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韩晓增:黑土地的营养搭配师

来源:中国科学报 作者:沈春蕾 人气: 发布时间:2021-04-21 09:27:34

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韩晓增(右三)在东北三江平原宝泉岭农场暗棕壤肥沃耕层构建现场。

编者按

黑土被誉为“耕地中的大熊猫”。中国东北黑土区是全球四大黑土区之一。长期以来,中国科学院在黑土地的数据监测、科学研究和示范推广方面开展了大量工作,在黑土肥力演变、黑土有机质提升、保护性耕作等方面取得了一系列重要成果,涌现出一批以科技支撑起黑土地保护与利用的科研人员。为此,中国科学报推出系列报道,讲述中科院人在“黑土粮仓”科技会战背后的故事。

13份文档、1个视频、4本文献……这些是记者日前采访韩晓增团队时收获的一小部分黑土研究资料。

韩晓增是中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员,与黑土地打了一辈子的交道,用他的话说:“讲黑土,几个小时哪里够?几天都不够!”

从黑土地的分布与类型,到黑土地土壤有机质的变化,再到黑土地的保护与利用,韩晓增对黑土地就像自己的孩子一样了解与关注,他也因此被誉为“黑土地的营养搭配师”。

黑土地在变“瘦”

1982年,刚出大学校门的韩晓增开始关注黑土地。他回忆道:“我每年有半年时间驻扎在科研点。科研点有两个观测场,一个是自然土壤观测场,一个是耕作土壤观测场。”

谈及为什么黑土地大多分布在东北,韩晓增告诉《中国科学报》:“东北地区由于气候冷凉,土地开垦时间较短,土壤表层普遍存在黑色或暗黑色的腐殖物质,民间俗称‘黑土地’。”

《东北黑土地保护规划纲要(2017—2030年)》规定,黑土地的土壤类型包括黑土、黑钙土、草甸土、白浆土、暗棕壤和棕壤。东北典型黑土耕地面积约2.78亿亩。

通过多年的定位观测,韩晓增发现,原始黑土层有机质含量高,但黑土开垦后经历了轮耕休耕期、人畜低强度利用和机械化高强度利用期,用养失调和土壤侵蚀导致黑土地表层土壤自然肥力逐年下降,黑土发生了退化。

几十年光种不养,黑土地在变“瘦”。关于黑土退化的各种声音也层出不穷:“50年将变成第二个黄土区”“‘北大仓’可变成‘北大荒’”“黑土层每年减少一厘米”……

流言止于智者。韩晓增决定用科学手段分析黑土地变“瘦”的原因。他发现黑土地由自然土壤向耕作土壤转变过程中,一些土壤属性的变化是由生态系统改变所驱动的,还有一些土壤属性与农艺措施有关。

韩晓增认为,当前亟须解决黑土地的核心问题是,探索优化的农艺措施,实现黑土保护性利用的目标。

秸秆还田是增加黑土土壤有机质最直接、最有效和最可行的办法。韩晓增团队也发现,秸秆还田存在着诸多瓶颈问题,比如影响播种质量、需要大型机械、秋季整地作业时间短、秸秆沤肥还田成本高等,这些限制了秸秆还田在黑土地保护和地力提升中的功能。

此外,长期的不合理耕作和机械碾压导致土壤形成了10~15厘米的犁底层,它像一道墙隔断了作物根系下扎和土壤中水、热、气交换。韩晓增解释道:“降雨到达犁底层后就被挡住了,水分和养分都下不去。”

对症下药肥沃耕层

如何应对黑土地的退化?韩晓增团队的研究思路是,根据黑土层平均厚度和作物根系生长的适宜空间,将秸秆和有机肥深混到0~30(± 5)厘米黑土层之中,构建一个深厚、肥沃的土层,满足作物生长和黑土保护两个需求。

为什么选30厘米这个黑土层?韩晓增解释道,我们团队发现黑土有机质变化发生在0~30(± 5)厘米土层内,于是提出“肥沃耕层构建”理念,并证明培肥0~30(±5)厘米土层对改良土壤属性和创造作物根系生长环境的协同效益最高。

当时,国内外秸秆还田主要有三种方式,分别是覆盖、浅混、秸秆离田沤制有机肥再还田。韩晓增团队发现这三种方式各有优缺点,其中覆盖优点是保水、保土、节约成本,缺点是春季地温回升慢、影响播种质量、秸秆转化为土壤有机质效率低,导致缺苗和弱苗,病虫害加重。

最后,韩晓增团队在研究上述三种秸秆还田方式基础上,创制了秸秆全量深混还田。新的问题也随之产生:现有的农机具达不到秸秆深混还田的效果。

为此,韩晓增团队自筹经费购买农机设备,首先从黑龙江省海伦市开始,先后在东北三省一区建立了15个示范区,以“场”带“县”培训农机手,推广秸秆深混还田技术。

韩晓增告诉《中国科学报》,在黑土带中心地区海伦市,团队连续13年开展玉米秸秆还田后,土壤有机质由44.5g/kg增加到49.5g/kg。如果在东北黑土地全域实现秸秆还田,预计到2030年,东北黑土区耕地质量平均提高1个等级以上;土壤有机质含量可以提高2g/kg以上。

除了秸秆全量深混还田,韩晓增团队创新研发的黑土地保护与利用技术还有很多,比如针对黑土层薄、熟土层和心土层混合后肥力降低的问题,团队提出“秸秆”“有机肥”二元补亏增肥技术;针对白浆土的白浆化障碍层,团队在“心土混层”技术基础上,增加了“秸秆”“有机肥”“土壤调理剂”三元补亏调盈技术。

韩晓增告诉记者,每项技术在生产上都有自己的局限性。“我们希望因地制宜,综合施策,对黑土地保护与利用打出‘组合拳’。”

推广示范“龙江模式”

按照“边研究、边示范、边推广应用”的思路,韩晓增团队从2003年开始将研究技术逐步在农户中推广示范,并根据田间示范结果,不断地对技术进行改进和完善。

2004年,黑龙江省海伦市祥福镇富源村种植户武立彬在海伦市农业技术推广中心推介下,引进韩晓增团队研制的肥沃耕层构建技术和玉米—大豆高效轮作模式,进行保护性耕作、精准施肥、秸秆一次性全还田,搭配翻、免、浅耕作技术后,其种植的300亩玉米地每亩增产81.6公斤,增收44000元;300亩大豆每亩增收18公斤。

如今,黑土地的保护与利用已经初见成效。以黑龙江省为例,全省有机质每年下降速度为0.1%~0.3%,下降速度已经减小了50%左右,土壤有机质下降已经得到有效遏制。

据悉,黑龙江省耕地面积2.39亿亩,承担了国家黑土地保护面积的60%。韩晓增告诉《中国科学报》,团队在黑龙江省海伦市连续开展了6年试验示范,玉米平均增产10.2%,大豆平均增产12.3%,土壤有机质含量提高3.2g/kg,黑土层保护深度在30~35厘米,已经达到了《东北黑土地保护规划纲要(2017—2030年)》的要求。

这些年来,韩晓增团队针对黑土退化的问题,采用秸秆翻混还田等技术,配合玉米—大豆、玉米—玉米—大豆轮作模式,不仅遏制了黑土表层土壤退化,还取得了良好的增产增收效果。韩晓增称其为“龙江模式”。

他解释道,该模式包括松嫩平原中东部的中厚层黑土和三江平原草甸土区的“黑土层保育模式”、松嫩平原中部和三江平原以及辽河平原浅薄层黑土区的“黑土层培育模式”、松嫩平原西部的“四免一松保护性耕作模式”、障碍型土壤消减快速培肥模式、环大小兴安岭和张广才岭的“坡耕地控蚀增肥模式”和“稻田土壤的秸秆还田增碳保肥模式”。

“保护是为了可持续利用,利用才是黑土保护的最终目标。”韩晓增表示,保护好黑土地,就是保护耕地中的“大熊猫”,而黑土层相当于“大熊猫”的心脏,土壤有机质就是“大熊猫”的血液,守护着黑土的健康,实现增产增收是黑土研究人员追求的终极目标。

(编辑:逍遥客)

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