【研究進行時】東北黑土的成因、侵蝕與保護

黑土是世界上最肥沃、最適宜耕作的土壤，是珍貴的、不可再生的自然資源，被稱為“耕地中的大熊貓”。我國東北黑土區是世界四大黑土區之一，是國家重要的商品糧基地和綠色食品生產基地，其中典型黑土面積達22.6萬平方公里。據國家發改委公布的數據，近年來東北三省糧食產量占全國的1/5以上，商品糧量約占全國的1/4，糧食調出量約占全國的1/3。

由于黑土土質疏松以及持續開墾的影響，黑土區正面臨嚴重的侵蝕退化威脅（圖1）。中國科學院地質與地球物理研究所楊石嶺研究員帶領團隊對東北黑土區百余個土壤剖面開展大范圍野外調查和采樣，結合系列指標分析，揭示了東北黑土的成因、侵蝕和退化現狀，提出針對性措施保障黑土資源和糧食安全。

圖1 東北黑土區的侵蝕地貌（熊尚發、郭利成/供圖） 一、東北黑土的成因

黑土粒度分布顯示，位于東北西部的黑土與黃土高原北部砂黃土類似，表現出典型的風成特征；位于東北東部的黑土與沖積平原上的次生黃土類似，顯示出后期水力改造的特征。黑土平均中值粒徑以及砂含量結果顯示，自西向東黑土粒度整體由粗變細，該沉積分異與東北地區塵暴季節（3?5月）的近地面風向完全吻合（圖2）。這些特征表明盡管東部黑土存在局地的水力改造，但是并沒有改變粒度的空間分異格局，因此黑土的礦物顆粒最初是由風力搬運而來（Zhang et al., 2024）。

圖2 東北黑土平均中值粒徑（μm）（a）、砂含量（>63 μm%）（b）空間分布及塵暴季節風向（c）

年代學研究顯示（崔靜怡等, 2021; 陳雨露等, 2022; Zhang et al., 2024; Guo et al., 2026），東北黑土主要形成于全新世（約1萬年來），而其下伏的末次冰期沉積年齡分布范圍較寬（距今6.5?1.2萬年）。這意味著在末次冰期時，東北黑土區的地貌條件并不穩定，受到不同程度的侵蝕，這可能與冰期增強的風蝕以及周邊山岳冰川融水導致的水蝕密切相關；而全新世氣候溫暖濕潤、植被發育，使得風塵物質得以保存并發育為富含有機質的黑土。因此，東北地區風塵沉積的發育與侵蝕與冰期?間冰期氣候旋回有緊密關聯。

二、東北黑土的侵蝕速率和侵蝕營力

東北黑土的侵蝕速率通過 137 Cs分析獲得。 137 Cs主要由1954?1968年核武器地上試爆釋放到大氣中，之后很快被氣溶膠和粉塵顆粒吸附，并被降水、降塵帶入地表。 137 Cs一旦進入土壤后就被土壤礦物顆粒和有機物吸附，并隨土壤顆粒的移動而遷移。據此， 137 Cs可用于構建土壤侵蝕速率模型。

黑土侵蝕速率重建結果顯示（圖3），東北黑土區的侵蝕速率從西部（>3 mm/年）到東部（0?3 mm/年）逐漸降低，平均侵蝕速率為2.22 mm/年（Wang et al., 2022）。通過進一步分析氣象參數與黑土侵蝕速率空間分布，發現東北黑土區西部的侵蝕營力以風為主，東部以水為主，這一結論也在東北地區瑪珥湖和水庫的沉積速率記錄中得到印證。

圖3 東北黑土侵蝕速率空間分布 三、東北黑土退化預警

研究團隊集成了全國土壤總有機碳（TOC）含量，發現土壤TOC含量下降至0.5%時，土壤發生明顯退化（Guo et al., 2023; Cui et al., 2024；圖4）。全國谷物年產量集成數據（圖4）揭示，TOC含量下降至0.5%時，糧食產量顯著下降，即使在人工施肥干預下，生產力也很難提升。由此可見，土壤TOC含量下降可以作為土壤退化的預警指示，即TOC含量小于0.5%時，土壤已經發生退化。

圖4 東北地區土壤TOC含量變化以及全國谷物產量與土壤TOC含量的關系

研究團隊以土壤TOC含量變化為黑土退化評估基礎，綜合考慮黑土層厚度和侵蝕速率對黑土退化的影響，構建了新的黑土退化評估體系（Yang et al., 2022, 楊石嶺等, 2022; Yang and Guo, 2024）。結果顯示（圖5），當前已退化區面積為0.2萬平方公里（0.7%），高風險區和低風險區面積分別為2.6萬平方公里（11.7%）和13.1萬平方公里（57.8%），安全區面積為6.7萬平方公里（29.8%）。

圖5 東北黑土退化程度分布 四、總結與展望

以上研究表明，東北黑土的礦物顆粒主要由風力搬運而來，而東北黑土的有機質則主要來源于暖濕氣候影響下豐富的地表植被。雖然目前東北黑土退化的低風險區和安全區面積合計達~88%，但以平均侵蝕速率估算，如果不采取有效措施，黑土將在~113年內被侵蝕殆盡（Wang et al., 2022）。

黑土的成因、侵蝕和退化研究均揭示出植被在風塵物質的保存和侵蝕退化防治方面發揮了關鍵作用。為減少黑土侵蝕，研究團隊提出適當的植被恢復和降低耕作強度將有助于減輕風蝕和水蝕作用，建議在降水量較少的西部地區以種植草本為主，在降水量較多的東部地區以造林為主。

上述研究成果發表在學術期刊和專著上，受到同行的密切關注，其中Wang et al. (2022)一文已被SCI論文引用120余次，入選科睿唯安TOP 1%高被引論文。成果作為《地球大數據支撐可持續發展目標報告(2022)》案例之一，在聯合國部長級會議（2022年9月20日，紐約）上發布，為實施保障黑土地糧食安全、防治黑土侵蝕退化戰略提供了重要科學支撐，也為實現聯合國2030年可持續發展目標提供了案例支撐和決策依據。

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