科创平台｜自然资源部黑土地演化与生态效应重点实验室：破解黑土地保护利用的关键地质问题

日前，在中国遥感应用协会和黑龙江省农业农村厅联合举办的“空间信息助力黑土地资源保护治理与有效开发”研讨会上，来自中国遥感应用协会黑土地遥感分会的专家代表、中国地质调查局沈阳地质调查中心黑土地研究团队所作的《黑龙江省平原区黑土地质量调查进展》报告，得到与会单位的高度认可。

正是基于近年来持续推进东北黑土地基础地质调查，为黑土地保护修复提供基础支撑，日前，依托沈阳地质调查中心建设的中国地质调查局黑土地演化与生态效应重点实验室被正式纳入自然资源部科技创新平台管理序列。入列后，自然资源部黑土地演化与生态效应重点实验室将立足东北，放眼全球，以地球系统科学理论为指导，面向黑土地开发利用与保护的重大需求，解决国家粮食安全与黑土地可持续开发利用的关键地质科学与技术问题，搭建具有国际影响力的黑土地科技创新平台。

抓住黑土地保护利用的关键地质问题

黑土是一种性状好、肥力高、适宜农耕的优质土地，极为珍贵。全球仅有四大黑土区，分布于乌克兰大平原、美国密西西比河流域、中国东北平原和南美潘帕斯草原。这些地区先后成为重要粮食主产区或畜牧养殖基地，堪称“世界粮仓”，对保障粮食安全具有不可替代的作用。

然而，由于多年来对黑土资源的高强度利用，黑土层减薄、养分下降、耕层板结、水土流失等问题日益突出，引起黑土分布区各国的高度关注。

我国东北黑土分布区北起大兴安岭、南至辽宁南部，西到内蒙古东部的大兴安岭山地边缘，东达乌苏里江和图们江，行政区域涉及辽宁、吉林、黑龙江以及内蒙古东部的部分地区。党的十八大以来，习近平总书记多次到东北考察调研，作出“采取有效措施切实把黑土地这个‘耕地中的大熊猫’保护好、利用好，使之永远造福人民”等系列重要指示。近年来，各地、各部门积极推进黑土地保护利用，取得明显成效。但是，黑土地退化趋势仍未得到有效遏制。

黑土是如何形成？又是怎样退化的？摸清黑土的形成演化过程，是保护好和利用好黑土地首先要解决的一个重要问题。据实验室负责人、沈阳地质调查中心教授级高级工程师戴慧敏介绍，黑土的形成受气候、地形地貌、成土母质等多因素控制，而黑土形成后，受人类活动的影响，其演化过程则更加复杂。当前关于黑土的形成演化存在诸多观点，有的认为形成1厘米黑土层需要20年～40年，也有的认为需要300年～400年不等。

“科学认识黑土的形成及演化，迫切需要由传统的地质科学向地球系统科学转变，综合地质学、气象学、水文学、土壤学等多学科，由单一的土壤圈研究向地球多圈层交互带研究转变，开展面向岩石、水、土、气和生物的多要素调查研究，创新形成黑土地演化的科学理论。同时，还要加强黑土地资源环境承载能力等研究，提升对黑土地资源属性和保护的认知水平。”戴慧敏说。而自然资源部黑土地演化与生态效应重点实验室的建立，目的正是要强化科技自主创新能力，加强基础研究和原始创新，有机衔接黑土地的形成发育—生态变化—保护技术示范全链条，瞄准黑土地保护技术前沿，着力破解黑土地保护和利用中“卡脖子”的关键地质问题。

地球化学调查为东北黑土地溯本求源

近年来，在自然资源部和财政部的支持下，中国地质调查局会同辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古4省（区）政府，组织协调近30家单位，由沈阳地质调查中心牵头，按照统一的技术标准和方法，在东北黑土区开展了大量区域性地质调查工作，完成了1∶25万地球化学调查48.47万平方千米，覆盖辽宁省、吉林省、黑龙江省和内蒙古东4盟（市）73.9%的耕地，完成黑龙江省海伦市、宝清县、富锦市等重点地区1∶5万地球化学调查2.3万平方千米，获取土壤氮、磷、有机质、酸碱度等54项元素指标分析数据800余万个，在黑土地形成演化、黑土地资源监测等方面取得了初步创新性成果。

根据黑土形成发育的时间，沈阳地质调查中心结合地质背景、地形地貌、植被、气候等条件，厘清了黑土形成所必要的生态地质条件。一是距今2.5亿年以来，大小兴安岭及长白山脉隆升、松辽坳陷盆地形成，决定了黑土形成只能限于松辽平原及三江平原范围内。二是距今6500万年以来，新构造运动频繁发生，松辽平原东部河湖相沉积物、中部的黏土质沉积物和西部的沙质沉积物的形成，为黑土形成奠定了重要物质基础。而距今1万年以来的温暖湿润气候条件，使得东北平原草甸草原植被广泛发育，每年产生大量的有机物质，在冬季漫长的低温环境和沉积物中黏土矿物的“双重保护”下，有机质被长期保留下来，再经过几千年的“染黑效应”，最终形成宝贵的黑土。

根据碳同位素测年结果，黑土层最老碳14年龄为距今7400年。研究人员结合黑土层厚度估算，形成1厘米黑土需100年左右。

利用地球化学调查大数据，沈阳地质调查中心开展了黑土地土壤生态状况评价，发现了1.16万平方千米集中连片绿色富硒土地资源远景区。尤其在黑龙江省海伦市圈定的绿色富硒土地133.3万亩，支撑海伦市建设了富硒农业示范园和富硒农产品开发产业链，仅海伦市长发镇富硒农产品开发就直接带动农户2600余户、4500多人，间接带动农户2000多户、9000多人脱贫致富。日前，海伦市1.9万亩地块已获评我国首批天然富硒土地。

沈阳地质调查中心还在海伦市建设了国内首个黑土地关键带野外观测实验基地，对土壤碳呼吸、大气干湿降尘、地上地下生物量、土壤包气带水、气象、土壤温湿度等指标进行监测或观测，目的是为研究黑土地碳氮等物质循环和动力学机制提供数据支撑，为黑土地保护修复提供科学依据。

鉴于全球四大黑土区在自然条件、开发利用过程、水土流失等方面既存在共同点又有差异性，2018年以来，沈阳地质调查中心牵头组织实施了“全球黑土地关键带土地资源演化与可持续利用（IGCP665）”国际地球科学对比项目，与有黑土地分布的美国、俄罗斯、乌克兰、捷克等十几个国家的相关研究机构建立了合作关系，对黑土地的形成演化、生态变化、保护措施等开展了系统对比研究，目前已在黑土形成演化过程及关键带内元素循环研究等方面取得重要进展，并初步构建了以地球化学、遥感应用、土地资源管理、土壤学、地质学等多学科、多方法研究的新格局。

瞄准三个重点方向开展科技创新

在当前黑土地保护、利用依然面临严峻挑战的形势下，“十四五”期间，自然资源部黑土地演化与生态效应重点实验室将瞄准黑土地形成演化过程、黑土地质量监测与评价、黑土地利用与生态效应3个方向开展科技创新。

实验室将以地球系统科学理论为指导，以东北典型黑土区为重点，开展黑土形成年代学、黑土地古地理特征、地球化学异常成因及来源、关键带物质的迁移转化和动力学机制、生态脆弱区黑土退化机理等研究，建立黑土地形成演化创新理论，为黑土地保护战略提供基础理论支撑。同时，依托联合国教科文组织IGCP665项目，针对全球黑土地资源演化与可持续利用的关键问题，开展全球黑土地土壤分类方法、全球土壤肥力对比、黑土地高光谱耕地质量监测方法、全球黑土地土壤地球化学背景基准对比等研究，为推动黑土地系统科学全球化、统一化、规范化发挥示范引领作用。

在综合集成遥感、地球化学等多源多尺度数据的基础上，实验室将争取实现不同时空尺度（全球、区域及局部）的土壤属性评价、水土流失遥感监测、生态脆弱区荒漠化监测预警、地表覆被精细化识别、自然灾害遥感监测、作物产量遥感估测等关键理论和技术的突破，建立可共享、可兼容和可持续发展的天—空—地一体化监测平台。

在黑土地质量评价方面，选择资源环境问题突出的黑土地典型地区，基于生态足迹的“虚拟土地”、水足迹的“虚拟水”和能值分析的“虚拟能量”等新兴理论，构建具有针对性的资源环境承载力评价体系。

围绕“碳达峰、碳中和”目标，实验室将聚焦黑土地土壤碳循环和碳源汇转化等关键问题，以松辽平原和三江平原作为研究区域，结合地球化学、多期土地利用、多年气候等数据资料，重点开展土壤碳库景观分布及变化、碳源汇转化影响因素、土壤碳库对气候变化的响应、不同土地利用方式下的碳输入输出通量及途径、主要农耕区固碳潜力评估等研究。结合我国低碳减排的发展需求，建立土壤碳循环理论，为国家“绿色发展”战略提供科技支撑。

针对我国黑土地典型生态系统，实验室还将通过长期定位观测、控制实验、样带调查等手段，全面解析黑土地质量和健康状况，从分子到生态系统尺度研究碳、氮、磷等物质的多介质、多界面生物地球化学循环过程，揭示其生物和非生物驱动机制；从时空尺度和多因子相结合的角度研究碳、氮、磷循环的关键过程对人类活动干扰和全球变化的响应与反馈，为黑土地生态系统的适应性管理和可持续利用提供科学依据。