东北黑土地区耕地土壤质量、水资源和湿地资源演变

东北黑土地区耕地土壤质量演变

耕地土壤类型与数量

根据 2019 年《全国耕地质量等级情况公报》，东北地区耕地总面积为 4.49 亿亩（2.99×107 hm²），集中分布在松嫩平原、三江平原、辽河平原、大小兴安岭山麓和长白山低山丘陵区；该区域耕地质量平均为 3.59 等，其中高等地（1—3 等）占 52.01%，中等地（4—7 等）占比 40.08%，低等地（8—10 等）占比 7.90%。该区域耕地土壤类型面积最大的是草甸土，占总耕地面积的 19.69%；其次为暗棕壤和黑土，分别占耕地总面积的 16.76% 和 13.29%；再次为水稻土和黑钙土，分别占耕地面积的 11.63% 和 10.35%；其余土壤类型中，白浆土、棕壤、潮土、褐土、栗钙土分别占 9.02%、6.15%、5.07%、4.28%、2.79%，盐碱土与沼泽土共占 0.97%。

耕地土壤质量变化

近年来，由于自然因素制约和人为高强度利用，该区域水土流失日益严重。据调查，黑土区平均每年流失 0.3—1.0 cm 厚的黑土表层，黑土区原本较厚的黑土层现在只剩下 20—30 cm，有的地方甚至已露出黄土状母质，基本丧失了生产能力。据测算，黑土地区现有的部分耕地再经过 40—50 年的流失，黑土层将全部消失。根据第一次全国水利普查数据，目前东北地区水蚀面积达 2.16×105 km2，其中黑土和黑钙土分布区水蚀面积占 35.5%。东北黑土有机质含量从原来开垦初期的 60—80 g·kg-1，耕种 20—30 年后下降到 20—30 g·kg-1，2014 年平均为 30.56 g·kg-1，这导致黑土有机碳储量降低，成为“碳源”。多年来，东北地区普遍采用小四轮拖拉机进行农田耕作及运输，反复碾压导致耕层土壤容重增加、土壤板结、孔隙减少、通透性变差、入渗能力下降。黑土理化性状恶化导致保水、保肥性能减弱，抗御旱涝能力降低，团粒结构减少，土壤日趋板结，黑土“变瘦、变硬”。2016 年对黑龙江嫩江至吉林公主岭 46 个黑土耕地的调查表明，大多数耕地耕层厚度为 13—14 cm（占 34.8%），而黑土耕地紧实层厚度大多为 10—17 cm（占 30.4%）。

黑土地耕层土壤 pH 值下降，土壤酸化趋势明显。从东北黑土地区土壤情况来看，pH 值在< 4.5 的极强酸性耕地占 12.8%，4.5—5.5 的强酸性耕地占 13.7%，5.5—6.5 的弱酸性耕地占 43.6%。从耕地的土壤类型看，黑土 pH 值均值为 5.98，暗棕壤为 5.91，棕壤为 6.26，草甸土为 6.7，白浆土为 5.84，水稻土为 6.32。虽然水稻土 pH 值接近中性，但由于稻田施肥量高，1979—2017 年，强酸性（pH 值 ≤5.5）水稻土面积增加了约 2.9×104 hm2，水稻 pH 值下降（土酸化）速率达 0.016/年；目前，该区域强酸性和弱酸性水稻土分别 6.1% 和 46.7%，中性水稻土仅占 35.7%。

在东北黑土地保护行动中，目前已建立了以玉米秸秆覆盖免耕为核心的“梨树模式”，包括秸秆全覆盖均匀行、秸秆覆盖原垄垄作、秸秆集行全量覆盖还田苗带浅旋 3 种技术模式，实行收获与秸秆覆盖、土壤疏松、免耕播种与施肥、病虫草害防治的全程机械化生产，综合提升黑土的生产和生态功能。针对黑土耕层变浅、犁底层增厚问题，建立了以有机物料深混还田为核心的肥沃耕层构建技术体系，在黑龙江构建了黑土玉米-大豆轮作与翻免浅耕作组合的“龙江模式”，协同解决打破黑土犁底层，提高黑土有机质和养分库的问题。

总体上，东北高强度垦殖利用和水土流失导致黑土“变薄、变硬、变瘦、变酸”，土壤有机质、耕层厚度和排灌能力已成为制约黑土地力提升的关键因子。在黑土地高标准农田建设中，缓坡耕地的细沟侵蚀及侵蚀沟切割严重影响了黑土地的机械化耕作培肥，亟待发展侵蚀沟治理模式；同时，黑土区冷凉气候影响了秸秆等有机物料的分解和碳、氮、磷养分的循环利用，制约了土壤有机质的提升和化肥的有机替代，亟待发展农田生态系统有机物和养分高效循环利用模式。 

东北黑土地区水资源和湿地资源演变

水资源和湿地资源特征

东北黑土地区水资源紧缺且不稳定。据统计，东北地区水资源总量为 1.6×1011 m³，只占全国水资源总量的 5.8 %；人均水资源量为 1 599 m³，为全国平均水平的 77.6 %。大气降水是东北黑土地区地表水和地下水的主要补给源，但时空分布极不均匀。空间分布上，自东南而西北，年降水量自 1 000 mm 降至 300 mm 以下，从湿润区、半湿润区过渡到半干旱区。时间分布上，降雨高度集中于汛期（每年 7—9月），约占全年降雨量的 70%，汛期径流量占全年径流量的 80% 以上。受降水量年际变化的影响，东北黑土地区水资源总量、径流量年际变化也较大，影响农业生产的稳定性。

水资源的可持续开发利用对东北黑土地区农业发展和湿地生态环境至关重要。据统计，2016 年东北地区农业用水量为 5.51×1010 m³，约占全区可利用水资源量的 78%，高于全国平均水平（65%），地下水开采量为 3.22×1010 m³，约占全区用水量的 46%，其中 82% 用于农田灌溉。此外，东北地区湿地面积广阔，主要分散在大兴安岭、小兴安岭、长白山、三江平原、松嫩平原、辽河三角洲等地区，总计面积 7.5×104 km²，占全国湿地总面积的 14.1%。湿地具有水源涵养、生物多样性、洪水调蓄、局地气候调节等重要的生态功能，而大面湿地开垦及地下水不合理开采会导致湿地萎缩或消失，生态环境失衡。东北地区是我国内陆沼泽湿地分布面积最大的区域，沼泽湿地占全国湿地面积的 48.3%。

水资源数量变化 

过去近 50 年东北黑土地区平均气温呈线性增加，相应的蒸发量有明显增加，而降水量整体上呈减小趋势，但变化不显著。从水量平衡角度看，东北黑土地区水资源补给量变化不显著，而水资源短缺有加剧之势。

东北黑土地区粮食作物灌溉需水量总体呈增加态势。随着耕地结构的变化方向由旱地向水田转化，水稻需水变化控制着农田灌溉需水量。据统计，1990—2017 年，黑龙江、吉林和辽宁的水稻播种面积增加了 3.63×106 hm²，增加了 2.2 倍；其中，吉林和黑龙江面积分别增加了 4.0×105 hm²和 3.27×106 hm²，分别增加了 0.96 倍和 4.86 倍，但辽宁水稻播种面积减少了约5×104 hm² 。

灌溉用水量的增加直接导致了地下水开采量的增加，一定程度上造成了地下水水位下降趋势明显。据统计，相比 2001 年用于农业的地下水开采量，东北地区 2016 年增加了 16%，达到了 2.65×1010 m³，而地下水埋深增加的区域主要集中于松嫩平原中部和东北部、三江平原东部，以及辽河平原西部等地区。近年来，东北四省（区）采取了一系列治理措施，部分超采区得到有效治理，但农业生产使得局部地下水超采有加剧趋势。因此，如何有计划地调整粮食种植结构和提高灌溉用水生产率成为在缓解缺水与保持农业高产、稳产之间取得平衡的关键因素。

湿地面积和生态功能变化

受粮食生产压力和对湿地功能认识的不足，东北黑土地区湿地面积明显退化。以三江平原为例，经过近 60 年大规模垦荒，湿地面积已降到 1949 年前的 20%，不足 1.0×106 hm²。据最新遥感解译，2020 年底东北湿地为 7.66×106 hm²，相比 1975 年减少了11%。此外，由于湿地面积的变化受气候和人类活动的影响程度不同，不同时期湿地类型转化规模不同，但耕垦是当前最主要的变化模式。对比东北 1990—2000 年和 2000—2013 年天然湿地和人工湿地与其他类型间的转化，发现在 1990—2000 年有 1.15×106 hm²天然湿地转化为耕地，人工湿地转化为耕地的面积仅 2.5×104 hm²，而 2000—2013 年仅有 5.35×105 hm²天然湿地转化为耕地，人工湿地转化为耕地的面积仅 2.0×104 hm²。

湿地生态系统通常在调节水文径流、补给地下水和维持流域水平衡发挥着重要作用。然而，东北湿地受到气候变化和人类活动的影响而大面积减少，导致这些功能显著降低，使东北地区在干旱或洪水灾害面前缓冲能力降低。较为典型的例子为 1998 年松嫩流域特大洪水。在中西部半干旱地区，水利工程建设导致地表水补给减少、地下水过度开采等加剧该地区由气候变化导致的湿地萎缩，使土地进一步沙化。与半干旱区相比，水资源丰富的三江平原沼泽湿地大面积减少而人工湿地增加，这导致沼泽湿地景观破碎化、生物多样性减少。而光、热资源丰富的辽河平原，水稻种植无序发展加剧了当地水资源供需矛盾，并造成了地下水污染等环境问题。 

（作者：张佳宝、孙波、潘喜才，中国科学院南京土壤研究所；朱教君、高添，中国科学院沈阳应用生态研究所；汪景宽 沈阳农业大学土地与环境学院；《中国科学院院刊》供稿）