1厘米黑土要400年才能形成，科学家如何守护黑土粮仓？
9月下旬，几辆大巴车在乡间小路穿梭，从窗外望去，广袤的松嫩平原一望无际，即将迎来收获。
“黑土粮仓”先导专项科学总顾问、中国工程院院士张佳宝下车后匆匆走进农田一处深约1米的土坑考察土壤情况。南都记者在现场看到，土坑内土壤层次分明，松散的表层黄土下有明显的黑土层，夹杂着白色斑驳，这是含有碳酸钙的表现。
但和想象中黝黑的黑土不同，黑土实物更接近浅一些的暗褐色。张佳宝在土坑看后做出评价，“黑土退化很严重了。”
黑土中的黑色来源于有机质，有机物料腐殖化会生成一种棕色至暗褐色的腐殖酸，腐殖酸含量高，土的颜色就黑。张佳宝介绍，当地风蚀严重，土壤质地变粗，有机物分解速度变快，黑土因此“褪色”。
“每形成一厘米黑土要经过约400年，一阵风刮过去，吹走的不是几毫米黑土，而是1个世纪。”张佳宝指着土层告诉南都记者。
在东北，一场黑土粮仓“科技会战”已经开展一年多时间。2021年，中国科学院启动“黑土粮仓”先导专项，为黑土地保护与利用提供系统解决方案，为保障国家粮食安全和生态安全提供科技支撑。南都记者了解到，这是上世纪农业科技“黄淮海”会战之后，中科院在新时代的一场新的农业科技攻关战役。
为何将黑土地保护提到如此高度？对于黑土地保护和利用，我们已经走到了哪一步？近日，南都记者随中科院一行来到东北黑土地区寻找答案。
东北黑土地是中国的粮仓。
“变薄”“变瘦”“变硬”
在齐齐哈尔市梅里斯攻关试验区，常年流传一句俗语，“一年刮两次大风，一次刮半年。”这里冬春季大风频发，风蚀十分强烈，最大风速超过7 m/s，严重破坏土地生产力。
张佳宝指着挖好的土坑告诉南都记者，每形成一厘米黑土要经过约400年时间，三四十厘米的黑土层形成则需要大概1万年时间。
“一阵风刮过去，就能吹走一个世纪。”他说。这可不是什么浪漫化的表述，一个惊人的数据显示，东北黑土层的平均厚度已经由上世纪中叶的60-80厘米下降到目前的20-40厘米。
“黑土粮仓”先导专项科学总顾问、中国工程院院士张佳宝评估黑土退化情况。
对于东北黑土地面临的主要问题，专家们普遍用“变薄”“变瘦”“变硬”来概括。
简单来说，黑土“变瘦”指的是有机质的下降。研究数据显示，东北黑土地土壤有机质降幅高达21%，是我国耕地土壤有机质唯一下降区域；“变薄”主要是因为土壤侵蚀。“变硬”则是因为有机质降低了后，机械化作业导致土壤压实“变硬”，作物难以破土出苗，农业减产。
而在这三个问题中，土壤侵蚀造成东北黑土地“变薄”又格外突出。除了大家熟悉的水蚀、风蚀外，冻融造成的侵蚀是东北黑土地的特有难题。“先冻再融化，土壤会变松，水一冲，侵蚀起来比什么都要快。”张佳宝说，“冻融侵蚀比黄土高原的水土侵蚀程度还要厉害。”
全球有四大片黑土地，包括北美中部密西西比河流域、乌克兰-俄罗斯平原、中国东北、南美潘帕斯草原。我国东北黑土分布区是全球四大黑土集中分布区之一，包括黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区东部。东北黑土分布区面积 16.35 亿亩，耕地面积 5.37 亿亩，其中典型黑土区耕地面积约 2.78 亿亩。
“黑土地具有养分利用效率高的优势，单季作物亩施肥量仅为其他地区土壤的70%左右，而同样条件下，黑土地会比其他土地多产出10%。”张佳宝说。
与之相对应的，是东北在中国粮食供应中的“压舱石”地位。一方面，中国粮食对外依存度依然较高。2021年，我国累计进口粮食1.6亿吨，占粮食总产量的24%。而作为我国最重要的粮食生产基地和商品粮输出基地，全国排名前10位产粮县均在东北黑土分布区。2021年，东北三省及内蒙古地区合计增产达188亿斤，对全国粮食增产贡献率70.3% 。
张佳宝还特别强调一个数据，“商品粮调出量”。“这里一年只种一季，但输出的商品粮占全国商品粮总量的1/3 。”他说。如今，长期高强度利用，加之土壤侵蚀，导致土壤有机质含量下降、生态功能退化，严重影响东北地区农业持续发展。
齐齐哈尔市梅里斯攻关试验区的黑土。
何为“黑土粮仓”科技会战？
1934年5月11日，美国西部草原地区发生了一场人类历史上空前未有的黑色风暴。风暴刮了3天3夜，形成一个东西长2400公里，南北宽1440公里，高3400米的迅速移动的巨大黑色风暴带。
这场黑风暴背后，是不合理的农垦、过度放牧、过度采樵、单一耕种，导致植被和地表结构的破坏，使草原枯萎、土地沙化。自此，美国提出保护性耕作，通过秸秆覆盖、少耕、休闲等措施提高土壤有机质含量。
“90年前美国经历的问题，我们正在经历。”张佳宝说。在东北，一场“黑土粮仓”科技会战已经实行一年多时间。
何为科技会战？据中科院科技促进发展局副局长许航介绍，这个名字是为致敬和传承“黄淮海”科技会战精神。上世纪中科院在黄淮海地区打响了农业科技会战，使会战地区的粮食年生产能力提高了500亿斤，为我国粮食增产做出瞩目贡献。
值得一提的是，这也是中科院首次在非军工专项中启用两总制（总指挥、总工程师），重视程度可见一斑。其中，总指挥是专项第一负责人，总工程师专门负责专项技术线。
2021年3月，中科院与吉林省联合上报“黑土粮仓”科技会战，向国家揭榜挂帅。从去年起，中科院先后与吉林省、辽宁省、黑龙江省、内蒙古签署框架协议。此外，中科院还派遣青年骨干担任科技副职，结合不同示范区特色，挂职不同岗位，将示范区攻关任务与地方农业工作结合，推广技术和模式。
中国科学院地理科学与资源研究所（以下简称中科院地理所）副研究员侯瑞星就是其中一位，他挂职的是齐齐哈尔市农业农村局副局长，负责种养循环、黑土保护性增碳技术示范工作。
中科院地理所副研究员侯瑞星介绍黑土地保护措施。
在梅里斯攻关试验区，他介绍了针对风蚀严重地区所实施的两种保护性耕作措施，灭茬秸秆覆盖免耕和高留茬秸秆覆盖免耕。
据了解，科研团队分别在保护性耕作和传统耕作的样地上布设了完整的风蚀观测系统，包括6套全方位集沙仪和两套八向集沙仪，在2021年和2022年对不同耕作模式下土壤风蚀特征进行了观测。
结果显示，在当地的传统耕模式下，土壤年风蚀量可达31-76吨/公顷，相应的土壤有机碳年损失量达1-2吨/公顷，造成了土壤和养分的流失；在两种保护性耕作模式下，风蚀量可降低61%-64%，其中，0~10 cm的输沙量下降了58%。两种保护性耕作措施不仅留住了黑土，还提高了肥料的有效利用率。
“因此，梅里斯区的风蚀阻控，在耕作措施方面要注重秸秆覆盖和高留茬，一方面能够通过覆盖来保护表土，另一方面可以增加地表粗糙度，降低近地风速。”侯瑞星说。
以上只是黑土地保护试验区诸多举措中的一角。“黑土粮仓”先导专项办负责人李禄军告诉南都记者，科技会战注重发挥中科院不同研究所的专业优势，从各个角度各出奇招。“比如从土壤角度，怎么做秸秆还田、有机肥；从作物角度，培育一些肥地的作物比如大豆；从农机角度，研究如何减少施肥量，提高土地养分利用率等等。”
拿出黑土地退化清单
对于此次科技会战科学总顾问张佳宝来说，此行他还重点关注一项工作的进展，那就是黑土地退化清单。
他还记得，在一次向有关部门汇报黑土地退化情况时，被问到一个问题，“一直都在说黑土地退化，到底退化到了什么程度？”张佳宝当时没有回答上来。
“拿不出清单”这个问题也困扰了黑土地保护相关人员多年。张佳宝说，要摸清黑土地家底，需要建立黑土地不同尺度耕地质量监测与评价大数据平台，利用分类评价体系和智慧监测技术体系，最后达到让“大家的办公桌上就能看到黑土地退化程度”的效果。
这样的愿景正逐渐成为现实。在齐齐哈尔核心示范区依安县，南都记者看到了“星-空-地”立体监测网正在将最古老的农业和最先进的大数据结合起来，作为中科院打造“全域定制模式”的第一步。
什么是“星-空-地”立体监测网？星基平台指的是基于多源卫星遥感数据，结合机器学习等自动分类算法，实现耕地范围、播种面积等的快速提取和统计分析，获取县域垦殖历史、环境本底、农业结构、种植制度等数据；空基平台指的是可以支持无人机多机型任务的指挥与测控，依托相应载荷，实现作物生长环境、周期，以及从灌溉到土壤变化，再到病虫害侵袭等苗情、灾情的信息监测；在地面观测方面，目前在依安县安装的全自动的农用生态观测站有22台套，覆盖不同范围的不同作物类型，参数采集频率可以提高到分钟级。
在此基础上，记者看到了针对依安县太北村C101号地块开具的一张“病历单”：所有者：赵XX 编号：C101 分类分级：低氮磷轻度水蚀耕地 问题诊断：水蚀和过度耕作导致地力退化，产量明显下降 ；解决方案：免耕秸秆覆盖还田+保护性增碳 、修复技术（有机肥定向深施免翻技术及配套农机）、玉米-大豆轮作 ；施肥推荐：有机肥1000kg/亩。
经过一段时间的“治疗”，2021年该地块“病情”有明显好转：地表径流减少79.1%，表土流失减少95%，土壤结构改善，团聚体直径提升0.1-0.15mm，全氮增加18.5%；玉米产量从500kg/亩提升到560kg/亩，提升12%。
培养适合东北黑土区的作物品种
南都记者注意到，除了黑土地亟需合理保护和利用，在“黑土粮仓”科技会战中，寻找适应东北黑土区的作物品种也是一大关键问题。
中科院科技促进发展局副局长许航表示，“黑土粮仓”科技会战目标是实现东北黑土地保护与利用的平衡，用科技支撑国家粮食安全的“压舱石”。“东北区域温度低，对玉米、大豆、水稻等作物的低温适应性有很高要求，培育高产、耐逆、适合规模化种植的品种是当务之急。”他说。
东北，秋收时节，大片的大豆在风中轻轻摇晃。从事“东生”大豆研究已有30多年，李艳华站在10万亩核心示范区的大豆田中，看起来心情不错。她随手摘下一个豆荚，向现场人们展示自己培育出的“东生19”大豆，并历数该大豆的优点：豆子圆黄匀亮，产量高稳产性好，蛋白质、油脂含量也高。经济效益也显而易见，收购价格普遍高于市场其他品种0.05-0.20元/斤，很受农民、粮商和加工企业的欢迎。
李艳华在大豆田里向南都记者介绍“东生”大豆。
“大豆不光对人体来说有营养，对黑土地也有保护作用，是对土壤环境非常友好的作物。”她告诉记者，大豆具有固氮能力。用老百姓话来说就是能让土壤更“热乎”，只要种了大豆，下一茬种其他作物都可以减少施肥，产量还更高，能有效缓解过多施肥导致的土壤板结。
当前，我国大豆严重依赖进口，自给率不足15%，大豆稳定供应面临严峻考验。我国耕地面积有限，加之国产大豆品种单产低、种植效益差，单纯通过扩大大豆种植面积难以有效解决大豆自给难题。中科院东北地理所大豆育种团队先后培育出“东生”系列大豆新品种31个，分别满足高产、高脂、早熟，耐盐碱等需求。
“我现在最主要目标就是提高产量，对于国家粮食安全来说，我们心里有底气，我们能做多少做多少。”她说。
未来黑土地保护走向何方？
在采访中，南都记者注意到，不少受访者都提到同一个观点，那就是“到现在为止我们还在就黑土地保护黑土地。”
“黑土地为什么在这个地方产生？它的形成和当地水热资源和自然生态格局相协调。”张佳宝说，林、草、湿地是黑土地的重要生态屏障。“如果这个地方湿地不存在了，森林也不存在了，黑土地一定不存在。所以我们一定要把黑土地的保护和整个生态系统的协调一起来做。”张佳宝认为，这代表了未来黑土地保护的方向。
黑土地保护的种种举措到底能否有用？不如看看前人的经验。在黑色风暴事件后，美国采取了保护性耕作，这在后来被证明颇具成效：上世纪30年代，美国黑土地有机质断崖式下降，40、50年代维持同一水平，到70年代开始向上，上世纪末美国黑土地有机质增加了3%-5%，目前为止，黑土有机质已经恢复到接近原来水平。
前有黑土治理的成功经验，中国土壤治理专家对此颇具信心。“别人已经干过了，也干成功了，我们不要担心，可以弄成。”张佳宝说。
但也要看到经验的另一面：不要指望黑土地的保护和恢复能在3到5年解决问题，这是一个漫长的过程。张佳宝表示，美国黑土地治理花了30-50年时间，但中国的建制化体系决定了治理效率只会更高，也许20年后，我国的土壤科研工作者就能看到黑土地保护“开花结果”。
采写/摄影：南都记者 王凡 发自黑龙江齐齐哈尔
