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長期定位試驗示范推動黑土地保護性耕作的快速發展

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摘要：東北黑土區承擔著國家糧食安全“穩壓器”的重要責任。然而，由于長期超負荷開發利用導致黑土日益退化，黑土資源的永續利用受到嚴重制約。為推動形成黑土耕地質量、耕作效益綠色增長的發展模式，夯實黑土區農業可持續發展基礎，中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土有機碳與保護性耕作學科組自本世紀初（2001年）以來圍繞黑土保育與保護性耕作的核心問題，立足長期定位試驗研究，系統闡明了全量秸稈覆蓋還田保護性耕作在改善土壤物理結構、地力提升和作物穩產增產過程中的重要作用及其機制，為保護性耕作在東北黑土區的推廣應用提供了系統科學的理論依據。作為國內***早開展保護性耕作研究和技術示范推廣的團隊之一，率先在東北黑土區示范推廣秸稈覆蓋還田保護性耕作技術，促成了我國免耕播種機的研發應用和產業化，并為“梨樹模式”的建立發揮了重要的開拓引領作用。通過保護性耕作基礎研究-技術研發-示范推廣，為促進黑土地利用與保護協調發展、推動保護性耕作高質量跨越式發展做出了重要的貢獻。

關鍵詞：長期定位試驗示范；黑土地；保護性耕作；土壤有機質；土壤結構；土壤生物

黑土作為******公認的***為珍貴和肥沃的土壤資源，因其性狀優良、肥力高，被認為是***適宜作物生長的土地。我國東北黑土區是******四大黑土區之一，總面積約為103萬km2，既是我國******的糧食生產基地和商品糧輸出基地，也是保障國家糧食安全的“壓艙石”。然而，長期的不合理耕作和高強度利用導致黑土面臨著“量減質退”的窘境，主要表現為黑土層變薄和有機質下降。據資料統計，自20世紀50年代黑土大規模開墾以來，黑土層厚度已有開墾前的60-70 cm變為20-30 cm，有的地區甚至出現“破皮黃”（劉慧和魏永霞，2014）。吉林省黑土有機質由墾前的40-100 g/kg下降為20-50 g/kg（劉興土和閻百興，2009）。如何保護和利用好黑土地已成為當前國家和社會各界重點關注的議題。2020年7月22日習近平總書記在吉林省考察時特別指出，一定要保護好黑土地這一“耕地中的大熊貓”。黑土地保護已上升為國家戰略呼之欲出。

中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土有機碳與保護性耕作學科組早在本世紀初就深刻認識到了黑土存在的嚴峻問題，在2001年《科學新聞周刊》率先發表文章“保護性耕作：保護東北黑土資源的有效途徑”（楊學明和張曉平, 2001），并在中國科學院國外杰出人才項目（東北松嫩平原黑土區農田土壤有機碳水平現狀和可增加潛力）資助下開始了近20年的黑土保育與保護性耕作的探索研究。

1、保護性耕作的概念及在東北黑土區的起步探索

根據美國保護性耕作信息中心的定義，為減少風蝕和水蝕，任何能保證在播種后地表作物殘留物覆蓋率不低于30%的耕作和種植管理措施都稱為保護性耕作（CTIC，2020）。耕作類型包括免耕、壟作、條耕、冪作等。源于美國并在美國興起的保護性耕作因其可以有效控制由于過度耕墾等不合理的人為活動引起的土壤侵蝕、耕地地力下降和生態環境惡化（楊學明等, 2004），逐漸受到各國的關注并在全球推廣應用。保護性耕作不僅改善土壤耕性、增加土壤有機質和生物多樣性，重建土壤生態和生產功能，還可以控制土壤侵蝕，改善生態環境，同時減少勞動量，節省時間和能源，為農民帶來效益。然而，保護性耕作的應用效果因氣候條件、土壤類型、地形特點、作物品種、農業生產方式和農機裝備實際情況等因素而異，該技術在東北黑土區的適宜性如何？是否有利于土壤生態功能提升？其社會效益和經濟效益如何？秸稈直接還田對春季播種的影響如何，尤其在冷涼低洼區域，這一問題面臨更大挑戰。學科組圍繞保護性耕作在東北黑土區應用的科學問題、技術問題和生產問題，首先利用修正的通用流失方程和RothC模型模擬指出了秸稈覆蓋還田免耕在防止水土流失和恢復黑土有機質方面的潛在作用。研究發現，東北黑土實施免耕后可以起到防止土壤流失的作用，而且效果因黑土層厚度不同而異，黑土層越薄，防止土壤流失的效果越為顯著，******可減少水土流失82.6 t ha^-1?yr^-1（Yang et al., 2003）；如果在施加化肥的同時實施秸稈還田將恢復黑土有機質歷史損失量的1/3（楊學明等，2003）。為了探明保護性耕作在東北黑土區的適宜性及其對土壤生態系統的影響及其機理機制，研究團隊于2001年和2012年分別在吉林省德惠市和長春市典型中層黑土上建立了中國科學院東北地理與農業生態研究所保護性耕作長期定位試驗基地（圖1），以傳統耕作為對照，系統******地研究秸稈覆蓋還田下的保護性耕作對土壤質量、生產力和經濟效益的影響及其機制，研發可用于秸稈全量覆蓋條件下作業的免耕播種機，為科學評估和驗證保護性耕作在東北黑土區的適宜性，解決秸稈還田下播種難的問題，實現黑土保護和資源******利用提供技術和理論支撐。

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2、科學系統地闡明了全量秸稈覆蓋還田保護性耕作在土壤物理結構、地力提升和作物穩產增產過程中的重要作用，為保護性耕作在東北黑土區的推廣應用提供了系統科學地理論依據。

????2.1理清了保護性耕作改善黑土物理結構，提升黑土服務功能的作用機制。

土壤物理過程是每一個土壤化學和生物過程的重要基礎（彭新華等，2020）。15年的連續監測發現，保護性耕作顯著增加了農田黑土播種期和生育期各時段的土壤含水量，平均提高16.2-22.5%，土壤每年多蓄納降水60-80毫米，有效緩解了東北地區的春季土壤墑情差的影響。土壤孔隙分布發生改變,?大孔隙（>100 μm）數量增加11-16%，這些大孔隙一方面構成了蚯蚓活動和植物根系生長的自由空間（Jarvis, 2020），增加了蚯蚓的數量（李文鳳等，2007；郭亞飛，2018），另一方面提升了土壤水分和養分的流通能力。蚯蚓及其通過攝入、混合土壤顆粒和有機物質產生的糞便通過?其自身總孔隙面積、抗張強度、斥水性促進了土壤有機碳的積累（Chen et al., in press）。土壤入滲量和入滲能力的增加（入滲速率和飽和導水率分別增加62.3%和20.7%）（Chen et al., 2018），減少了降雨形成的地表徑流，控制了土壤水蝕；與此同時減少了干旱時土壤水分的蒸發，進而土壤蓄水能力增強、抗旱能力提升。保護性耕作彌散系數這一表征土壤水分和養分擴散速率的指標高于常規耕作2.23倍，為土壤-作物系統水分和養分周轉提供了快速通道。由于保護性耕作常年不擾動/很少擾動土壤，耕層（0-20cm）土壤容重和緊實度有所增加,(以下黃色字刪除)但隨東北漫長冬季的到來,黑土區凍融作用可以顯著降低土壤硬度，解凍后春季土壤硬度較前一年秋季平均降低72.9%（陳學文等，2012b），而且作物生長過程中根系尋求阻力***小路徑，因此保護性耕作下土壤硬度并沒有影響種子萌芽和作物生長；此外，保護性耕作增加了土壤含水量、入滲速率、飽和導水率，提高了水分、養分擴散速率，加之適宜的充氣孔隙度（0.98 cm³?cm^-3，<0.1 cm³?cm^-3時限制作物生長），進而促進了作物生長。

另外，在黑土礦物組成中膨脹性粘土礦物蒙脫石和伊利石占主流，致使土壤膨脹性能高，收縮性良好，回彈能力強（Chen et al., 2019）。實施保護性耕作后黑土結構體穩定性未發生顯著變化（范如芹等，2010），表明與傳統耕作相比，保護性耕作下黑土不易被壓實，且即便壓實后其回彈能力也較強，而且全量秸稈覆蓋還田保護性耕作連續實施3年，影響土壤通氣透水和物質能量傳輸的犁底層消失，作物根系可以向下扎的更深、更廣，降低了倒伏和增強了抵御風災的風險?？梢?，秸稈覆蓋還田保護性耕作明顯改善了黑土物理特性，提升了土壤結構的穩定性、土壤抗性和恢復力以及水分保蓄能力，為其在生物活動、養分循環等生態功能方面發揮作用奠定了基礎。

從保護性耕作影響土壤碳匯功能的物理機制來看，團隊在國內首次引入***小限制水分范圍這一指標,將土壤容重、硬度、孔隙等物理要素與有機碳結合起來，通過參數校正和分析得出，保護性耕作降低了土壤持水孔隙，限制了土壤微生物活性，進而降低了黑土有機碳的礦化分解，使得更多的有機碳儲存在土壤中，促進了黑土碳儲量的增加（Chen et al., 2015）。此項工作為土壤固碳，尤其是土壤物理-化學-生物學互作關系在土壤生態功能中的作用研究提供了非常獨特的理論和新思路。

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2.2揭示了保護性耕作下黑土有機質的演變規律及其積累機制

土壤有機質是土壤的重要組成部分，是衡量土壤肥力和土壤質量的重要指標。保護性耕作可以通過秸稈還田（增加碳源）結合少免耕（減少土壤擾動），減少土壤有機質的礦化分解（楊學明等, 2004）。定位連續監測表明，全量秸稈覆蓋還田保護性耕作實施5年，表層5 cm黑土有機質含量增加10%，10年后增加21%，15年后增加52%（有機質含量從28.28 g/kg提升至43.02 g/kg），耕層0-20 cm土壤有機質含量提高17%（Liang et al., 2016; Zhang et al., 2018），而且15年的實施結果已經顯現表層黑土有機碳已經達到平衡，如何打破這一平衡使其有機碳再上一個臺階，是我們今后研究的重點內容之一。土壤有機碳一般占土壤有機質含量的58%。較傳統性耕作，黑土有機碳儲量提高29%，增加速率******可達到0.80 Mg C ha^?1?yr^?1，這一數值高于美國和華北麥玉兩熟區免耕土壤固碳速率（0.337和0.56 MgC ha^-1），說明黑土固碳潛力巨大，而傳統性耕作則導致黑土有機碳儲量正以0.52 Mg C ha^?1?yr^?1的速率繼續減少。然而，作物秸稈碳進入土壤的比例僅為16%左右（Zhang et al., 2018），大部分秸稈碳以氣體形式進入大氣。

2.2.1 保護性耕作下黑土有機碳的內在分配機制

保護性耕作增加了耕層總有機碳的變化，但其變化難以******揭示其內在周轉機制（Zimmermann et al., 2007），因為不同有機碳組分儲存能力、穩定性、周轉時間均存在差異（von Lützow et al., 2007）。因此，基于15年的長期定位試驗，研究團隊利用物理、化學及生物分組方法分別對黑土有機碳進行了提取分析，******定量了保護性耕作增加的土壤有機碳儲量在各組分中的分配（圖2）。從團聚體角度出發，研究發現土壤團聚體核心有機碳的結構穩定性和腐殖化程度遠高于其表面，其有機碳礦化量顯著低于表面有機碳，而保護性耕作有利于團聚體結構發育，而且保護性耕作實施后新增的有機碳儲量70%儲存在大團聚體中，其中有利于有機碳長期固定的大團聚內被包裹微團聚體占明顯優勢；從密度粒徑的角度得出保護性耕作不僅增加了輕組有機碳組分，對粘粉粒結合碳的提升也有顯著作用（Zhang et al., 2020），尤其是粘粒有機碳儲量（50%），因此從物理分組層面證明了保護性耕作對有機碳固存的積極作用?；瘜W組分結果顯示，保護性耕作不僅增加了有利于微生物、植物吸收利用的總活性碳庫，同時也增加了有利于長期固碳的惰性碳庫，但對不同活性碳庫的影響存在差異（Zhang et al., 2020）。而保護性耕作下增加的有機碳儲量有近一半表現為微生物殘體碳儲量的增加，其中******比例較高，是******的兩倍?；瘜W分組與生物分組均再次佐證了保護性耕作對有機碳長期固定的有效性。通過******揭示不同有機碳組分對保護性耕作的響應情況，為未來科學評估東北農田黑土區有機碳固定潛力提供了理論支撐。

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2.2.2 保護性耕作對黑土氮素轉化的驅動機制

足夠的有效氮素供應是作物取得高產的基礎。如何提高土壤有效氮的供應，并避免活性氮損失對水體、大氣環境的負面影響是農業生產中的一個永恒話題。研究表明，實施保護性耕作能有效提高黑土（特別是表層黑土）的全氮含量，其中實施秸稈還田壟作土壤的全氮含量較免耕更高（范如芹等，2011）。然而，也有研究認為實施保護性耕作后土壤中的無機氮會被微生物同化固定，不利于作物對氮素的吸收，因而需要施用更多的化學氮肥。為科學評估長期保護性耕作對黑土氮素供應與保持的影響，團隊使用¹⁵N同位素成對標記技術******研究了不同耕作方式下黑土主要氮轉化過程的速率Liu et al., 2018）。發現長期免耕雖然沒有對整個耕層土壤的初級礦化速率產生影響，但顯著降低了銨態氮的微生物同化速率，因而提高了黑土向作物供應有效氮素的能力。上述研究結果對于理解保護性耕作對土壤氮轉化的影響，并通過秸稈覆蓋還田保護性耕作以減少活性氮損失、提高作物氮肥利用效率具有重要的意義。

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2.3 明確了保護性耕作在黑土結構改善、有機質和作物生產力提升過程中的生物調控機制

土壤生物作為土壤質量的重要組成部分，在維持土壤結構、提升土壤有機質和增加土壤碳匯、抑制病蟲害和提升作物產量等現代農業生態服務功能方面發揮著重要的作用。與傳統耕作相比，保護性耕作在提高土壤生物多樣性、物種豐度和生物量等方面具有積極促進效應。連續實施保護性耕作10年后，耕層黑土（0-20 cm）微生物和土壤動物物種豐富度提高了10%-20%，豐度增加了20%-40%，生物量增加了40%-60%（Sun et al., 2016; Zhang et al., 2015）。以有“生態系統工程師”美譽的蚯蚓為例，全量秸稈覆蓋還田免耕實施5年，黑土中蚯蚓數量從每平方米5條增加到8條，個體質量從每條0.15 g條增加到1.55 g（郭亞飛，2018）。此外，保護性耕作促進了雜食-捕食線蟲及c-p值較高（≥ 3）的食微線蟲功能群豐度的增加（Zhang et al., 2019a）。雜食-捕食線蟲豐度的增加是抑制保護性耕作下秸稈輸入引發土傳病的重要原因之一，因而，多年保護性耕作實施后玉米感染土壤病原體的機率較傳統耕作并沒有增加。保護性耕作實施14年后黑土雜食-捕食線蟲c-p值較高（≥ 3），說明土壤生物出現明顯富集，意味著保護性耕作下土壤生態系統較傳統耕作更為穩定（Zhang et al., 2019a）。

保護性耕作改變了黑土生物功能群群落結構，進而對土壤結構產生顯著影響。定位試驗結合結構方程模型模擬，明確了土壤微生物及其代謝產物是促進土壤團聚體形成的主要因素，這改變了以往普遍認為土壤有機質是主導土壤結構形成的觀點（Zhang et al., 2012）。其中，叢枝狀菌根******生物量的增加及其代謝產物球囊霉素含量的增加是促進保護性耕作下大團聚體（> 0.25 mm）形成的重要原因；基于CT掃描技術，確定了保護性耕作下蚯蚓活動引起的土壤大孔隙的變化范圍，即蚯蚓活動僅增加土壤大孔隙（100 μm）的體積而非次大孔隙（30–100μm），而且保護性耕作下蚯蚓活動通過增加大孔隙體積提高了土壤入滲速率和飽和導水率（Guo et al., 2019），確保了在極端干旱時亞表層土壤可以獲得優先流，保證地上作物的生長。

保護性耕作改變了土壤生物功能群群落結構，進而影響碳在土壤中的穩定過程。通過定位試驗和土壤食物網模型構建發現，在實施保護性耕作10年后，土壤有機質的分解通道仍然是以******通道為主（Zhang et al., 2015），但土壤生物之間的互作強度增強，即土壤食物網連通性增加，包括食物網長度增加，能量流從低級營養類群為主導轉變為可以有效地從低級營養類群傳遞到******捕食者能量流的傳遞（Zhang et al., 2019b）。上述改變影響了土壤生物對有機碳的固持能力。以土壤線蟲作為模式生物分析土壤生物對碳的分配利用效率發現，保護性耕作，尤其是全量秸稈覆蓋還田免耕顯著提高了土壤生物對碳的自身固持而降低了碳以CO₂形式的礦化分解（Jia et al., 2016; Zhang et al., 2019b）。此外，保護性耕作還改變了不同粒級團聚體中微生物的分布及其與線蟲的相互作用強度，使更多的基質碳被保存在活性碳庫中，促進了有機碳的積累（Zhang et al., 2013;Liang et al., 2019）。定位監測數據還顯示，保護性耕作對土壤生物的積極影響效應貫穿于整個作物生育期（Zhang et al., 2019a），表征土壤生物在群落水平和生態功能水平多樣性的增加可能是東北黑土區保護性耕作有利于土壤生物穩定有機碳的重要原因之一（圖4）。

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2.4 明確指出保護性耕作在吉林省中部糧食主產區可以保障玉米穩產增產

保護性耕作對作物產量的影響歷來是一個有爭議的話題，這主要是源于保護性耕作的實施效果因氣候條件、地形、土壤類型等因素而異。吉林省中部典型黑土上實施全量秸稈覆蓋保護性耕作后，在正常年份玉米產量較傳統耕作沒有顯著差異，這主要是因為苗期雖然秸稈覆蓋后地溫較低，出苗晚或出苗率略低，但后續生育期土壤水分含量和溫度、養分供給、土壤結構均優于傳統耕作，很大程度上抵消了苗期保護性耕作的負面效應，從而使玉米長勢很快趕超傳統耕作，實現玉米穩產（Zhang et al., 2015;Chen et al., 2014, 2018）。在極端氣候條件下，較傳統耕作保護性耕作則展現出了減產少的優勢。以2012年“布拉萬”臺風為例，保護性耕作實施田塊，玉米倒伏率明顯低于傳統耕作，玉米少減產增產16.2%左右，這主要得益于保護性耕作實施后土壤犁底層消失、作物根系散布步的廣而深，土壤入滲速率和硬度、容重增加，使得玉米根系滯水時間降低，根基牢固，不易倒伏（Liang et al., 2017）。極端干旱年份（以2015年為例），秸稈覆蓋還田免耕下7-8月農田黑土含水量比傳統耕作高40%，整個生育期作物生長不受夏秋季干旱脅迫，作物少減產47.4%，而傳統耕作土壤含水量則接近黑土萎蔫系數，導致玉米嚴重減產。當然，保護性耕作******的優勢在于通過降低成本投入來提高經濟效益。以吉林省為例，僅成本投入來看，保護性耕作較傳統耕作每公頃節約成本1200-1500元，整個經濟效益提高15.9-37.0%（Fan et al., 2012）。

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3、研發了系列免耕精量播種機并實現了產業化生產和應用，為秸稈覆蓋還田保護性耕作在東北黑土區的大面積推廣提供了重要保障。

農機與農藝配套、提高免耕播種質量一直是推進東北黑土區保護性耕作技術示范推廣的核心問題。免耕播種機是秸稈覆蓋還田下保護性耕作技術得以成功實施的關鍵。該機械可以在不拖移地表覆蓋秸稈前提下一次性完成切斷種床秸稈、種床整理、側向深施底肥、單粒播種、覆土和******作業。2003年研究團隊從美國引進了東北地區******臺免耕播種機（KINZE-3000型四行牽引式免耕播種機），該機械的引入和使用促成了東北地區真正意義上的免耕播種。然而，國外免耕播種機在東北地區存在諸多不適宜性，如壟距（76 cm）遠大于東北當地傳統壟距（60-65 cm），而且自我國實行聯產承包責任制以來，由于大部分農戶的農田面積小，無法實現大型農業機械，即使是四行免耕播種機作業。因此，免耕播種機的國產化和小型化成為當時迫切需要解決的問題。2007年，在吉林省農業綜合開發科技示范項目“四平市梨樹縣梨樹鎮、林海鎮黑土區水土流失綜合治理技術示范”資助下，團隊率先在梨樹縣開始保護性耕作技術的應用示范，并促成了吉林康達免耕播種機的研制和產業化（圖5）。當前，康達免耕播種機已成為市場主流播種機被廣泛使用。在梨樹縣為期7年的示范推廣工作為“梨樹模式”的建立提供了不可或缺的技術支持。2013年團隊又針對市場上免耕播種機存在的播種深度深淺不一、秸稈量大時機體過輕影響播種、肥箱內置軸承容易卡死等問題，以技術入股的形式成立了長春中科東地農業機械裝備有限公司，研發了高性能的2BMZF-2Q和2BMZF-4Q型系列牽引式免耕播種機（圖6），在液壓系統、加力裝置、種肥箱、壟距調節、肥料變速箱等方面做出了創新集成，推動了新一代免耕播種機的發展。該系列免耕播種機已在吉林、黑龍江、遼寧和內蒙古等多地銷售。當前，國產免耕播種機發展迅速，已經出現了多個性能高、口碑好的免耕精量播種機械，除中科東地外，還有吉林康達、德邦大為、河北農哈哈等品牌，基本保證了秸稈覆蓋還田免耕播種的順利完成。然而，隨著國家農業農村部、財政部《東北黑土地保護性耕作行動計劃(2020—2025年)》的頒布和實施，加之東北地區春季播種期短，在保證秸稈覆蓋還田播種質量的前提下，免耕播種機的數量和質量成為當前急需解決的問題，當然也為農機市場保護性耕作配套農業機械的發展帶來了前所未有的契機。

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4、結語

中國科學院東北地理與農業生態研究所黑土有機碳與保護性耕作學科組自2001年以來始終面向黑土保育與綠色發展國家重大戰略需求，聚焦保護性耕作提升黑土生態服務功能等關鍵科學問題，分別于2001年和2012年在吉林省德惠市和長春市建立了東北黑土區保護性耕作長期定位試驗基地，系統闡明了秸稈覆蓋還田保護性耕作提升黑土質量和地力的機制與途徑，明確指出保護性耕作在吉林省中部糧食主產區保障玉米穩產增產的機理。，2007年開始在吉林省的梨樹、德惠、九臺和大安等市縣示范推廣保護性耕作技術,研發了新一代免耕精量播種機，為保護性耕作在東北地區的大面積推廣提供了重要的理論依據與技術支持。團隊發表黑土和保護性耕作相關方面的論文200余篇，其中SCI論文70多篇，累計引用頻次4500余次，位列東北黑土區保護性耕作發文機構首位。獲得吉林省自然科學獎兩項，授權專利8項，軟件著作權3項。秸稈覆蓋還田保護性耕作示范推廣工作，為“梨樹模式”和吉林康達免耕播種機的研發應用發揮了重要的開拓引領作用。2019年與吉林乾溢現代農業有限公司合作在農安縣哈拉海鎮建立了黑土地保護關鍵技術集成示范區，旨在綜合開展黑土地生態系統監測和現代農業創新技術研究示范，打造黑土地保護技術展示的重要示范窗口，引領黑土地保護與利用綠色協調發展。鑒于黑土區氣候特征和地理環境要素存在區域差異，建議在東北黑土區乃至全國尺度上建立多個保護性耕作試驗示范平臺，統一監測標準，規范監測方法，為科學地評估保護性耕作的區域適宜性提供必要的支撐平臺。未來，研究團隊將繼續聚焦保護性耕作在黑土地力提升方面的理論研究與技術研發，重點關注物理-化學-生物互作的內在機制；因地制宜地探索和研發東北黑土區保護性耕作技術的區域模式，為我國黑土地保護與利用及區域農業可持續發展做出更大的貢獻。

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