耕地中的“大熊貓”：可算知道它多少歲了！

出品：科普中國

作者：陳冬峰、李成保（中國科學(xué)院南京土壤研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

黑土對于我們來說都不陌生，土壤是陸地表層含有機(jī)質(zhì)之礦質(zhì)顆粒的集合體，而黑土則是那些富含有機(jī)質(zhì)（碳）、土層顏色灰黑的土壤。

黑土的最大特點(diǎn)就是含有豐富的有機(jī)碳，如果能準(zhǔn)確測定土層中最初產(chǎn)生與其后加積演化的有機(jī)碳，將能判斷土壤的形成年代和演化速率，這對黑土資源可持續(xù)利用與管理有著重要意義。不僅如此，作為我國糧食安全的關(guān)鍵，有效保護(hù)黑土資源更是對我國的大國糧倉建設(shè)至關(guān)重要。

那么黑土中的有機(jī)質(zhì)到底是如何產(chǎn)生的？在產(chǎn)生后又如何進(jìn)行不斷累積和演化呢？別急，我們一起往后看。

黑土測齡？遠(yuǎn)比你想象中復(fù)雜

土壤是一個(gè)極為復(fù)雜的開放體系，其物質(zhì)的交換、遷移與轉(zhuǎn)化等過程始終存在。這種復(fù)雜的物理、化學(xué)與生物學(xué)特性使得準(zhǔn)確界定土壤的形成年齡顯得十分困難。

為了更準(zhǔn)確的測量和確定土壤年齡，由中國科學(xué)院南京土壤研究所和南京地理與湖泊研究所等單位研究人員，根據(jù)東北黑土區(qū)數(shù)十個(gè)剖面的廣泛調(diào)查結(jié)果，對黑土層底界之下出現(xiàn)的碳屑和深部埋藏的黑土層進(jìn)行研究，并進(jìn)一步對平穩(wěn)地形條件下自然發(fā)育的三個(gè)黑土剖面進(jìn)行碳14和OSL定年。

東北黑土區(qū)地形地貌圖

（圖片來源：中國科學(xué)院）

通過這一研究，我國科學(xué)家有效解決了黑土年齡無法準(zhǔn)確限定的難題，并首次明確了我國東北典型黑土區(qū)黑土形成的初始年齡范圍介于距今16.9～12.6 千年，遠(yuǎn)早于此前普遍認(rèn)為的全新世早中期（10～5千年）。

碳14年代測定法是放射性碳定年法（Radiocarbon dating），又稱為碳十四斷代法（Carbon-14 dating），是根據(jù)碳14的衰變程度（碳14的半衰期為5730年）來計(jì)算出樣品的大概年代的一種測量方法，這一方法通常用來測定古生物化石的年代，測定年代范圍58～62千年。放射性碳法是在第四紀(jì)地質(zhì)測定年齡方法中精度最高、用途最廣、最成熟的方法，廣泛應(yīng)用于距今50千年以來的地質(zhì)、環(huán)境和考古研究。

OSL（Optically stimulated luminescence）光釋光測年法與同位素測年法都是基于同一原理：總量、速率與時(shí)間之間有某種函數(shù)關(guān)系。如果已知總量和速率，則可求出時(shí)間（年代）。凡經(jīng)過陽光（自然光）充分曬退過的含有石英或長石等礦物的埋藏地質(zhì)體和考古樣品都可作釋光測年，例如黃土、沙丘砂、古陶片、快速隆升的基巖等。

研究人員分別采用上述二種方法對東北黑土進(jìn)行了測量，結(jié)果顯示，黑土層基部OSL年齡（14～13.5千年）遠(yuǎn)老于碳14年齡（9～7千年）。由此可以推斷OSL年齡代表了黑土中最初產(chǎn)生的有機(jī)碳的年齡，而全土（后來加積的黑土層）碳14年齡（土壤有機(jī)碳平均滯留時(shí)間）則大大低估了黑土的形成年齡。

黑土剖面

（圖片來源：中國科學(xué)院）

這一推論符合于第四紀(jì)地質(zhì)環(huán)境背景，OSL年齡對應(yīng)的時(shí)間處于晚冰期暖期（約距今14.7–12.7 千年），末次冰盛期以來的區(qū)域氣候在此時(shí)段經(jīng)歷了快速暖濕化，顯著提高了生物量，對土壤有機(jī)質(zhì)的累積演化提供了有利條件。

對被埋藏黑土層測定的年齡也證實(shí)了這一點(diǎn)。根據(jù)碳14與OSL年齡的巨大變化、成土母質(zhì)沉積過程及區(qū)域歷史環(huán)境等因素，研究人員提出了黑土形成的新模式——加積模型，認(rèn)為我國東北深厚黑土層的形成是有機(jī)質(zhì)積累和礦質(zhì)粘粒持續(xù)加積共同作用的結(jié)果。該模型不僅揭示了深厚黑土層的形成機(jī)制，還解釋了為何土壤有機(jī)碳碳14年齡會嚴(yán)重低估黑土的形成年齡。

黑土有機(jī)質(zhì)組分碳14年齡與OSL年齡深度變化特征揭示黑土形成的加積模式

（圖片來源：中國科學(xué)院）

守衛(wèi)黑土地，上陣黑科技

對黑土有機(jī)質(zhì)累積演化規(guī)律的精準(zhǔn)研究，將會成為揭示培肥黑土、提升土壤生產(chǎn)力的有效途徑，理應(yīng)成為當(dāng)下土壤學(xué)研究的首先方向。

2021年，中國科學(xué)院啟動和實(shí)施了“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)，乃是研究、揭示黑土有機(jī)質(zhì)的累積演化規(guī)律的重大舉措，南京土壤所的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)是這一會戰(zhàn)的骨干力量。

大面積培肥區(qū)域性黑土并提高其生產(chǎn)力的任務(wù)十分艱巨。土壤有機(jī)質(zhì)作為耕地內(nèi)在生產(chǎn)力的核心指標(biāo)，是影響黑土地質(zhì)量的重要因素。

東北黑土區(qū)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量空間分布圖

（圖片來源：中國科學(xué)院）

目前，增施有機(jī)肥、種植綠肥、秸稈還田、沃土微生物菌劑、保護(hù)性耕作等手段均能有效增加有機(jī)質(zhì)，但外加有機(jī)物轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)的過程是很緩慢的。

為了解決速度上的難題，南京土壤所的研究團(tuán)隊(duì)對黑土有機(jī)質(zhì)含量快速持續(xù)提高和健康土壤培育方面進(jìn)行了大量調(diào)查和研究，基本建立有效的增碳沃土技術(shù)體系。

該技術(shù)體系采用綜合的農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，盡量多施用人畜禽糞堆漚的農(nóng)家有機(jī)肥，綠肥與秸稈結(jié)合還田并配施含有巨大芽孢桿菌的微生物菌劑，以加速有機(jī)物的腐爛分解，形成土壤腐殖質(zhì)，增加黑土的有機(jī)質(zhì)含量，并采用深耕、翻耙等耕作措施，為有效培肥黑土、提升土壤生產(chǎn)力提供技術(shù)支撐。

田里的農(nóng)家肥

（圖片來源：Veer圖庫）

針對黑土地變薄、變瘦、變硬等問題，當(dāng)下國家科技會戰(zhàn)隊(duì)伍開展天空地一體化監(jiān)測和預(yù)警研究，以加快實(shí)現(xiàn)黑土地生產(chǎn)的智能化運(yùn)作。

土地耕耙、作物播種栽插和施肥實(shí)現(xiàn)自動化無人操作，通過衛(wèi)星定位，使智能除草機(jī)精準(zhǔn)清除田間作物中的雜草，實(shí)現(xiàn)除草機(jī)械化，這樣就消除了因施用除草劑而引起的污染，保護(hù)了耕地環(huán)境。

新一代無人化智能農(nóng)機(jī)

（圖片來源：新華社）

除此之外，科研人員還不斷開展土壤退化過程阻控技術(shù)的研究與開發(fā)，在黑土區(qū)綜合規(guī)劃建造防護(hù)林帶，在多風(fēng)的崗坡地上種植多年生牧草，以防止土壤風(fēng)蝕和水土流失，這對累積有機(jī)質(zhì)、保護(hù)黑土層起有重要作用。為了實(shí)現(xiàn)黑土地的綜合保護(hù)利用，需要大力研發(fā)多種型式的耕種管智慧機(jī)械，以適應(yīng)鄉(xiāng)村振興和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的迫切需求。

結(jié)語

在東北黑土區(qū)，深厚的土層均呈黑色，乃是黑土地富含有機(jī)碳的有力證據(jù)。準(zhǔn)確測量黑土年齡并提出加積模型對理解黑土資源形成過程與機(jī)理、評估黑土資源可持續(xù)性，以及對斷定土壤年齡有著重要意義。可以設(shè)想，如果能弄清黑土有機(jī)碳的累積演化規(guī)律，進(jìn)而設(shè)法開發(fā)出能使一般土壤有機(jī)碳含量提升到一般黑土水平的技術(shù)，那就會大大增加土壤碳庫的容量。這將促進(jìn)我國“雙碳”目標(biāo)的早日實(shí)現(xiàn)，對于全球氣候變化而言無疑是一大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國科學(xué)院南京土壤研究所主編，1978, 中國土壤，科學(xué)出版社。

[2]Zhang G., Long H., and Yang F. (2023). Understanding the formation time of black soils. The Innovation Geoscience 1(1), 100010