黑土地肥力下降成因與保護(hù)利用對(duì)策

摘要： 黑土具有質(zhì)地好、肥力高、適耕性強(qiáng)等特點(diǎn)，為全國(guó)貢獻(xiàn)了1/4 的糧食產(chǎn)量，但黑土地長(zhǎng)期集約化利用引起的土壤肥力下降已引起國(guó)家和學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文分析了黑土地肥力下降主要特征，并著重從養(yǎng)分資源高效利用視角探討了黑土地肥力下降的原因，提出了黑土地保護(hù)利用對(duì)策。黑土地肥力下降主要特征為有機(jī)質(zhì)下降、結(jié)構(gòu)變差、養(yǎng)分失衡、酸化嚴(yán)重和黑土層變薄等。從養(yǎng)分資源利用角度分析，黑土地肥力下降主要原因是黑土地集約化利用下秸稈長(zhǎng)期移出農(nóng)田，有機(jī)物料投入不足，以及化學(xué)肥料種類、用量、施用時(shí)間的不合理。為此，本文提出以養(yǎng)分高效利用為核心的養(yǎng)分精準(zhǔn)管理、以秸稈還田為主的保護(hù)性耕作及以有機(jī)物料循環(huán)利用為基礎(chǔ)的農(nóng)牧一體化的綜合管理對(duì)策?？傊?，黑土地養(yǎng)分高效循環(huán)利用是實(shí)現(xiàn)黑土地保護(hù)利用的重要手段之一。

關(guān)鍵詞： 黑土地；肥力下降特征；肥力下降原因；養(yǎng)分資源高效利用；保護(hù)利用對(duì)策

土壤是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)資源，土壤的數(shù)量及質(zhì)量在國(guó)家糧食安全、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中具有決定作用[1]。黑土是農(nóng)田資源中最寶貴的土地資源，主要分布在烏克蘭及俄羅斯大平原、美國(guó)密西西比河流域、我國(guó)東北和阿根廷潘帕斯平原，具有質(zhì)地好、肥力高、適耕性強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)前，我國(guó)東北黑土糧食產(chǎn)出量占全國(guó)的1/4，糧食調(diào)出占全國(guó)的1/3，是我國(guó)重要的商品糧食生產(chǎn)基地和國(guó)家糧食安全的壓艙石，然而，旱作黑土（通稱黑土地） 過(guò)度集約化利用導(dǎo)致的耕地肥力下降，嚴(yán)重威脅著我國(guó)黑土區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，受到國(guó)家和科技工作者的廣泛關(guān)注[2?3]。

我國(guó)東北黑土區(qū)總面積109 萬(wàn)hm2，約占全球黑土區(qū)總面積的12%，主要分布在黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古東四盟，根據(jù)中國(guó)土壤發(fā)生分類主要包括黑土、黑鈣土、白漿土、草甸土、暗棕壤、棕壤等[4]。黑土開墾前主要為草地、林地和濕地，清朝末期開始開墾，建國(guó)后大面積開墾為耕地[5]，種植作物以玉米、大豆和水稻為主，過(guò)去5 年玉米、大豆、水稻產(chǎn)量分別占全國(guó)的41%、56% 和19% [6]。黑土地所種作物地上部長(zhǎng)期移走使得表層土壤裸露，土壤礦質(zhì)養(yǎng)分得不到均衡有效的補(bǔ)充，進(jìn)而引起黑土地肥力不斷下降。研究表明，黑土地有機(jī)質(zhì)每下降0.1% 作物產(chǎn)量下降1.5%～2.0%，而黑土每流失1 cm作物產(chǎn)量減少2% [ 7 ]?？傮w而言，東北黑土地正由“生態(tài)功能區(qū)”逐步向“生態(tài)脆弱區(qū)”演變，嚴(yán)重威脅著黑土地的產(chǎn)出和國(guó)家糧食安全。

持續(xù)的養(yǎng)分投入在維持或提高土壤肥力、保障糧食作物持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。已有研究表明，肥料養(yǎng)分對(duì)我國(guó)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)50% 以上[8]。科學(xué)的養(yǎng)分管理要求遵循4R 原理，即正確的時(shí)間、位置、用量和肥料種類，但黑土區(qū)長(zhǎng)期的“一炮轟”式不合理化肥施用、高產(chǎn)出追求以及對(duì)有機(jī)物料施用不夠重視，進(jìn)一步加劇了黑土地肥力下降[9?10]，因此，養(yǎng)分資源在黑土地肥力下降中的作用及影響有待進(jìn)一步梳理和闡述。為此，本文在總結(jié)前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，著重剖析當(dāng)前黑土地肥力下降主要特征，從養(yǎng)分資源利用角度剖析黑土地肥力下降成因，并提出相應(yīng)的綜合管理對(duì)策，以期為我國(guó)黑土地肥力提升和可持續(xù)利用提供一定的科學(xué)依據(jù)和參考建議。

1 東北黑土成土的自然屬性

我國(guó)東北黑土腐殖質(zhì)層形成與特有的自然條件息息相關(guān)。東北黑土區(qū)四季分明，夏季雨熱同季植被茂盛、冬季迅速轉(zhuǎn)冷結(jié)冰，這樣的氣候條件產(chǎn)生大量難以腐化分解的枯枝落葉，然后歷經(jīng)千百年積累形成深厚的黑土腐殖質(zhì)層。黑土腐殖質(zhì)層含量高、土層深厚，粒狀結(jié)構(gòu)良好，離子交換量大，鹽基飽和度高，營(yíng)養(yǎng)元素豐富；自然黑土表層有機(jī)質(zhì)含量范圍為29.0～75.1 g/kg，全氮2.85～3.97 g/kg，有效磷為5.06～9.38 mg/kg，pH 為5.8～6.2 [11?13]。我國(guó)東北黑土母質(zhì)層以砂礫和黃土狀黏土為主，其中以更新世砂礫、黏土分布最廣，且具有一定的黃土特征[11]。黑土淀積層介于黑土腐殖質(zhì)層和母質(zhì)層之間。淀積層可見鐵錳結(jié)核、銹斑和二氧化硅粉末，有的土層上部或下部具有明顯的潴育層次[14]。我國(guó)東北黑土易發(fā)生自然搬運(yùn)、甚至損失的現(xiàn)象。黑土區(qū)地形特點(diǎn)以山前臺(tái)地、漫川漫崗為主；平原區(qū)坡度一般為1°～5°，山前沖洪積臺(tái)地坡度多為3°～8°[15?16]。坡度大于3°的地形在強(qiáng)降雨的沖刷下經(jīng)常出現(xiàn)面蝕、溝蝕，導(dǎo)致坡下較易積累自坡上沖刷下來(lái)的土壤、水分和養(yǎng)分[13]。

2 黑土地肥力下降主要特征

我國(guó)黑土地肥力下降主要表現(xiàn)在土壤有機(jī)質(zhì)下降[3]、結(jié)構(gòu)變差[11]、養(yǎng)分失衡[17?18]、酸化嚴(yán)重[19]和黑土層變薄[16]等。

2.1 黑土地有機(jī)質(zhì)（碳） 下降

黑土地有機(jī)質(zhì)（碳） 下降主要表現(xiàn)為表層較為豐富的腐殖質(zhì)層損失嚴(yán)重。1980—2010 年間土壤有機(jī)質(zhì)下降最為明顯的土壤類型為棕壤、暗棕壤和黑鈣土，分別下降了35.4%、33.8% 和26.0% [9]。黑土開墾成農(nóng)田后，黑土地有機(jī)質(zhì)下降主要分為兩個(gè)階段，第一階段為快速下降階段，該階段是黑土開墾成農(nóng)田的初始階段，有機(jī)質(zhì)下降主要原因是土壤耕作和作物地上部移走，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)快速降解，有機(jī)質(zhì)每年下降速度為0.5%～2.6%；第二階段為緩慢下降階段，該階段是穩(wěn)定性農(nóng)業(yè)利用階段，主要是原有自然植被形成的腐解、半腐解動(dòng)植物殘?bào)w基本損失殆盡，土壤有機(jī)質(zhì)平均每年以0.1% 左右速度下降[10]。黑土開墾成農(nóng)田后，耕作措施在黑土地有機(jī)質(zhì)下降兩個(gè)階段中的作用不可忽視。例如，吉林公主嶺黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)顯示，耕作條件下秸稈還田和不同化肥處理0—10 cm 土壤有機(jī)碳含量較休耕措施下降25.3%～39.0%[20]。此外，溫度升高也是導(dǎo)致黑土有機(jī)質(zhì)下降的一個(gè)原因。溫度升高增強(qiáng)土壤微生物活性，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)礦化，1961—2017 年?yáng)|北區(qū)域每10 年年平均氣溫升高0.31℃，而且在0℃～30℃ 范圍內(nèi)溫度升高對(duì)高肥力黑土礦化速率的影響高于低肥力黑土[21]；Liang 等[22]研究發(fā)現(xiàn)，不同升溫情景下到2100 年哈爾濱厚層黑土土壤有機(jī)碳將損失8.6%，公主嶺薄層黑土將損失7.6%。

2.2 黑土地結(jié)構(gòu)變差

土壤結(jié)構(gòu)是土壤物理性質(zhì)的重要組成部分，良好的土壤結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)土壤肥力。自然黑土土壤肥沃，結(jié)構(gòu)良好，但開墾后土壤結(jié)構(gòu)變差，孔隙度下降，容重增加[11， 23]。黑龍江水土保持科學(xué)研究所克山試驗(yàn)站的測(cè)定結(jié)果顯示，開墾80 年的土壤容重增加1.6 倍，總孔隙度下降15.4 個(gè)百分點(diǎn)，通氣度下降7.8個(gè)百分點(diǎn)，水穩(wěn)定性團(tuán)粒總量下降22.2 個(gè)百分點(diǎn)，土壤硬度增加15.5%～21.6%[24]。郭孟潔等[25]研究也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)16 年耕作處理，耕層容重增加5.22%～7.83%。機(jī)械碾壓能改變土壤結(jié)構(gòu)。隨著機(jī)械碾壓次數(shù)增加，團(tuán)聚體從大粒徑過(guò)渡到小粒徑，碾壓5 次較不碾壓使干篩法團(tuán)聚體lt;0.25 mm 粒徑顆粒增加2.7 個(gè)百分點(diǎn)[26]。免/休耕能改善土壤結(jié)構(gòu)。與平翻和旋耕相比，免耕處理大豆苗期0—5 cm 土層黑土水穩(wěn)定團(tuán)聚體平均重量直徑分別提高34.3% 和51.6%[25]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，顆粒有機(jī)質(zhì)被認(rèn)為是土壤團(tuán)聚體形成的內(nèi)核，顆粒有機(jī)質(zhì)增加能促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體比例的增加。吉林黑土長(zhǎng)期肥料效應(yīng)定位試驗(yàn)結(jié)果顯示，0—10 cm 土層長(zhǎng)期單施化肥處理土壤顆粒有機(jī)碳含量較休耕處理低30.5%[20]，而有機(jī)肥化肥配施處理顆粒有機(jī)碳含量較休耕提高了69.2%～80.7%，有機(jī)肥化肥配施改善了土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤中大團(tuán)聚體、顆粒有機(jī)質(zhì)的比例及其碳、氮含量[20， 27]。

2.3 黑土地氮磷鉀養(yǎng)分失衡

農(nóng)田土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量的變化受土壤有機(jī)質(zhì)含量和施肥措施影響較大。1980—2010 年間不同類型黑土中黑土、黑鈣土氮磷鉀養(yǎng)分表現(xiàn)為下降，全氮含量分別下降1.8% 和4.2%，全磷含量分別下降15.2% 和13.9%，全鉀含量分別下降8.9% 和11.7%[9]。相比于土壤鉀素，黑土地氮磷含量相對(duì)缺乏，需要外源氮磷養(yǎng)分不斷投入才能滿足作物養(yǎng)分需求，對(duì)東北三省農(nóng)戶春玉米氮磷鉀養(yǎng)分投入調(diào)查發(fā)現(xiàn)，農(nóng)民氮肥（N） 投入為178～229 kg/hm2，磷肥（P2O5） 投入為63～107 kg/hm2，鉀肥（K2 O） 投入為46～79 kg/hm2；但總體上黑土地磷素養(yǎng)分施用量偏高，甚至部分區(qū)域土壤有效磷超過(guò)50 mg/kg 的環(huán)境閾值[17， 28?29]，張旸等[18]研究發(fā)現(xiàn)黑土的C∶P （31.1～39.9）、N∶P （2.8～3.7） 低于全國(guó)平均值（分別為61.0和5.2）。此外，緯度和地形也是影響土壤養(yǎng)分含量的重要因素。土壤全氮含量自北向南逐漸下降，隨海拔高度和坡度增大坡底土壤全氮增加[30]。相反，合理施肥可以有效提升土壤有效態(tài)氮磷鉀含量及比例。康日峰等[28]基于國(guó)家級(jí)耕地質(zhì)量長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)26 年長(zhǎng)期施肥后，黑土全氮、堿解氮、有效磷和全鉀含量較試驗(yàn)開始時(shí)分別提高43.9%、27.6%、90.3% 和11.8%。

2.4 黑土地酸化嚴(yán)重

土壤酸化盡管從鹽基離子流失開始，但由于土壤具有較強(qiáng)的緩沖作用，土壤酸化通常以長(zhǎng)期的pH變化來(lái)衡量。1980—2010 年期間，肥料施用增加的鹽基投入量從47.8 kg/（hm2?a） 增加到164 kg/（hm2?a），土壤鹽基離子淋洗損失量從167 kg/（hm2?a） 增加到420 kg/（hm2?a），表現(xiàn)為鹽基離子凈損失[31]。當(dāng)前東北黑土全區(qū)耕地耕層pH 值在5.5～6.5 的耕地占46.9%[ 1 3 ]，長(zhǎng)期施肥降低了表層和剖面土壤的pH值。吉林公主嶺長(zhǎng)期肥力定位試驗(yàn)20 年的結(jié)果顯示：與休耕處理相比，單施化肥或過(guò)量施肥降低了0—40 cm 土層土壤pH，單施化肥處理0—10 cm 耕層土壤pH 降低超過(guò)2 個(gè)單位[20]。氯肥（氯化鉀肥） 也能影響土壤剖面pH 值變化。黑龍江哈爾濱地區(qū)厚層黑土40 年長(zhǎng)期氮磷鉀肥處理0—40 cm 土層pH 較氮磷處理低0.05～0.12 個(gè)單位，有機(jī)肥氮磷鉀配施處理10—40 cm 土層pH 較有機(jī)肥氮磷處理低0.04～0.17 個(gè)單位[27]，吉林公主嶺長(zhǎng)期肥力定位試驗(yàn)20 年后氮磷鉀處理10—80 cm 土層pH 較氮磷處理低0.07～0.22 個(gè)單位[20]。

2.5 黑土層變薄

根據(jù)黑土層厚度大體劃分?。╨t;30 cm）、中（30～60 cm）、厚（gt;60 cm） 三個(gè)等級(jí)。第一、二次土壤普查黑土都以中層厚度居多，第二次土壤普查顯示黑龍江吉林兩省黑土耕地薄、中、厚層占比分別為39.8%、40.8% 和19.4%[15]。黑土層厚薄與地形密切相關(guān)。沿著地形坡度，黑土層由上而下逐漸變厚。坡上土壤水分積累較少，土壤溫度較高，植被茂密程度低，土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化快，所以薄層黑土主要出現(xiàn)在坡上。坡下黑土植被茂密度高，較好的表層植被有利于黑土保護(hù)，減少水土流失，所以厚層黑土主要出現(xiàn)在坡底[15?16]。自然黑土開墾成農(nóng)田后，表層植被被破壞導(dǎo)致黑土層變薄。黑土開墾前土壤厚度達(dá)60～70 cm，有的甚至達(dá)100 cm；開墾后每年以0.3～1 cm的速度流失，以致很多地方黑土厚度只有20～30 cm，有的地方甚至露出了黃土母質(zhì)[5]。在過(guò)去近40 年的時(shí)間里，黑土層厚度減薄現(xiàn)象吉林省最為嚴(yán)重，其次分別為遼寧、內(nèi)蒙古和黑龍江，平均減薄厚度分別為23.65、11.83、10.33 和6.83 cm[16]。此外，黑土層在風(fēng)蝕水蝕等外力的作用下加劇表層黑土層損失，導(dǎo)致黑土有機(jī)質(zhì)下降[32]。

3 黑土地肥力下降原因分析

3.1 黑土地養(yǎng)分施用不平衡

當(dāng)前，東北黑土地化肥投入總體上是重視大量元素，忽略中微量元素施用，秸稈還田和有機(jī)肥投入嚴(yán)重不足。

在化肥用量上，東北黑土地大量元素氮磷鉀施用量不足與過(guò)量并存，但總體上氮素用量較為合理，磷肥施用過(guò)量，鉀肥施用不足[33?35]，主要原因有：1） 東北黑土肥力較高，黑土礦化過(guò)程中釋放出大量養(yǎng)分。開墾初期，黑土在沒(méi)有任何投入情況下持續(xù)較高產(chǎn)出，使得農(nóng)民習(xí)慣上仍認(rèn)為黑土養(yǎng)分充足；隨著黑土地肥力的下降，農(nóng)民在追求農(nóng)田高產(chǎn)出高收益的同時(shí)，逐漸增加肥料的投入，甚至過(guò)量施肥[36]；2） 東北春季低溫常造成不發(fā)苗現(xiàn)象，此時(shí)磷肥充足供應(yīng)尤為重要，進(jìn)而導(dǎo)致磷素施用過(guò)量；3） 黑土以2∶1 型粘土礦物為主，鉀素含量充足[37?38]。在施肥時(shí)間上， “一炮轟”式的肥料施用常造成施肥時(shí)間與作物養(yǎng)分需求時(shí)間不一致，進(jìn)而引起養(yǎng)分損失。在肥料種類上，普遍采用溶解度較高的肥料，施入到農(nóng)田后肥料養(yǎng)分迅速以游離態(tài)形式存在；當(dāng)土壤中活性養(yǎng)分含量超出作物養(yǎng)分需求和土壤固持容量時(shí)，施入土壤的肥料養(yǎng)分易發(fā)生損失或者隨著時(shí)間的延長(zhǎng)在土壤中固持失活。尤其是氮素，它在土壤中轉(zhuǎn)化較為復(fù)雜，既可以氣體的形式釋放到大氣中，也可隨著地表徑流或地下淋洗發(fā)生損失[33]。

有機(jī)物料施用是提高土壤肥力、促進(jìn)農(nóng)田可持續(xù)利用的重要手段[39]。有機(jī)物料主要有秸稈和有機(jī)肥，但東北黑土秸稈常常移出農(nóng)田，且有機(jī)肥投入嚴(yán)重不足[2]。秸稈是農(nóng)田生產(chǎn)的副產(chǎn)品，秸稈還田能促進(jìn)秸稈從土壤吸收的礦質(zhì)養(yǎng)分歸還土壤，降低黑土肥力耗竭速度[40]，且高量秸稈還田較低量秸稈更有利于穩(wěn)定有機(jī)氮庫(kù)的形成[41]。秸稈還田方式有翻壓和覆蓋兩種方式。東北地處高緯度，適合作物生長(zhǎng)的積溫時(shí)期較短，通常情況下作物收獲時(shí)氣溫較低，此時(shí)秸稈隨耕作翻壓還田，常常導(dǎo)致土壤中的秸稈不能腐解；同時(shí)，收獲后耕作易導(dǎo)致土壤疏松，增加土壤水分散失和表層土壤第二年春季“揚(yáng)沙”的風(fēng)險(xiǎn)，且土壤中未腐解秸稈與水分損失的綜合因素也影響第二年作物的播種質(zhì)量和出苗率。秸稈覆蓋能減少水分損失，增加土壤含水量；但是，水分比熱容較大，黑土區(qū)春季低溫和秸稈覆蓋引起的較高土壤水分含量易導(dǎo)致土壤溫度較低，不利于出苗。以上這些綜合因素是東北的秸稈移出農(nóng)田的主要原因[42]。有機(jī)肥施用量不足的原因，既有集約化養(yǎng)殖業(yè)日益發(fā)展，農(nóng)戶散養(yǎng)式畜牧業(yè)逐年降低，一些分散型小農(nóng)戶種植業(yè)失去了有機(jī)肥源，也有有機(jī)肥有效養(yǎng)分濃度低、運(yùn)輸不方便，經(jīng)常還有腐熟不徹底帶來(lái)的惡臭氣味、病菌，施用需額外勞力和費(fèi)用支出等缺點(diǎn)，加之農(nóng)民外出務(wù)工的收益較高等社會(huì)因素，共同導(dǎo)致黑土有機(jī)肥施用越來(lái)越少。

3.2 不合理養(yǎng)分管理加快黑土地有機(jī)質(zhì)下降

黑土開墾成農(nóng)田后，大量的外源化肥氮素投入加快了土壤有機(jī)碳的礦化，加之大量作物秸稈移出農(nóng)田，作物歸還土壤的碳源數(shù)量低于土壤有機(jī)碳分解礦化量，黑土地有機(jī)質(zhì)含量開始下降[3]。

外源肥料中碳源的數(shù)量和質(zhì)量、礦質(zhì)離子以及其誘導(dǎo)的微生物活性變化能夠影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[27， 43?44]?；瘜W(xué)肥料本身不含有機(jī)碳，主要通過(guò)提高作物殘茬還田量來(lái)增加土壤碳的投入量，而有機(jī)物料施入土壤后，本身攜帶的大量有機(jī)碳能促進(jìn)土壤顆粒膠結(jié)在一起形成團(tuán)聚體，其中的活性碳源可促進(jìn)微生物的繁衍，進(jìn)而促使土壤顆粒通過(guò)微生物分泌物或菌絲體膠結(jié)在一起，促進(jìn)團(tuán)聚體團(tuán)聚化過(guò)程[43]。當(dāng)土壤中的碳源不能滿足微生物需求時(shí)，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破裂分解[27， 44]。磷素通過(guò)作物根系或真菌菌絲體間接影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成或破碎。肥料中其他礦質(zhì)養(yǎng)分也影響團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，如磷肥中的Ca2+、Mg2+及有機(jī)肥中的Na+等。Ca2+通過(guò)與粘土顆粒、陽(yáng)離子的橋接作用改善土壤結(jié)構(gòu)，Mg2+和Na+對(duì)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)則有分散作用[43]。長(zhǎng)期有機(jī)物料投入不足和養(yǎng)分投入不平衡，導(dǎo)致黑土地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破碎及其粉粘顆粒中的碳酸鹽裸露、溶解，加劇黑土地結(jié)構(gòu)變差。此外，黑土地作物殘茬移出地表引起的表層土裸露與漫川漫崗為主的地形特點(diǎn)交織在一起，在外力侵蝕作用下加劇黑土層變薄變瘦。

3.3 長(zhǎng)期重氮輕有機(jī)物料加速黑土地酸化

黑土地酸化的首要原因是持續(xù)的肥料投入追求高產(chǎn)而導(dǎo)致作物吸收的大量礦質(zhì)養(yǎng)分不能歸還土壤。當(dāng)前，農(nóng)田普遍重視大量養(yǎng)分元素施用，忽視中微量養(yǎng)分元素施用；在大量養(yǎng)分元素中，氮素是限制作物產(chǎn)量的首要養(yǎng)分元素。相應(yīng)的，氮肥施用不僅保障作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)也促使作物地上部吸收了大量土壤礦質(zhì)養(yǎng)分，但黑土地特有的氣候條件不利于秸稈腐解，使得移出農(nóng)田秸稈中的礦質(zhì)養(yǎng)分不能歸還土壤，進(jìn)而導(dǎo)致黑土地礦質(zhì)養(yǎng)分離子處于持續(xù)虧缺狀態(tài)，間接導(dǎo)致土壤酸化[19， 31]；相反，長(zhǎng)期秸稈還田可使秸稈中礦質(zhì)養(yǎng)分歸還土壤，土壤pH 值沒(méi)有下降[20] ，可見，氮肥施用產(chǎn)生的大量秸稈移出農(nóng)田使黑土地礦質(zhì)養(yǎng)分長(zhǎng)期虧損而間接導(dǎo)致黑土地酸化。其次，尿素氮水解成銨態(tài)氮過(guò)程釋放出1 倍當(dāng)量的OH?，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的過(guò)程產(chǎn)生兩倍當(dāng)量的H+[31]；相應(yīng)的，農(nóng)田施用尿素后，酰胺態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮過(guò)程產(chǎn)生1 倍當(dāng)量的H+；根據(jù)電荷平衡原理，當(dāng)硝態(tài)氮發(fā)生淋洗時(shí)會(huì)發(fā)生等當(dāng)量的鹽基離子淋洗，以上兩個(gè)過(guò)程都可以導(dǎo)致土壤酸化[31]。在黑土地上，尿素施用量總體上合理，但 “一炮轟式”尿素基施使氮素施用量在作物生育前期表現(xiàn)為“短暫”過(guò)量，導(dǎo)致大量尿素氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮而產(chǎn)生H+，增加硝態(tài)氮淋洗風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤酸化。第三，盡管旱作作物氮素利用以硝態(tài)氮為主，但黑土是2∶1 性型土礦物[37]，土壤晶格中固定的銨離子是重要的活性氮庫(kù)，施用的尿素水解成銨態(tài)氮后能被黑土晶格所固定，而銨態(tài)氮被作物根系吸收后會(huì)釋放出等量的H+平衡根際微域土壤電荷，造成根際微域土壤酸化[45]。綜合來(lái)看，氮肥的不合理施用是造成黑土地酸化的主要原因。另外，與NO3?類似，長(zhǎng)期氯化鉀肥施用也可能導(dǎo)致土壤酸化，因?yàn)榻^大多數(shù)氯化物是可溶性的，Cl?淋洗也會(huì)攜帶等當(dāng)量的鹽基離子[20， 31]。

4 基于養(yǎng)分資源高效利用的黑土地保護(hù)利用對(duì)策

針對(duì)黑土地肥力下降，不同學(xué)者開展了黑土地保護(hù)性耕作、養(yǎng)分綜合管理、培肥措施等研究[17， 25， 46]，但黑土地肥力下降是黑土地立地條件與種植制度、管理方式等多方面因素共同作用的結(jié)果。當(dāng)前，我國(guó)東北地區(qū)秸稈資源年均產(chǎn)量1.4×108 t/a，畜禽有機(jī)肥（鮮基） 年均產(chǎn)量5.5×108 t/a [47]，但我國(guó)黑土地肥料養(yǎng)分利用率低，有機(jī)資源及其養(yǎng)分未引起足夠重視；為逆轉(zhuǎn)黑土地肥力下降趨勢(shì)，需結(jié)合黑土地立地條件及其主要問(wèn)題，科學(xué)管理黑土地養(yǎng)分資源，增加黑土有機(jī)物料投入，促進(jìn)秸稈還田，改善黑土地物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)。為此，本文基于養(yǎng)分資源高效利用理論和方法，提出以養(yǎng)分高效利用為核心的養(yǎng)分精準(zhǔn)管理、以秸稈還田為主的保護(hù)性耕作及以有機(jī)物料循環(huán)利用為基礎(chǔ)的農(nóng)牧一體化等黑土地養(yǎng)分管理措施，只有這些措施結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)綜合配套使用才能更好的保護(hù)黑土地。

4.1 以養(yǎng)分高效利用為核心的養(yǎng)分精準(zhǔn)管理

肥料養(yǎng)分精準(zhǔn)管理包括合理的肥料種類和數(shù)量，也包括正確的施肥方法和時(shí)間。精準(zhǔn)施肥主要根據(jù)作物生長(zhǎng)的土壤狀況和需肥規(guī)律適時(shí)適量地進(jìn)行施肥。在肥料用量方面，吉林省薄、中、厚3 種黑土3 年田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黑土地合理的氮素用量在140～210 kg/hm2[46]，鄭春雨等[48]在協(xié)同生態(tài)和社會(huì)效應(yīng)黑土地氮素推薦方面也有類似結(jié)論。在哈爾濱黑土地4 年定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤氮素僅能維持一年春玉米產(chǎn)量，而磷、鉀肥連續(xù)4 年不施用下產(chǎn)量沒(méi)有顯著下降[38]。根據(jù)養(yǎng)分平衡原理和黑土利用保護(hù)的原則，黑龍江春玉米磷肥推薦量為P2O5 55～82.5 kg/hm2[49]，鉀肥用量應(yīng)維持在K2O 150 kg/hm2[37]。有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施下有機(jī)物料中的養(yǎng)分也不可忽視。15N 同位素示蹤研究黑土中秸稈氮有效性的盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，26% 的秸稈氮能為玉米吸收利用[50]；黑土連續(xù)4 年秸稈還田下氮素梯度田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，春玉米最大產(chǎn)量的施氮量逐年下降，下降幅度達(dá)16%[51]；秸稈中含有豐富的鉀素資源，多年黑土田間定位試驗(yàn)顯示，秸稈還田下K2O 施用量可節(jié)省約100 kg/hm2[37]。有機(jī)肥中含有的有效態(tài)養(yǎng)分含量遠(yuǎn)高于秸稈，有機(jī)肥替代20%的化肥氮不會(huì)導(dǎo)致黑土地春玉米產(chǎn)量下降[52]。其次，高效施肥方法及技術(shù)的充分應(yīng)用能夠提高養(yǎng)分利用效率。當(dāng)前黑土區(qū)結(jié)合現(xiàn)代化裝備大力推廣發(fā)展種肥同播，肥料深施、穴施、根區(qū)施肥及水肥一體化、緩控釋肥配施等，使肥料養(yǎng)分的擴(kuò)散范圍與根系伸展動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到有效匹配，促進(jìn)養(yǎng)分的供應(yīng)濃度（強(qiáng)度） 與作物需求盡可能的實(shí)現(xiàn)數(shù)量上一致、時(shí)間上同步、空間上匹配[53]，最大限度的提高肥料利用率，減少肥料養(yǎng)分的無(wú)效化，降低肥料養(yǎng)分對(duì)黑土地的負(fù)影響[54]。研究發(fā)現(xiàn)，東北黑土春玉米根區(qū)施氮配施緩控釋處理較農(nóng)民習(xí)慣施肥處理產(chǎn)量提高9.2%、凈效益提高21.8%[55]。第三，養(yǎng)分管理與其他栽培措施相結(jié)合，也取得了肥料投入不增加前提下作物產(chǎn)量進(jìn)一步提升的效果。有研究表明，黑土地上采用“一增二改三防”的耕作栽培技術(shù)可提高春玉米產(chǎn)量，其中“一增”為科學(xué)增密；“二改”為改春整地起壟為秋整地春平播夏深松起壟，改一次性施肥為分次施肥配施有機(jī)肥；“三防”為通過(guò)栽培、耕作與化控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)玉米抗倒防衰防病蟲草害[10]，再加上優(yōu)質(zhì)高效抗逆的品種，黑土地生產(chǎn)力和養(yǎng)分利用效率能夠大幅提高。此外，農(nóng)田規(guī)?；糜欣谙冗M(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝措施的推廣應(yīng)用，進(jìn)一步減少肥料養(yǎng)分不合理施用、提高養(yǎng)分利用效率。Wu 等[56]綜合各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料成本，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)農(nóng)田規(guī)模超過(guò)1.1 hm2 時(shí)，農(nóng)民開始追求農(nóng)田利潤(rùn)，減少化肥農(nóng)藥投入，并促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)各種農(nóng)機(jī)農(nóng)藝措施綜合配套使用實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分精準(zhǔn)管理，能夠增加或穩(wěn)定作物產(chǎn)量，提高肥料養(yǎng)分利用效率和作物殘茬的歸還量，促進(jìn)黑土地有機(jī)質(zhì)含量和地力等級(jí)的提升，進(jìn)而降低肥料養(yǎng)分的負(fù)面影響，抑制不合理養(yǎng)分施用帶來(lái)的黑土地酸化。

4.2 以秸稈還田為主的保護(hù)性耕作

東北黑土區(qū)氣候特征和地形特征易導(dǎo)致秸稈還田腐解難，黑土風(fēng)蝕、水蝕嚴(yán)重等問(wèn)題，但以秸稈還田為主的保護(hù)性耕作能優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)并促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的形成與穩(wěn)定，提升黑土地力，實(shí)現(xiàn)黑土資源保護(hù)性利用。

保護(hù)性耕作的核心是防治風(fēng)蝕水蝕引起的水土流失，增加土壤蓄水保墑能力，減少不合理管理措施引起土壤肥力下降，穩(wěn)定農(nóng)田收益。研究表明，保護(hù)性耕作使水蝕導(dǎo)致的土壤流失減少98% 以上[57]，風(fēng)蝕導(dǎo)致的土壤躍移量、沉降量和蠕移量分別降低13.1%、40.0% 和 39.4%[58]。目前保護(hù)性耕作主要以秸稈覆蓋為主，同時(shí)配合少耕、免耕、寬窄行、條耕等保護(hù)性耕作技術(shù)[59?60]，其中秸稈覆蓋主要有全量秸稈覆蓋、部分秸稈覆蓋、高留茬秸稈覆蓋等。以上這些技術(shù)的配合使用主要立足當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，解決土壤侵蝕、失墑嚴(yán)重，播種質(zhì)量難控，春季低溫，產(chǎn)量不穩(wěn)等問(wèn)題。近年來(lái)，鑒于我國(guó)黑土地持續(xù)高產(chǎn)出的要求和東北地區(qū)休耕期氣溫低的現(xiàn)實(shí)條件，秸稈深埋也成為一種重要的還田方式[42]。但是，秸稈深埋不能解決表層土壤礦質(zhì)養(yǎng)分損失的問(wèn)題，因?yàn)榻斩捄突逝涫╅L(zhǎng)期翻壓還田后，秸稈腐解釋放的礦質(zhì)養(yǎng)分易發(fā)生淋洗，并與深層土壤碳酸根再結(jié)合形成沉淀，增加深層土壤無(wú)機(jī)碳含量[20]。相反，秸稈覆蓋能保持土壤水分、抑制土壤風(fēng)蝕，而且秸稈腐解后釋放的礦質(zhì)養(yǎng)分能夠短暫停留在表層土壤，延緩雨熱同季表層土壤游離態(tài)礦質(zhì)養(yǎng)分的淋洗及損失，保障地上部作物礦質(zhì)養(yǎng)分吸收利用[61]。而且，秸稈覆蓋少/免耕全程機(jī)械化技術(shù)模式的“梨樹模式”有效解決了秸稈覆蓋造成出苗不全，土壤低溫發(fā)苗慢等不利因素，促進(jìn)秸稈覆蓋大面積推廣應(yīng)用[60]。此外，也有研究學(xué)者通過(guò)其他途徑促進(jìn)秸稈以不同方式或產(chǎn)品還田以提高黑土有機(jī)質(zhì)含量和作物產(chǎn)量，如增施微生物肥料促進(jìn)秸稈降解[52]，將秸稈轉(zhuǎn)化成生物炭[62?63]，制成秸稈顆粒肥[64]，秸稈離田漚制有機(jī)肥還田，秸稈過(guò)腹生成有機(jī)肥還田等[65?66]。

對(duì)于更大面積的黑土地，尤其是坡耕地黑土地，風(fēng)蝕水蝕防治需輔助防護(hù)林建設(shè)[13]，使防護(hù)林的規(guī)模、高度與黑土地保護(hù)利用的面積或規(guī)模相匹配，進(jìn)而防控黑土地的侵蝕與退化。總的來(lái)說(shuō)，以秸稈還田為主的保護(hù)性耕作能夠有效延緩黑土層變薄，改善黑土地土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)秸稈礦質(zhì)養(yǎng)分歸還農(nóng)田，增加黑土地有機(jī)質(zhì)含量，提升黑土地肥力。

4.3 以有機(jī)物料循環(huán)利用為基礎(chǔ)的農(nóng)牧一體化農(nóng)業(yè)

有機(jī)肥含有豐富的礦質(zhì)養(yǎng)分，有機(jī)肥還田不僅能提高有機(jī)肥中養(yǎng)分資源化利用、培肥土壤，而且能降低畜牧業(yè)廢棄物的環(huán)境污染。隨著我國(guó)集約化畜牧業(yè)迅速發(fā)展，農(nóng)牧分離問(wèn)題日益凸顯，加劇了有機(jī)肥養(yǎng)分的環(huán)境排放[67]。當(dāng)前，畜禽糞尿還田率僅30%～50%，剩余部分損失到環(huán)境中造成嚴(yán)重的水體富營(yíng)養(yǎng)化和大氣污染[68?69]。在整個(gè)食物鏈系統(tǒng)氮素氣體損失和水體損失中，畜禽養(yǎng)殖體系都為第二大排放源，但在水體磷損失為最大排放源；對(duì)應(yīng)的，土壤?作物系統(tǒng)為氮素氣體損失和水體損失第一大排放源，為總磷水體損失第二大排放源[67]。因此，畜禽養(yǎng)殖業(yè)與土壤?作物系統(tǒng)相結(jié)合的農(nóng)牧一體化能促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)利用，降低畜禽糞尿和土壤?作物系統(tǒng)養(yǎng)分環(huán)境排放，是畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。農(nóng)牧一體化強(qiáng)調(diào)提高畜禽糞尿養(yǎng)分在農(nóng)田循環(huán)的比例和數(shù)量，注重“土壤?作物?畜牧業(yè)”系統(tǒng)養(yǎng)分管理及其環(huán)境排放，關(guān)注減少各環(huán)節(jié)的養(yǎng)分損失和提高系統(tǒng)的養(yǎng)分利用效率[67， 70]，是可持續(xù)集約化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路。其次，我國(guó)東北黑土地的物候條件造成秸稈直接還田后難以腐解，但秸稈過(guò)腹還田不僅解決畜牧業(yè)飼料問(wèn)題，而且產(chǎn)生的有機(jī)肥還田能促進(jìn)秸稈腐解[66]。促進(jìn)秸稈飼料化、糧飼兼用作物發(fā)展不僅能為草食性牲畜提供充足的飼料，緩解“人畜爭(zhēng)糧”矛盾，增強(qiáng)“節(jié)糧型”畜牧業(yè)和農(nóng)牧一體化的發(fā)展?jié)摿Γ姨岣吆谕恋仞B(yǎng)分在“土壤?作物?畜牧”系統(tǒng)中的流動(dòng)和循環(huán)利用[66， 71]。值得注意的是，集約化畜牧業(yè)糞污中含有大量重金屬、抗生素等有害物質(zhì)，為降低這些有害物質(zhì)對(duì)黑土地的危害，需根據(jù)2018 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部印發(fā)的《畜禽糞污土地承載力測(cè)算技術(shù)指南》及農(nóng)作物目標(biāo)產(chǎn)量和單位面積糞肥養(yǎng)分需求計(jì)算單位面積上畜牧業(yè)的承載量，促進(jìn)土壤作物系統(tǒng)和畜禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

綜合來(lái)看，我國(guó)集約化農(nóng)業(yè)既要保障糧食安全又要關(guān)注耕地肥力提升。在黑土地上，不僅要重視黑土地化肥的合理施用，更要關(guān)注黑土地秸稈、有機(jī)肥中養(yǎng)分的資源化、肥料化利用，充分發(fā)揮化肥速效養(yǎng)分濃度高、秸稈高碳氮比增強(qiáng)氮素固定以及有機(jī)肥較高的活性碳源和養(yǎng)分釋放緩慢等各自特點(diǎn)，促進(jìn)黑土地秸稈、有機(jī)肥和化肥的合理配施[20]，優(yōu)化黑土地農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分管理，減少黑土地農(nóng)牧系統(tǒng)養(yǎng)分環(huán)境排放，定量分析農(nóng)牧一體化系統(tǒng)中“土壤—作物—飼料—糞尿排泄—圈舍—儲(chǔ)藏—加工—施用”全鏈條養(yǎng)分流動(dòng)和環(huán)境損失，同時(shí)，強(qiáng)化養(yǎng)分資源“自上而下”的社會(huì)化服務(wù)功能，依法開展黑土地保護(hù)、培訓(xùn)農(nóng)民黑土地使用與保護(hù)的技能，提升農(nóng)民“自下而上”用地管地養(yǎng)地的自覺(jué)性[69， 72?73]，進(jìn)而從碳足跡角度綜合考慮畜禽產(chǎn)品數(shù)量、城鎮(zhèn)人口規(guī)模和循環(huán)農(nóng)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，提高集約化農(nóng)牧一體化系統(tǒng)作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率，降低碳排放，促進(jìn)黑土地綠色可持續(xù)發(fā)展[40， 74?75]。

5 結(jié)語(yǔ)

用好養(yǎng)好黑土地，增加黑土地有機(jī)質(zhì)，恢復(fù)黑土地碳匯功能，不僅關(guān)系著國(guó)家的糧食安全和黑土的可持續(xù)利用，而且關(guān)系著東北地區(qū)黑土的生態(tài)安全和國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。而保護(hù)好、利用好黑土地需要從小農(nóng)戶田塊尺度、大面積農(nóng)田尺度以及區(qū)域土壤立地條件尺度深入探討。在小農(nóng)戶田塊尺度，需要開展有機(jī)肥、秸稈還田和化肥合理配比下的養(yǎng)分資源高效利用研究，不僅保障作物高產(chǎn)而且促進(jìn)黑土地有機(jī)質(zhì)提升，并通過(guò)有機(jī)肥、化肥、微生物菌肥等多元肥料中活性養(yǎng)分/物質(zhì)促進(jìn)秸稈降解，降低秸稈還田對(duì)作物生長(zhǎng)、土壤保墑等不利影響，破解秸稈還田難、養(yǎng)分高效利用難的田間生產(chǎn)、作業(yè)等問(wèn)題。在規(guī)模化種植尺度，借助農(nóng)業(yè)機(jī)械手段，充分利用推薦施肥、高密度栽培、化學(xué)控制等農(nóng)藝技術(shù)，實(shí)施以秸稈還田為核心的保護(hù)性耕作技術(shù)體系，最大限度地實(shí)現(xiàn)秸稈資源中有機(jī)碳和礦質(zhì)養(yǎng)分的循環(huán)利用，提高秸稈、有機(jī)肥和化肥配施下的養(yǎng)分效率，促進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合發(fā)展；通過(guò)有機(jī)無(wú)機(jī)養(yǎng)分資源管理和利用，緩解黑土地形地貌帶來(lái)的風(fēng)蝕水蝕，培育深厚耕層，提高農(nóng)作物防災(zāi)抗災(zāi)能力。在區(qū)域尺度，系統(tǒng)研究科學(xué)合理的“土壤?作物?畜牧”布局與規(guī)模，按照區(qū)域土壤畜牧業(yè)的承載量，合理分配糧食、畜牧飼料和還田秸稈數(shù)量的比例，促進(jìn)養(yǎng)分資源在“土壤?作物?畜牧”系統(tǒng)中的合理搭配、有效流動(dòng)和循環(huán)利用，推動(dòng)農(nóng)牧一體化發(fā)展，提高農(nóng)牧一體化中養(yǎng)分利用率。

總之，在充分認(rèn)識(shí)養(yǎng)分資源對(duì)作物高產(chǎn)、土壤培肥作用的基礎(chǔ)上，破除黑土地保護(hù)利用中障礙因素，綜合配套使用各種黑土地保護(hù)利用措施，才能有效延緩黑土地肥力下降，推動(dòng)黑土地肥力和產(chǎn)量協(xié)同提升。

致謝：感謝中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所李春花老師、中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所童成立老師在本文修改潤(rùn)色過(guò)程提出的寶貴意見。