的保护性耕作措施，但是免耕无覆盖和少耕是否属于保护性耕作措施，目前未有统一的定论[ 105]。笔者认为，保护性耕作应该是一切对土壤良好属性有保护作用的耕作措施的总称，最典型保护性耕作措施是少、免耕[ 105]。东北黑土区最早的少耕研究始于1979年，吉林省少耕法机械化试验研究协作组在吉林省的榆树市、公主岭市的怀德县和南崴子镇均设置了包括连续翻耕、耙地和原垄卡种（免耕）等耕作方式在内的田间试验，调查了耕作方式对作物产量和土壤属性的影响，值得注意的是所有试验小区均具有深翻基础，秸秆全部移除。研究结果表明免耕未表现出显著的作物增产效果，由于播种机械的限制还存在玉米根茬影响播种质量导致缺苗的问题[ 106]。免耕秸秆全覆盖还田相关研究是由杨学明[ 104]于2002年开始的，同时引进了免耕播种机等农业机具并实现了国产化。免耕秸秆全覆盖还田对于保持土壤含水量、控制水土流失和减少秸秆焚烧保护生态环境等方面具有重要作用。但是，秸秆覆盖后，由于春季土壤解冻提温慢而影响了种子发芽出苗[ 107]，同时还存在春季播种困难等问题，限制了该项技术的应用。秸秆覆盖还田后在地表腐解，腐解产物与土壤接触面积有限，分解后以气体的形式直接进入大气，或者在地表 0~5 cm内富集，影响土壤有机质在整个土层中的提升[ 108]。间隔免耕-间隔覆盖技术最早是由吉林农业科学院刘武仁[ 109]于1999年提出，核心技术内容包括玉米宽窄行播种和条带间隔深松，玉米秸秆全量还田方式为条带间隔覆盖。该项技术解决了春季土壤解冻提温慢、春季播种困难和易跑墒等问题，但是限制提升耕层土壤有机质含量的问题仍然未得到有效解决。受土壤类型和积温的影响，东北黑土区北部还存在免耕秸秆覆盖玉米减产的问题，Chen等[ 110]研究发现连续7a免耕秸秆覆盖，平地和坡耕地玉米分别减产28.4%和13.8%；大豆生育期延后。其主要原因是免耕秸秆覆盖影响了春季播种质量和地温提升。张之一[ 42]认为从美国引进的保护性耕作是防治土壤侵蚀很好的方法。但是美国的黑土土壤质地多为粉壤质，而我国东北地区的黑土土壤质地较黏重，在引进中，应该注意结合中国的实际进行研究和改进。
4 问题与展望 4.1 黑土层保护的科技展望在东北黑土地的6种土壤类型中，垦殖时间较长的棕壤耕地已经失去了原始黑土层，按发生分类的黑土层是耕作层或者受耕作影响的亚耕层；白浆土和暗棕壤垦殖前自然土壤的黑土层比较浅薄，由于开垦时间较晚和位于东北北部的冷凉和低山丘陵区，目前仍然残存着少量浅薄黑土层；黑钙土分布在热量相对较高的半干旱地区，黑土层中有机质减少已经导致土壤黑色变淡。东北黑土区以北纬45°为界，南部黑土层较薄，北部还存在中厚黑土层，大部分黑土层在30 cm以上，有机质含量35 g·kg–1以上；草甸土黑土层及其有机质含量与中厚黑土相似。由此可见，科学上需要明确目前还存在黑土层的耕地，在现有农业管理方式下是否能够得到保持？自然土壤黑土层形成过程在科学上基本清晰，但是人类活动驱动下的黑土层厚度以及颜色等变化过程需要进一步的剖析和预测。在预测黑土层的变化方向和速度时，还需要阐明土壤有机质在黑土层中的变化过程与调控机制，揭示黑土层有机质与黏土矿物形成有机无机复合体的功能与机制。集中科研力量研发中厚层黑土保育的原创性技术和以原创性技术为核心的技术模式，在北纬45°以北的黑土带上建立大于4万km2黑土层保护区，实现中厚层黑土的永续利用。
4.2 肥沃耕层的理论与实践在东北黑土区浅薄型黑土层的耕地上，基于实现耕地园田化（高标准农田）的目标，研发肥沃耕层构建理论和原创性技术。浅薄型黑土层的黑土一部分是在自然成土过程中形成的，还有一部分是垦殖过程中由于人类活动导致的[ 2]。对于浅薄型黑土层的耕地，在现有耕作方式下是否能够通过新技术应用恢复至中厚型黑土层的耕地？目前没有相关报道。研究学者仅在土壤有机质缓慢上升或部分地区略有下降进行了碎片化的报道[ 34]。我国东北黑土地和国际上同类地区耕地承载的保障粮食安全的重要性不同，东北黑土地在保障我国粮食安全中具有非常重要的战略地位。因此，研究浅薄型黑土层耕地的肥沃耕层理论、新技术、标准和应用模式是推动黑土地耕地地力提升和实现粮食高产稳产的核心。
4.3 障碍性土层消减白浆土在成土过程中由于黏粒的悬浮迁移和干湿交替导致在黑土层以下形成了白浆层[ 26]。白浆层质地黏重，有明显的淀积黏土膜，具有黏、瘦、硬、酸等特点，是典型的障碍层次。白浆土黑土层浅薄，肥力较低；白浆层影响土壤中水、热、气的流通和养分释放以及作物根系的生长发育，是东北黑土地中的低产土壤类型。针对白浆层障碍消减的技术研发，取得了包括心土培肥在内的一系列研究成果[ 84]，对白浆层障碍消减起到了显著作用，但是机械和成本限制了该项技术在白浆层障碍消减中的应用。目前，农业生产上急需可操作性强、成本低的白浆土障碍消减技术和模式。
4.4 侵蚀区控蚀增肥的科技展望（1）水蚀。黑土坡耕地水蚀过程研究比较清楚，但是控制水蚀技术的研发及阻控机理研究相对缓慢，目前生产上仍然沿用20世纪50—60年代的技术[ 2]。由于黑土坡耕地的典型地形是漫川漫岗，其特点是坡度小、坡面长，一些坡耕地水土流失监测小区的坡长介于20~30 m之间[ 52]，因此观测数据与实际有一定差距。坡耕地水蚀分为面蚀和沟蚀，面蚀控制技术以固土保水为主，沟蚀控制技术以拦水截土为主，但是缺乏坡耕地整体排水系统的科学研究。相关的拦水截土技术均无法控制水不流动，因此需要针对黑土地的特殊地形、地貌条件，因地制宜研发坡耕地区域排水技术，形成完善的排水系统。由此看来，黑土区坡耕地急需建立以长坡为研究对象的水土流失长期观测场，重点研究坡耕地区域内系统降能排水技术和沟蚀控制技术；集中攻关坡耕地控制面蚀的新技术和新模式。
（2）风蚀。在东北黑土地的6种土壤类型中黑钙土位于半干旱风蚀区，余下的5种土壤类型主要分布在半湿润和湿润区域，风蚀主要发生在春天。由于东北黑土地的风蚀程度低于我国典型风蚀区域，所以进一步研究黑土地区域内气候特征、植被覆盖度、地面粗糙度和种植方式对耕地风蚀的影响程度和阈值是非常重要的。在东北黑土区设立风蚀监测站点，形成监测网络，进行实时观测，对制定防风蚀技术对策和指导技术应用具有非常重要的科学价值。在此基础上，研究容忍风蚀量和风蚀土壤迁移及沉降规律，为风蚀控制技术研发提供科学数据和技术支撑。根据黑土区季节性风蚀特点，研发具有早春快生的农田防护林新树种和地面覆盖作物新品种是这个地区首先需要解决的问题。免耕覆盖技术必须解决防止秸秆被风吹失的技术问题，建立综合土壤防风蚀技术体系，提出可操作性强，能够应用的综合防风蚀模式。
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