原文刊载于《中国科学院院刊》2026年第7期“科技与社会”
张兴义1 沈庆松1 郭明明1 李娜1 陈强2 胡伟1 李建业1 陈一民1 李彦生1 刘晓冰1*
中国科学院东北地理与农业生态研究所 黑土地保护与利用重点实验室（中国科学院）
哈尔滨师范大学 地理科学学院
黑土富含有机质，是保障我国粮食安全的重要资源，其土壤碳储量与粮食产能密切相关。基于近20年区域调查资料和长期定位田间试验数据，系统分析了黑土有机质演变规律、生产力响应关系及土壤培肥策略。结果表明：东北黑土区表层（0—20 cm）土壤碳损失已达60%，2019年该区域土壤有机质（SOM）平均含量约为36 g/kg，且仍以年均0.3%的速率持续下降，但最终将稳定于受气候调控的平衡点。黑土SOM含量与玉米产量之间呈单峰曲线关系，实现玉米最高产量对应的SOM阈值为70 g/kg，黑土自然生产力已下降约20%。该研究首次定量提出黑土培育目标水平，为退化黑土定向培育与地力恢复提供了科学依据。不同培肥措施具有明显差异：使用有机肥或矿物腐植酸可快速提升黑土SOM含量，每公顷需一次性投入成本24000—36840元；秸秆覆盖还田连续实施7年以上可提升1 m土体碳储量，年均增碳速率0.89%。保障黑土粮食产能必须维持一定的土壤碳储量，增加有机碳源输入是实现黑土培肥必要、有效且可操作的途径。建议以SOM含量45 g/kg（对应生产力下降10%）作为黑土退化预警线，以SOM含量70 g/kg（对应玉米最高产量）作为退化黑土培育目标，为国家黑土地保护工程和“藏粮于地”战略实施提供科学依据。
黑土是典型的地带性土壤，以富含有机质（碳）和潜在肥力高而著称。世界上共有四大片黑土区，主要分布于中纬度温带草原，包括我国的东北平原、俄罗斯-乌克兰平原、北美密西西比河流域和南美潘帕斯大草原，总面积占世界无冰土地面积的7%，居住着2.86%的世界人口，耕地面积占全球的17.4%。黑土区水热适宜、地块平坦广阔，不仅是所在国家的粮食核心产区，更是世界粮仓。
我国东北黑土区面积108.75×104 km2，耕地面积5.63亿亩，占全国耕地的1/4，每年粮食总产占全国的1/4，商品粮调出量占全国总调出量的1/3，对国家粮食安全发挥着“压舱石”和“稳压器”的作用。东北黑土区虽开垦仅有100余年，但由于国家粮食生产的刚性现实和农户生计及经济收入的强烈需求，导致黑土地高强度的掠夺式经营，使之发生了“变薄”“变瘦”“变硬”“变碎”等严重退化现象，土壤质量和生产力持续下降，严重威胁黑土地可持续粮食稳产高产。2020年7月22日，习近平总书记在吉林省考察时强调：“一定要采取有效措施，保护好黑土地这一‘耕地中的大熊猫’，留给子孙后代。”因此，建立一种在利用中保护的黑土地生产模式势在必行。
本文基于20余年在黑土地开展的区域采样调查和长期定位田间试验的结果，重点评估了黑土地退化过程中“变瘦”所表征的碳损失过程及其对土壤自然生产力和农田生产力的影响，深入探讨了退化黑土增碳培育进而增加粮食产能的技术效果与途径，旨在为黑土地保护决策制定与技术措施推广应用提供科学依据。
一、黑土碳损失是高强度利用下的必然
土壤有机质（SOM）是衡量土壤质量的最重要指标，常用其含量变化表征土壤退化过程。研究发现，当自然生态系统中的草地和林地开垦为农田时，最初20—40年，土壤被熟化，SOM含量快速下降是必然的过程，对地力起到提升作用；其后由于黑土碳输出高于输入，SOM含量进一步下降，土壤碳储量降低，质量变劣，肥力下降，被称为土壤退化。
1.1 黑土退化失碳过程
黑土发生退化已是不争的事实，但究竟退化到什么程度，退化过程如何？则需要定量回答黑土“变瘦”问题。在中国科学院“耕地保育与持续高效现代农业试点工程”重大项目和战略性先导科技专项A类项目的支持下，笔者团队分别于2002年和2019年在典型黑土带开展了系统大样点采样，共采集1500个土壤样品，并基于原样点空间对比分析，首次从区域尺度揭示了黑土带耕层土壤SOM退化过程，发现目前耕层（0—20 cm）黑土SOM含量已下降到36.0 g/kg，较开垦前的1895年下降了近60%。其中第二次全国土壤普查的1982—2002年的20年间，SOM年均下降速率为0.5%，而2002—2019年的17年间，年均下降速率变缓为0.3%，仍呈下降的趋势（图1）。该结果进一步验证了1999年国家启动的“973”项目“土壤质量演变规律与持续利用”得出的“黑土是我国目前唯一SOM含量仍在持续降低的农耕土壤”的结论。
图1 黑土退化过程
1.2 黑土碳会无限降低吗？
SOM演变历来是国内外农田生态系统研究关注的热点，目前已达成广泛的定性共识，即SOM含量不会无限制地下降。剔除土壤侵蚀因素的影响，对于某一田块，在气候一定且生产管理不变的情况下，最终会达到趋于稳定的波动状态，即稳定态；此时，土壤碳的收支平衡，SOM含量被称为稳定态平衡点。为揭示这一过程，2005年，笔者团队运用空间移位的方法，利用我国黑土带南北900 km长、东西200 km宽，降雨相近，南北气温呈梯度分布，同一土壤且SOM含量也呈梯度分布的区位优势，将SOM含量16.8—110.0 g/kg的原状1 m黑土土体分别迁移到年均气温1.5℃的黑龙江省海伦市和年均气温4.5℃的吉林省德惠市，建立了黑土SOM梯度长期定位田间试验。利用20年的SOM演变观测数据构建了基于RothC模型的农田黑土有机碳模型，并使用区域数据对模型进行验证，模型拟合度达到0.9。随后，利用该模型对黑土带平衡点进行了定量预测。结果表明，从吉林省梨树县到黑龙江省北安市，在现有农耕管理制度下，最终SOM含量会在22—50 g/kg范围内达到平衡，不再下降；SOM演变主要受温度驱动的矿化和腐殖化过程影响，温度越高，平衡点越低。同时，若实施增加有机物料输入等保护性管理措施，SOM含量会提升到新的平衡点。
1.3 黑土退化碳损失对作物产量的影响有多大？
中国工程院院士张佳宝提出了农田内稳性地力理论，将农田生产力划分为基础性土壤肥力、速效性肥料肥力、限制性水热肥力三大组成部分。基础性土壤肥力又被称为土壤基础肥力或土壤自然生产力，土壤退化导致其向枯竭型（母质）发展；速效性肥料肥力受人类管理调控，成为当前种植者加大化肥投入以维持作物高产的主要措施；限制性水热肥力主要受气候影响，东北雨养农业，存在着“靠天吃饭”，干预度低的问题。但是，农业管理措施的进步能够改变土壤水热特性和过程调控土壤肥力。例如，土壤耕作可以提高耕层温度，地表覆盖可以降低蒸发、增加土壤蓄水量，以及冷凉区实施大垄种植等都是提升黑土水热肥力的有效措施。
农田黑土SOM含量下降，势必导致土壤基础肥力降低。为了量化这一影响，利用笔者团队建立的黑土SOM梯度长期定位田间试验的不施肥处理（代表黑土自然生产力）和施用化肥处理（代表黑土农田现实生产力）连续20年的试验数据，建立了SOM含量与生产力的定量关系。由于该试验在同一地点开展，气候条件相同且种植作物均为玉米，施肥等管理措施一致，剔除了其他因素干扰，SOM含量差异成为唯一变量，从而能够准确揭示SOM对产量的影响。研究发现，玉米产量与表层（0—20 cm）黑土SOM含量呈单峰曲线关系，并不是SOM越高产量越好，而是存在一个对应最高产量的SOM含量（即阈值）。施肥条件下最高产量对应的SOM阈值为70 g/kg，而不施肥条件下最高产量对应的SOM阈值为80 g/kg（图2）。这一结果与国内外大多数研究得出的SOM含量与作物产量呈正线性关系的结论不同。这主要是因为国内外已有研究多集中于SOM含量上限60 g/kg；而此长期试验在剔除气候影响下，通过空间移位将SOM含量变幅上限提高到110 g/kg，从而扩展了国际上SOM与作物产量的定量关系。发现过高的SOM含量会导致土壤持水保水能力过强，土壤温度降低，影响作物生长发育和干物质积累，造成产量减少。观测发现，SOM含量为110 g/kg的小区春季土壤含水量要比SOM含量为50 g/kg的小区高10个百分点，土壤温度却低1.5℃，这是造成产量下降的重要原因之一。试验结果的重要意义在于，就黑土区粮食生产和退化黑土培育目标而言，SOM只需提高到最高产量的70 g/kg即可，而不是越高越好。
图2 黑土有机质含量与玉米产量
（a）土壤自然生产力；（b）农田生产力
此外，20年的黑土SOM梯度长期定位田间试验也厘清了黑土农田地力份额占比。相对于不施肥处理，施肥处理下玉米产量翻番，水热因素对作物产量的影响幅度可达25%。利用阈值70 g/kg和区域平均SOM含量36 g/kg，根据建立的土壤有机质含量与作物生产力关系，可计算得出黑土碳储量的减少已导致自然生产力丧失了20%。这一结果表明保持高的土壤碳储量是维持作物高产稳产的必要前提，同时解释了为什么黑土持续退化的同时作物单产仍能保持增长的关键原因，那就是，除作物品种改良因素外，化肥的施用及其投入量的增加是维持作物高产的核心。
二、黑土碳损失能恢复吗？
黑土碳储量的下降势必导致土壤结构和功能趋劣，进而引起自然生产力下降，严重影响黑土农田的稳产高产能力。黑土失碳是碳输入低于碳分解输出所致，增碳只能依靠施用有机肥或秸秆还田等有机物料的额外输入。退化黑土改良已被纳入国家黑土地高标准农田建设的重要内容，应采取哪些具体措施，其增碳速率和效果如何，必须给出科学的定论。
2.1 有机肥施用增碳
有机肥或农家肥施用是中华农耕文明之遗产，可改善土壤结构，保持和提升地力。然而，对于退化黑土而言，有机肥施用的效果如何，需要施用多少量，施用多少年才能达到培肥黑土和保持作物产量？2005年，笔者团队建立了连续施用有机肥恢复退化黑土田间长期定位试验，明确了相关问题。研究数据表明，与SOM含量42 g/kg的对照相比，初始SOM含量27 g/kg（即碳损失35%）的黑土，每年施用农家堆沤肥15 t/hm2（SOM含量30%）的处理小区，第1年作物产量仅为对照的60%，连续实施7年后 SOM含量增加至43 g/kg，产量恢复到对照水平；而单施化肥的对照小区SOM含量由42 g/kg略降至41 g/kg，这说明施用有机肥可阻控黑土退化，是快速恢复退化黑土SOM含量和提高作物产量的有效途径。
2005年同期建立的另2个SOM含量分别为22.1 g/kg和31.3 g/kg的田间长期定位小区试验，进一步验证了施用有机肥对恢复土壤碳储量和作物产量的作用。数据表明，连续7年每年分别施用15 t/hm2和30 t/hm2农家堆沤肥后，初始SOM含量为22.1 g/kg的小区SOM分别增加到30.3 g/kg和68.2 g/kg，而初始SOM含量31.3 g/kg的小区分别增加到45.3 g/kg和70.5 g/kg。尤为关键的研究发现是，7年后继续施用有机肥对作物不再具有增产作用。于2014年停止施用有机肥，有机质含量为68.2g/kg和70.5g/kg的小区，至2023年SOM含量分别下降到54.5 g/kg和57.9 g/kg，年均下降速率高达2%，逐渐趋向当地常规管理下黑土SOM平衡点演变。该结果证明有机肥连续施用，对作物增产和培肥土壤作用存在时间上限，停施后7年SOM又会快速降低，表明多次或长期施用有机肥对提升和维持黑土高肥力的必要性。
2.2 秸秆覆盖免耕增碳
粮食生产，尤其是播种面积占比最大的玉米种植，每年产出大量的秸秆。除少量用于饲料和燃料外，大部分秸秆被就地焚烧。干秸秆中碳含量高达40%以上，作为富含碳的有机物料，还田可为土壤提供碳源，提升土壤质量。为了保护黑土地，国家启动了保护性耕作行动计划，推进以秸秆覆盖还田为主的保护性耕作，黑土地保护性耕作已从无到有，全民认知，逐步推广应用。已有研究均表明秸秆覆盖还田对土壤碳作用是缓慢的，那么，保护性耕作对黑土增碳的作用如何？通过2004年建立的保护性耕作长期田间定位试验，明确了秸秆覆盖免耕下土壤增碳作用及其速率。结果显示，连续实施20年后，表层（0—20 cm）土壤碳储量增加了21.4%，平均年增长速率为1.07%，增碳0.8 t/hm2；0—100 cm全剖面土体碳储量增加了17.7%，平均年增长速率为0.89%，增碳2.6 t/hm2。研究认为，秸秆全量覆盖免耕形成“以结构保碳、以碳稳结构”的互馈机制，具有“全剖面增碳”效应。但由于气候冷凉，实施初始的前7年，由于耕层土壤温度低和土壤质量差等原因导致玉米减产，之后产量与传统耕作持平或略有增加，因此，秸秆覆盖免耕增碳需要长期实施，而提升粮食产能有年限效应。
2.3 黄土母质能快速转化形成黑土吗？
黑土是在黄土状亚黏土碳不断累积发育形成的；随着土壤碳的消耗，其颜色由黑变灰，甚至变黄（SOM含量低于2%时），黑土自然肥力随之下降。通过外源碳的输入，土壤颜色会逐渐加深，恢复为黑土。面对当前国家粮食生产的刚性需求，迫切需要通过增碳快速恢复退化黑土质量，提升粮食产能。
（1）大量施入有机肥
理论上是可行的，通过短期或一次性大量输入富含SOM的农家肥，混入土壤中后可快速提升SOM含量并加深土壤颜色。以表层（0—20 cm）SOM含量20 g/kg的黑土为例，SOM含量提高到30 g/kg，1 hm2需施用SOM含量30%的有机肥79.5 t，以综合成本300元/t计，投资成本为2.4万元/hm2。有机肥肥源可通过养殖废弃物或秸秆就近堆沤获取，高标准农田建设工程能够满足资金需求，因为目前正在实施的黑土地保护工程中，建设标准是3.6万元/hm2。2021年笔者团队建立了黄土母质快速培肥田间试验，以有机肥施用量为22.5 t/hm2为基准，设置只施1年、连续3年施入和3年一次性施入（67.5 t/hm2）3个处理组。实施3年后，研究发现，SOM含量由黄土母质初始的3.2 g/kg，分别增加到6.9 g/kg、10.2 g/kg和11.2 g/kg，分别提高了1.16、2.19和2.50倍。
（2）施入富含腐植酸的矿物有机肥
草炭、泥炭、褐煤等是由植物体未完全腐解生成的富含腐植酸的矿物，其碳源可固持上万年甚至百万年，碳含量远高于植物体的40%，如褐煤总有机碳含量可达75%以上。由于草炭和泥炭开采会对生态环境造成破坏，国家对其采用保护措施，严禁开采。而褐煤分布于近地表，是泥炭向无烟煤转化的中间产物，有机碳稳定性高，多尚未石化，重金属含量低，开采后露天堆放极易自然风化成粉末状褐色物质，属可开采矿物资源。施入土壤后有机碳易与土壤矿物结合，起到与农家有机肥类似的改善土壤结构，提升土壤碳库的作用。2024年，笔者团队在东北黑土地障碍性低产白浆土上开展大区对比试验，专家测产结果表明，施用褐煤15 t /hm2的大豆产量比对照增产21.8%；2025年，又建立了田间小区试验，设置褐煤施入量为7.5 t/hm2、15 t/hm2、45 t/hm2和75 t/hm2 4个培肥处理，供试土壤为SOM含量3.2 g/kg的熟化黄土母质，实施1年后的数据表明，SOM含量分别达到6.9 g/kg、9.9 g/kg、16.5 g/kg和26.2 g/kg，一次性施入褐煤45 t/hm2以上的作物产量当年达到当地粮食平均产量水平。如此高的SOM含量，显然与褐煤惰性有机碳比例高、稳定性强有关，其长时间存留在土壤中，可逐渐氧化缓慢释放，有望成为黑土重要的高效改良物。笔者的研究同时也发现，施用75 t/hm2处理土壤颜色已变黑。以700元/t计，1 hm2施褐煤75 t总综合成本5.25万元，当年由低产转变为中高产。因此，此改造也可利用高标准农田建设工程资金，其成本远低于商品有机肥的投入，具有实现由黄土向黑土一次性转变的可能。
三、相关启示
粮食安全是我国头等大事，黑土地作为国家最大的商品粮基地，主要种植玉米、水稻和大豆，对保障国家粮食安全起着举足轻重的作用。然而，100余年的高强度利用导致黑土发生了严重的退化，出现黑土层变薄、土壤碳损耗、土壤变硬，以及附加酸化、破碎化和次生盐碱化等问题，对可持续稳产高产产生了威胁。鉴于今后一段时间内，我国粮食生产仍将面对高压态势，维持高质量黑土是保障粮食产能的根本，碳储量既是衡量黑土质量的核心，也是保证粮食产能的基础——黑土有碳粮不慌。围绕黑土碳和粮食产量关系的核心问题，从研究结果中可获3方面启示。
（1）保障粮食产能需维持一定的黑土碳储量
当前东北黑土地表层黑土SOM平均含量为36 g/kg，较开垦前已减少了近60%，且仍以一定的速率下降。黑土SOM含量与玉米产量的定量关系呈单峰曲线，实现玉米产量最高的SOM含量阈值为70 g/kg。当前，黑土已丧失了20%的自然产能，作物种植主要依靠增加化肥投入维持高产。因此，遏制黑土退化，提高SOM含量是保证黑土地粮食产能的关键，也是化肥减施的必要前提。建议以黑土生产力下降10%的SOM含量45 g/kg作为预警线，以最高产量的SOM阈值70 g/kg为退化黑土SOM培肥目标，保障作物稳产高产。
（2）黑土增碳需科学谋定
施用有机肥可以一次性快速补充碳的损耗，增产显著；依托高标准农田建设的地力提升工程，经济可行，效果显著。但若不从根本上转变传统的常规耕作制度，培肥后的黑土仍会再次退化，其增碳和增产效应只能维持数年。秸秆全量覆盖保护性耕作虽然培肥黑土效果较缓，但能够对1 m深度土体的土壤起到增碳的作用，实现从初期减产到后期稳步缓慢增产的长期效应。
（3）褐煤有望成为扭转黑土退化的有效资源
褐煤储量大，分布于近地表，易开采；褐煤在自然转化的过程中，植物源的有机碳被不断浓缩成以腐植酸为主的稳定碳源，施到土壤中易与土壤矿物结合，稳定性强，增碳效果优于传统有机肥，有望成为快速“黄土变黑土”的有机碳源（图3）。
图3 提升黑土SOM保障粮食产能策略
粮食安全是我国头等大事，黑土地作为国家最大的商品粮基地，今后一段时期内我国粮食生产必然要面对高压态势，不同于世界上其他三大片黑土地，我国黑土地势必要走利用中保护的道路。黑土地保护已被列为国家重点工程，国家年投入专项资金已达1000亿元以上，以退化黑土培育为核心的地力提升工程已被列入高标准农田建设的重要内容之一。因此，维持或提升黑土碳获得难得机遇，科学高效培育退化黑土对维持黑土地粮食产能将起到关键的作用。
作者简介
张兴义 中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员，中国科学院特聘研究核心岗位，“十三五”“十四五”国家重点研发计划项目首席科学家。主要研究领域：黑土质量演变、保护性耕作、黑土侵蚀与水土保持。
刘晓冰 中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员，“一带一路”国际科学组织联盟-世界黑土联合会主席。主要研究领域：作物产量生理生态、黑土质量管理研究。
文章来源
张兴义, 沈庆松, 郭明明, 等. 黑土有碳粮不慌. 中国科学院院刊, 2026, 41(7): 1527-1534.
DOI: 10.3724/j.issn.1000-3045.20260115006.
本刊发表的所有文章，除另有说明外，文责自负，不代表本刊观点。
