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(qū)是世界四大黑土區(qū)之一，是國家重要的商品糧基地和綠色食品生產(chǎn)基地，其中典型黑土面積達(dá)22.6萬平方公里。據(jù)國家發(fā)改委公布的數(shù)據(jù)，近年來東北三省糧食產(chǎn)量占全國的1/5以上，商品糧量約占全國的1/4，糧食調(diào)出量約占全國的1/3。

由于黑土土質(zhì)疏松以及持續(xù)開墾的影響，黑土區(qū)正面臨嚴(yán)重的侵蝕退化威脅（圖1）。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所楊石嶺研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)東北黑土區(qū)百余個(gè)土壤剖面開展大范圍野外調(diào)查和采樣，結(jié)合系列指標(biāo)分析，揭示了東北黑土的成因、侵蝕和退化現(xiàn)狀，提出針對(duì)性措施保障黑土資源和糧食安全。

圖1 東北黑土區(qū)的侵蝕地貌（熊尚發(fā)、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(xiàn)出典型的風(fēng)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(jié)果顯示，自西向東黑土粒度整體由粗變細(xì)，該沉積分異與東北地區(qū)塵暴季節(jié)（3?5月）的近地面風(fēng)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(fēng)力搬運(yùn)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(jié)風(fēng)向（c）

年代學(xué)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(shí)，東北黑土區(qū)的地貌條件并不穩(wěn)定，受到不同程度的侵蝕，這可能與冰期增強(qiáng)的風(fēng)蝕以及周邊山岳冰川融水導(dǎo)致的水蝕密切相關(guān)；而全新世氣候溫暖濕潤、植被發(fā)育，使得風(fēng)塵物質(zhì)得以保存并發(fā)育為富含有機(jī)質(zhì)的黑土。因此，東北地區(qū)風(fēng)塵沉積的發(fā)育與侵蝕與冰期?間冰期氣候旋回有緊密關(guān)聯(lián)。

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(jìn)入土壤后就被土壤礦物顆粒和有機(jī)物吸附，并隨土壤顆粒的移動(dòng)而遷移。據(jù)此， 137 Cs可用于構(gòu)建土壤侵蝕速率模型。

黑土侵蝕速率重建結(jié)果顯示（圖3），東北黑土區(qū)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(jìn)一步分析氣象參數(shù)與黑土侵蝕速率空間分布，發(fā)現(xiàn)東北黑土區(qū)西部的侵蝕營力以風(fēng)為主，東部以水為主，這一結(jié)論也在東北地區(qū)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(yù)警

研究團(tuán)隊(duì)集成了全國土壤總有機(jī)碳（TOC）含量，發(fā)現(xiàn)土壤TOC含量下降至0.5%時(shí)，土壤發(fā)生明顯退化（Guo et al., 2023; Cui et al., 2024；圖4）。全國谷物年產(chǎn)量集成數(shù)據(jù)（圖4）揭示，TOC含量下降至0.5%時(shí)，糧食產(chǎn)量顯著下降，即使在人工施肥干預(yù)下，生產(chǎn)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(yù)警指示，即TOC含量小于0.5%時(shí)，土壤已經(jīng)發(fā)生退化。

圖4 東北地區(qū)土壤TOC含量變化以及全國谷物產(chǎn)量與土壤TOC含量的關(guān)系

研究團(tuán)隊(duì)以土壤TOC含量變化為黑土退化評(píng)估基礎(chǔ)，綜合考慮黑土層厚度和侵蝕速率對(duì)黑土退化的影響，構(gòu)建了新的黑土退化評(píng)估體系（Yang et al., 2022, 楊石嶺等, 2022; Yang and Guo, 2024）。結(jié)果顯示（圖5），當(dāng)前已退化區(qū)面積為0.2萬平方公里（0.7%），高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)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(qū)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(jié)與展望

以上研究表明，東北黑土的礦物顆粒主要由風(fēng)力搬運(yùn)而來，而東北黑土的有機(jī)質(zhì)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)面積合計(jì)達(dá)~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(nèi)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(fēng)塵物質(zhì)的保存和侵蝕退化防治方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。為減少黑土侵蝕，研究團(tuán)隊(duì)提出適當(dāng)?shù)闹脖换謴?fù)和降低耕作強(qiáng)度將有助于減輕風(fēng)蝕和水蝕作用，建議在降水量較少的西部地區(qū)以種植草本為主，在降水量較多的東部地區(qū)以造林為主。

上述研究成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊和專著上，受到同行的密切關(guān)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(shù)據(jù)支撐可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)報(bào)告(2022)》案例之一，在聯(lián)合國部長級(jí)會(huì)議（2022年9月20日，紐約）上發(fā)布，為實(shí)施保障黑土地糧食安全、防治黑土侵蝕退化戰(zhàn)略提供了重要科學(xué)支撐，也為實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供了案例支撐和決策依據(jù)。

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