韓曉增 鄒文秀 嚴(yán) 君 李 娜 李艷華 王建國(guó) 李祿軍

中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站 哈爾濱 150081

東北黑土地主要分布在黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東四盟，耕地面積 2.78 億畝，主要包括黑土、黑鈣土、草甸土、白漿土、棕壤和暗棕壤，是國(guó)家重要的商品糧生產(chǎn)基地[1,2]。東北黑土地的糧食產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)的 1/4，商品糧占全國(guó)的 1/4，該地區(qū)的調(diào)出糧食占全國(guó)的 1/3，是國(guó)家糧食安全的“壓艙石”[3,4]。東北黑土地存在的主要問(wèn)題是耕地在高強(qiáng)度利用下發(fā)生不同程度的退化，主要包括：坡度 ＞2o的坡耕地由于水土流失導(dǎo)致的黑土層變薄，其面積約占黑土地的 1/3；坡度 ＜2o的耕地由于用養(yǎng)失調(diào)導(dǎo)致的耕作層變淺、變瘦，犁底層變厚、變硬，其面積約占黑土地的 2/3；同時(shí)還有自然土壤形成過(guò)程中存在的障礙層（白漿土）等問(wèn)題[5]。土壤退化和障礙層的存在阻礙了區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

從 1978 年開(kāi)始，以原中國(guó)科學(xué)院黑龍江農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究所所長(zhǎng)曾昭順為首的一大批院內(nèi)外專家，圍繞東北黑土地的農(nóng)業(yè)科學(xué)問(wèn)題、技術(shù)問(wèn)題和生產(chǎn)問(wèn)題，開(kāi)展了系統(tǒng)的科學(xué)研究，同時(shí)在具有代表性的區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)類(lèi)型的黑龍江省海倫市建立了中國(guó)科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（以下簡(jiǎn)稱“海倫站”）。建站初期，正值國(guó)家要實(shí)現(xiàn)“工業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、國(guó)防現(xiàn)代化和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化”的高潮期，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的問(wèn)題上，部分專家提出了農(nóng)業(yè)也要實(shí)現(xiàn)“機(jī)械化、水利化、化學(xué)化和大地園田化”。在當(dāng)時(shí)國(guó)力比較孱弱的情況下，在縣域尺度上實(shí)現(xiàn)“農(nóng)業(yè)四化”需要幾百億資金，因此是一個(gè)不可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。但經(jīng)過(guò)專家們的反復(fù)論證后，海倫站再次組織馬世駿和侯學(xué)煜等專家進(jìn)行調(diào)研論證，提出了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化起步必須從調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)入手，實(shí)現(xiàn)農(nóng)、林、牧、副、漁統(tǒng)籌發(fā)展，種養(yǎng)加并行，走山水田林路綜合治理的道路。這對(duì)我國(guó)當(dāng)時(shí)農(nóng)業(yè)“以糧為綱”的方針來(lái)說(shuō)，是一個(gè)創(chuàng)新性的理念，引領(lǐng)了我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。專家們通過(guò)大量的研究提出了海倫“飛鳥(niǎo)型經(jīng)濟(jì)”模式（圖 1），該模式是“一主”（種植業(yè)）“兩翼”（畜牧業(yè)和加工業(yè)），旨在瞄準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)效益（“鳥(niǎo)頭”），不斷按照社會(huì)需求和生態(tài)效益來(lái)調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā)展。與此同時(shí)，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)了中國(guó)科學(xué)院將海倫縣列為綜合農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地縣，這些前期準(zhǔn)備工作為我國(guó)目前的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了系統(tǒng)研究土壤肥力演變過(guò)程及調(diào)控因素，海倫站設(shè)置了多組、多類(lèi)型的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，旨在探明東北黑土區(qū)土壤肥力的演化過(guò)程。同時(shí)結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)秸稈處理難的問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)黑土地保護(hù)利用的目標(biāo)，提出了肥沃耕層理論，研發(fā)肥沃耕層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，并創(chuàng)新集成了黑土地保護(hù)利用模式進(jìn)行示范推廣，引領(lǐng)了黑土地保護(hù)利用和區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

圖1 海倫“飛鳥(niǎo)型經(jīng)濟(jì)”模式

1 建立了黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)體系，揭示了黑土肥力演變過(guò)程

1.1 黑土長(zhǎng)期定位試驗(yàn)體系夯實(shí)了科學(xué)研究基礎(chǔ)

我國(guó)東北黑土地的開(kāi)墾利用經(jīng)歷了 50—200 年，由于土壤肥力變化受人類(lèi)活動(dòng)和自然環(huán)境的綜合影響，在研究其變化規(guī)律過(guò)程中，田間長(zhǎng)期定位試驗(yàn)具有非常重要的作用。圍繞黑土地農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，海倫站建立了一系列長(zhǎng)期定位試驗(yàn)（圖 2）。最早的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)是沈善敏先生于 1985 年設(shè)計(jì)的“農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)利用”，其后是魯如坤先生、林心雄先生和謝建昌先生分別設(shè)計(jì)了“氮磷鉀”試驗(yàn)、“土壤有機(jī)質(zhì)”試驗(yàn)和“土壤鉀素”試驗(yàn)；再后來(lái)是韓曉增研究員根據(jù)黑土地的形成特征和農(nóng)田化過(guò)程中的關(guān)鍵農(nóng)作制度及區(qū)域農(nóng)田生產(chǎn)的代表性設(shè)計(jì)了耕地土壤自然恢復(fù)、母質(zhì)初級(jí)成土過(guò)程與特征、施肥（包括秸稈還田）、耕作和輪作 5 大類(lèi) 13 組長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。1985 年和 2004 年分別建立了 2 組耕地土壤自然恢復(fù)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，用于系統(tǒng)研究耕地恢復(fù)為自然生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程中黑土屬性的可逆性及其演變速度；1989 年建立不同組合的耕作試驗(yàn)，目前已發(fā)展為免耕秸稈覆蓋和組合耕法方面的研究；1990 年建立了基于大豆的不同輪作連作試驗(yàn)，用于系統(tǒng)分析玉米、大豆、小麥不同組合輪作和連作條件下的農(nóng)田生態(tài)效應(yīng)；1993 年建立水肥耦合效應(yīng)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究旱作農(nóng)業(yè)以水定肥和以肥調(diào)水機(jī)理；2004 年建立黑土母質(zhì)初級(jí)成土過(guò)程及其肥力演化機(jī)制試驗(yàn)，模擬了黑土層侵蝕殆盡黃土裸露后，母質(zhì)表層形成土壤的一系列過(guò)程和肥力形成機(jī)制及潛力；1985—2004 年間建立了 7 組長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)，主要包括化肥、有機(jī)肥、有機(jī)肥和化肥的配施以及秸稈還田，用于系統(tǒng)研究土壤培肥和肥料效應(yīng)。除了長(zhǎng)期定位試驗(yàn)外，海倫站還建立了土壤水分動(dòng)態(tài)平衡觀測(cè)場(chǎng)、養(yǎng)分長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)樣地和農(nóng)田小氣候觀測(cè)場(chǎng)。上述長(zhǎng)期定位試驗(yàn)和觀測(cè)場(chǎng)/監(jiān)測(cè)樣地，為揭示黑土肥力變化過(guò)程及調(diào)控因素奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 海倫站長(zhǎng)期定位試驗(yàn)樣地（a）不同生態(tài)系統(tǒng)定位試驗(yàn)（1985年）；（b）作物長(zhǎng)期連作與輪作試驗(yàn)（1990年）；（c）水肥耦合效應(yīng)定位試驗(yàn)（1993年）；（d）黑土母質(zhì)初級(jí)成土過(guò)程模擬試驗(yàn)（2004年）

1.2 黑土肥力變化特征劃分支撐了黑土地保護(hù)利用技術(shù)的提出

基于海倫站的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，將黑土地肥力演化劃分為 3 個(gè)時(shí)期，即自然肥力形成期、開(kāi)墾期和穩(wěn)定性利用期。黑土形成期始于第四紀(jì)最后一個(gè)冰期后，在沉積性母質(zhì)上經(jīng)過(guò)大約 11 000 年的漫長(zhǎng)時(shí)間形成，即自然肥力形成期。黑土開(kāi)墾后大約經(jīng)歷 30 年的時(shí)間，達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)利用期。在此階段，黑土地表層土壤有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷快速下降過(guò)程（在開(kāi)墾后的前 10 年土壤有機(jī)質(zhì)以平均每年 2.6% 的速度下降），土壤碳氮比激烈的調(diào)整過(guò)程，土壤速效磷因施肥而快速提升過(guò)程。在黑土穩(wěn)定性利用時(shí)期大約 10.0% 的耕地肥力水平得到了提升，20.0% 耕地地力維持在中等水平，70.0% 土壤肥力退化；目前退化土壤表層有機(jī)質(zhì)正在以 0.06%—0.09% 速度下降[4]。黑土地開(kāi)墾后不同時(shí)期土壤有機(jī)質(zhì)下降速度不同，不能作為一個(gè)整體討論，否則會(huì)得出一些錯(cuò)誤的結(jié)論。通過(guò)對(duì)黑土地肥力演變時(shí)期的劃分，發(fā)現(xiàn)了黑土地肥力變化分為形成、劇烈變化和緩慢變化 3 個(gè)階段，每個(gè)階段變化規(guī)律和驅(qū)動(dòng)因子是不同的，生產(chǎn)上提出了相應(yīng)的對(duì)策。

土壤有機(jī)質(zhì)含量是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)明確了黑土地退化的關(guān)鍵過(guò)程是土壤有機(jī)質(zhì)在 0—35 cm 土層（概率為 97%）銳減，提出了影響作物產(chǎn)量的有機(jī)質(zhì)閾值是 4.5%，黑土地土壤有機(jī)質(zhì)從 4.5% 下降到 3.5%，耕地產(chǎn)能下降了 42 個(gè)百分點(diǎn)。東北黑土地分布區(qū)內(nèi)以北緯 45°為分界線，北部表層土壤有機(jī)質(zhì)下降至 3.0% 以下、南部下降至 2.0% 以下時(shí)黑土發(fā)生嚴(yán)重退化，表層土壤有機(jī)質(zhì)每下降 1.0 g/kg，糧食減產(chǎn) 10.0%—15.0%。在區(qū)域尺度上確定了東北黑土地表層土壤有機(jī)質(zhì)每年下降速度為 0.06%—0.10%。提出了秸稈還田和有機(jī)肥施用是阻控有機(jī)質(zhì)銳減和提升的有效途徑，研究結(jié)果表明秸稈漚制和糧食過(guò)腹還田 33 年后，黑土 0—35 cm 土層有機(jī)質(zhì)提高 9.2%—12.6%；玉米秸稈連續(xù) 13 年全量原位還田后土壤有機(jī)質(zhì)提高 9.7%—14.1%[6-9]。

基于水分動(dòng)態(tài)平衡觀測(cè)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)黑土持水能力和保水能力較強(qiáng)，儲(chǔ)水庫(kù)容較大。農(nóng)田黑土 0—100 cm 的田間儲(chǔ)水量為 387 mm，相當(dāng)于全年降水量的 73%；土壤最大儲(chǔ)水量為 576 mm，相當(dāng)于全年降水量的 108%；土壤有效儲(chǔ)水量為 243 mm，相當(dāng)于全年降水量的 46.0%。計(jì)算了春小麥、大豆和玉米生育期平均耗水量分別為 302 mm、397 mm 和 500 mm[10]。大氣降水能夠滿足作物的水分需求，但是年內(nèi)降水分布不均和年際間降水不平衡是限制區(qū)域內(nèi)糧食產(chǎn)量的主要因素[11]。提出了黑土農(nóng)田水分調(diào)控措施，優(yōu)化作物輪作連作的田間配置結(jié)構(gòu)，合理增加整個(gè)生育期葉面積指數(shù)，減少地面蒸發(fā)量；推廣組合耕法，創(chuàng)造虛實(shí)并存土體構(gòu)造，增強(qiáng)土壤儲(chǔ)水和供水能力、培肥地力，以肥促水[12]。

基于肥料試驗(yàn)，闡明了黑土農(nóng)田養(yǎng)分的時(shí)空演變特征。開(kāi)墾后農(nóng)田氮素一直處于虧缺狀態(tài)，但進(jìn)入到 20 世紀(jì) 90 年代氮素收支接近平衡，目前已略有盈余；磷素從 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始盈余，目前磷素盈余已達(dá) 40%；而鉀素歷史上一直呈大比例虧缺，但近年來(lái)虧缺程度有所緩解。探明了黑土農(nóng)田養(yǎng)分平衡與土壤養(yǎng)分消長(zhǎng)規(guī)律。農(nóng)田土壤供氮量一般在 55.2—99.0 kg/hm2，占土壤總氮量的 1.1%—2.0%；土壤磷素的供應(yīng)量一般在 14.3—26.2 kg/hm2，占土壤總磷量的 0.9%—1.7%；土壤鉀素的供應(yīng)量一般在 48.3—93.4 kg/hm2，占土壤總鉀量的 0.08%—0.15%。目前農(nóng)田土壤潛力肥力很高，禾本科作物某一年不施氮肥，能達(dá)到全肥產(chǎn)量的 60%—70%；不施磷肥，能達(dá)到全肥產(chǎn)量的 85% 以上；不施鉀肥，能達(dá)到全肥產(chǎn)量的 95% 以上。但在連續(xù)不施肥的情況下，黑土農(nóng)田氮、磷、鉀養(yǎng)分的自然供給力將呈不同程度的下降趨勢(shì)。提出了氮、磷、鉀肥料的高效利用策略為精準(zhǔn)施氮肥、靈活施用磷肥、因作物施用鉀肥[13]。該成果 2017 年獲得了吉林省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

2 創(chuàng)新和發(fā)展了農(nóng)田生態(tài)學(xué)理論，闡明了大豆在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用

根據(jù)東北黑土區(qū)旱田主栽作物的種植制度，建立了玉米、大豆和小麥的長(zhǎng)期連作和不同組合的輪作試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了大豆連作條件下胞囊線蟲(chóng)病發(fā)病程度呈現(xiàn)兩段性。第一段是隨著連作年限增加胞囊線蟲(chóng)病加重，第二段是約5年后胞囊線蟲(chóng)病的產(chǎn)生減輕并穩(wěn)定在一個(gè)水平上。研究發(fā)現(xiàn)在第二階段是土壤產(chǎn)生了能抑制胞囊線蟲(chóng)病的屬性，使大豆胞囊線蟲(chóng)種群密度顯著減少。通過(guò)分離、培養(yǎng)和鑒定出能抑制大豆胞囊線蟲(chóng)的寄生菌株 14 株，包括厚坦輪枝菌、淡紫擬青霉和鐮孢菌等。抑制性土壤屬性的產(chǎn)生導(dǎo)致大豆胞囊線蟲(chóng)病危害程度可以減少 90% 以上，修正了前人“大豆胞囊病危害程度隨著年限增加而不斷地加重”的觀念[14]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，決定有益生物和有害生物的優(yōu)勢(shì)度，通過(guò)農(nóng)田作物之間的合理配置，使生態(tài)系統(tǒng)生物鏈加長(zhǎng)、生物網(wǎng)層級(jí)變多，通過(guò)生態(tài)平衡調(diào)控某一有害生物對(duì)作物的危害。這些研究成果，創(chuàng)新和發(fā)展了農(nóng)田生態(tài)學(xué)理論，為國(guó)家合理配置糧豆生產(chǎn)提供了理論支持。

大豆根瘤共生固氮效率的高低取決于大豆根瘤菌與宿主大豆的親和性，土壤中大豆根瘤菌豐度和多樣性越高，形成高固氮效率根瘤的概率就越大。研究發(fā)現(xiàn)，與玉米-大豆-小麥輪作相比，大豆連作、小麥連作和玉米連作條件下的大豆根瘤菌豐度分別下降了 15、11 147 和 2 518 倍。通過(guò)對(duì)大豆和非豆科作物輪作連作條件下大豆根瘤中根瘤菌的分離、純化、培養(yǎng)，共鑒定出 3 種大豆根瘤菌（Bradyrhizobium sp. I，B. japonicum USDA 6T 和 B. dizoefficiens USDA110）[15]。大豆是大豆根瘤菌最適宜的宿主，通過(guò)大豆和非豆科作物之間的輪作連作能夠改變土壤中大豆根瘤菌豐度、組成和生活方式，并控制根瘤菌侵染后大豆的固氮效率的高低。這些研究成果深化了作物、微生物間的相互作用關(guān)系，揭示了大豆在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位，為玉米-大豆輪作提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

基于作物輪作連作試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了對(duì)土壤養(yǎng)分、水分、結(jié)構(gòu)、微生物的多樣性、豐度產(chǎn)生了協(xié)同提高效應(yīng)[16]。明確了從農(nóng)田尺度上以大豆為核心的作物間、作物和環(huán)境間，以及作物、微生物和動(dòng)物種群間的相互作用關(guān)系，揭示了大豆與不同作物系統(tǒng)配置對(duì)人類(lèi)調(diào)控的響應(yīng)與適應(yīng)規(guī)律，為解決區(qū)域重大生產(chǎn)問(wèn)題和國(guó)家輪作休耕戰(zhàn)略提供科技支撐。這部分研究成果于 2015 年獲得了黑龍江省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

3 選育了“東生號(hào)”系列大豆品種，實(shí)現(xiàn)了品種轉(zhuǎn)化

以黑龍江省大豆生產(chǎn)逐漸北移，生產(chǎn)上缺少早熟高產(chǎn)品種為目標(biāo)，以適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境且耐性極強(qiáng)的種質(zhì)為親本，采用混合選擇與系譜法結(jié)合的育種方法進(jìn)行后代選擇，培育出早熟、高產(chǎn)、適應(yīng)性廣、商品屬性優(yōu)，適合黑龍江省第三、第四、第五積溫帶種植的“東生號(hào)”大豆新品種 10 個(gè)（“東生”系列 1—10 號(hào)），其中 4 個(gè)通過(guò)國(guó)家審定（圖 3），為區(qū)域農(nóng)業(yè)種植提供主栽品種。系列品種已經(jīng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，直接經(jīng)濟(jì)效益 2 000 萬(wàn)元，累計(jì)推廣應(yīng)用 5 000 萬(wàn)畝，增產(chǎn)大豆 10 億千克，增加效益 36 億元。

4 創(chuàng)建了農(nóng)田地力提升技術(shù)體系，助推黑土地保護(hù)利用

根據(jù)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)與示范的研究結(jié)果創(chuàng)建了肥沃耕層理論，研發(fā)了肥沃耕層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，形成了肥沃耕層構(gòu)建技術(shù)體系，集成創(chuàng)新了黑土地綜合保護(hù)利用模式，為黑土地保護(hù)利用和區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐

4.1 肥沃耕層理論的創(chuàng)建及指標(biāo)體系的建立

根據(jù)長(zhǎng)期野外觀測(cè)和田間長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，獲得了黑土退化實(shí)質(zhì)是基于侵蝕導(dǎo)致黑土層變薄和非侵蝕耕地基于高強(qiáng)度利用導(dǎo)致耕作層變淺，有機(jī)質(zhì)變少，犁底層變厚、變硬的問(wèn)題，首次提出并建立了肥沃耕層理論。根據(jù)作物高產(chǎn)根系生長(zhǎng)發(fā)育需要的土壤空間、大氣降水特征和土壤類(lèi)型，首次建立了以培肥和改造 0—35 cm 土層為核心內(nèi)容的肥沃耕層理論，即以農(nóng)田耕層土壤擴(kuò)容與培肥為目的，采用機(jī)械的方法，將能培肥土壤且無(wú)害化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄有機(jī)物深混于 0—35 cm 土層，形成一個(gè)深厚肥沃的耕作層（圖 4），構(gòu)建了“水”“肥”“氣”“熱”相協(xié)調(diào)的土壤環(huán)境，能夠促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)和地上部發(fā)育，提高作物產(chǎn)量。提出了肥沃耕層的指標(biāo)體系。松嫩平原中東部和三江平原土壤有機(jī)質(zhì) ≥ 35.0 g/kg，松嫩平原西部和遼河平原土壤有機(jī)質(zhì) ≥ 20.0 g/kg；飽和含水量 ≥ 210.0 mm、田間持水量 ≥ 140.0 mm、飽和導(dǎo)水率0.5—1.5 cm/h、水穩(wěn)性團(tuán)聚體（＞ 0.25 mm）≥ 40.0%；陽(yáng)離子交換量 ≥ 25.0 cmol/kg，pH 值 5.5—7.5；有效磷 ≥ 30.0 mg/kg，有效鉀 ≥ 150.0 mg/kg，緩效鉀 ≥ 800 mg/kg[17,18]。

圖3 “東生號(hào)”系列大豆品種審定證書(shū)

圖4 肥沃耕層構(gòu)建模式圖

4.2 肥沃耕層構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用

針對(duì)中厚黑土和草甸土有機(jī)質(zhì)和黏粒含量高、耕作層淺、犁底層厚、水熱傳導(dǎo)差影響根系生長(zhǎng)的問(wèn)題，研制了秸稈深混耕層擴(kuò)容技術(shù)，即采用秸稈粉碎技術(shù)和玉米秸稈深混還田技術(shù)將玉米秸稈均勻深混于 0—35 cm 土層，耕作層深度由 15—17 cm 擴(kuò)容到 35 cm。第一年作物增產(chǎn) 21.9%，水分利用效率增加 18.2%，土壤容重下降 9.4%，土壤飽和導(dǎo)水率增加 13.2%，土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷和速效鉀分別提高 0.23 g/kg、19.0 mg/kg、3.5 mg/kg 和 8.9 mg/kg；第三年作物增產(chǎn) 16.3%，土壤有機(jī)質(zhì)提高 1.37 g/kg[19-21]。

針對(duì)薄層黑土（包括侵蝕后的薄層黑土）、棕壤、暗棕壤和黑鈣土的黑土層薄、養(yǎng)分貧瘠、物理性狀差等問(wèn)題，研制了熟土心土混層二元補(bǔ)虧增肥技術(shù)，即將熟土層與心土層混合，配合混入秸稈和有機(jī)肥，補(bǔ)充因熟土層和心土層混合后導(dǎo)致的土壤肥力下降，后效期 3—6 年。當(dāng)心土層有機(jī)質(zhì)含量相當(dāng)于表層土壤 80.0% 以上時(shí)，有機(jī)肥施用量為 4 500—3 000 kg/hm2；在 60%—80% 時(shí)，有機(jī)肥施用量為 9 000—15 000 kg/hm2；60.0% 以下時(shí)，有機(jī)肥施用量為 15 000 kg/hm2以上（烘干基計(jì)）。3 年效果為：玉米增產(chǎn) 7.5% 以上，大豆增產(chǎn) 8.6% 以上，土壤有機(jī)質(zhì)提高 9.1% 以上，土壤速效氮、速效磷和速效鉀分別提高 18.3%、9.3% 和 13.7% 以上，水分利用效率平均提高 14.2%，土壤容重下降 8.9%—10.3%。

針對(duì)白漿土的白漿層，在前人提出的“心土混層”技術(shù)的基礎(chǔ)上增施秸稈、有機(jī)肥和化肥三元物料一次性作業(yè)改造白漿層，即黑土心土混層三元補(bǔ)虧調(diào)盈技術(shù)。試點(diǎn) 3 年效果為：大豆增產(chǎn) 15.0% 以上，玉米增產(chǎn) 12.0% 以上。＞0.25 mm 的水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加 27.0% 以上，土壤有機(jī)質(zhì)提高 3.5 g/kg 以上，土壤速效磷增加 4.3 mg/kg 以上，土壤飽和含水量及田間持水量分別增加 19.0% 和 21.0% 以上。

4.3 以肥沃耕層構(gòu)建為核心的黑土地保護(hù)利用技術(shù)模式的集成及推廣示范

以機(jī)械耕作擴(kuò)容耕層和以秸稈、有機(jī)肥和氮、磷、鉀化肥三元物料增肥為核心技術(shù)，集成適宜黑土地不同土壤類(lèi)型耕地的“翻、免”耕作、玉米秸稈“深混、覆蓋”還田、玉米大豆“輪作連作”技術(shù)和精準(zhǔn)施肥系列技術(shù)，創(chuàng)建了 9 個(gè)黑土地保護(hù)利用模式。玉米連作條件下分別建立了： ① 秸稈深混耕層擴(kuò)容模式，② 熟土、心土混層二元補(bǔ)虧增肥模式，③ 黑土層、白漿層混合三元補(bǔ)虧調(diào)盈模式；玉米-大豆輪作條件下分別建立了： ④ 秸稈深混耕層擴(kuò)容模式，⑤ 熟土心土混層二元補(bǔ)虧增肥模式，⑥ 黑土層、白漿層混合三元補(bǔ)虧調(diào)盈模式；玉米-大豆-大豆種植方式下分別建立了： ⑦ 秸稈深混耕層擴(kuò)容模式，⑧熟土、心土混層二元補(bǔ)虧增肥模式，⑨ 黑土層、白漿層混合三元補(bǔ)虧調(diào)盈模式。并以海倫市為核心示范縣（圖 5），其他 10 個(gè)縣為擴(kuò)展示范縣，開(kāi)展大面積推廣應(yīng)用，2006—2017 年累計(jì)示范推廣面積 2 000 萬(wàn)畝，新增糧豆 7.8 億千克，增收 19.1 億元，全面提升了區(qū)域內(nèi)黑土肥力和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，研究成果過(guò)得了黑龍江省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

圖5 中國(guó)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目示范區(qū)

5 結(jié)語(yǔ)

海倫站自 1978 年建站以來(lái)，圍繞著我國(guó)東北黑土地保護(hù)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心問(wèn)題，開(kāi)展了長(zhǎng)期而卓有成效的科學(xué)研究、技術(shù)研發(fā)和示范推廣，為建設(shè)東北黑土地的國(guó)家商品糧基地和保障國(guó)家糧食安全作出了重要貢獻(xiàn)。通過(guò)長(zhǎng)期野外觀測(cè)和長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，揭示了黑土地肥力變化規(guī)律。在自然狀態(tài)肥力提升過(guò)程、開(kāi)墾初期表層土壤有機(jī)質(zhì)劇烈下降過(guò)程和肥力提升過(guò)程、在穩(wěn)定農(nóng)田化利用過(guò)程中約占 5% 的耕地由于長(zhǎng)期大量施用有機(jī)肥獲得了提升，約占 15% 的耕地由于科學(xué)管理使土壤肥力保持在一個(gè)水平上，占80%的耕地由于缺乏科學(xué)管理導(dǎo)致肥力下降。研發(fā)出適合于黑土地保護(hù)利用的秸稈還田技術(shù)、有機(jī)肥施用技術(shù)、有大豆參與的輪作技術(shù)和節(jié)肥節(jié)藥技術(shù)。通過(guò)承擔(dān)國(guó)家和省級(jí)重大科研項(xiàng)目，帶動(dòng)了農(nóng)田生態(tài)學(xué)的學(xué)科發(fā)展，引領(lǐng)了我國(guó)東北黑土地的保護(hù)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)研究和技術(shù)模式的研發(fā)，在國(guó)際上產(chǎn)生了深刻的影響。在國(guó)內(nèi)通過(guò)向國(guó)家相關(guān)部門(mén)的咨詢建議和與地方政府合作，提高了政府和農(nóng)民對(duì)黑土地保護(hù)的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)了黑土地保護(hù)利用向縱深發(fā)展。通過(guò)與東北三省一區(qū)的地方院所聯(lián)合攻關(guān)，建立了一支黑土地保護(hù)利用的教學(xué)、科研、技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)管理的人才隊(duì)伍，創(chuàng)建的黑土地肥沃耕層構(gòu)建技術(shù)模式，實(shí)現(xiàn)了大面積示范推廣和應(yīng)用，從而提高了黑土地耕地質(zhì)量和糧食生產(chǎn)的產(chǎn)能，提高了農(nóng)民種田的收入。