今年7月22日是吉林省首個黑土地保護(hù)日。在吉林省四平市梨樹縣高家村有一片試驗示范基地——中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所(以下簡稱沈陽生態(tài)所)保護(hù)性耕作研發(fā)基地，基地里隨處可見忙忙碌碌的學(xué)生和老師。
“來梨樹縣前，我都不知道黑土長什么樣。”一名來自中國科學(xué)院大學(xué)的江蘇籍學(xué)生告訴《中國科學(xué)報》?；乩锏膶W(xué)生大多來自城市，幾乎沒有干過農(nóng)活，如今卻已成為莊稼地里干活的好手。
沈陽生態(tài)所研究員張旭東是保護(hù)性耕作研發(fā)團(tuán)隊的首席科學(xué)家，他第一次來到梨樹縣還是2006年。一晃十多年過去了，他和團(tuán)隊依然奔波在東北玉米種植帶的各個鄉(xiāng)村，推廣玉米秸稈全覆蓋免耕技術(shù)，教當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶如何用好、養(yǎng)好黑土地。
黑土變饞、變渴
2002年，張旭東帶領(lǐng)團(tuán)隊在東北開展黑土考察時發(fā)現(xiàn)，由于長期的重用輕養(yǎng)，原本肥沃的黑土地累“瘦”了，黑土層正在變薄。
根據(jù)我國第二次土壤普查結(jié)果以及中國科學(xué)院“碳專項”的研究發(fā)現(xiàn)，盡管全國范圍內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量普遍提升，但是，東北旱地土壤的有機(jī)質(zhì)含量仍在下降。傳統(tǒng)耕作制度下的掠奪式經(jīng)營是黑土退化的根源。
每年4月，張旭東從沈陽前往梨樹縣的路上經(jīng)常遇到風(fēng)沙。他告訴記者：“風(fēng)沙刮走裸露的表土，造成黑土退化。同時，流動的雨水沖刷造成土壤侵蝕，不僅降低了土壤肥力，還增加了耕種難度。”
長此以往，黑土在變饞、變渴。張旭東解釋道，變饞是缺乏有機(jī)物料歸還導(dǎo)致土壤資源過度利用，黑土層變薄、有機(jī)質(zhì)變少、養(yǎng)分庫容量降低;變渴是地表裸露且頻繁耕翻導(dǎo)致黑土層流失，水分涵養(yǎng)能力下降、風(fēng)沙加劇、生態(tài)環(huán)境惡化，而過量化肥投入進(jìn)一步加劇了黑土退化。
“如果不能有效遏制土壤退化，就會嚴(yán)重影響東北黑土的生產(chǎn)和生態(tài)功能。”針對黑土農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)不暢、肥料利用效率低等問題，張旭東團(tuán)隊系統(tǒng)深入地研究了東北黑土氮素微生物轉(zhuǎn)化的過渡特性以及調(diào)控過程，并提出“土壤有效氮過渡庫”的理論。
“‘土壤有效氮過渡庫’就好像‘駱駝的駝峰’，同時具有儲存和釋放養(yǎng)分的功能。”團(tuán)隊成員、沈陽生態(tài)所研究員何紅波打了一個形象的比喻，“肥料氮素在土壤微生物的轉(zhuǎn)化下，儲存進(jìn)入這個‘駝峰’中，按需釋放補(bǔ)充，周而復(fù)始增加黑土肥力。”
“懶人耕作”
我國東北地區(qū)在20世紀(jì)末和21世紀(jì)初進(jìn)行了保護(hù)性耕作的初步探索，但是由于受到技術(shù)和專用機(jī)械的限制，并沒有真正的應(yīng)用，在局部區(qū)域小范圍的秸稈還田作業(yè)也僅限于傳統(tǒng)耕作，并未實現(xiàn)對黑土地的保護(hù)作用。
張旭東分析發(fā)現(xiàn)，此前普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)耕作(勤快種地)一方面導(dǎo)致秸稈資源無法有效利用，土壤承載力越來越接近極限;而另一方面，生態(tài)系統(tǒng)功能脆弱、生態(tài)環(huán)境不斷惡化。因此，解決黑土退化問題的必經(jīng)之路是改革玉米生產(chǎn)的傳統(tǒng)耕作方式。
從2006年起，張旭東與時任吉林省梨樹縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站站長的王貴滿等合作，開始探索和研發(fā)適合東北氣候特征和土壤特性的玉米秸稈覆蓋免耕(保護(hù)性耕作)技術(shù)，并將梨樹鎮(zhèn)高家村的15公頃耕地作為保護(hù)性耕作試驗示范基地。
記者獲悉，保護(hù)性耕作試驗示范基地的農(nóng)田沒有采用傳統(tǒng)耕作的秸稈清理、旋耕起壟，而是在玉米秋收后，將秸稈原地均勻覆蓋，春播時直接在秸稈覆蓋的農(nóng)田上實施免耕播種施肥一體化作業(yè)，從而實現(xiàn)秸稈還田、免耕播種、化學(xué)除草、機(jī)械收割的全程機(jī)械化作業(yè)。
簡單說，保護(hù)性耕作技術(shù)的核心就是減少土壤擾動和增加地表作物秸稈覆蓋。不過，這卻讓當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶很困惑，傳統(tǒng)耕作都講究“勤勞致富”，怎么保護(hù)性耕作就變成“懶人耕作”呢?
張旭東解釋道，免耕或者少耕保護(hù)了土壤的原生態(tài)特性，為土壤生物提供了良好的生存空間，不僅可以促進(jìn)土壤動物對土壤結(jié)構(gòu)的改良，還能提高土壤微生物的多樣性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的循環(huán)和積累，讓黑土重新煥發(fā)生機(jī)和活力。
保護(hù)性耕作實施以來，作物秸稈的覆蓋還田就像給土壤蓋上了一層“被子”，可以降低土壤的風(fēng)蝕和水蝕，又能夠增加土壤蓄水保墑的能力。同時，這層秸稈又像滋養(yǎng)大地皮膚的“面膜”，提高土壤的碳儲量和肥力，既緩解了大氣碳濃度升高造成的氣候變化問題，又減少了化肥的使用，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展的節(jié)本增效。
打造更多樣板
當(dāng)年，張旭東等人希望在梨樹縣做一個模式，打造一個樣板。這個心愿正在變?yōu)楝F(xiàn)實。
目前，梨樹縣保護(hù)性耕作研發(fā)基地已經(jīng)成為東北黑土區(qū)持續(xù)時間最長的保護(hù)性耕作研發(fā)基地，也是“梨樹模式”的誕生地。
張旭東介紹，“梨樹模式”技術(shù)體系主要包括：均勻壟種植、寬行種植、寬窄行種植、超寬窄行休閑種植、原壟種植等。該模式下土壤養(yǎng)分庫容增加10%～20%，養(yǎng)分利用效率提高15%～20%，土壤水分貯存容量增加10%以上，減少了風(fēng)沙災(zāi)害，減少土壤風(fēng)蝕和水蝕80%以上。
談及為什么選擇梨樹縣，張旭東告訴《中國科學(xué)報》：“梨樹縣位于吉林省，地處東北黑土地的中部，南部有遼寧省，北部有黑龍江省，具有代表性。如果從梨樹縣再向外推廣輻射相對容易。”
7月6日，沈陽生態(tài)所與遼寧省昌圖縣人民政府簽署“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)框架協(xié)議。
早在2012年，張旭東團(tuán)隊就開始在昌圖縣與盛泰農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社開展合作，進(jìn)行全秸稈覆蓋保護(hù)性耕作示范，一舉解決了秸稈處理問題，較傳統(tǒng)模式優(yōu)勢明顯，適合大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)。
“我們新買的4行免耕播種機(jī)，一季能作業(yè)3000畝，當(dāng)年就能收回成本。”盛泰農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社理事長盛鐵雍告訴《中國科學(xué)報》，“科研團(tuán)隊的到來，不僅幫我們處理了秸稈，還給我們帶來了新技術(shù)，產(chǎn)量增加的同時每畝成本可以降低100多元。”
近年來，張旭東帶領(lǐng)研究團(tuán)隊每年從沈陽出發(fā)“巡點”，已經(jīng)走過東北玉米帶的61個示范基地，行程近3000公里。展望未來，他感嘆道：“除了‘梨樹模式’，我們還會推出‘昌圖模式’等更多適合東北不同區(qū)域黑土的保護(hù)性耕作樣板。”沈春蕾
