0 引言

黑土地是耕地资源中最宝贵的土壤资源, 是世界公认最肥沃的土壤, 具有质地疏松、肥力高、持续供肥能力强等特点^[1].黑土地资源非常有限, 全世界仅有四大黑土区, 分别为乌克兰的乌克兰平原、美国的密西西比平原、中国的东北平原以及南美洲阿根廷至乌拉圭的潘帕斯草原^[2].黑土的形成极为缓慢, 每形成1 cm厚的黑土需要大约200~400 a的时间^[3].据统计, 东北黑土地提供了全国约33%的玉米产量和约50%的大豆产量^[4], 对国家粮食安全战略起到举足轻重的作用, 被誉为国家粮食安全的"稳压器"和"压舱石" ^[5-6], 其土地质量状况、生产力水平、土壤问题及其影响因素备受学者的关注.黑土地质量不仅与土壤理化性质、人类活动相关, 还与成土母质、地形地貌条件、形成演化过程有密切关系^[7-9].

由于长期高强度开发利用, 加之沟蚀、肥料药物使用等自然和人为因素影响^[10], 黑土地资源退化严重, 黑土层变薄, 土壤有机质不断减少, 土壤持续盐碱化、沙漠化, 生态功能退化^[11-12], 东北黑土区由原来的"生态功能区"演变成如今的"生态脆弱区", 耕地质量情况每况愈下, 严重影响农业的可持续发展.面临如此众多的黑土地问题和复杂成因, 加强黑土土地质量地球化学调查研究, 以查清东北黑土地资源数量、质量和生态状况, 跟踪黑土地质量变化趋势, 探索黑土地最适宜的可持续利用方式, 对国家粮食安全保障、东北地区生态文明建设、现代农业发展至关重要^[13].近年来, 国家有关部委就黑土地产粮安全、黑土地可持续发展、黑土地利用与保护等问题相继颁布了一系列有关东北黑土地利用与保护的政策^[14-16], 提出"深入实施藏粮于地、藏粮于技战略, 统筹山水林田湖草系统治理, 加大东北黑土地保护力度"的措施.

东北黑土地作为世界四大黑土资源分布区之一, 在保障区域生态环境安全、国家粮食安全和农业可持续发展中发挥着不可替代的重要作用.依据第三次全国土地调查成果, 开展地块尺度的土地质量地球化学调查评价工作, 建立地块级的土地质量地球化学档案, 是满足新形势下土地资源管理工作不断精细化、标准化、科学化, 实现土地"数量、质量、生态"三位一体综合管护的必然要求^[17], 是"三深一土"科技创新战略的重要部分, 对保障国家粮食安全、推进绿色农业发展具有重要意义.

1 东北黑土地资源概况

东北地区一般指黑龙江、吉林、辽宁3省和内蒙古自治区呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市, 总面积124.4×10⁴ km², 介于北纬40°25′~48°40′、东经118°40′~128°00′之间.大地构造位置上属于欧亚板块大陆边缘活动带, 区内第四系地层发育齐全, 自下更新统至全新统均有出露, 共划分出第四纪冲积、坡洪积、冲洪积、火山堆积和湖沼堆积等12种成因类型.区域第四纪地质环境是在前第四纪地质环境的基础上, 经历了多期复杂地质作用和环境演化过程, 塑造出现今的第四纪地质环境景观.

东北地区受寒温带季风气候影响, 逐渐形成了深厚腐殖质层, 导致土壤普遍呈暗色, 俗称"黑土地" ^[18], 土壤类型有黑土、黑钙土、白浆土、草甸土、暗棕壤、棕壤、沼泽土、褐土等, 其中典型黑土区分布面积约17×10⁴ km², 以新月状分布于松辽平原东部的黑龙江、吉林两省高平原区(图 1), 少量分布在三江平原.土地利用类型主要为耕地、林地、草地、城镇、林草混杂地及未利用地, 其中耕地占67.22%, 以旱田为主, 水田次之^[19-20].农作物主要为玉米、大豆、水稻、马铃薯.

已有研究^[22]表明, 黑土通常具有如下特征:土质疏松多孔; 土壤结构性较好, 腐殖质层多为粒状和团状结构; 腐殖质层厚度为30~70 cm, 腐殖质以胡敏酸(HA)和胡敏素(HM)为主, 其中胡敏酸的相对体积质量与土壤质量呈正相关关系^[23]; 黑土层含黑色铁锰结核, 白色SiO₂粉末以及灰色、黄色斑块和条纹等新生体^[24].物理性质:暗灰色, 质地黏重, 相对体积质量一般为2.5~2.6;表层容重为1.0~1.4 g/cm³; 总孔隙度在50%左右, 持水量大, 但通透性不佳^[25]; 机械组成一般比较均匀, 土粒以粗粉砂和黏粒为主, 所占比例均为30%~40%;团聚体总量较高, 但水稳性团粒一般有减少的趋势, 表层尤为显著^[24].化学性质:矿物组分主要包括伊利石、蛭石、高岭石和蒙脱石, 成土过程中矿物之间会相互转化, 如伊利石发生高岭石化, 蒙脱石发生蛭石或高岭石化; 盐基饱和度一般在94%以上, 分异较小; 腐殖质所占比例为3%~6%, 随深度增加而减小^[26]; 水浸液的pH值为5.5~6.5, 个别表土层较高, 其交换能力较强, 一般以Ca²⁺、Mg²⁺为主^[24].

2 黑土地存在的地质问题

东北平原属于继承性第四纪沉积盆地, 早更新世古湖泊南北贯通, 沉积的砂层、砂砾石层结构松散, 具有赋水层性质; 中更新世湖积黏土和亚黏土是区内黑土形成的主要母质; 晚更新世形成的湖积砂层是区内荒漠化形成的地质基础; 早—中全新世湖沼环境沉积的泥炭和淤泥层、中全新世形成的黑土层是区内农作物生长的有利土壤; 晚全新世松辽平原整体抬升, 导致黑土退化、古湖消失、荒漠化发育, 河流强烈下蚀, 形成槽型河谷, 尤其是晚更新世晚期—全新世早期长岭弧形断隆的形成, 不但使区内地质环境发生重要的改变, 也为区内生态环境恶化埋藏了隐因^[27-29].特殊的地形、地貌条件和第四纪地质历史时期形成的丰富的砂、粉砂和黏土, 是松辽平原沙化、盐渍化的基础, 近代干旱、多风的气候条件, 以及人类活动的叠加, 使沙化、盐渍化和由此引起的黑土地水土流失、盐碱板结和养分失衡, 正在由"肥、厚、软"向"瘦、薄、硬"转变, 成为东北平原主要的生态环境问题^[30-31].主要存在的地质问题如下.

1) 黑土地退化持续加剧

东北黑土地开发具有时间短、过程快、强度大等特征, 南部地区开发约210 a, 北部地区约60 a, 中部开发约100 a ^[32].在各种不利的自然因素和人类活动对土壤的不合理利用影响下, 黑土地自然肥力逐年下降, 包括土壤表层有机质含量显著下降, 耕作层变薄, 犁底层变硬, 养分库容偏低, 土壤理化性状恶化, 土壤污染与生态功能严重退化^[13].

2) 黑土地质调查方法不统一

由于黑土较高的土壤肥力, 对国家粮食安全起着至关重要的决定作用, 世界四大黑土区有关国家相继开展了有关土壤的系列地质调查研究工作.但目前各国调查方法不统一, 不利于开展区域间黑土的形成演化、土地质量、土地承载力评价的对比研究工作, 较大程度上制约了全球黑土地关键带地质生态调查技术方法的融合与发展.

3) 黑土地基础地质研究薄弱

成土母岩(母质)对土壤元素的含量及分布特征、土壤养分含量状况、土壤理化性质、土壤机械组成、土壤质地和土壤容重等性质具有决定性影响.韩晓增等人认为东北平原黑土地的成土母质主要为黄土及红土堆积物、冲积-洪积物、河湖相沉积物和淤积物、现代残积物等4种^[23].因传统地质工作主要侧重于矿产领域, 弱化了第四纪基础地质研究, 加之东北平原第四纪地层(沉积物)覆盖较厚, 其形成演化过程和黏土矿物学等地质内容研究程度相对较低, 一定程度制约了对于黑土的母质条件、形成环境、分布特征、厚度变化、有机质及元素地球化学变化等关键科学问题的认知水平.

4) 黑土地系统综合研究不足

黑土地以往研究主体单一, 以土壤圈为主, 涉及学科主要为土壤学.随着黑土地研究的不断深入, 岩石圈、水圈、生物圈和大气圈对黑土的形成演化均产生重要影响.今后应按照地质调查"三大转变"的要求, 运用地球系统科学理论开展黑土地的研究工作, 在地球科学、地球化学基础上, 逐步融合地理科学、气象科学、水文科学、土壤学、生物科学等学科, 实现深度交叉融合, 开展以黑土形成演化、土壤元素迁移转化、健康地质、生态风险评估为重点的地球关键带的综合调查研究.

3 黑土地地球化学调查研究进展

自1999年以来, 中国地质调查局沈阳地质调查中心及东北四省(区)地调院等单位利用中央和地方财政资金, 在东北黑土区按照统一的技术标准和技术方法开展1 : 25万土地质量地球化学调查工作, 同时在重点地区开展了1 : 5万土地质量地球化学调查评价及成果转化应用研究工作.调查成果为东北黑土地资源管理保护、土壤污染防治、农业种植结构调整、特色优质农产品开发、土地良性永续利用、生态文明建设及脱贫攻坚等领域发挥了重要支撑作用^[27], 为制定东北黑土地资源"十四五发展规划"提供了科学准确的基础大数据.取得研究进展如下.

1) 基本查明土地质量状况

调查获得高精度土壤元素分析数据900余万个, 是东北地区长期以来最为系统、精度最高的土壤54项元素和指标数据, 对东北黑土地质量状况进行了准确判断.东北黑土地基本无重金属污染, 土壤质量优越, 适合大规模发展绿色农业, 提高农产品经济附加值.松辽平原无重金属污染风险土壤38.3×10⁴ km², 占松辽平原已完成调查区的97.43%.绿色食品产地适宜区广泛分布, 可种植绿色食品耕地面积38.1×10⁴ km², 占比96.77%.一等(优质, 土壤环境清洁、土壤养分丰富至较丰富)土壤12.7×10⁴ km², 占松辽平原调查的32.29%;二等(良好, 土壤环境清洁、土壤养分中等)土壤14.0×10⁴ km², 占比35.43%;三等(中等, 土壤环境清洁、土壤养分较缺乏或土壤环境轻微污染、土壤养分丰富至较缺乏)土壤12.3×10⁴ km², 占比31.30% ^[33].三江平原无重金属污染风险土壤6.28×10⁴ km², 占三江平原调查的99.25%, 绿色食品产地土壤适宜区为6.26×10⁴ km², 占比98.79%.土壤质量以一等和二等为主, 二者之和为6.17×10⁴ km², 占调查的97.53% ^[33].

2) 初步揭示黑土质量限制因子及其交互作用机理

初步揭示东北黑土地土壤肥力和环境质量空间变异特征, 为农业种植结构调整、绿色食品基地建设、污染土壤修复提供了依据.当前黑土地土壤有机质呈下降趋势, 局部地区pH值升高, 酸化、盐碱化及沙漠化等问题明显^{[23, 34-36]}.黑土有机质含量减少是土地质量退化的最重要的特征之一, 而有机质减少又与土壤质地退化、结构破坏及颗粒组成变化有密切关系^[37].以不同尺度(1 : 25万、1 : 5万)研究了黑土的元素组成、元素有效量、元素形态、元素迁移转化过程与肥力、环境质量的关系, 初步建立模型进行定量半定量的表达, 来阐明黑土质量演变趋势.典型黑土区耕地有机质的分布总体呈现由北向南逐渐降低、东部高西部低的趋势, 有机质平均含量为26.57×10^-3, 并发现各土壤发生层中胡敏酸、胡敏素含量自北向南逐渐下降, 而富里酸逐渐增高^[37]. pH值由东向西逐渐增加, 而南北方向未呈现出明显规律, 平均值为6.42, 总体呈弱酸性.总体上, 有机质与pH值呈负相关性^[12].黑土有机碳(SOC)和全氮(TN)的分布受外界因素和内部因素共同作用, 外部因素如受纬度影响的水热条件对SOC和TN的分布起了决定性作用, 而内部因素如土壤质地对SOC和TN含量有重要影响^[38].宋运红等人利用松辽平原表层土壤的两期地球化学调查数据对比分析, 结果显示35年来松辽平原耕地土壤全氮含量空间分布规律基本一致, 土壤全氮平均值从1.530×10^-3(1982年)下降至1.451×10^-3(2018年), 下降了5.16%, 下降比较显著; 黑钙土、黑土、水稻土中全氮含量显著下降, 白浆土、盐碱土中含量也有降低; 35年来松辽平原全氮含量下降主要与黑土的垦殖程度有关^[39].

3) 重新厘定黑土形成时代及其环境

在沈阳地质调查中心主持的"全球黑土地关键带土地资源演化机制与可持续利用(IGCP665)"课题实施过程中, 宋运红等人利用有机碳AMS ¹⁴C定年技术, 对海伦地区2个典型黑土剖面的土壤样品进行测试分析, 获得黑土最新年龄为260±20 a, 最老年龄为7850±50 a, 证明黑土是全新世的产物, 为进一步探讨黑土形成和古气候环境提供了重要的理论依据^[40].戴慧敏等人根据不同层位孢粉类型及含量的变化, 并结合¹⁴C年龄, 将海伦地区典型黑土剖面孢粉化石自下而上可划分为2个孢粉组合, 下部孢粉组合以具刺类菊科-蒿属-紫草科-松属为代表, 上部孢粉组合以松属-苋科-蒿属为代表, 提出海伦地区典型黑土主要形成于中全新世7400 a以来的湿暖期, 形成于松嫩平原温暖半湿润的气候, 植被以草本灌木为主的草原植被^[33].

4) 创新提出"关键带"概念, 实现天空地一体化调查方法技术创新

沈阳地质调查中心创新提出了"黑土地关键带"概念与研究思路, 并率先将卫星遥感、航空高光谱遥感、地面土壤光谱测量及地球化学测量的"天-空-地一体化"调查方法应用于土地质量调查与监测, 总结编写了黑土地关键了带地质生态"天-空-地一体化调查技术规范", 为开展国际黑土地关键带地质生态调查(BASGES)提供了重要参考^[33], 有效提升了我国黑土地研究水平.

5) 圈定富硒等特色土地资源远景区

东北黑土地整体以足硒为主要特征^[41], 土壤硒均以硒中等含量(适量)为主, 占调查区面积的60.0%.在黑龙江省海伦、宝清地区及辽宁省丹东山前和滨海平原区等地圈定大面积集中连片绿色富硒土地资源远景区, 在部分远景区内开展1 : 5万土地质量地球化学调查和富硒土地环境评价, 圈定无污染风险的绿色富硒土地1.16×10⁴ km², 主要分布在三江平原东部宝清-富锦地区、松辽平原海伦-绥棱地区、辽宁丹东地区、吉林辉南-靖宇地区^[33].

6) 助力地方脱贫攻坚服务经济发展

实现了一批成果转化服务:沈阳地质调查中心向自然资源部耕地保护监督司提交了《中国地质调查局关于东北黑土地质量的调查报告》, 向黑龙江省提交了《关于立足黑龙江省加快推进东北黑土地保护开发利用的建议》和《有效保护黑土地, 促进有机农业发展的建议》, 助推海伦、建三江等市县打造物联网+农业模式, 支撑地方脱贫攻坚和经济发展^[33].

4 黑土地研究展望

土地质量是土壤肥力质量、环境质量和生物健康质量的综合量度, 是土壤维持生产力、环境净化能力以及保障生物健康能力的集中体现, 也是现代地球化学领域的研究热点.笔者认为, 应全面开展黑土地质量地球化学专业调查评价, 运用天-空-地一体化质生态调查技术, 建立黑土质量长期观测基地, 为黑土质量动态变化监测与永续利用提供数据支撑; 以"第三次全国土地调查"成果为基础, 以县域为基本评价单位开展黑土质量数字化管控服务体系建设, 加强黑土地保护与退化防治研究.以下几方面的研究工作十分必要.

1) 开展长观基地监测与国际合作

黑土为非均质的混合物, 与所处环境各种因子的关系非常紧密, 且土壤属性的变化是一个非常缓慢的过程, 短期的农田管理措施很难证明土壤属性的变化, 对黑土属性变化的描述需要定点长期观测获得, 未来的研究应借助更多的野外长期观测基地的实验与监测, 并实现数据互联, 以保证对黑土属性的判断和预测更加科学可靠.依据"全球黑土地关键带""国际黑土地协会""中国地质调查局黑土地演化与生态效应重点实验室"等科研平台, 在东北地区试点选择1~2种黑土土壤类型开展标准物质研制工作, 探索应用于全球黑土地关键带分析测试工作的可行性, 为全球黑土地关键带统一采样方法、统一分析测试方法及消除系统误差提供支撑.联合美国、俄罗斯、乌克兰等国家的黑土研究机构, 开展全球黑土地关键带天-空-地一体化综合研究与集成.

2) 加大黑土地修复地质方案研究与实践

探索土壤肥力质量、环境质量和健康质量的土壤质量表征理论及量化表达的指标体系, 以土壤肥力质量的演变为重点, 对出现有机质退化、污染的土地, 实施保护修复.依据地球科学系统理论, 制定地质修复方案, 为东北黑土地的永续利用提供强有力的理论和技术支撑.中国地质调查局水文地质环境地质研究所成功将生物质电厂灰渣制成重金属污染土壤的钝化剂, 取得了对镉、镍、铅等重金属较好的钝化效果, 成本低廉、效果稳定, 而且可改良土壤, 增加作物产量; 中国地质调查局地质实验测试中心首创性提出了"根系微地球化学障"修复模式和修复技术, 改善修复工艺, 显著降低修复成本; 浙江省地质调查院开展了利用环境矿物材料进行污染土壤修复和改良的试点研究, 取得明显成效, 为浙江省污染耕地的安全利用和土壤污染修复提供了技术支持^[42]; 中国科学院地质与地球物理研究所利用矿物质与有机质和微生物结合在一起的特性, 有效控制了土壤的物理、化学、生物学性能, 尤其是矿物胶体, 实现土壤矿物修复^[43].

3) 加强元素地球化学循环机制研究

加强土壤圈内外物质交换的过程、强度、机制及其对环境的胁迫的研究, 以及土壤圈层界面间物质交换的规律及其对全球变化、水质污染、动植物健康影响的研究, 以阐明土壤圈内部和圈层界面的物质循环与交换过程对土壤质量的影响机理, 为农业清洁生产、污染土壤修复、全球气候变化预测、水体污染防治和土壤质量持续管理提供理论依据.如旱地农业促进镉等有毒元素通过土-岩界面进入作物, 抛荒则有利于有毒元素向表面聚集, 而天然林和人工森林植被则把有毒元素以生物或非生物的方式固定在土-岩界面上^[37].

4) 完善黑土形成演化理论

在全球大规模开垦背景下, 多学科、多方法强化全球气候变化与人类活动下黑土地的形成、演化及其发展趋势, 对全球黑土资源的可持续利用和人类社会的可持续发展具有不可低估的现实意义^[24].应依据地球系统科学理论, 探讨基于成土母质的黑土地划分方案的可行性, 对比东北黑土地与俄罗斯、美国黑土地的成因差异, 加强黑土地矿物组成、有机质来源、形成环境演化、地层序列与年代学等关键性地质问题的研究.通过开展遥感地质、地球化学、水文地质、基础地质调查, 全面推进全球黑土地关键带地质生态调查研究, 实现全球黑土地关键带土壤地球化学、遥感地质等填图, 开展全球黑土地关键带土地资源演化机制与可持续利用研究.

5) 探索土地资源"双评价"技术方法

随着生态文明建设的深入推进, 资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价(双评价)工作受到高度重视. 2019年自然资源部印发《资源环境承载能力和国土空间开发适宜性评价指南(试行)》(送审稿) ^[44].应以此为依据, 探索从资源、社会、经济、生态等多系统、多领域、多层次耦合的角度开展黑土地资源环境承载力和开发适应性评价工作.探索利用探地雷达、地球化学调查(土壤剖面)、高光谱遥感等多学科技术手段, 评价东北地区黑土分布及分区特征、黑土厚度及垂向特征、黑土减薄规模及趋势, 为黑土地的保护与利用提供支撑.

6) 加快地质调查成果转化

以"第三次全国土地调查"成果为基础, 建议以县域为基本评价单位开展黑土质量数字化管控服务体系建设, 加快富硒等特色土地资源规划与开发.地质调查科技成果转化不仅可以促进科技成果产业化、商品化, 同时也是地方经济以及其他相关科研工作快速发展的助推剂, 可有效提高解决资源、环境和地球系统科学等问题的能力和水平.