中国黑土:侵蚀、恢复与防控

**篇 世界黑土 **章 国外黑土 **节 黑土分类及共性 一、土壤及其分类 土壤是资源环境的重要组成部分，是地球生态系统物质和能量转化的枢纽，是农业可持续发展的基础，也是未来能源重要的供应基地。因此，土壤与人类息息相关，土壤质量的好坏影响着人类的生活质量和发展状态。 从农业文明开始，人类就注意到土壤的差异，并对各种土壤用传统的名称予以区别，以帮助人们传播从土地资源中获得的知识。但是，相对于其他科学研究而言，对土壤的系统研究起步较晚。科学的土壤分类始于19世纪70年代，1883年俄国土壤地理学家B. B.道库恰耶夫建立了土壤发生分类体系（Brady and Weil，2008；Kravchenko et al.，2010），俄国、西欧和美国科学家在随后的研究中逐渐完善了这一体系。俄罗斯土壤发生分类研究将土壤分成3个类别、160个类型。 随着土壤科学的发展，世界许多国家都根据本国的需要逐渐形成了具有地域特色和影响力的土壤分类系统（Soil Survey Staff，2010）。例如，受到俄罗斯土壤地域性概念的启发，新西兰土壤科学家在20世纪40年代末形成了新西兰土壤分类系统，将其土壤分为15个土纲，该系统尽管成功地促进了对新西兰土壤的勘察，但不能满足对广泛土壤分类的需求（Hewitt，1992）。以罗恩 麦克唐纳（Ron McDonald）、伯尼 鲍威尔（Bernie Powell）和拉伊 伊思贝尔（Ray Isbell）为代表的澳大利亚土壤科学家，经过50多年的努力，于1996年发表了适用于澳大利亚地域特点的土壤分类系统，该系统将澳大利亚土壤分为14个土纲，而加拿大建立的土壤分类系统将其土壤分为10个土纲。 为了提供一种用于全球土壤科学家交流的标准，并作为比较、修正各种当地土壤分类系统的参照，土壤科学家通过与联合国粮食及农业组织合作，建立了一个具有三层结构的分类系统，也就是世界土壤资源参比基础（World Reference Base for Soil Resources， WRB）。在*高层面，世界土壤被划分为32个土壤基准组（soil reference group，SRG），其分类依据主要是成土过程或成土母质等*能反映成土性质的因素。 美国农业部土壤调查组从1951年开始与来自不同国家的土壤学家合作，致力于建立一种足够广泛的分类系统，使其不仅能在美国使用，也能在全世界范围使用。*终在1975年完成并在1999年进行修订，该系统广泛应用于包括美国在内的全世界50多个国家。根据这个分类系统，世界土壤被分为12个土纲、68个亚纲、444个土类，约2500个亚类。 我国的土壤分类始于20世纪30年代，引进当时美国土壤分类——马伯特分类，建立了2000多个土系；50年代，学习苏联地理发生分类；60～70年代不断完善，并于1978年建立了统一的“中国土壤分类暂行草案”，将土壤发生分类和我国实际进一步结合起来；80年代，随着国际交往的增加，土壤系统分类和联合国土壤制图单元逐步传入我国，尽管这一阶段我国土壤分类仍为发生分类体系，但已不同程度地受到系统分类的影响。我国土壤科学家从1985年开始了中国土壤系统分类研究，并于1999年撰写了总结性专著《中国土壤系统分类——理论 方法 实践》一书。 我国土壤系统分类共设14个土纲，根据诊断层和诊断特性检索其土纲的归属。土纲是*高土壤分类级别，根据主要成土过程产生的特性或影响主要成土过程的性质划分。14个土纲分别为有机土、人为土、灰土、火山灰土、铁铝土、变性土、干旱土、盐成土、潜育土、均腐土、富铁土、淋溶土、雏形土、新成土。 由于每种体系都是从国家自身需求的角度形成的，有时会给不同国家间土壤科学家的信息交流带来困惑或混淆，但是，由于对土壤特性信息的需求远远超过对土壤分类的需求，不同土壤分类系统不会给科学家之间的交流带来过多的麻烦。 必须承认，B. B.道库恰耶夫建立的发生分类体系仍是世界范围内广泛应用的土壤分类体系之一。 无论是 B. B.道库恰耶夫建立的土壤发生分类体系，还是 G. D.史密斯创立的土壤系统分类体系，其核心目标都重视草原生态系统下形成的土壤，并对其分类，因为这些土壤对他们各自国家的农业都至关重要。 二、黑土及其共性 黑土是世界上*具生产力的土壤。中国土壤科学家和公众熟知的黑土这个专有名词源于俄国农民的叫法，是由俄国土壤地理学家 B. B.道库恰耶夫在1877～1881年对俄国草原地带的土壤进行调查，于1883年发表的《俄国黑钙土》专著中，把农民和黑土地的名称两个字的前两个字节结合起来创建的，并在世界广为流行。黑土按字义是黑色的土地，译成英文就是 Chernozem。我国农民把凡具有一犁深（约18 cm）黑土层的土壤称为黑土（张之一，2005）。 中国黑土的名字，是由原中国科学院林业土壤研究所（现为中国科学院沈阳应用生态研究所）宋达泉先生于1957年在全国**次土壤普查中提出并命名的（龚子同，2014）。土壤科学家将黑土定义为：发育于温带湿润气候与灌丛草甸植被下，由强烈的腐殖质积累与水分潴积作用形成的，0～20 cm土层与0～100 cm土层腐殖质储量比≥0.4的典型的地带性土壤。 概括地讲，俄罗斯分类的黑钙土（Chernozems），联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nation，FAO）制定的世界土壤资源参比基础（WRB）分出的黑土（Kastanozem或 Phaoezem），美国土壤系统分类的软土（Mollisols）即深色柔软的草地土壤，中国土壤系统分类的均腐土（Lsohumisols），以及乌拉圭的土壤分类体系中划分的棕壤（brunosols）和淋溶土（argisols）两个土类（Duran，2010），均可以视为我们国内常讲的广义黑土。加拿大的土壤分类体系中没有对黑土进行定义，但是，黑钙土类（chernozemic soil）、碱化土类（solonetzic soil）和变性土类（vertisolic soil）等3个土类是*接近黑土标准的土壤。 按照美国土壤系统分类，黑土（软土）可分为8个亚纲，分别是 Albolls，漂白软土（有漂白层）；Aquolls，潮湿软土（潮湿条件）；Cryolls，寒性软土（寒冷条件）； Gelolls，寒冻软土（极寒条件）；Rendolls，黑色石灰软土（石灰质的）；Udolls，湿软土（湿润条件）；Ustolls，干软土（多雨或干旱条件）；Xerolls，干热软土（夏季干旱、冬季湿润）。 黑土是在草原植被和黄土母质上形成的，草原植被生长的植物是以禾本科、豆科和菊科为主的群落，植物生长繁茂，形成大量的有机质。黑土的主要形成过程是富含碳酸钙的有机物质的积累，多数在草原植被下发育，它的明显特征是具有由大量稠密的牧草根系积累而成的厚软暗沃表层，即有机质含量很高。这种富含腐殖质的表层通常厚度为60～80 cm，其阳离子交换能力在碱性离子（Ca2+、Mg2+等）饱和时超过50%，且通常具有颗粒状或碎屑状结构。大多数黑土的粉粒和砂粒中都含有大量的难风化矿物。 一般，整个黑土土体中阳离子交换量（CEC）都比较高。表层的 CEC主要源于腐殖质中与 pH相关的可变电荷和层状硅酸盐黏土矿物中的永久电荷；但在剖面下部，CEC几乎全部由层状硅酸盐黏土矿物所决定，如蒙脱石、蛭石和伊利石等。钙是整个剖面中*主要的交换性阳离子。 因此，黑土是指表层土壤富含有机质，颜色呈深暗色即黑色的土壤，即它是一类具有深厚暗色表层，富含腐殖质和盐基离子，并且深达1.8 m，盐基饱和度比较高（50%乙酸铵）的土壤（Soil Survey Staff，2010）。 综合以上特性，黑土矿质表层的*基本共性是：①厚度不低于25 cm；②良好的颗粒状或团粒状或团块状–碎屑状结构；干时不呈大块状或整块状结构，也不硬；③具有较低的明度和彩度，湿态彩度≤3；搓碎土壤的润态明度≤3.5，干态明度≤5.5，润态彩度≤3.5；若有 C层，其干态、润态明度至少比 C层暗一个芒塞尔单位，彩度至少低2个单位；④盐基饱和度（NH4OAc法）≥50%；⑤有机碳含量≥6 g/kg（Burras et al.，2010）；⑥土表至20 cm与土表至100 cm的腐殖质储量比（Rh）≤0.4，且 C/N ≤17。 第二节 国外黑土分布及特性 黑土分布于温带草原，在中纬度地区*为广泛，在一些较冷和较干燥的气候条件下，甚至热带和亚热带地区也有少量零星分布。 一般，土壤学家认为世界范围内共有四大片黑土。其中一片位于北美中部，横跨美国中部和加拿大南部；欧亚大陆上两大片黑土呈现出不连续的黑土带，横跨欧洲东南部和中亚。欧亚黑土带西起欧洲南部的半湿润草原，延伸穿过俄罗斯并进入中国东北部地带，成为中国东北地区*典型的土壤。第四片黑土位于潘帕斯草原，覆盖阿根廷中部大部分地区和乌拉圭的绝大部分地区。因此，世界黑土主要分布在北半球的三个地区和南半球的一个地区，即南美洲的巴拉那-拉普拉塔（Parana-La Plata）盆地。 具体来讲，世界黑土主要分布在中国东北地区、美国中部平原、加拿大草原省份和墨西哥东部半干旱草原、俄罗斯50°N～54°N地区、哈萨克斯坦中心地带、中欧国家、乌克兰44°N～51°N地区、南美洲阿根廷的查科-潘帕斯草原以及巴塔哥尼亚、美索不达米亚区域和乌拉圭的大部分区域。 世界黑土总面积为9.16亿 hm2，占世界无冰地表面积的6.9%。其中，美国、加拿大和墨西哥连片分布面积分别为2亿 hm2、4000万 hm2和5000万 hm2，俄罗斯为1.48亿 hm2，，（典型黑土3500万 hm2），乌克兰为3400万 hm2中国东北为1.09亿 hm2阿根廷为8900万 hm2，乌拉圭为1300万 hm2。其他具有较大面积黑土的地区和国家有哈萨克斯坦中心地带、罗马尼亚、保加利亚、捷克的摩拉维亚、奥地利、匈牙利和德国，总面积加一起约有2亿 hm2，此外还有蒙古国、巴拉圭。巴西南部也有一小片黑土，面积为426万 hm2。 有关世界四大片黑土分布的介绍，张兴义等（2018）所著《黑土利用与保护》中用一个章节进行详细阐述，感兴趣的读者可以参阅此书，这里只对部分内容给予补充，并重点介绍国外黑土区分布的母质和环境特点等。鉴于中国东北黑土对我国农业和生态环境的重要性，将专门用中国黑土一章进行详细介绍。毫无疑问，中国黑土是世界黑土的重要组成部分。 显然，加强黑土分布、形成、利用与存在风险的认识，对黑土区的持续利用和建成世界自然粮仓具有十分重大的意义（Liu et al.，2012）。集约化耕作、土壤有机碳损失、土壤侵蚀以及随之而来的产量损失仍然是威胁各黑土区农业可持续性的主要问题。 一、北美黑土分布及特性 黑土是北美洲*常见的土壤，黑土在中部平原地区分布*为广泛，起于加拿大草原三省，横跨美国大平原，并延伸到墨西哥东部的半干旱草原。大面积的黑土分布于美国西部山区和半干旱地区，占据着北美大平原和伊利诺伊州，其中，从加拿大马尼托巴省和萨斯喀彻温省一直延伸至美国的得克萨斯州南部，有干软土（黑土）的分布。美国东南部潮湿地区也是重要的黑土分布区，特别是佛罗里达州。总体来讲，北美黑土分布在年平均降水量为500～1500 mm、年平均温度为5～20℃的地区，但主要分布在降水和温度适中的地区。 黑土是北美陆地上覆盖面积*大的一类土壤，美国有2亿 hm2，占全国耕地面积的21%；加拿大有4000万 hm2；墨西哥有5000万 hm2（Soil Survey Staff，2010）。 黑土在北美的分布表明其形成只需要两个条件：①肥沃的母质；②