如何保护利用“耕地中的大熊猫”？中科院集中科研力量要答案
中国新闻网2021-06-21 20:17
中科院“黑土粮仓”科技会战梨树万亩示范区。 中新社记者 孙自法 摄
中新网北京6月21日电 (记者 孙自法)中国东北黑土区是全球四大黑土区之一，也是中国最重要的粮食生产基地和商品粮输出基地，被誉为国家粮食安全“稳压器”和“压舱石”。
黑土还被誉为“耕地中的大熊猫”，如何保护好、利用好这一耕地中的“国宝”？一直以来特别是近几年备受关注。
中科院东北地理所研究员关义新在“梨树模式”试验基地介绍情况。 中新社记者 孙自法 摄
作为国家战略科技力量，中国科学院在旗下东北地理与农业生态研究所(东北地理所)和沈阳应用生态研究所(沈阳生态所)之前长期开展黑土地研究、总结凝炼出有效保护利用黑土地“梨树模式”“龙江模式”的基础上，又重点推出“黑土粮仓”科技会战，力促两大模式推广应用，并针对东北黑土区正由“生态功能区”向“生态脆弱区”演变的现状，进一步向科学要答案、要方法。
中国黑土研究“前世今生”
中国东北黑土区包括黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古东部三市一盟(赤峰市、通辽市、呼伦贝尔市、兴安盟)，黑土区面积109万平方公里，典型黑土区耕地面积约2.78亿亩。
中科院东北地理所建于黑龙江海伦的中科院海伦农业生态实验站。 中新社记者 孙自法 摄
中国东北黑土研究分类最初主要借鉴苏联土壤分类系统，从1926年在中国东北工作的俄罗斯土壤学者提出中国黑钙土名称开始，黑钙土名称就一直沿用至1953年。
1953年，原中科院土壤研究所东北分所筹备处副主任宋达泉指导开展黑龙江省九三荣军农场和二龙山农场土壤调查，首次提出黑土不同于黑钙土。随后，在全国第一次土壤普查中宋达泉首次提出并直接命名为“黑土”。
1954年起，原中科院林业土壤研究所宋达泉、陈恩凤、曾昭顺等围绕东北土壤地理与土地资源、黑土成因与改良利用、盐渍土成因与改良利用开展系统工作，编著出版《中国东北土壤》。
1964年，原中科院东北地理研究所刘哲明、郝凌云、王本琳开展黑龙江省嫩江地区等典型黑土分布区的农业区划，并编制黑龙江省嫩江地区旱涝保收高产稳产农田样板图。
1978年，中科院南京土壤研究所赵其国等指出黑土的肥力及演变分类。1980年，曾昭顺等对中国黑土农田生态系统的现状与调控途径进行研究。1990年，原中科院黑龙江农业现代化研究所颜春起等指出，要树立黑土培肥地力的新观念。
1992年，原中科院黑龙江农业现代化研究所孟凯提出“黑土退化”和“防治黑土退化”概念，指出黑土退化表现在水土流失有机质含量下降养分平衡失调、土壤物理性状恶化、风蚀加剧和动植物区系减少等方面。
中科院东北地理所研究员、大安碱地生态实验站站长梁正伟介绍东北黑土盐碱地科技治理情况。 中新社记者 孙自法 摄
2001年，中科院东北地理所杨学明、张晓平在东北提倡“保护性耕作”，在诸多保护黑土地措施中，保护性耕作最值得借鉴。当年起，两位专家在吉林德惠市建立黑土区第一个保护性耕作试验基地，并购进东北地区第一台免耕播种机。
2007年起，张晓平、中科院沈阳生态所张旭东与吉林梨树县农业技术推广总站合作，在梨树县建立保护性耕作研发基地，开始保护性耕作试验示范。2011年，张旭东与中科院东北地理所关义新联合中国农业大学科研人员，共同创建东北黑土区保护性耕作的“梨树模式”。
2009年，中科院东北地理所韩晓增等首次总结提出肥沃耕层构建技术，增加作物产量，改善土壤质量。2020年，由韩晓增作为第一起草人联合起草的农业行业标准《东北黑土区旱地肥沃耕层构建技术规程》正式发布，为东北黑土地保护利用提供技术标准。
“梨树模式”研制的免耕播种机在中科院“黑土粮仓”科技会战梨树万亩示范区作业。 中新社记者 孙自法 摄
2015-2020年，中央“一号文件”连续6年关注东北黑土地保护问题。2015年，中央财政安排5亿元资金，在东北四省(区)19个县(市、区)启动实施东北黑土地保护利用试点项目。
2017年7月，农业农村部、国家发展改革委、财政部等六部门联合印发《东北黑土地保护规划纲要(2017-2030年)》，2018年，第二批黑土地保护利用试点项目启动，涵盖东北四省区31个县(市、区)，进一步推进黑土地保护利用工作。
2019年，中国农业大学李保国等和张旭东等联合编制《关于东北黑土区保护性耕作研究和示范情况的报告》，2020年，《东北黑土地保护性耕作行动计划(2020—2025年)》启动实施，保护性耕作上升为国家战略。
中科院黑土研究已奠定坚实基础
中科院在东北设有东北地理所和沈阳生态所两个资源环境领域研究所，其中，东北地理所地跨吉林和黑龙江两省，长期从事黑土地研究工作，涉及黑土地耕地质量及其产能提升、资源高效利用以及生态环境保护等方面。
中科院“黑土粮仓”科技会战梨树万亩示范区，会战旗帜、标语醒目。 中新社记者 孙自法 摄
中科院上世纪60年代组织开展黑龙江流域综合考察，70-80年代组织完成黑龙江荒地资源考察。多年来，针对国家和地方重大需求，中科院积极通过科技创新支撑黑土地保护与利用，聚焦东北黑土地保护与利用的关键科学问题，服务于保障区域生态安全和国家粮食安全。
近年来，中科院组织完成东北黑土区土系资源调查，编制黑龙江、吉林省、辽宁省土系志，可为黑土地资源开发、农业和生态环境保护提供基础数据，并在黑土地的质量监测、科学研究和示范推广方面开展大量工作。
同时，中科院在黑土退化机制及其修复关键技术、土壤碳氮微生物循环转化机制和调控、黑土侵蚀阻控技术、黑土质量演变和养分循环以及黑土农田土壤-作物-微生物的互作机制、秸秆等有机废弃物快速腐熟技术、松嫩平原盐渍土的改良利用以及种质资源创新与作物高产抗逆栽培等领域，已取得一系列中外领先水平的创新性成果。
中科院沈阳生态所研究员张旭东在“梨树模式”诞生地介绍该模式示范应用的监测研究情况。 中新社记者 孙自法 摄
中科院这些重要成果，为黑土地农业生产及粮食产出提供技术指导，为黑土地保护利用与东北农业发展做出引领性贡献，并为黑土地保护利用试点、东北黑土区侵蚀沟专项治理等一系列国家工程提供重要科技支撑，对推进整个东北黑土区西部盐碱地治理、抗逆水稻品种培育及农业可持续发展发挥重要作用。
为加强黑土地保护利用研究，中科院在东北黑土区建立17个长期的野外定位研究台站/基地，包括海伦和沈阳农田生态系统、长白山森林生态系统国家野外科学观测研究站，大安碱地、三江沼泽湿地、大兴安岭森林湿地、长岭草地农牧、大青沟沙地等生态实验站，兴凯湖湿地生态研究站、公主岭黑土生态环境重点野外科学观测实验站、长春综合农业试验站、海伦水土保持监测站、松嫩西部盐渍化湿地站、额尔古纳森林草原过渡带生态系统研究站、清原森林生态系统观测研究站、盘锦湿地生态系统野外观测站、长春净月潭遥感站和辽河源绿色生态农业技术综合示范基地，形成覆盖东北黑土区的野外长期定位观测研究网络。
此外，中科院还建有黑土区农业生态重点实验室、黑龙江省黑土生态重点实验室和辽宁省现代保护性耕作与生态农业重点实验室，并依托东北地理所成立“世界黑土联合会”。
世界黑土联合会由中科院东北地理所联合美国、乌克兰、加拿大、乌拉圭、阿根廷、哈萨克斯坦等科研机构、高校和政府部门，以及中科院沈阳生态所、吉林农业大学、东北农业大学和黑龙江省农业科学院等26家单位共同发起，于2011年1月正式成立，总部设在中科院东北地理所。2019年，世界黑土联合会成功入选“一带一路”国际科学组织联盟专题联盟。世界黑土联合会成立以来，已组织世界黑土领域科学家开展系列学术活动，并签订国际长期合作协议，共建国际黑土数据库，出版世界黑土质量与管理专辑。
“梨树模式”研究团队成员、中科院东北地理所敖曼博士展示介绍玉米育种研究进展。 中新社记者 孙自法 摄
联合建立黑土保护性耕作“梨树模式”
在松嫩平原南部薄层黑土区，中科院东北地理所、沈阳应用生态所联合中国农业大学，在黑土地保护与利用方面因地制宜提出保护性耕作“梨树模式”，为开展黑土地保护与利用提供系统解决方案。
“梨树模式”以科学家最早开展黑土保护利用技术研发试验所在的吉林省梨树县而得名，主要内容包括：中科院东北地理所关义新团队联合相关企业，攻克高性能免耕播种机的研制与生产、条带耕作机的研制与生产，提出宽窄行秸秆覆盖免耕、垄作少耕技术、条带耕作等保护性耕作技术模式；中科院沈阳生态所张旭东团队完成全量秸秆覆盖少免耕15年(2007-2021)试验效果的监测；中国农业大学开展保护性耕作轮作种植制度的长期定位研究，牵头组建黑土地联盟及梨树黑土地论坛；梨树县政府搭建“保护性耕作研究与示范的平台”。
“人多地少、粮食安全压力大，保护性耕作是中国用好养好黑土地首选。”在“梨树模式”试验基地，关义新研究员接受媒体采访介绍说，免耕播种机是制约少免耕技术落地的重要限制因素，为此，他领导研究团队和相关企业合作，研制出国内性能领先的免耕播种机，在吉林省政府的积极推动和大力支持下，快速产业化，该机具已连续多年居于东北播种机销售榜首，迄今已累计销售5万多台，年播种面积1亿亩，机具的规模化生产为东北地区开展保护性耕作做出巨大贡献。
同时，研究团队研发的宽窄行秸秆覆盖免耕技术，解决了中国玉米连作及垄距小、引入的国外免耕技术难推广等问题，基于研发的配套条耕机，该团队创新研发的秸秆覆盖还田条带耕作技术已成为梨树模式的主体模式之一，并与东三省农机农艺部门联合示范推广。
从体制机制上，研究团队联合145家玉米育种企事业单位牵头成立全国最大的玉米育种创新联盟——中科玉联合体，构建全国最大的测试网络并攻克双单倍体育种、杂交种二环系选育等育种技术，为东北黑土玉米育种技术和种业发展提供保障。
张旭东研究员表示，针对东北黑土区春季低温出苗率低、玉米长期连作秸秆量大以及秸秆分解缓慢难以切割等问题，“梨树模式”通过集成玉米种植模式、秸秆覆盖模式以及免耕和条带耕作等关键技术，形成适合东北玉米生产的秸秆覆盖免耕全程机械化技术体系以及土壤综合功能调控模式，以实现协同调控土壤温度、水分和增加养分库容量的目的。
他说，“梨树模式”技术体系主要包括均匀垄种植、宽行种植、宽窄行种植、超宽窄行休闲种植、原垄种植，通过免耕播种机、秸秆归行机及配套机械的研发及农机-农艺融合模式建立，制定秸秆覆盖条件下播种施肥一体化全程机械化作业技术规程并形成了地方标准。免耕播种机一次进地即可完成施肥、切断和清理种床秸秆、种床整理、单粒播种、覆土镇压工序，大幅减少农机作业量，降低能源消耗以及温室气体排放。
“梨树模式”对黑土保护利用实际效果如何？张旭东介绍，研究团队从理论上研究不同秸秆覆盖量及覆盖模式对土壤有机质截获和积累过程、养分循环过程以及水热调控过程，在“梨树模式”试验基地10余年的保护性耕作定位实验和示范发现，“梨树模式”有效提升黑土地农田土壤增碳培肥、抗旱保墒、节肥增效等功能，可为黑土地产能提升提供长效保障。其中，土壤养分库容增加10-20%，养分利用效率提高15-20%，土壤水分贮存容量增加10%以上，减少风沙灾害，减少土壤风蚀和水蚀80%以上。
经过不断探索实践，目前，“梨树模式”已实现播种机械国产化、种植模式生态化、栽培技术系统化、推广体系网络化。同时，“梨树模式”的示范推广，还改变农民的传统意识和落后的生产方式，促进现代化和机械化农业生产的快速发展，并极大推动东北旱作农业耕作制度改革，通过推进规模化新型农业主体(职业农民和合作社)的发展，大力促进农业经营制度改革。
中科院东北地理所、沈阳生态所称，作为东北黑土地综合功能提升的关键技术，“梨树模式”现已成为东北地区玉米生产现代耕作模式的样板。近3年已在东北黑土区(包括内蒙古东部)累计推广应用超过3000万亩，实现经济效益27.3亿元。“实施国家黑土地保护工程，推广保护性耕作模式”是中科院科技支撑黑土地保护与利用的重要内容，也是推动中国农业绿色发展的一项硬举措。
“龙江模式”为“耕地中的大熊猫”搭配营养
东北黑土地耕地面积约2.78亿亩，其中黑龙江省1.56亿亩，占全国黑土地比重56%。依托中科院黑龙江海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站长期观测研究，与黑土地打了一辈子交道的中科院东北地理所研究员韩晓增2003年提出黑土地保护利用的“龙江模式”，按照“边研究、边示范、边推广应用”的思路，逐步在农户中推广示范，并根据田间示范结果不断进行改进和完善。
中科院沈阳生态所张旭东团队科研人员在“梨树模式”诞生地开展科研监测工作。 中新社记者 孙自法 摄
通过多年定位观测，韩晓增研究团队发现原始黑土层有机质含量高，但黑土开垦后经历了轮耕休耕期、人畜低强度利用和机械化高强度利用期，用养失调和土壤侵蚀导致黑土地表层土壤自然肥力逐年下降，黑土发生退化。“龙江模式”核心即根据现状与需要，对症下药为黑土耕地搭配“营养”，因地制宜探索优化农艺措施，实现黑土保护性利用。
根据黑土地的分布与类型，以及黑土地土壤耕作过程中有机质的变化，“龙江模式”有6个子模式，分别是中厚层黑土保育模式、浅薄黑土层培育模式、障碍土壤消减快速培肥模式、半干旱地区保护性耕作模式、坡耕地控蚀增肥模式、水田秸秆还田增碳培肥模式。
被誉为“黑土地的营养搭配师”的韩晓增向媒体介绍说，秸秆还田是增加黑土土壤有机质最直接、最有效和最可行的办法，但秸秆还田存在着诸多瓶颈问题，比如影响播种质量、需要大型机械、秋季整地作业时间短、秸秆沤肥还田成本高等，这些限制了秸秆还田在黑土地保护和地力提升中的功能。此外，长期的不合理耕作和机械碾压导致土壤形成了10-15厘米的犁底层，它像一道墙隔断了作物根系下扎和土壤中水、热、气交换。
为此，研究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到0-30(±5)厘米黑土层之中，构建一个深厚、肥沃的土层，满足作物生长和黑土保护两个需求。
至于为何选择30厘米黑土层？韩晓增解释称，研究团队发现黑土有机质变化发生在0-30(±5)厘米土层内，于是提出“肥沃耕层构建”理念，并证明培肥0-30(±5)厘米土层对改良土壤属性和创造作物根系生长环境的协同效益最高。
针对中外秸秆还田的覆盖、浅混、秸秆离田沤制有机肥再还田等三种主要方式各有优缺点，韩晓增团队则扬长避短，在这三种秸秆还田方式基础上，研究创制出秸秆全量深混还田。在东北黑土带中心地区海伦市，该团队连续13年开展玉米秸秆还田后，土壤有机质由44.5g/kg增加到49.5g/kg。如果在东北黑土地全域实现秸秆还田，预计到2030年，东北黑土区耕地质量平均提高1个等级以上；土壤有机质含量可以提高2g/kg以上。
除了秸秆全量深混还田，“龙江模式”创新研发的黑土地保护与利用技术还包括：针对黑土层薄、熟土层和心土层混合后肥力降低的问题，研究团队提出“秸秆”“有机肥”二元补亏增肥技术；针对白浆土的白浆化障碍层，研究团队在“心土混层”技术基础上，增加了“秸秆”“有机肥”“土壤调理剂”三元补亏调盈技术。
韩晓增指出，每项技术在生产上都有自己的局限性，“我们希望因地制宜，综合施策，对黑土地保护与利用打出‘组合拳’”。这些年来，研究团队针对黑土退化的问题，采用秸秆翻混还田等技术，配合玉米—大豆、玉米—玉米—大豆轮作模式，不仅遏制了黑土表层土壤退化，还取得了良好的增产增收效果。
通过推广示范“龙江模式”，黑土地保护与利用已初见成效。以黑龙江省为例，该省有机质每年下降速度为0.1%-0.3%，下降速度已经减小了50%左右，土壤有机质下降已经得到有效遏制。
在作物育种方面，利用“龙江模式”成效，中科院东北地理所李艳华团队围绕国家大豆产业发展中的种子问题持续开展研究，现已在黑土地上培育高油、高蛋白、高产的“东生”系列大豆新品种27个，其中4个通过国家审定。近年来，“东生”系列大豆品种在黑龙江省累计推广逾5000万亩，增产大豆超过20亿斤，不仅解决了东北大豆高蛋白与高产的突出矛盾，也解决了大豆品种抗病性差、适应范围窄等问题。
“保护是为了可持续利用，利用才是黑土保护的最终目标。”韩晓增表示，保护好黑土地，就是保护“耕地中的大熊猫”，而黑土层相当于“大熊猫”的心脏，土壤有机质就是“大熊猫”的血液，守护黑土健康，实现增产增收是黑土研究人员追求的终极目标。
中科院东北地理所韩晓增研究员(右四)在中科院海伦农业生态实验站介绍黑土保育。(谢震霖 摄) 中科院科技摄影联盟 供图
中科院发起“黑土粮仓”科技会战
据介绍，“黑土粮仓”科技会战是中科院在系统总结“黄淮海”“渤海粮仓”等农业科技攻关重大任务经验的基础上，针对东北地区黑土地退化严重、地力透支等威胁国家粮食安全和生态安全的重大问题，充分利用相关研究所长期科学研究和技术、数据积累，与吉林、黑龙江、辽宁、内蒙古三省一区合作开展的重大科技攻关任务。
中科院表示，希望通过“黑土粮仓”科技会战，将从科学原理上解决“为什么”的问题，从技术体系上解决“怎么做”的问题从轮作区域上解决“在哪做”的问题，从实施载体上解决“谁来做”的问题，从而使东北黑土地真正成为国家粮食安全的“压舱石”。(完)
举报/反馈
0
0
收藏
分享
