中國黑土研究的熱點(diǎn)問題及水土流失防治對策

張興義，劉曉冰

(中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 海倫黑土水土保持監(jiān)測研究站，黑龍江 哈爾濱 150081)

中國東北地區(qū)國土面積1.24×106km2，現(xiàn)有人口約1.20×108，人口密度不足100人/km2。東北黑土區(qū)是中國開發(fā)歷史最短的區(qū)域之一，總體農(nóng)耕史僅有100 a余。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，為半濕潤半干旱區(qū)，年均降雨量500 mm左右，作物一年種植一季，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。區(qū)域內(nèi)分布著三江、松嫩、遼河3大平原，大小興安嶺和長白山3大山脈。該區(qū)地勢起伏較小，擁有中國有機(jī)質(zhì)含量最高的農(nóng)田土壤——黑土。黑土的有機(jī)質(zhì)含量最高可達(dá)150 g/kg[1]，土地集中連片，墾殖率為26.5%，機(jī)械化程度高，是中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度最高的區(qū)域。近年來，東北黑土區(qū)每年生產(chǎn)的糧食約占全國總量的1/4，且糧食商品率為60%以上，商品糧數(shù)量占全國總量的1/3，成為保障國家糧食安全的“穩(wěn)壓器”和“壓艙石”[2]。

東北黑土區(qū)地處中國高緯度的冷涼區(qū)，旱作農(nóng)業(yè)以壟作為主，實(shí)施翻耕和旋耕等傳統(tǒng)耕作方式，秸稈多移出，過度依賴化肥。長期掠奪式經(jīng)營，導(dǎo)致黑土發(fā)生了嚴(yán)重退化。目前，黑土有機(jī)質(zhì)含量已下降了60%，其自然生產(chǎn)力下降了20%以上。此外，東北黑土區(qū)典型地貌為漫川漫崗，匯水區(qū)面積大，夏季單峰降雨，旱作農(nóng)田水土流失嚴(yán)重，使黑土層變薄，水分脅迫加劇。近年來，土壤侵蝕已成為黑土退化最主要的驅(qū)動(dòng)因素，東北黑土區(qū)已成為中國水土流失嚴(yán)重且亟需治理的區(qū)域之一[3]。

總體而言，東北黑土區(qū)無論是開發(fā)利用還是相關(guān)研究均較中國其他區(qū)域乃至國外其他黑土區(qū)晚。大約在2000年前后東北黑土區(qū)才開始被廣泛關(guān)注，但有關(guān)黑土分布、面積、土壤質(zhì)量退化、水土流失、土壤侵蝕對糧食產(chǎn)能危害等的量化描述眾說紛紜，莫衷一是。2000年以來，關(guān)于黑土侵蝕的研究雖然逐漸加強(qiáng)，但研究結(jié)果分散，缺乏系統(tǒng)總結(jié)。目前，黑土區(qū)水土流失防治得到了國家的重視，已形成系列效果顯著的水土保持技術(shù)體系，區(qū)域水土流失綜合防治已納入國家治理計(jì)劃，然而有關(guān)東北黑土區(qū)治理后的成效評價(jià)工作明顯不足。

本文基于多年的研究積累和相關(guān)研究文獻(xiàn)，總結(jié)歸納有關(guān)黑土侵蝕的特點(diǎn)、防治效果及其防治中的一些熱點(diǎn)問題，旨在探討未來30 a東北黑土區(qū)黑土侵蝕的防治對策，為高效開展黑土地區(qū)水土流失治理服務(wù)，并為統(tǒng)一有關(guān)黑土及其侵蝕研究的認(rèn)識提供科學(xué)參考。

1 目前有關(guān)黑土研究的熱點(diǎn)問題

(1) 全球黑土分布區(qū)的數(shù)量及面積問題。黑土的總體定義為有一個(gè)厚度不小于25 cm的暗沃表層，有機(jī)質(zhì)含量≥1%，鹽基飽和度≥50%，濕潤態(tài)的明度和彩度均≤3[4]。中國文獻(xiàn)大多認(rèn)為世界上共有3大片黑土，是指分布于北半球，緯度在40°～50°N之間的北美密西西比河流域、烏克蘭和俄羅斯大平原以及中國東北地區(qū)[5]，而忽略了南半球阿根廷和烏拉圭潘帕斯大草原的一大片黑土[6-7]。國際土壤學(xué)會(IUSS)、聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)和國際土壤參比與信息中心(ISRIC)所編著的《世界土壤資源參比基礎(chǔ)》(WRB)標(biāo)出了南美黑土的分布。綜合世界上主要土壤分類系統(tǒng)，可以確認(rèn)全球共有4大成片分布的黑土區(qū)，即東歐、北美、南美和中國東北黑土區(qū)，其面積分別為1.82×106，2.90×106，1.06×106km2和3.50×105km2[1,7-8]。

(2) 中國東北黑土區(qū)的面積問題。當(dāng)前世界上有幾大土壤分類系統(tǒng)，但對黑土的劃分定義不盡相同，勢必導(dǎo)致中國黑土面積數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異。中國東北黑土區(qū)的面積界定有發(fā)生學(xué)分類的、典型的和廣義的3個(gè)層面。中國黑土最早是由原中國科學(xué)院林業(yè)土壤研究所宋達(dá)全提出并命名的[9]，全國第二次土壤普查中依據(jù)地理發(fā)生學(xué)分類，將黑土列為單一土類，成帶狀分布于東北地區(qū)，面積7.00×104km2，即黑土發(fā)生學(xué)分類面積，也稱之為東北黑土帶。為了便于黑土地保護(hù)，政府部門參照黃土高原行政區(qū)域的界定，提出了廣義東北黑土區(qū)。廣義東北黑土區(qū)是指有黑色富含有機(jī)質(zhì)的表土層分布區(qū)域，即人們常說的黑土地。水利部多次組織專家論證，界定的東北黑土區(qū)總土地面積1.09×106km2，涵蓋東北的絕大部分區(qū)域，但不包括遼寧省朝陽市、遼南潮土分布區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)海拉爾市西部部分區(qū)域[1]。為了便于和國際范圍的黑土分布區(qū)比較，推薦采用美國土壤系統(tǒng)分類的Molliols(暗沃土)命名，對應(yīng)中國發(fā)生學(xué)分類的黑土、黑鈣土、暗棕壤、草甸土和白漿土等，被定義為典型黑土，對應(yīng)國際的黑土，即中國典型黑土區(qū)面積約為3.50×105km2[4]。

(3) 黑土層厚度變化及其對土壤生產(chǎn)力的影響問題。黑土是典型的地帶性土壤，因其表層富含有機(jī)質(zhì)而成為中國生產(chǎn)潛力最高的土壤。土壤侵蝕導(dǎo)致黑土層變薄已是不爭的事實(shí)。黑土層變薄是黑土受到侵蝕而退化的重要表觀現(xiàn)象，因此，黑土開墾之后，黑土層厚度的變化備受關(guān)注[10]。2000年以來，在報(bào)紙和科技論文中經(jīng)常會看到“保護(hù)黑土地刻不容緩”、“莫等黑土變黃土”、“北大倉已退化為第二個(gè)黃土高原”等呼聲。更有媒體稱：“目前黑龍江省熊貓級資源‘黑土地’已經(jīng)瀕臨毀滅，按照現(xiàn)在的保護(hù)措施預(yù)計(jì)，50 a內(nèi)將會基本消失。”東北黑土地50 a真的會消失嗎？這既是一個(gè)不可回避的科學(xué)問題，又是一個(gè)關(guān)系到國家糧食安全的重大實(shí)際問題。黑土即將消失的說法是根據(jù)現(xiàn)黑土層厚度只有20～40 cm，黑土層變薄速率3～10 mm/a推算得出的。上述說法尤其是黑土層變薄速率缺乏野外調(diào)查實(shí)測資料支撐，與事實(shí)相差甚遠(yuǎn)。首先，黑土層墾殖前就有薄、中、厚不同差別，最厚處可達(dá)1 m以上，但就區(qū)域而言，應(yīng)用平均厚度表述。張之一[11]總結(jié)第二次土壤普查結(jié)果中非耕地黑土層得出，開墾前黑土層平均厚度為50 cm，墾殖后還存在土壤自然回實(shí)現(xiàn)象，土壤容重由草地的0.8 g/cm3增加到1.2 g/cm3以上，加之表土流失，黑土層厚度現(xiàn)剩余30 cm多。其次，黑土坡面侵蝕的典型特征是坡上和坡中表層黑土被剝離。同時(shí)，根據(jù)我們長期監(jiān)測和野外試驗(yàn)測定結(jié)果，黑土坡耕地總體表土剝離速率為2～3 mm/a，且絕大部分遷移沉積于坡腳，只有很少部分離開坡面。因此，至少在未來100 a內(nèi)黑土不會消失，但長期的水土流失將驅(qū)使坡面黑土層變薄甚至部分消失，坡腳肥沃黑土被掩埋，導(dǎo)致全坡面土壤質(zhì)量下降，坡耕地生產(chǎn)力降低，不容置疑[1]。

(4) 中國黑土區(qū)坡耕地土壤質(zhì)量退化的問題。當(dāng)前東北黑土區(qū)存在的問題主要是土壤退化嚴(yán)重。黑土主要是在草地上發(fā)育而成，農(nóng)耕后土壤有機(jī)質(zhì)含量下降是必然的，其過程可劃分為熟化、退化和穩(wěn)定3個(gè)階段[3]。東北黑土總體開發(fā)僅有100 a余的歷史。由于長期采取秸稈移出、傳統(tǒng)耕作等方式，重利用輕養(yǎng)護(hù)，導(dǎo)致黑土有機(jī)質(zhì)含量下降了近2/3，且表層土壤有機(jī)質(zhì)含量仍以年均5‰的速率下降(即黑土的顏色已沒有以前黑了)，土壤自然生產(chǎn)力下降了20%以上[3]。此外，東北黑土區(qū)86%的旱作農(nóng)田為坡度>0.5°的坡耕地，存在不同程度的水土流失。坡耕地不但存在著掠奪式經(jīng)營，用養(yǎng)失調(diào)退化，還存在著因表土流失導(dǎo)致的侵蝕剝離退化問題，加劇了黑土退化(被稱之為黑土惡化階段)，且難以在短時(shí)間內(nèi)逆轉(zhuǎn)。根據(jù)在北部漫川漫崗典型黑土區(qū)的調(diào)查結(jié)果得知，坡耕地黑土有機(jī)質(zhì)含量以年均13.5‰的速率下降，水土流失成為當(dāng)前黑土農(nóng)田退化的主要驅(qū)動(dòng)因素及最為嚴(yán)重的危害[1]。東北黑土區(qū)每年因水土流失導(dǎo)致糧食產(chǎn)能損失1.00×107t[2]。

2 東北黑土區(qū)水土流失防治體系及其效果評價(jià)

(1) 東北黑土區(qū)坡耕地水土流失防治技術(shù)體系。東北黑土區(qū)水土流失主要發(fā)生于已墾坡耕地。該區(qū)坡耕地主要分布于漫川漫崗和低山丘陵區(qū)，地面坡度平緩坡長較大是其區(qū)別于中國其他地區(qū)的顯著特征。該區(qū)坡耕地90%以上坡度<5°，地塊大，機(jī)械化作業(yè)程度高，易于治理[2]。當(dāng)?shù)厝罕姾涂萍既藛T經(jīng)過幾十年的治理實(shí)踐總結(jié)出了一整套防治效果顯著，易于操作的水土保持技術(shù)體系。2009年水利部頒布了第一個(gè)區(qū)域水土保持技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 446-2009)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了<3°的坡耕地實(shí)施等高改壟，3°～5°的坡耕地采取地埂植物帶，>5°坡面宜修筑梯田等水土保持工程措施體系[11]；此外，還形成了獨(dú)具東北地區(qū)特色的苗期壟溝深松和壟向區(qū)田、秸稈覆蓋條耕和免耕、大壟、寬窄行間隔休耕、糧草輪作等水土保持耕作措施和陡坡開荒實(shí)施退耕還林還草的植物措施。同時(shí)形成了以黑龍江省拜泉縣為典型的縣域水土保持模式。拜泉縣水土保持實(shí)施率在70%以上，水土流失得以有效遏制，區(qū)域生態(tài)顯著改觀。2013年拜泉縣被評為全國水土保持生態(tài)文明縣。

(2) 東北黑土區(qū)侵蝕溝治理措施與模式。東北黑土區(qū)是中國除黃土高原外溝道侵蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域[12]。2013年水利部公布了東北黑土區(qū)侵蝕溝專項(xiàng)研究結(jié)果表明，該區(qū)長度大于100～5 000 m的侵蝕溝共有29.6萬條，60%以上形成于耕地中，且89%為發(fā)展溝[13]，我們基于實(shí)測的2 000條侵蝕溝，統(tǒng)計(jì)推斷出目前東北黑土區(qū)包括長度小于100 m侵蝕溝共有約60萬條[3]，溝毀耕地3.33×105hm2以上，對該區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的傷害，且這種危害呈加劇的態(tài)勢。本研究通過大量野外調(diào)查，將東北黑土區(qū)侵蝕溝治理措施總體分為溝頭防護(hù)、溝底穩(wěn)固和溝岸防護(hù)3大類，溝頭防護(hù)措施可細(xì)分為鋼筋混凝土跌水、漿砌石跌水、石籠跌水與連續(xù)柳跌水4種類型；溝底穩(wěn)固一般是通過修筑谷坊來實(shí)現(xiàn)，分為土谷坊、石谷坊、植物谷坊3類；溝岸防護(hù)主要有護(hù)岸導(dǎo)水墻、護(hù)岸水保林兩類。針對不同生態(tài)類型和侵蝕溝的形態(tài)特征，東北黑土區(qū)目前形成了植物治溝、植物為主工程為輔、工程為主植物為輔以及復(fù)墾治溝的4大類綜合治理模式[3]。當(dāng)前溝道侵蝕危害最重的是形成于耕地中的侵蝕溝。它在損毀耕地的同時(shí)，還造成耕地分布支離破碎，阻礙機(jī)械作業(yè)。我們新近又研發(fā)出了基于秸稈填埋的侵蝕溝復(fù)墾技術(shù)。該技術(shù)的原理是秸稈壓實(shí)打捆填充侵蝕溝，上層覆土，侵蝕溝消失，鋪設(shè)暗管和滲井，變地表徑流為地下暗管導(dǎo)排水，保障填埋后不再重新成溝[14]，深受歡迎，正在逐步推廣。

(3) 東北黑土區(qū)水土流失防治效果。東北黑土區(qū)水土流失的主要危害是降低了坡耕地糧食生產(chǎn)能力，這一問題已得到了國家充分重視。①水利部自2003年啟動(dòng)?xùn)|北黑土區(qū)水土流失綜合防治試點(diǎn)工程以來，又先后啟動(dòng)了國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)東北黑土區(qū)水土流失綜合治理3期工程，高水平農(nóng)田建設(shè)工程和侵蝕溝治理專項(xiàng)工程；②農(nóng)業(yè)農(nóng)村部啟動(dòng)了黑土地保護(hù)2期試點(diǎn)工程，輪作休耕工程；③自然資源部啟動(dòng)了耕地整治工程，均涉及坡耕地水土保持生態(tài)建設(shè)。然而，由于難以設(shè)置有效治理和未治理對照區(qū)，坡耕地水土保持治理效果評價(jià)難以開展，致使黑土區(qū)治理工程成效評價(jià)工作不能滿足需求。根據(jù)黑土區(qū)已有水土保持監(jiān)測站點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)、野外自然小區(qū)、工程項(xiàng)目區(qū)監(jiān)測以及科學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，在技術(shù)配置得當(dāng)，技術(shù)達(dá)標(biāo)的前提下，坡耕地水土保持措施可減少地表徑流量80%以上，減少輸沙量95%以上。對黑龍江省拜泉縣通雙小流域治理后11 a大樣點(diǎn)調(diào)查結(jié)果的分析表明，實(shí)施坡耕地等高改壟、地埂植物帶和梯田等措施后，表層土壤有機(jī)質(zhì)含量以年均5.4‰的速率增加，但栽植樟子松水土保持純林會導(dǎo)致土壤酸化加劇，使表層土壤有機(jī)質(zhì)含量不上升反而緩慢下降。等高改壟、地埂植物帶和梯田等措施總體上可分別使糧食增產(chǎn)10%，15%和20%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)減少地表徑流，提高水分利用效率，降低水分脅迫是作物增產(chǎn)的主要影響因素[1]。

3 新時(shí)代東北黑土區(qū)水土流失防治對策

東北黑土區(qū)承擔(dān)著保障國家糧食安全的重任，未來一段時(shí)間內(nèi)仍將以糧食生產(chǎn)為重。因此，黑土耕地仍將面臨糧食生產(chǎn)的巨大壓力。黑土區(qū)土壤侵蝕的防治難以走規(guī)?；瘜?shí)施退耕還林還草恢復(fù)生態(tài)的水土保持途徑，亟需探索出一條利用與保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的道路，并制定出新時(shí)代區(qū)域水土保持應(yīng)對策略。

(1) 黑土坡耕地的水土保持目標(biāo)。黑土層的存在對保證糧食產(chǎn)能至關(guān)重要，黑土層消失將會引起作物減產(chǎn)30%以上。目前，東北黑土區(qū)黑土層平均厚度僅有30 cm多，同時(shí)坡耕地黑土層變薄速率達(dá)2～3 mm/a，亟需遏止黑土流失。因此，黑土坡耕地水土流失防治的直接目標(biāo)是保護(hù)黑土層，這也正是黑土侵蝕模數(shù)僅為黃土的1/3左右，但黑土區(qū)卻被國家與黃土高原同等列為侵蝕嚴(yán)重區(qū)和亟需治理區(qū)的重要原因。新時(shí)代東北黑土區(qū)水土流失防治的目標(biāo)仍需以坡耕地保護(hù)為主，在實(shí)施坡面水土保持措施的同時(shí)，綜合規(guī)劃和建設(shè)農(nóng)田導(dǎo)水和排水體系，與生態(tài)文明建設(shè)同步，山水林田湖路綜合考慮，形成區(qū)域生態(tài)友好可持續(xù)的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。由于黑土區(qū)地形起伏多變，坡耕地難以完全達(dá)到等高種植，實(shí)施水土保持措施后雖可顯著降低土壤侵蝕強(qiáng)度，但仍有局部小區(qū)域存在水土流失，其土壤侵蝕強(qiáng)度可能高于容許土壤流失量的水平。因此，對水土保持成效的考核不應(yīng)單純以治理面積為標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)重視土壤侵蝕強(qiáng)度降低的效果。到21世紀(jì)中葉,東北黑土區(qū)土壤侵蝕防治的目標(biāo)應(yīng)該是除不可治理的部分區(qū)域外，中等土壤侵蝕強(qiáng)度以上地區(qū)全部得到治理，治理后的地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度降到中等以下。

(2) 完善水土保持生態(tài)建設(shè)的政策法規(guī)。國家為了鼓勵(lì)農(nóng)民糧食生產(chǎn)積極性，實(shí)施家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制，規(guī)定30 a使用權(quán)不變，但缺少對農(nóng)民土地使用方式的約束，致使農(nóng)民為追求經(jīng)濟(jì)收益而采取掠奪性經(jīng)營，這是造成土壤退化和水土流失的根源，同時(shí)也是造成水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)措施及政策法規(guī)難以實(shí)施的根本原因。家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制作為中國耕地管理的基本國策，國家先后頒布了與耕地保護(hù)有關(guān)的《土地管理法》《耕地保護(hù)法》《水土保持法》。吉林省2018年率先頒布的《吉林省黑土地保護(hù)條例》，雖為黑土地保護(hù)提供了法律依據(jù)，但這些法律具有普適性，卻無明確具體強(qiáng)制約束性規(guī)定，執(zhí)行困難，并不能像《森林法》和《環(huán)保法》那樣有效貫徹，嚴(yán)重制約了水土保持工作的進(jìn)展，造成了農(nóng)民不同意，組織者難作為的現(xiàn)狀。建議從國家層面出臺東北黑土地保護(hù)法規(guī)，從法律上引導(dǎo)并規(guī)范保護(hù)性利用侵蝕嚴(yán)重的黑土農(nóng)田。例如，可以規(guī)定坡度3°以上坡耕地必須采取水土保持措施種植，用法律約束農(nóng)民保護(hù)黑土坡耕地，同時(shí)讓水土保持生態(tài)建設(shè)工程組織實(shí)施者有法可依，打破水保工程措施實(shí)施難的瓶頸，確保相關(guān)工程順利、高效實(shí)施。

(3) 國家水土保持與生態(tài)工程項(xiàng)目引領(lǐng)。東北黑土區(qū)以犧牲寶貴的黑土資源為代價(jià)，每年向國家輸出大量的商品糧。高強(qiáng)度過度利用土地是導(dǎo)致水土流失加劇的根源，因此，黑土區(qū)水土保持生態(tài)建設(shè)亟需國家工程項(xiàng)目的引領(lǐng)。在治理層面，應(yīng)以小流域或匯水區(qū)為單元系統(tǒng)防治，而耕地目前為集體所有，農(nóng)戶承租，一家一戶條帶種植，因此需要政府統(tǒng)籌規(guī)劃并組織實(shí)施；在資金方面，東北農(nóng)戶、鄉(xiāng)村乃至縣市層面均無力付出專項(xiàng)治理資金，因此，建議國家投入水土保持與生態(tài)補(bǔ)償資金，保護(hù)黑土地的可持續(xù)發(fā)展；在治理成效層面，水土流失防治應(yīng)大力推行“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”的政策，變政府主導(dǎo)為土地使用者主動(dòng)參與，誰治理誰受益。應(yīng)該使土地使用者不但在治理中和治理后獲取收益，還能有效地提高治理效果，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益雙贏。

(4) 水土保持技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)體系建設(shè)。東北黑土區(qū)水土流失防治仍需科技支撐。例如，目前坡耕地廣泛實(shí)施且效果顯著的地埂植物帶水土保持工程措施難以大面積應(yīng)用的主要原因是修筑地埂面積需占地5%～20%，土地使用者不能接受。如果能研發(fā)出可耕種且又能起到攔截徑流作用的弧形埂，則能從技術(shù)層面破解這一難題。再如，在北美州地區(qū)廣泛采用的秸稈覆蓋免耕坡耕地水土保持技術(shù)，在東北黑土區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果表明，由于氣候冷涼，雖然該技術(shù)具有顯著的水土保持功效，且可以提高土壤含水量，但卻降低土壤溫度，導(dǎo)致玉米減產(chǎn)。在秸稈地表覆蓋不變的條件下，如能通過疏松種床，提升地溫，將能極大地推進(jìn)水土保持耕作措施應(yīng)用，有效地遏止黑土坡耕地水土流失。