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关于黑土地保护的认识和加强科技支撑的建议

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  近期,作者参加了全国政协人口资源环境委员会组织的黑土地保护工程民主督察野外调研,根据调研情况,提出个人对黑土地保护的认识、看法和建议,希望黑土保护利用中的科技创新和支撑问题能够引起更多关注和更广泛讨论。

  一、保护黑土地的战略意义

  黑土土层深厚、有机质含量高,是全球土壤肥力最高和固碳能力最大的土壤类型。黑土面积约占全球陆地面积的7%,但粮食产出却占全球产量的20%,因此黑土也是地球上极为珍贵的自然资源。全球黑土成片分布于四大区域:俄罗斯西南乌克兰第聂伯河大平原、美国中北部密西西比河流域、南美阿根廷潘帕斯草原和中国东北的松嫩、松辽和三江平原。

  中国东北黑土区面积约109万平方千米,位列全球第三,仅次于俄罗斯西南乌克兰第聂伯河大平原(约190万平方千米)和美国中北部密西西比河流域(约120万平方千米),大于南美阿根廷潘帕斯草原(约76万平方千米)。世界范围内,我国东北黑土的开垦历史最短,利用强度最大。多年来由于缺乏配套的基础设施建设以及受不合理耕作方式和种植制度单一等因素的影响,东北部分地区粮食增产正面临着土壤风蚀和沟蚀加剧、土壤有机质下降、土壤压实、投入报酬递减等严峻挑战。

  党中央、国务院高度重视东北黑土保护和农业可持续发展。2020年,习近平总书记在视察东北时强调,要“采取有效措施,切实把黑土地这个‘耕地中的大熊猫’保护好、利用好,使之永远造福人民”。现代土壤耕作技术发展过程就是尽量减少土壤机械耕作的负面效应,在实现各种农事和增产目标的同时,实现土壤资源的可持续利用。为了保护黑土高有机质的自然禀赋,维持和提高黑土基础地力,防控黑土进一步退化,必须坚持保护优先、用养结合的原则。国家黑土地保护工程在保护中利用,在利用中保护,稳步提升黑土质量,是守住“中国粮,中国碗”战略底线的重要保障,对实现乡村振兴和应对全球气候变化均具有重要意义。

  二、黑土地的开垦历史与现状

  全球人口快速增长推动了国际粮食需求持续高涨,与此同时,全球变暖也加速了黑土的超速开垦。传统农业土壤耕作是通过人力或机具搅动、切割、研磨、压碎、打浆、翻转和压实土壤,实现晒垡土壤、平整苗床、除草除虫、还田秸秆、施用化肥、调控温度水分等农事目标,以满足作物生长的需要。但土壤机械耕作不可避免地破坏土壤结构,破坏土壤动物和微生物生境,降低土壤抗蚀性、生物多样性和生态服务功能,增加土壤有机质矿化速度以及温室气体和可溶性氮排放,增加犁底层的厚度和硬度,阻碍土壤剖面水分循环和根系下扎,最终导致土壤基础地力下降。同时,土壤机械耕作消耗大量化石能源,增加农业成本。

  全球黑土开发利用进程的加速,在不同时期和不同地区产生了不同程度土壤退化。19世纪20至30年代,过度开垦利用导致美国和俄罗斯的黑土地区出现大规模沙尘暴和旱灾并引起饥荒。南美阿根廷潘帕斯草原是目前保护最好的黑土区,不过近些年潘帕斯草原的很多地区都被开垦成耕地,成为阿根廷大豆的主产区。已有报道表明,南美潘帕斯草原黑土也开始退化并呈加剧趋势。

  自20世纪中期以来,美国和俄罗斯在总结大规模开垦经验与教训的同时,通过推广保护性耕作技术、建设农田防护林、采用粮豆轮作和粮草轮作休耕,减轻了土壤利用强度,基本控制了黑土退化。以美国为例,美国在20世纪30年代提出保护性耕作概念,现在保护性耕作技术已经成为美国的主流技术,玉米大豆种植地区覆盖率最高达72%。全世界保护性耕作面积占总耕地面积的10%左右。保护性耕作就是播种时,前茬秸秆留田量大于30%或秸秆留田量每亩至少100公斤,耕作时采用免耕和条耕,结合地表残茬覆盖。免耕是指机械种植并配合地表覆盖,对表土很少甚至没有干扰;条耕是指在播种区域进行局部土壤耕作,减少田块内耕作面积的比例。保护性耕作结合轮作,可以防止土壤侵蚀、泥沙和养分流失;改善土壤结构和减少土壤压实,增加水分入渗和保水性;增加农田生物多样性,提高土壤有机质和土壤健康状况。

  我国黑土大规模开垦始于20世纪初期,盛于20世纪50年代。在我国黑土地大规模开垦盛行的年代,耕作技术以人畜力垄翻为主,产量不断提高的同时土壤有机质快速下降。60年代末出现了机械平翻,耕作深度增加,初期粮豆产量增产20%-30%,但多年深翻后出现粮食减产,这引发了人们关于土壤基础地力消耗问题的思考。70年代末,黑龙江出现了间隔深松替代深翻耕,耕层结构虚实并存,实部贮水扎根,虚处透水通气,该技术有一定增产效果,但更显著的作用在于减少动力消耗和成本,提高经济效益。80年代开始,出现以耙茬代翻耕、翻耙与原垄轮换免耕代替连年翻耕。90年代,出现了宽窄行留茬、秸秆全量覆盖垄侧、平作免耕播种,以及玉米大豆轮作等保护性耕作措施。本世纪以来,国家开展了黑土地少耕免耕实践和侵蚀沟专项治理行动,但是目前普遍采用春季复式整地机具进行翻耕、旋耕、破碎、起垄、播种,加剧土壤风蚀。此外,由于缺少秸秆覆盖,在冻融水和暴雨冲刷下也容易形成坡地水土流失;严重时甚至在坡地形成侵蚀沟,导致坡面景观破碎并限制农机田间作业。

  总体来说,我国黑土地开垦时间短、强度大,且缺乏配套的基础设施建设,导致生态涵养地缺失,防风林不健全,坡耕地、机耕道和排水系统不完善;种植制度单一,农田景观结构和生态系统多样性稳定性低。此外,长期种植过程中高强度的机械耕作,不仅直接导致土壤因压实而耕层变浅,犁底层变厚变硬,而且间接导致土壤有机质矿化、有机质的数与量同时下降,增加温室气体排放,进而使得土壤结构和土体构型退化,土壤易涝易旱。黑土地广阔的漫川漫岗地形以及高纬度寒温带气候特征,使得春耕时风蚀加重,侵蚀沟加速发育。高寒地区作物品种过度利用积温,导致农机作业条件差、作业时间紧,加剧土壤结构退化,促进了风蚀、水蚀和压实。大豆种植面积压缩,有机肥源不足,秸秆还田不充分,养地措施不断弱化,最终导致粮食产量中土壤的贡献率下降、化肥农药的贡献率增加,出现所谓的土壤基础地力下降的现象。黑土区化肥农药施用量增加和不科学使用,加剧了土壤酸化、水体富营养化和生物多样性损失,导致该区域逐步陷入生产成本增加而报酬递减的恶性循环。因此,近半个世纪来,掠夺式经营使得我国黑土地出现了“变少” 、“变薄” 、“变瘦”、 “变硬”的现象,导致土壤基础地力下降,生产成本增加,农民边际收益降低,碳排放和环境污染压力增加。

  三、保护黑土地的科技需求

  《东北黑土地保护规划纲要(2017—2030年)》明确黑土地保护范围为东北典型黑土区内2.78亿亩的耕地,到2030年要实施黑土耕地保护2.5亿亩。《东北黑土地保护性耕作行动计划(2020—2025年)》明确到2025年实施以少免耕秸秆还田为主要内容的保护性耕作1.4亿亩。《国家黑土地保护工程实施方案(2021—2025)》明确2021—2025年将通过土壤侵蚀防治、农田基础设施建设、肥沃耕作层培育等措施实现黑土耕地保护利用面积1亿亩,其中包括建成标准化示范面积1800万亩和高标准农田5000万亩。到“十四五”末黑土地保护区耕地质量明显提升,有效遏制黑土耕地“变薄、变瘦、变硬”退化趋势,防治水土流失,基本构建形成持续推进黑土地保护利用的长效机制。

  由于长期缺乏系统性科技投入,黑土地保护科技成果积累较少。加之黑土地区纬度高、气候冷凉,属于典型的生态脆弱带,地形、土壤类型和种植方式复杂多样,按计划5-10年内如此大范围内实施黑土地保护工程亟需强有力的科技创新和科技推广应用体系创新。因此,“十四五”期间国家将加大科技攻关投入,以黑土地保护、粮食安全和农民增收为核心任务,建成黑土耕地质量空天地一体化智能监测网络,摸清底数;突破黑土地“保、育、用”互作与协同重大基础理论;攻克黑土退化阻控、地力培育和作物持续丰产高效等关键核心技术,建立黑土地保护与利用集成技术体系,实现土壤保护、地力提升、永续利用;建成国际领先水平的黑土地研究中心、绿色智能的现代农业科技展示区、用养协同的规模化粮食生产基地,巩固黑土地国家粮食安全“压舱石”的地位。

  通过全国政协人资环委组织的黑土地保护工程民主督察野外调研,我们看到了黑土保护科技攻关的稳步推进。与此同时,经过此次调研,我们认为在如此短的时间、如此大面积地实施黑土地保护工程,科技支撑方面还存在以下几个问题:

  一是缺少区域性学术和数据交流平台。对黑土地质量底数和边界认识不清,对保护与利用、用地与养地的关系,特别是对土地利用强度改变方向、环境承载力和安全保护边界等认识不全面;对现行、现试技术的破坏性、修复性、保护性、保育性缺乏共识。

  二是缺少科技攻关目标顶层设计。对修复性、保护性和降低利用强度的技术重视程度不够;对田间秸秆管理、有机肥使用、土壤耕作和轮作技术创新比较重视,对短生育期作物育种、区块化粮豆轮作、定产定肥精准管理、农田景观结构改造、机耕道和管排水系统等基础设施建设等技术创新考虑较少。

  三是缺少多点联网比较研究。创新技术的区域差异及其适应期长短差异的认识不深刻;创新技术的推广条件、适宜范围以及与土地集约化发展方向结合度考虑不充分。虽然保护性耕作具有防止土地退化的巨大潜力,在土壤质地较轻和干旱严重的东北西部和南部松辽平原取得一定的效果,但在东北地区推广应用面积仍然较小。

  四是缺少核查和监督相结合的设计。由黑土地高强度掠夺式利用转变为保护性可持续利用需要几年的适应过程,单独以实施目标作为考核手段,可能出现以偏概全、操之过急或弄虚作假现象。而黑土保护工程实施过程的核查和监督,则可以考虑田间农机作业过程和区域内农事相关的大数据收集和应用。

  四、保护黑土地的科技支撑建议

  就黑土地保护科技支撑的有效解决途径,特提出如下建议:

  一是建立国家级黑土保护和利用领导小组、专家委员会和交流平台。凝聚保护利用黑土的共识,强化黑土保护和利用科技攻关顶层设计。协调中国农业科学院、中国科学院、中国农业大学以及地方院校和科研机构间的竞合关系,分区落实科技攻关和支撑任务。建立黑土保护技术和健康产品认证和推荐制度、保护工程实施过程和绩效核查相结合制度、以及科技特派员制度,强化科技创新的组织化和科技支撑的效率。 

  二是在国家科技黑土地保护和利用攻关计划和中国科学院前瞻性项目“黑土粮仓”实施的基础上,提出县域性黑土地保护利用的空间规划。提供保护和利用的优先序列,以及可推广的技术名录及技术规程。通过高标准农田建设、科技示范区和示范县建设,结合保护性耕作等目标奖励机制的实施,提高农民积极性,结合土地流转,加速推进技术实施进程,提升实施效果。

  三是加强法律法规建设,促进黑土保护利用技术创新以及规模化推广应用。改进粮豆统计口径,推进区域或区块化“红绿灯”制式的用养结合的粮豆轮作耕作制度建设,促进更大规模的用地养地结合的土地利用模式;优化配置农机和农资投入,配套保护性耕作技术体系,实现秋季作业,避免春季作业;推进农业固碳减排和面源污染防控。

  作者:张斌,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所二级研究员

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