基于自然的解决方案之八：黑土地保护性利用
东北黑土地主要分布在辽河平原、松嫩平原和三江平原，是世界三大黑土带之一。自然黑土是在第三纪、第四纪更新世或全新世的砂砾和黏土层上发育的土壤，区域内独特的气候、水文条件和植被类型为土壤中有机质的积累奠定了基础，形成了深厚肥沃的黑土层。黑土地发育和形成过程非常缓慢，平均每形成1厘米黑土层大约需要200年~600年，因此被视为一种极为珍贵的稀缺资源。东北黑土地因含碳量高、土壤质地疏松、适耕性好，是世界上最肥沃的土壤之一，也是我国重要的商品粮生产基地，耕地面积3.6×107公顷，占全国1/4，是国家粮食安全的“压舱石”。
然而传统的翻耕技术，破坏了地表秸秆保护层，改变了土壤中动物和微生物，使土壤的生态和生产功能退化。面对粮食安全、气候变化、温室气体排放和生态系统健康问题越来越严峻的现状，科学家们开始探索学习和模仿自然的方式解决多重挑战，如欧盟、美国、澳大利亚等国家应用关注整体规划设计的永续农业，关注气候变化适应的气候智慧型农业，能够从空气中抓取碳的碳农作，能治愈现代农业病的再生农业等农业的自然解决方案，效果显著，尤其是中国农业大学和中国科学院等团队研发、应用、推广的“梨树模式”备受好评。
一、问题
多年高强度开发利用和用养失衡，风蚀和水蚀严重，春耕季节扬尘铺天盖地，农田的珍贵表土大量流失，发生严重沟道侵蚀的区域，土地被侵蚀沟切割破碎，黑土层变薄，平均厚度已由原来的50~60厘米下降到现在的20~30厘米左右，黑土地土壤有机质含量显著下降，土壤结构和功能退化，严重威胁着黑土健康与国家粮食安全。
图1 黑土地水蚀 （中国科学院东北地理所张兴义供图）和风蚀 （中国农业大学李保国供图）
二、目标
构建“耕地中的大熊猫”黑土土壤健康，实现资源环境可持续。
三、措施
中国农业大学和中国科学院等团队经过十余年的科研攻关，研发并创建了适合我国国情的玉米秸秆覆盖栽培技术即“梨树模式”。该模式是以玉米秸秆覆盖为核心，建立秸秆覆盖、免耕播种、施肥、除草、防病及收获全程机械化技术体系，解决了东北黑土区玉米秸秆移除导致土壤退化的关键问题，用秸秆覆盖还田的自然解决方案有效保护了黑土层。
图2“梨树模式”流程
（一）秸秆覆盖免耕种植模式
在秋季机械收获后，将秸秆直接覆盖在地表，在秋季或春季用归行机进行秸秆归行处理，春季适时用免耕机直接在苗带播种。此模式适用于土壤疏松的地块，特别是风砂区和坡岗地更适宜。此种植模式优点是可减少农机作业次数，保护土壤，抗风蚀和水蚀，保水抗旱效果好。
（二）秸秆覆盖条带旋耕种植模式
为避免土壤板结对播种的影响，通过条带旋耕疏松土壤。在秸秆覆盖的前提下，直接对苗带进行旋耕，或在秸秆归行后对苗带进行旋耕，条旋作业宽度通常在60~70厘米，深度15~20厘米，不宜过浅或过深。条带旋耕后必须镇压，待来年春天适时免耕播种。在不影响播种质量的情况下，秸秆量少的地块可以直接条带旋耕，减少作业环节和成本。秸秆量大的地块要先归行再条带旋耕；若春季条带旋耕作业，最好先进行归行处理，保证旋耕带没有或存少量秸秆，然后镇压等待播种，如果春季干旱，最好是边归行边条带旋耕边播种。采用条带旋耕能提高播种带的地温和促进水分的散失，有利于幼苗的生长。此种植模式的优点是可解决土壤板结的问题，同时提高地温和加速低洼地水分的散失，缺点是对土壤进行部分动土，增加了作业成本。
（三）秸秆覆盖垄作种植模式
在起垄种植的地块，秋季机械收获后，将秸秆集中覆盖在垄沟，春季种地前进行垄上灭茬，然后适时用免耕机播种，6月末进行中耕培垄，行距60厘米左右。这种种植模式实现了垄上增温、垄下保墒，农民容易接受，适用于一家一户分散种植的地块。
（四）高留茬垄侧栽培种植模式
在秋季收获后，地上留有一定高度的秸秆（30厘米以上），春耕时田间不进行翻地和机械灭茬，播种在原垄垄侧种植，该种植模式减少失墒。这种植模式适合地势低洼及山坡地，与传统栽培模式相比，具有操作方法简单、省工省时、增产潜力大的特点。
四、成效
（一）蓄水保墒
秸秆覆盖免耕保持了土壤孔隙度，孔径分布均匀，连续而且稳定，因此，有较高的入渗能力和保水能力，可把雨水和灌溉水更多的保持在有效土层内。而覆盖在地表的秸秆又可减少土壤水分蒸发，在干旱时，土壤的深层水容易因毛细管作用而向上输送，所以秸秆覆盖和免耕增强了土壤的蓄水功能和提高了作物对土壤水分的利用率。据测定，秸秆覆盖免耕地块保水能力相当于增加40~50 毫米降水。
（二）培肥土壤
连续多年秸秆覆盖还田，土壤有机质呈递增趋势，土壤中氮、磷、钾等养分增加，表层0~5 厘米形成有机质积累。据测定，秸秆全覆盖免耕5年后，土壤有机质可增加20%左右，减少化肥使用量20%左右。
（三）减少侵蚀
风蚀和水蚀不仅恶化环境，而且带走大量肥沃的表土，同时，夏季短时强降雨，丘陵和缓坡地易形成径流，冲刷表层土壤，加剧侵蚀沟的形成，导致耕地被侵蚀沟切割破碎，生态系统遭到严重破坏，是黑土地退化的主要原因。秸秆覆盖在地表，等于给土地盖上一层被子，刮风时，减少了风对土壤的侵蚀。同时，可防止水蚀、减少径流，有效减少田间侵蚀沟发育和演变，有助于黑土地侵蚀沟的治理。与传统耕作模式相比，实施保护性耕作平均可减少径流量60%、减少土壤流失80%左右，具有明显的防止水土流失的作用。
（四）稳产高产
秸秆腐烂后土壤有机质含量提高，有益生物增多，土壤结构得到了改善，肥料利用率提高。在这些有利因素的综合作用下，可以保持持续稳产高产。特别是在干旱年份基本不受旱灾影响，具表现出明显的增产作用。梨树镇高家村十余年的定位试验结果表明，一般平均产量比对照高出5%~10%。
（五）保护生物多样性
蚯蚓是“生态系统工程师”，在生态系统中它既是消费者、分解者，又是调节者。蚯蚓的活动能改善土壤结构，增强土壤的保水透；分解土壤有机物，提高土壤养分转化效率；提高土壤速效养分，对植物生长具有促进作用；蚯蚓和蚓粪为微生物、微型土壤动物提供了生长和繁殖极良好的基质。秸秆覆盖还田显著影响蚯蚓数量和重量，数量为114条/平方米，重量为18.03 克/平方米，而常规垄作和免耕无覆盖处理每平方米蚯蚓的数量分别为15条和19条，两处理重量方面的差异未达显著水平。在秸秆覆盖田块，每平方米蚯蚓的数量是常规垄作的6倍。蚯蚓数量的增加使土壤的生物性状得到了改善。另外，秸秆覆盖还为猎鸟和小动物等野生动植物提供掩蔽和食物，增加生物多样性。
（六）节约成本，减少排放
“梨树模式”与两次甚至多次的土壤耕作相比，免耕播种机仅仅一次作业工序完成播种，意味着拖拉机及劳动力作业时间的减少或者相同时间内完成更多的播种面积，作业环节少，生产成本大大节约，劳动强度也明显降低。除了每公顷可节约成本1000元~1400元外，还减少农机动力15%~20%，降低能耗25%~30%，有效降低了碳排放。
（七）绿色生产，提高品质
“梨树模式”与传统农作比，在降低机械、化肥等投入的同时，还减低了作物的受旱等胁迫程度，初步研究表明降低了玉米籽粒中由于抗胁迫而产生的相关影响品质的成分。梨树县在2017年以“梨树模式”为核心技术，申请创建百万亩绿色食品原料（玉米）标准化生产基地，2019年被农业农村部授予“百万亩全国绿色食品原料（玉米）标准化生产基地”。同时，该基地生产的玉米比普通玉米市场价高出10~20 元/吨。
五、讨论
1.“梨树模式”实现了粮食安全与气候变化缓解的协同增效。据估计，采取梨树模式，在梨树县耕层有机质可提高2克/千克。东北地区耕层有机质可提高约1克/千克，土壤碳密度可增加2.4吨/公顷，东北耕地碳储量增加0.4亿吨，有效助力碳中和。
2.主流化效果显著。“梨树模式”在吉林省梨树、榆树、农安、德惠、双辽、公主岭、长岭、大安等8个县市开展整县推广，实施面积达1852亩。已在东北四省区建立保护性耕作研发基地100个，累计推广保护性耕作面积5000万亩以上。自2015年起，连续举办了6届“梨树黑土地论坛”，每年一届，共计500多位国内外专家到会并做专题报告，不仅为专家学者提供了技术交流互动的平台，同时促进了梨树模式的完善和推广。特别是2020年国家颁布了《东北黑土地保护性耕作行动计划（2020—2025年）》，目标是到2025年，“保护性耕作“实施面积达到1.4亿亩，占东北地区适宜区域耕地总面积的70%左右，形成较为完善的保护性耕作政策支持体系、技术装备体系和推广应用体系。保护性耕作成为东北地区适宜区域农业主流耕作技术，耕地质量和农业综合生产能力稳定提升，生态、经济和社会效益明显增强。
3.利益相关方充分参与。“梨树模式”建立了一个协作平台，这个平台包括地方政府、科研院校、农机企业、基层技术推广组织和农民合作社，各方不是按照行政隶属而是按技术功能各司其职。同时，各乡镇组织召开现场会、培训会，让农民亲眼所见、亲耳所听、亲身感受，真正的了解“梨树模式”，接受“梨树模式”。
4.应进一步加强监测及科学研究。目前黑土地保护已产生显著成效，应进一步加强监测，积累相关科学数据，定量描述黑土地质量改善情况，尤其应加强其对固碳测量，深入研究理解相关机理，更好发挥“梨树模式”多重效应。
图3 项目应对的社会挑战
作者：中国农业大学 李保国 王 祥 王 影
自然资源部国土整治中心 罗 明
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编辑：刘静文
审核：毛志红