东北黑土保护技术模式

1、2022/9/211东北黑土地保护利用技术模式和主要技术措施沈阳农业大学 汪景宽 博士 教授农业部黑土保护项目推进落实会议，哈尔滨，2016年2月26日2022/9/212内容：研究背景东北黑土区耕地土壤质量状况及演变保护利用的主要技术模式保护利用的主要技术措施2022/9/213一、地位与问题东北黑土区：重要粮食生产基地，占全国粮食总量20%左右，商品率保持在70%以上，被视为中国“粮食稳压器”问题： 结果：水土流失 黑土层变薄；重用轻养 养分减少、肥力下降；不合理耕作 理化性状恶化；基础设施薄弱 粮食综合生产能力波动较大；法规政策不健全 黑土的保护不到位研究背景2022/9/215 Iso

2、humosol profile and surface2022/9/217定义和范围“黑土”泛指土层深厚、有机质含量较高的肥沃土壤。“黑土区”是指分布在东北平原及周边、海拔600m以下低山、丘陵及平原以“黑土”为主的地区，100多万平方公里。黑土区土壤主要包括黑土、黑钙土、草甸土、暗棕壤、棕壤、白浆土及该区内的水稻土等土壤类型。 2022/9/218碳酸盐草甸土（佳木斯市）黑土剖面 （富锦）黑土景观 （富锦）黑土利用 （富锦）暗棕壤（ 小兴安岭）黑钙土景观（内蒙古哈达图）白浆土（富锦，潜育化）黑钙土（内蒙古哈述图）2022/9/219（一）关于黑土问题 -黑土层在变薄2022/9/2110 -

3、土壤有机质在下降开垦20年，13 40年，12 7080年，23 目前多数，1.5%-3%2022/9/2111黑龙江观测，开垦40年比开垦5年的黑土坡耕地，表层土壤：容重0.252g/cm3总孔隙度8.9%水稳性团粒破坏率14.26%-19.95%田间持水量4.5%-6.9% -物理性状在恶化2022/9/2112 -侵蚀严重 100万km2黑土地，水土流失27.59万km2。典型黑土的流失面积已40%风蚀3.36万km2。“十年九春旱”，风增旱情、旱助风威2022/9/2113（二）黑土耕地土壤肥力质量状况及演变研究区选择： 黑龙江的海伦、北安、嫩江、五大连池、克山、双城，吉林的公主岭20

4、22/9/2114东北主要地区土壤pH分级2022/9/2115肥力指标的演变特征 pH值：20年来，由6.70降为6.30，0.40表3-18 20年来黑土区土壤pH值变化的面积和百分数指标分级一二三四五pH6.5-7.06.5-6.06.0-5.55.5-5.05.07.0-7.57.5-8.08.0-8.58.5面积变化(%)（2000-1980年）总体平均-32.51 -0.32 18.23 13.87 0.74 一、二级32.83%，土壤pH向不利于植物生长的方面转化2022/9/2116有机质：20年来，由60.96降至49.67g/kg，11.29 g/kg 一、三级，五级。有机

5、质在过去20年里呈降趋，但却是向有利于作物生长的方向变化表3-21 20年来黑土区土壤有机质变化指标分级一二三四五g/kg25.0-50.025.0-20.020.0-15.015.0-10.010.050.0-60.060.0-70.070.0-80.080.0面积变化(%)(2000-1980年)总体平均11.36 -0.94 15.67 4.33 -30.42 肥力指标的演变特征2022/9/2117时空变化看，南部降幅10g/kg以内，北部减幅20g/kg以上。 20年来黑土区土壤有机质增减幅度增（+）减（-）范围(g/kg)+10+10-00 -10-10 -20-20面积变化(%)

6、（2000-1980年）总体平均1.73 12.10 34.62 13.90 37.65 肥力指标的演变特征86.17%2022/9/2118肥力指标的演变特征全氮：20年来，由3.02降至2.70，0.32g/Kg20年前，南部公主岭土壤几乎都为五级，北部基本为一、二级。20年来，北部降幅大，南部的公主岭、双城未降。说明北部与有机质降快密关，南部与施肥关系大指标分级g/kg一二三四五4.54.5-3.03.0-2.02.0-1.51.5变化(%)(2000-1980年)总体平均-15.96 2.79 13.91 4.25 -4.99 2022/9/2119肥力指标的演变特征全磷：20年来，由

7、1.03增至1.41，0.38g/Kg南部增加幅度更大，主要是20年来该区重视施用磷肥表3-27 20年来黑土区土壤全磷变化指标分级一二三四五P g/kg1.31.3-0.90.9-0.70.7-0.50.5变化占总面积(%)总体平均14.82 2.43 -8.15 -7.66 -1.44 2022/9/2120肥力指标的演变特征速效养分-碱解氮（AN）： 20年来，AN基本持平，仅降低1.53mg/kg AN在80年代是降的，但90年代以来，AN呈增加趋势 说明随着年限增加及产量提高，大量养分被带走，致AN降低。但施肥又使AN保持了一定平衡2022/9/2121肥力指标的演变特征速效养分-速

8、效磷（AP）：20年来，由9.53增至20.50mg/kg，10.97。且都有增加，但无明显规律性目前68%以上的AP属于二级。说明总体上磷素不缺，可减少磷肥的施用数量和强度指标分级一二三四五(P mg/kg)30.030.0-20.020.0-10.010.0-5.05.0变化(%)(2000-1980年)总体平均12.21 40.82 -12.28 -36.03 -4.72 2022/9/2122肥力指标的演变特征速效养分-速效钾（AK）：20年来，由228降至180，48mg/kg，-21% 北部多数从一级降到二级；南部公主岭从三级降到四级表3-32 20年来黑土区土壤速效钾变化指标分级

9、(K g/kg)一二三四五30.030.0-20.020.0-10.010.0-5.05.0变化(%)(2000-1980年)总体平均-29.65 28.98 -1.43 2.10 2022/9/2123肥力质量的演变特征 选择评价因子：pH、有机质、速效磷、速效钾、粘粒等。用肥力质量综合指数（IFI 01），判定土壤肥力质量分级2022/9/2124黑龙江五县（嫩江、五大连池、克山、北安、海轮） 黑龙江双城1980年黑土地区土壤肥力质量综合指数分级与分布图2022/9/2125 2000年黑土地区土壤肥力质量综合指标分级与分布图2022/9/2126肥力质量的演变特征表3-37 黑土地区土壤

10、（0-20cm）肥力质量综合指数变化2000年1980年变化值IFI0.662 0.678 -0.015 主要是pH值、有机质和速效钾含量降低所致。南部IFI有所提高，主要磷肥施用使速效磷大幅提高的结果从南到北IFI呈增加趋势，且主要在二、三级；南部在四级。20年来，IFI降0.015，一、二级降，说明肥力质量总体呈下降态势指标分级一二三四五IFI0.80.8-0.70.7-0.60.6-0.40.4变幅（%）-18.43 -1.63 18.52 2.60 -1.07 2022/9/2127（三）30年来东北黑土地区土壤有机质的变迁（1980-2010）有机碳：与土壤肥力关系（土壤有机碳与产量

11、在一定程度是正相关）与气候变化关系（东北土壤是碳“汇”，还是碳“源”？）有机碳的变化趋势（平衡点？）研 究 区 域 示 意 图农业部哈尔滨黑土生态环境重点野外科学观测试验站海伦农田生态系统国家野外研究站公主岭黑土生态环境重点野外科学观测试验站沈阳农业大学地膜覆盖与肥料施用长期定位实验站（b）海伦公主岭昌图海伦公主岭昌图（a）为表层采样点分布图； （b）为剖面采样点分布图 研究区1980年和2010年旱田土壤表层和剖面采样点分布图（a）1980年采样点是以第二次土壤普查时期所记载的中国土种志、黑龙江土种志、吉林土种志以及海伦、公主岭和昌图三个县（市）的土壤志和相关手册为参考，共收集1980年海伦

12、、公主岭和昌图旱田土壤表层（0-20cm）有效样点135个（海伦53个，公主岭51个，昌图29个）；旱田土壤剖面（0-1m）有效样点64个（海伦20个，公主岭16个，昌图28个）。2010年采样点数据来自国家自然科学基金项目（41171237）和中国科学院战略性先导科技专项课题 (XDA05050501)，共收集2010年海伦、公主岭和昌图旱田土壤表层（0-20cm）有效样点237个（海伦91个，公主岭67个，昌图79个）；旱田土壤剖面有效样点68个（海伦22个，公主岭22个，昌图24个）。区域统计叠加评价单元土壤图土地利用现状图行政区划图采样点图评价单元图采样点GISIDW比例尺：1：500

13、00研究区评价单元海伦1283公主岭40861 昌图25624 数据处理过程（评价单元）提取数据处理流程图（评价单元）耕地图斑养分分级图土壤表层有机碳密度 1. 结果19802010 昌图 公主岭 海伦土壤表层有机碳密度的时空变化 结果过去30年，土壤表层有机碳密度总体呈现下降趋势，少量地块有所增加，下降最为严重地方发生在海伦的中北部。84.36%的 旱田面积91.34%的 旱田面积56.77% 的 旱田面积15.64%8.66%研究区SOCd均值 (kg m-2)SOCd (kg m-2)198020101980-2010昌图2.622.57-0.05公主岭2.962.46-0.50海伦8.

14、197.72-0.46均值4.594.25-0.3443.23% 昌图 公主岭 海伦土壤表层有机碳储量时空变化 结果研究区SOCs (Tg) SOCs (Tg)198020101980-2010昌图8.558.41-0.14公主岭9.417.85-1.56海伦27.1824.91-2.27总计38.0233.37-4.65与密度趋势相似，过去30年，土壤表层有机碳储量总体呈现下降趋势，少量地块有所增加，下降最为严重地区发生在海伦。43.59%56.41%的 旱田面积81.34%的 旱田面积83.36%的 旱田面积16.64%8.66% 昌图 公主岭 海伦假设1：自然环境对土壤有机碳平衡有正向的

15、影响假设2：土壤性质对土壤有机碳平衡有正向的影响假设3：人为管理对土壤有机碳平衡有正向的影响假设4：自然环境与土壤性质有相关影响假设5：土壤性质与人为管理有相关影响假设6：自然环境与人为管理有相关影响 2. 概念模型建立有机碳平衡关系概念模型 潜变量Latent variable测量详细内容Details可信度Cronbachs Alpha自然环境1年均温度x10.751年均降水量x2坡度x3土壤性质2土壤质地x40.736pHx5人为影响3肥料施用量x60.76秸秆施用量x7耕种方式x8土壤碳平衡作物单产y10.705土壤有机碳含量y2 各变量一览表及数据信度值 土壤性质、气候环境和人为管理

16、对土壤有机碳平衡过程起到直接或间接的作用，且土壤性质和气候环境对土壤有机碳平衡过程更具影响力。因此，从区域土壤有机质提升或培肥角度，我们需要通过影响有机碳平衡关系的因素来确定提升或培肥的目标，即土壤有机碳的平衡点，从而对培肥或固碳起到指导作用。小结自然土壤农田 3. 土壤有机碳平衡点 当前主流假设理想饱和模型自然未被扰动的土壤模式开 垦T.O.West and J.Six. 2007. Climatic Change, 80: 25-41随着碳的不断投入最终达到饱和状态自然土壤有机碳含量远大于开垦后农田土壤有机碳含量但是，如何在现有的状态下确定土壤有机碳平衡点，使其具有现实的可操作的意义？本研

17、究提出的土壤有机碳平衡点概念是在当前一定气候条件下（主要指温度与降水），通过人为培肥（主要是施用有机肥等）后土壤有机碳所能达到的并处于相对平衡状态的有机碳含量，并将这一时期的土壤有机碳含量称为有机碳的平衡点 。从区域土壤肥力角度出发，土壤有机碳平衡点是指当前实际的区域肥力水平和耕作管理条件下土壤 有机碳能够达到的理想目标值，即高肥力水平土壤有机碳的含量。当前状态下，有机碳平衡点和气候、土壤因素之间的关系？ 区域土壤有机碳平衡点模型 土壤有机碳平衡点 研究区位置及采样点分布图研究区面积:东北地区主要旱田面积为 6.67104 km2。采样点数据: 共采集样点484个: 75 高肥采样点 335

18、中肥采样点 74 低肥采样点注释: 肥力水平划分依据4个长期定位试验站长期施用高量有机肥。指标: 土壤有机碳含量 (SOC); 土壤黏粒含量 (CL); pH; 年均温 (AMT); 年降水 (AMP); 有效积温 (EAT); 水温比 (P/T)。气候数据:74 气象台站点 1999-2008年。SOCb = 49.45*e-0.107AMT + 30*e-0.361AMP + 113.44*e-0.359EAT -61.12*e-0.048P/T + 0.1*CL- 2*pH - 3.46 (R2= 0.87，n=52） 土壤有机碳平衡点模型构建土壤有机碳平衡点 (SOCb) 模型: 通过

19、麦夸特法（Levenberg-Marquardt) 和通用全局优化法（Universal Global Optimization算法），即LM+UGO优化算法（收敛判断指标设定为1.0010-10）模拟计算的。统计模型如下:反距离加权 4. 研究区不同肥力采样点和评价单元分布图 提取不同肥力采样点不同肥力区结果1研究区平衡点结果243.05 g/kg均值SOCb参考东北长期定位试验不同肥力有机碳值应用拟合方程进行区域平衡点插值模拟中肥区土壤有机碳可提升的能力4. 结果土壤有机碳提升能力SOCc低肥区土壤有机碳可提升的能力当前土壤有机碳含量SOC平衡点SOCb 均值22.16 g/kg最小值0.

20、7 g/kg最大值37.34 g/kg均值 10.60 g/kg最小值 0.86 g/kg最大值32.86 g/kg小结基于平衡点概念构建了东北地区旱田土壤有机碳平衡点的统计模型：SOCb = 49.45*e-0.107AMT + 30*e-0.361AMP + 113.44*e-0.359EAT-61.12*e-0.048P/T + 0.1*CL- 2*pH - 3.46 (R2= 0.87，n=52) 。区域模拟结果：潜在平衡点（SOCb）平均为43.05g/kg； 中肥区平均可提升10.60g/kg，低肥区平均可提升22.16g/kg。过去30年间，无论表层土壤（0-20cm）还是1m深

21、度土壤的密度和碳储量均呈现减少趋势，从碳源碳汇角度，均为碳源。2022/9/2144三、黑土保护利用的技术模式加大基础设施建设，提高抗御灾害能力模式-高标准农田；加强科技投入和应用，提高单产模式-新品种+新技术；3. 创新服务，提高粮食生产机械化装备水平模式-机械化+集约4. 加快立法，保护黑土与规范管理法制模式-国家黑土保护条例；5. 建立政策支持保护体系，促进粮食稳定发展模式-政策性补贴。 构建肥沃农田黑土的内在物质基础 确保作物良好生长的外部环境条件 东北黑土地保护技术创新体系耕层浅与压实、碳数量与质量下降、低温下生物肥力低、障碍等水资源相对不足与季节性干旱、连作障碍、土壤养分失衡构建黑

22、土区保护支撑保障体系 持续稳产水肥管理与障碍防控工程参数优化土壤物理、化学、生物肥力提升工程参数优化黑土区保护工程技术集成与示范 高标准农田质量的本质属性研究黑土区高标准农田建设的质量评价体系构建黑土区不同类型高标准农田建设模式及示范黑土区高标准农田质量 评价体系构建及应用2022/9/2147四、黑土保护的主要技术措施水土流失防治模式 该区土地利用类型主要为耕地。治理方向以坡耕地治理为重点，工程措施、植物措施和农业措施相结合。一是漫川漫岗区水土流失综合防治技术体系。漫川漫岗区坡耕地治理二是丘陵沟壑区水土流失综合防治技术体系。合治理、工程措施与植物措施、治坡与治沟有机结合的多层次立体配置，形成

23、有效的综合防治技术体系。 该区土地利用类型主要为耕地、林地和草地。治理方向以防治坡耕地水土流失为重点，构建预防保护与综三是东北现代农业垦区水土流失综合防治技术体系。 黑龙江垦区以防治耕地水土流失为重点，采取“沟、管、洞、缝、植、物、耕”等措施，发挥农场机械化优势，构建“坡、水、田、林、路”水土流失综合防治技术体系。取机动地调串、重新丈量土地、经济补偿、发展埂带经济等办法解决占地串地问题；蓄水入手，构建工程、土壤、生物“三种水库”，并形成了坡顶、坡面、沟道 “三道防线” 。拜泉县 “三道防线”水土流失综合治理问题与建议：防治速度慢，任务艰巨，需要300年才能完成 建议国家尽快立项实施东北黑土区侵

24、蚀沟综合治理专项工程。现行的土地承包制度及工程占地补偿政策缺乏，严重制约大规模开展黑土区水土流失治理 建议制定相应配套政策，鼓励社会参与:明确地方政府和土地使用者保护黑土地的责任，把黑土地保护纳入地方政府目标考核；允许对项目区内涉及水土流失治理的土地进行重新调整，对水土保持工程占地给予一定补偿；建立民间资本参与黑土地水土流失治理的机制。 农机与农艺结合相互促进提高模式不同耕作方法都有其侧重：精耕细作侧重于提高单产，但代价高，不利于保护土壤持续利用；在不适于保护性耕作地区仍需要。免耕法侧重于保护土壤、降低能耗，对单产影响较大，产量稳定性差。受地区积温低的影响，其应用面积受限。但必需积极探索试验应

25、用；少耕法侧重于土壤的用、养相结合，可持续发展。从垦区扩大到地方农村，已成为趋势。（1）平作模式：宽窄行，免耕播种，宽行留高茬（40-50cm）(风吹、日晒、雨淋、冻融，自然腐烂还田)（预备年）秋整地：灭茬、旋耕。之后全方位深松，打破犁底层在6月雨季以前深松追肥35-45cm保护性耕作三模式（休闲带）（种植带）问题与技术模式温度、水分综合调控技术秸秆间隔覆盖水分温度空白空白东北黑土地地力提升与生态保护的根本条件之一科学的、持续的茎秆还田的技术与装备的完善、推广提升地力增加腐殖质，加深耕作层茎秆的粉碎促进其腐解1、扣翻入土层，加速分解。即传统型耕作2、茎秆粉碎的茎秆分布于地表，防止风蚀，也能腐解

26、。保护性耕作对大豆、小麦与水稻言收获的同时，进行茎杆的粉碎已无困难。1、粉碎达到指定的要求，防止播种堵塞；或便于中耕，促进分解2、在田面分布均匀，不能集堆玉米茎杆的特点长而粗，玉米穗处于中上部玉米联收机后加装旋耕式的切割粉碎装置，但长短不一，撒布不匀。在免耕播种时茎秆积堆、堵塞。希望最长的20cm，而今国产机尚无此产品。当前的问题是玉米茎杆的粉碎与均匀撒布粉碎后分别不均耕作、植保、收获机械 1DF-5760型复式少耕整地机 黑龙江省农机研究院研制的1DF-5760型复式少耕整地机是比较典型的由多种冲击碎土部件配置而成的重型联合整地机。它主要由圆盘耙、深松机、碎土合墒器等工作部件构成，一次进地即

27、可完成耙茬碎土，耕层浅松，底层深松和地表整平合墒作业。其主要特点是一机多架，一架多具。整机结构质量（kg）：6000；外形尺寸（m）：9.424.451.825；作业幅宽（m）：3.6；配套动力（hp）：260310。 联合整地机械阿玛松约翰迪尔国外其他同类产品库恩凯斯国外其他同类产品库恩雷肯国外其他同类产品1DMX-3500型灭茬深松旋耕起垄联合作业机 黑龙江省农机研究院研制的1DMX-3500型灭茬深松旋耕起垄联合作业机是专为玉米茬整地设计的带有深松部件的联合整地机，一次进地即可完成玉米茬地的灭茬、深松、旋耕、起垄、镇压联合作业。与其他厂家不同的是在增加了一个齿轮箱后，灭茬轴与旋耕轴之间的

28、距离加大，配置了五个垂直刀齿式深松钩，使得深松深度可以达到30cm，完成的是真正意义上的整地深松。 配套动力（Hp）: 185耕 幅（m）: 3.5作业垄距（cm）:6070可调作业垄数（条）: 5深松深度（cm）：2530旋耕刀轴转数（转/分）：200230旋耕深度（cm）：1416作业速度（km/h）:36 联合整地机械国内外其他同类产品运科东金沃尔双申红日国内其他同类产品 国产气吸式免耕精量播种机已经达到国际先进水平 2011年黑龙江省农机研究院创新研制了具有上述进口播种机结构特征的2BQ系列气吸式免耕精量播种机，成为国内第一个具有国际先进水平，完全可以替代进口的国产高端气吸式免耕精量播

29、种机产品。同时也是国内唯一进入了黑龙江省农垦总局的购机补贴目录的国产气吸式免耕精量播种机产品。 精量播种机械阿玛松马斯奇奥国外其他同类产品库恩格兰国外其他同类产品 3ZQ-8型、3ZQ-10型中耕追肥起垄机 黑龙江省农机研究院研制的3ZQ系列中耕追肥起垄机是在吸收国外最新推广应用的中耕技术基础上，结合我国的自然经济条件和农艺要求研制而成的中耕追肥起垄机具。 三、中耕、植保机械 中耕、植保机械 3WF-1000型喷杆式喷雾机 喷雾是利用专门的装置把溶于水的化学药剂分散成细小的液滴,均匀地散布在植物体或防治对象的表面上,以达到防治病虫草害的目的,这是目前应用最为广泛的一种施药方法。 黑龙江省农机研

30、究院研制的3WF-1000型喷杆式喷雾机适用于在粮、棉、菜等农作物苗前及苗后期进行灭草剂、杀虫剂、杀菌剂、叶面肥及生长素等各种药剂的喷洒作业。该机多项技术属国内首创，作业质量好、工作效率高、使用安全可靠。 中耕、植保机械马斯奇奥国外自走式喷雾机产品凯斯约翰迪尔超高地隙喷雾剂 自走式玉米果穗收获机 勇猛4YZ-4HS型自走式玉米收获机 约翰迪尔Y210型自走式玉米收获机 金亿春雨4YZ-4型自走式玉米收获机 玉米收获机械 玉米机收后秸秆经收获机配置的还田装置直接粉碎还田，目前多数收获机还田装置粉碎效果较差，秸秆长度过长，达不到还田要求，需要再处理。 玉米收获机械具有秸秆揉搓粉碎功能新型玉米割台（自走式玉米收获机配套） 下图为约翰迪尔自走式玉米收获机配套的玉米割台 玉米收获机械 新型玉米收获揉搓粉碎割台作业效果 目前国外还没有研发专门针对玉米秸秆的捡拾打捆机，目前市场上的打捆机大多是针对牧草或麦秸等禾本科作物研发的。而我国目前的保有量仅为美国的0.1%。 秸秆处理机械现状我国生产打捆机的厂家既有老牌企业内蒙华德，也有新兴的企业盘锦双赢、沈阳方科、哈尔滨首泉、龙江亿龙等企业，这些企业近几年都在为玉米秸秆的捡拾打捆不断进行着研发和改进，但产品可