【中国科学报】用养结合：黑土地保护和利用的“农科”方案

在黑龙江哈尔滨北大荒闫家岗农场—中国农科院黑土地保护创新基地，一架田间自走式秸秆捡拾颗粒制作一体机发出巨大的轰鸣声。地上的秸秆被它“暴风”吸入，经过一番粉碎性“咀嚼”后，它在身后“吐”出一个个圆柱状的紧实的颗粒。

“这项技术攻克了黑土区秸秆还田难和腐解难的堵点，通过变秆为粒，使秸秆体积缩小10－15倍，更易腐解，处理成本降低到每亩100元以内，为黑土地秸秆高效还田提供全新解决方案。”中国农业科学院农业资源与区划研究所（以下简称资划所）研究员逄焕成说。

田间处理后的秸秆颗粒。李晨摄

近日，中国农业科学院在此召开该院重大科技任务“黑土健康培育与增粮关键技术研究及示范”现场观摩会。上述秸秆捡拾颗粒制作一体机是该任务开发的系列黑土健康增粮关键技术之一。

田间试验结果显示，与当地常规管理技术措施相比，黑土健康增粮关键技术可以提高土壤有机质0.2~0.3个百分点，化肥减量10%~20%，作物增产8%~15%。目前，该系列技术推广面积300万亩，辐射带动800万亩，为黑土粮食稳产增产奠定基础。

养好、用好黑土地是当务之急

黑土地富含有机质，适宜农耕，是世界公认的少数高肥力土壤之一，被誉为“耕地中的大熊猫”。东北地区黑土地是我国重要的粮食生产区、最大的商品粮生产基地。然而，近年来因气候变化、农业开发利用强度上升等多种因素，肥沃的黑土出现变“瘦”、变“薄”、变“硬”的退化现象，区域粮食产量的稳定受到影响。

沈阳农业大学教授汪景宽在会上指出，辽河平原和松嫩平原的黑土层和耕层变薄比例较大，约有50%的黑土层变薄；东北地区的东北部和西南部土壤变瘦，中部松嫩平原及周围变瘦比例约占52%；东北地区黑土整体呈现变硬趋势，变硬约占46%。

自然休耕的黑土层。李晨摄

“黑土健康培育与增粮关键技术研究及示范”任务首席科学家王立刚说，探索如何养好、用好黑土地成为当务之急。2022年，中国农业科学院启动该项耕地领域重大任务，该任务主要针对目前黑土在高强度利用下“变薄、变瘦、变硬”的问题，贯彻“用养结合、护理相济、全域实践”的总体技术路线，以资划所为牵头单位，联合多个优势科研力量实施协同攻坚。

王立刚介绍，通过2年半的研究，该科技任务已经建立了以北大荒闫家岗农场为核心的“一主四辅”黑土地保护研究网络，在秸秆颗粒化还田、作物养分智能化推荐、新型专用缓控释肥一次性施用、区块化轮作障碍消减、健康土壤培育等黑土保护关键卡点实现创新突破，形成了以黑土保护性农业增粮技术、秸秆牧草肥饲化综合利用技术、有机无机配施定向培肥技术、黑土侵蚀与压实生态阻控消减技术为主的黑土健康增粮关键技术体系。目前，该技术体系在耕层风蚀水蚀有效消减、黑土有机质快速恢复、土壤生物健康培育和耕地产能稳步提升等方面收效显著。

多措并举改善土壤健康生态

逄焕成站在提前挖开的耕层剖面旁，手中握着一块从剖面取出的土块。土块中可以看到去年还田的秸秆颗粒已经腐解，和土壤颗粒几乎融为一体。

“黑土区秸秆体量大、离田成本高，传统秸秆覆盖和浅旋还田技术存在还田难的问题。”逄焕成说，秸秆还田是提升土壤有机质的重要手段。但东北地区由于受温度限制，分解秸秆的微生物活性弱、分解能力差，秸秆难以快速腐烂。

逄焕成展示秸秆颗粒腐解状态。李晨摄

为解决这一问题，逄焕成研究团队研发了田间自走式秸秆捡拾颗粒制作一体机，将秸秆由“长粗硬”变成“短细软”，压实压块形成颗粒后还田。逄焕成介绍，相比于粉碎秸秆，颗粒化秸秆能增加籽粒中的铁、锰、镁以及氨基酸含量。目前秸秆颗粒化还田量可实现5吨/亩，深埋还田可使0～40cm土壤有机质含量由2.79%提升至3.60%，解决了秸秆“还不下、不让烧、无处放”的生产难题，实现了秸秆资源还田利用与作物增产的“双赢”。

此外，资划所联合中国科学院地理所、黑龙江省农科院等相关单位开展协同攻关，研发了秸秆秋水切埋还田技术。该技术的核心在于有效利用休闲期的积温，变春还田为秋还田，变旱整地为水整地，变打浆为切埋，定向营造有利于秸秆腐解的环境，充分发挥微生物的分解和冻融交替的撕扯作用，实现秸秆在休闲期高效腐解，破解了秸秆腐解高峰与水稻分蘖期重叠的难题。

该团队连续两年在齐齐哈尔举行现场观摩会，获当地农技部门及种粮大户充分认可。今年测产表明，水稻亩产658.9公斤，比全量秸秆春旋还田、半量秸秆春旋还田分别增产10.2%和17.7%。

为防止侵蚀沟毁损耕地，资划所和中国农科院农业环境与可持续发展研究所（以下简称环发所）集成了黑土区侵蚀阻控与压实消减协同治理模式。

环发所研究员张晴雯介绍，其中一项技术——中坡耕地改垄截流减蚀技术结合秸秆还田，能够减少15%～72%径流流失量、12%～72%泥沙流失量；坡耕地压实农机作业预防技术能有效缓解大型机械引起的压实问题，增加土壤水分和碳氮含量；免耕作物根系修复压实技术通过增加农业生态系统的多样性，可恢复土壤结构的稳定性和其生态功能。

用养结合促进作物增产

当前，东北黑土区还面临微生物群落组成简化、功能下降以及传统有机肥施用下养分失衡、磷素过剩等困境。“为此，我们研发了有机无机生物配施黑土健康生物定向培育技术，能提高土壤有机质含量和有益生物功能、维持土壤养分平衡。”资划所研究员范分良介绍，在闫家岗示范田块中，该技术使玉米平均产量达到822.8公斤/亩，相比常规措施的田块产量提高了5.4%。

“与免耕相比，条带耕作下的作物产量显著增加4.8%。作物轮作、有机无机肥料配施与秸秆还田显著增加作物产量9.9%、8.1%和3.5%。”作物科学研究所研究员宋振伟说。围绕重大科技任务，宋振伟团队联合其他团队集成了玉米—大豆轮作丰产高效技术模式，2023年大面积示范结果表明，新模式下玉米和大豆产量比当地常规模式增产8%～15%。

针对保护性耕作条件下作物产量不稳与肥料利用率低的问题，该科技任务团队筛选了与当地水热资源匹配的玉米、大豆丰产抗逆品种3个，研发了适用于黑土的水稻、玉米、大豆和马铃薯养分专家系统，配套制定养分配方和专用控释肥料。该技术相对当地农民常规栽培措施，实现了减肥20%，作物增产5－10%。

针对黑土区农机与农艺脱节问题，他们研制了精准排种排肥农机具，集成“玉豆区块化轮作+密植+种肥精量同播+秸秆覆盖”农机农艺融合技术，创建了东北薄层黑土全程机械化保护性耕作技术模式，比当地传统模式增产10－15%，肥料利用率提高约14%。

同时，针对黑土变薄的问题，构建了薄层黑土“秸秆原位粉碎深还田+隔年土壤深松+旋耕起垄+减氮播种”合理耕层技术模式，相对于农民常规技术，耕作层增加5－7 cm，在减施氮肥20%的情况下提高产量5－10%。依托北大荒集团累计推广面积超过800万亩，为当地创造了良好的社会效益、环境效益和经济效益。

“我们每年都有30多名专家到基地开展工作，常年驻扎基地的研究生有20多人，关键时期来基地开展工作的研究生有200多人次。我们的基地既是技术研发的平台，也是人才培养的孵化器。这为我们的工作提供了坚实的保障。”王立刚说，该科技任务的实施将为黑土保护与利用并举提供可复制推广的解决方案。