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          耕地中的“大熊貓”:可算知道它多少歲了!
          發布時間:2023-09-22
          出品:科普中國
          作者:陳冬峰、李成保(中國科學院南京土壤研究所)
          監制:中國科普博覽

          黑土對于我們來說都不陌生,土壤是陸地表層含有機質之礦質顆粒的集合體,而黑土則是那些富含有機質(碳)、土層顏色灰黑的土壤。

          黑土的最大特點就是含有豐富的有機碳,如果能準確測定土層中最初產生與其后加積演化的有機碳,將能判斷土壤的形成年代和演化速率,這對黑土資源可持續利用與管理有著重要意義。不僅如此,作為我國糧食安全的關鍵,有效保護黑土資源更是對我國的大國糧倉建設至關重要。

          那么黑土中的有機質到底是如何產生的?在產生后又如何進行不斷累積和演化呢?別急,我們一起往后看。

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          黑土測齡?遠比你想象中復雜

          土壤是一個極為復雜的開放體系,其物質的交換、遷移與轉化等過程始終存在。這種復雜的物理、化學與生物學特性使得準確界定土壤的形成年齡顯得十分困難。

          為了更準確的測量和確定土壤年齡,由中國科學院南京土壤研究所和南京地理與湖泊研究所等單位研究人員,根據東北黑土區數十個剖面的廣泛調查結果,對黑土層底界之下出現的碳屑和深部埋藏的黑土層進行研究,并進一步對平穩地形條件下自然發育的三個黑土剖面進行碳14和OSL定年。

          東北黑土區地形地貌圖

          (圖片來源:中國科學院)

          通過這一研究,我國科學家有效解決了黑土年齡無法準確限定的難題,并首次明確了我國東北典型黑土區黑土形成的初始年齡范圍介于距今16.9~12.6 千年,遠早于此前普遍認為的全新世早中期(10~5千年)。

          碳14年代測定法是放射性碳定年法(Radiocarbon dating),又稱為碳十四斷代法(Carbon-14 dating),是根據碳14的衰變程度(碳14的半衰期為5730年)來計算出樣品的大概年代的一種測量方法,這一方法通常用來測定古生物化石的年代,測定年代范圍58~62千年。放射性碳法是在第四紀地質測定年齡方法中精度最高、用途最廣、最成熟的方法,廣泛應用于距今50千年以來的地質、環境和考古研究。

          OSL(Optically stimulated luminescence)光釋光測年法與同位素測年法都是基于同一原理:總量、速率與時間之間有某種函數關系。如果已知總量速率,則可求出時間(年代)。凡經過陽光(自然光)充分曬退過的含有石英或長石等礦物的埋藏地質體和考古樣品都可作釋光測年,例如黃土、沙丘砂、古陶片、快速隆升的基巖等。

          研究人員分別采用上述二種方法對東北黑土進行了測量,結果顯示,黑土層基部OSL年齡(14~13.5千年)遠老于碳14年齡(9~7千年)。由此可以推斷OSL年齡代表了黑土中最初產生的有機碳的年齡,而全土(后來加積的黑土層)碳14年齡(土壤有機碳平均滯留時間)則大大低估了黑土的形成年齡。

          黑土剖面

          (圖片來源:中國科學院)

          這一推論符合于第四紀地質環境背景,OSL年齡對應的時間處于晚冰期暖期(約距今14.7–12.7 千年),末次冰盛期以來的區域氣候在此時段經歷了快速暖濕化,顯著提高了生物量,對土壤有機質的累積演化提供了有利條件。

          對被埋藏黑土層測定的年齡也證實了這一點。根據碳14與OSL年齡的巨大變化、成土母質沉積過程及區域歷史環境等因素,研究人員提出了黑土形成的新模式——加積模型,認為我國東北深厚黑土層的形成是有機質積累和礦質粘粒持續加積共同作用的結果。該模型不僅揭示了深厚黑土層的形成機制,還解釋了為何土壤有機碳碳14年齡會嚴重低估黑土的形成年齡。

          黑土有機質組分碳14年齡與OSL年齡深度變化特征揭示黑土形成的加積模式

          (圖片來源:中國科學院)

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          守衛黑土地,上陣黑科技

          對黑土有機質累積演化規律的精準研究,將會成為揭示培肥黑土、提升土壤生產力的有效途徑,理應成為當下土壤學研究的首先方向。

          2021年,中國科學院啟動和實施了“黑土糧倉”科技會戰,乃是研究、揭示黑土有機質的累積演化規律的重大舉措,南京土壤所的一個研究團隊是這一會戰的骨干力量。

          大面積培肥區域性黑土并提高其生產力的任務十分艱巨。土壤有機質作為耕地內在生產力的核心指標,是影響黑土地質量的重要因素。

          東北黑土區耕地土壤有機質含量空間分布圖

          (圖片來源:中國科學院)

          目前,增施有機肥、種植綠肥、秸稈還田、沃土微生物菌劑、保護性耕作等手段均能有效增加有機質,但外加有機物轉化為土壤有機質的過程是很緩慢的。

          為了解決速度上的難題,南京土壤所的研究團隊對黑土有機質含量快速持續提高和健康土壤培育方面進行了大量調查和研究,基本建立有效的增碳沃土技術體系。

          該技術體系采用綜合的農業技術措施,盡量多施用人畜禽糞堆漚的農家有機肥,綠肥與秸稈結合還田并配施含有巨大芽孢桿菌的微生物菌劑,以加速有機物的腐爛分解,形成土壤腐殖質,增加黑土的有機質含量,并采用深耕、翻耙等耕作措施,為有效培肥黑土、提升土壤生產力提供技術支撐。

          田里的農家肥

          (圖片來源:Veer圖庫)

          針對黑土地變薄、變瘦、變硬等問題,當下國家科技會戰隊伍開展天空地一體化監測和預警研究,以加快實現黑土地生產的智能化運作。

          土地耕耙、作物播種栽插和施肥實現自動化無人操作,通過衛星定位,使智能除草機精準清除田間作物中的雜草,實現除草機械化,這樣就消除了因施用除草劑而引起的污染,保護了耕地環境。

          新一代無人化智能農機

          (圖片來源:新華社)

          除此之外,科研人員還不斷開展土壤退化過程阻控技術的研究與開發,在黑土區綜合規劃建造防護林帶,在多風的崗坡地上種植多年生牧草,以防止土壤風蝕和水土流失,這對累積有機質、保護黑土層起有重要作用。為了實現黑土地的綜合保護利用,需要大力研發多種型式的耕種管智慧機械,以適應鄉村振興和農業現代化的迫切需求。

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          結語

          在東北黑土區,深厚的土層均呈黑色,乃是黑土地富含有機碳的有力證據。準確測量黑土年齡并提出加積模型對理解黑土資源形成過程與機理、評估黑土資源可持續性,以及對斷定土壤年齡有著重要意義??梢栽O想,如果能弄清黑土有機碳的累積演化規律,進而設法開發出能使一般土壤有機碳含量提升到一般黑土水平的技術,那就會大大增加土壤碳庫的容量。這將促進我國“雙碳”目標的早日實現,對于全球氣候變化而言無疑是一大貢獻。

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          參考文獻:

          [1]中國科學院南京土壤研究所主編,1978, 中國土壤,科學出版社。

          [2]Zhang G., Long H., and Yang F. (2023). Understanding the formation time of black soils. The Innovation Geoscience 1(1), 100010??????????????????????????????


          科普中國官方網站: https://www.kepuchina.cn/
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