如果我们保证不了东北粮仓持续生产，

可能生存都会出现问题。

张旭东 · 中国科学院沈阳应用生态研究所研究员

格致论道第60期 | 2020年11月21日 北京

我今天分享一个大家既熟悉又陌生的故事：土壤。大地的景象是一样美的，大地美的景象，其中一个重要的组成成分就是土壤。

没有土壤就没有这个景象，没有土壤就没有整个人类，没有土壤就没有地球的文明，所以土壤是支撑地球文明重要的基础物质。

▲ 土壤是指陆地表面的一层疏松物质，由各种颗粒状矿物质、

有机物质、微生物、动物、水分、空气等组成，能生长植物。

或许大家觉得土壤不就是一抓一把土吗，我们成天都能看见，即使我们不去农田，路边一些绿化带也有土壤。实际上土壤非常神奇，它不仅仅是物质神奇、物质复杂，它在物质层面上有有机质，也有矿物质。

除此之外，它里面有很多生物，是一个巨大的生物库。土壤有生物，才能够有活力。这个生物包括微生物，微生物包括真菌、细菌、病毒。通过新冠疫情，我们都知道什么是病毒，土壤里有大量的病毒，但是有病毒不一定会染病。所以土壤是非常复杂、非常神奇的一个系统。

除了微生物，土壤里还有动物。蚯蚓是很常见的，是肉眼能看见的，肉眼看不见的动物还有很多。微生物就更小了，微生物是肉眼看不见的，但是它的数量是巨大的，究竟多到多少？举个例子，我们以克为单位，一克土壤里有十几亿个微生物。

▲ 土壤是巨大的生物库、是类生物体；土壤生物相互关联

虽然它非常细小，但是它的作用非常大，也就是说没有土壤，就没有土壤微生物，没有土壤生物的功能。

我们对土壤最大的期待，就是它能够生产绿色植物，我们吃的食物，无论直接的还是间接的，都来自土壤。如果没有土壤，并且土壤没有生产能力，就供应不了粮食。

土壤具有包容性

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土壤除了这个功能外，还有巨大的其他方面的功能，用另一个词来表达，就是土壤很包容。

▲ 土壤是绿色植物生产工场，是自然的消解器、净化器

想一想污染物，不论现在工业排放的还是自然排放的，到土壤里都能够被消解，当然，重金属是另一回事。有机污染物在土壤中能够被消解，土壤使脏的东西变干净了，是一种清洁器的作用。

它还有过滤器的作用，像雨水或灌溉水，经过土壤过滤、净化后，出来的水就是干净的。如果土壤没有这种包容，那么我们这个世界就没有干净的水了。地下水是很干净的，就是因为土壤清洁过滤的功能，如果没有这个功能，我们就没有这个清洁的环境，所以土壤非常重要。

▲ 有机质是土壤核心组分，是黑金

土壤有一个很重要的物质，从图上可以看见，这个东西用手一捏非常黑，它就叫土壤有机质。土壤里的固体成分就两种，一种是有机质，一种是矿物质。

矿物质是哪里来的呢？岩石一风化，逐渐破碎，破碎后，它的结构就发生变化，最后就变成和岩石完全不同的组成成分了，从原来岩石的矿物变成土壤的矿物。它在土壤的成分里占绝大部分，一般占90%以上。

土壤里的有机质能占百分之几？南方土壤也就1%，甚至不到1%，东北黑土有机质要高一点，一般也就百分之二三，高的有百分之四五。但是它起到了非常关键的作用，因为土壤是有机成分，它和矿物能相互作用，能形成颗粒，形成团聚体，然后形成结构。这样，土壤里边就不光像矿物一样结构不好，为什么这样？

如果没有有机质，就像矿物一样，那么植物的根也扎不进去，水也流不进去，这样土壤就生长不了作物了，微生物在里边也没法生存了。

现在我们说说它的功能，土壤的有机质是黑色的，我们都知道，如果把光的颜色全吸掉，它就是黑色的。土壤是黑色的，越黑代表它的有机质越高，所以越黑的土壤也越好。

东北的土壤为什么叫东北黑土？就是因为东北黑土有机质含量高。东北黑土在历史上开垦的初期，有机质含量是非常高的，我们常说：抓把土能攥出油。

但是现在大家看，这里有几个瓶子，不同颜色的土壤性质不一样，最关键的是有机质含量不一样。但是特殊的发白的，那个里边有盐分的，就是另一种颜色了。

有机质非常关键，它不是从天上掉下来的，实际上是微生物把地表的枯枝落叶分解掉，转化成有机质。农田生态系统有根茬，如果把作物秸秆归还给土壤，微生物就能把土壤分解掉，之后能形成一种特殊物质，叫土壤有机质。它逐渐积累在土壤里，这样土壤才能从原来的矿物变成土壤。这个过程是非常缓慢的，积累一公分的有机质需要几百年，短的需要二三百年，长的也可能千八百年。

▲ 土壤有机质哪来的？

它是一个漫长的过程，但要破坏它相对容易，不需要那么长时间。所以要想保持有机质的平衡，没有外援的输入是不行的。

因为土壤里有微生物，外援的有机质是微生物最好的食物。输入这些不仅可以形成有机质，同时也为微生物供应食品，供应它所需要的碳源和所需要能源。这样微生物会高兴，整个系统才能变好。

东北黑土地是国家粮仓

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黑土越黑，我们的生活才能更好，为什么是这样的呢？

世界上有四大片黑土，在北半球有三片。我国东北有一片，还有乌克兰是一片黑土，北美密西西比平原是一片黑土，南美乌拉圭潘帕斯平原是一块黑土。世界上的这些地方都是黑土高产地区，都是产粮地区，如果世界上没有这四大片黑土，可能今天地球上就没有这么多人口。这片黑土能够被保护得更好，人们才能活得更好。

有一个概念叫东北黑土地，就是整个东北地区都叫东北黑土地，当然，从南到北的土壤，有机质含量有差别，颜色也有差别。除了东北三省，内蒙古的东四盟也是黑土地。

东北黑土地面积是很大的，但是耕地面积并不大，如果总面积100多万平方公里，那么耕地面积就是4亿到5亿亩。但是如果按照比例算，它占全国耕地的五分之一。因为黑土产量高，所以它在全国的粮食产量要超过平均数，粮食产量能达到四分之一，它调出的商品粮能达到三分之一。

也就是说，我们国家端的饭碗里，每吃三碗饭，就有一碗饭是东北黑土地生产的。所以东北黑土地对我国粮食安全保障非常重要，我们把东北黑土地叫东北粮仓它是国家最大的商品粮基地，我们把它叫做我国粮食安全的压舱石，是稳压器。

▲ 东北粮仓占全国耕地20%、全国粮食产量25%、全‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍国粮食供应33%。

如果东北黑土出现问题，我国粮食安全就会出现问题。因为现在的国际形势非常复杂，粮食安全是至关重要的。

像美国限制我们的高科技，尤其限制华为，可能会使我们的手机变得差一点、生活质量差一点。但是如果我们保证不了东北粮仓能够持续生产，如果粮仓出现问题，我们可能生存都会出现问题，所以东北粮仓非常重要。

东北粮仓确实出现问题了，就是土壤退化。

东北的土壤现在不那么黑了，黑土层也不那么厚了，它变瘦了，在生产上的表现就是它的肥力下降了，它变得馋了。

为什么变馋了？就是我们不施化肥、不打粮，粮食产量就维持不了。这样我们就会大量地使用化肥，虽然这能保证一定的产量，但是也带来了很大的环境问题。农民现在不断地往土壤施化肥，一亩地差不多能施一百多斤化肥，一公顷地能施差不多施一吨化肥，量是很大的。但是化肥的作物利用率并不高，尤其是氮肥，一般只有40%的利用率，施的化肥都跑到环境中去了。

另一方面，它可以变成气体，因为土壤里有微生物，我们施的化肥，铵态氮可以变成硝态氮。硝态氮反硝化，可以变成亚硝态氮，最后变成气体出来了。因为它是温室气体，所以会造成全球变化。

还有一点，因为土壤是渗水的，气体会进入地下水，地下水就会被污染，即硝酸盐超标。为什么硝酸盐会超标？因为我们施化肥施太多了，土壤差了，它的利用率就低，进入环境就造成环境问题。

我做了几十年土壤碳氮的工作，从理论上做了很多研究，现在就觉得，我们从理论上已经揭示了东北黑土退化最关键的原因，是传统耕作制度的不合理。

▲ 黑土层流失——有机质含量下降——

风蚀、土壤沙化——地表裸露无保护

我们的农业文明已经几千年了，虽然在东北没有那么长，但也有几百年的历史。

农民耕作，讲究精耕细作，我们秋天翻地，到春天的时候整地、耙地，又起垄。另外，农民还有一个习惯，希望一片草叶也不留，觉得这样才是一个好农民、正经农民。如果地里埋汰了，东北话叫做不干净了，那么代表你不是一个好农民。

这样就会造成一个问题，刮风的时候，因为地表没有覆盖，土壤又疏松，大风之后就把细的颗粒都刮走了，最后粗的颗粒留下了。但是越细的颗粒，有机质含量越高，养分越好。这样刮走后，土壤沙化了，长期这样刮，土壤变沙了，这就是沙土。土壤性质变差了，它的功能也变差了，如果继续刮，那就不是沙土的问题了，整个土地就将变成沙漠了。

所以沙漠不是原来就是沙漠，它原来也是土壤，这些土壤没有区别，经过风的长期筛选，把细的颗粒刮走了。刮沙尘暴的时候，地下一片沙土，就是从表土刮上来，被搬运走了，最后大部分都进入海洋了。

还有就是地表是裸露的，因为东北是一个漫冈漫川的地形，它的坡度不大，但是坡很长，东北降雨雨量不大，但是强度很大，所以造成地表冲刷。地表冲刷冲成一溜一溜的沟，但是除了沟外，一场大雨后整个地表冲刷，就可能冲刷掉零几点毫米，甚至一毫米。冲刷掉的土壤去哪了？去河流，最终去大海了。大的河流都有三角洲，长江有三角洲，黄河也有三角洲。

三角洲的土是哪来的？

为什么能形成三角洲？就是地表的土壤，尤其是耕地的土壤，经过下雨后就要水土流失。然后把土壤表层珍贵的黑土层，最后都搬运到大海里了，大海沉积后变成三角洲。实际上黄河的泥沙更多，没等到大海就沉积了，所以黄河的河床为什么越来越高？就说明地表冲击的这些土壤颗粒逐渐沉降，所以黄河河床抬得越来越高。

▲ 秸秆烧了、打包了——土壤变差——水蚀、水土流失

另外，还有一个关于传统耕作的关键因素。为什么历史上农民不把秸秆留在田里？是因为在历史上，东北很寒冷，当然现在也冷，那时没有替代能源，但人们冬天需要取暖，需要做饭，靠什么？那时不产煤地区没有能源怎么办？

秸秆是最重要的能源，所以他烧柴、做饭用秸秆，取暖用秸秆。但是现在，替代能源越来越多，秸秆成了废弃物，这样怎么办？要么就打包打走了，实在没有用的，就一把火烧掉了，烧掉的是什么？烧掉的是资源，因为土壤有机质的形成得有来源，得有原料。所以土壤有机质就越来越低了，也就是说黑土层越来越低了，这就是土壤侵蚀的原因。

土壤表层被逐渐冲刷，从原来的一米深，甚至七八十公分，变成现在的三四十公分、四五十公分。有机质含量，从原来的45%下降了很多，变成34%，下降到三分之一甚至一半，所以土壤就逐渐退化了，性质变差了。

我们做过大量的研究，特别是在科学院，专门有一个碳专项，土壤有机质的主要成分就是碳，有机碳。如果作为全球变化，我们叫碳，在土壤里就叫有机质。

我们做碳专项研究时，发现全国唯独东北拥有的黑土仍然在下降，其他地区的土壤有机质开始上升了。关于为什么下降，我们从机理上做了大量的研究，但这样只能发表一些论文，真正解决土壤的问题，我们还需要思考。

耕作制度的革命

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耕作制度不合理，那么怎么改变耕作制度？用什么耕作制度替代，可以使土壤有机质恢复，使东北黑土地变得更黑？我们就做了大量的研究，并研发了一种新的技术，叫做秸秆覆盖免耕技术。

这种技术使整个耕作制度完全变化了，以前是精耕细作，秸秆全移出地表，现在不是了，收获之后，所有秸秆留在地表。根据下一年怎么种地，以不同的方式保留，可以把它们覆盖在地表，像盖一层被一样。

▲ 地表盖被——有机残体输入

这是我们开发的第一台特殊的免耕播种机，就在大量秸秆覆盖的情况下，能够高质量地播种，高质量地施肥。所以苗的情况、整个耕作制度完全改变了。

实际上，耕作制度改变，我们已经做了14年的工作，从2006年开始的，我们已经做了很长时间的基础研究。习主席强调把论文写在大地上，真正解决生产实践问题。这样我们就想，可能解决的唯一办法就是采取保护性耕作。

所以2006年，我们就想开发新的保护性耕作技术，我们在东北找了一个实验基地，就是吉林梨树。到了吉林梨树，找到农业推广总站的王站长商谈，后来我们又找了其他几个人一起商量。我把我的想法和这些人一说，大家一拍即合，觉得这确实是一件好事。

但是耕作制度改革不是那么容易的，它是一个长期的工作，因为任何一项变革都需要一个长期的过程。但是大家都觉得这是一件很好的事，所以我们后来就觉得当时是做了一个梦。因为大家觉得这是一件好事，我们必须做下去，但是我们不知道要用多长时间能够做好。所以我们那时候说，没有关系，我们做不好，后来人可以接着做。我们这个梦，现在变为现实了。

实际上，保护性耕作是耕作制度改革，更关键的是观念的改革，让大家接受是非常困难的。不仅让农民接受，还得让官员接受，还得让科学家接受，哪一方不接受，这个工作都很难做。这项耕作制度是一个少投入、多收获的技术，所以我们把它叫做“少点投入，多份收获”。这项技术我们在东北做了14年，虽然遇到很多困难，我们也一直在坚持。

做农业就得和农民打交道，于是我们在梨树设立了一个实验基地，把农民的地租过来，然后签合同，签合同后开发我们的技术。农民们一开始不太知道，但签这个合同比其他承包钱还要多，农民们很高兴。但是头两年他们就觉得，我们这不像农民种地，收完了之后把秸秆都留在地表，跟传统耕作完全不一样。农民笑话我们，说你们这样，还是农民吗？还能种地，还能打粮吗？

实际上方方面面，包括这项技术的应用，甚至科学家也有很多质疑的声音。而且刚开始的时候肯定有问题，因为秸秆全在地表，像这样高质量的播种难度是很大的。这对播种机的质量要求，对操作技术的要求，难度都很大。如果播不好，苗期生长得不好，就断苗了。

另外还有一个，保护性耕作的地表就像盖了一个被子，秸秆都在地表，因为东北和北京不一样，东北温度更低。温度是决定产量的非常关键的因素，秸秆盖在地表，春天地表升温慢，苗就长得慢，所以老百姓就觉得不高兴。前两年时，科学家也说这个技术不行，看春天的时候苗长得很慢。

但是我们有我们的数据，它的根长得要好得多，到后期温度上来，它不仅长得快，而且根系发达，对养分和水分的吸收还有好处。我们种了两年后发现，这样做不仅能打粮，粮食产量还高。特别干旱的时候，抗旱保墒能力强，所以产量更好。

所以最后这项技术逐渐成熟，逐渐被大面积推广，现在在东北已经推广到几千万亩，产生了很大的经济效应。

但是另一方面，因为我们是做研究的，我们不仅要开发一个技术。究竟秸秆怎么覆盖，覆盖多少好？到播种的时候我们怎么处理秸秆？免耕播种机怎么能够播种好才能使整个质量高、生长好、最后产量高？

土壤里之所以神奇，是因为土壤有功能，最关键的是土壤有生物，特别是微生物，微生物高兴了、开心了，土壤才能好。微生物到底产生变化了吗？

▲ 食物充足——蚯蚓数量大幅增加——生物多样性增加

我们做了大量研究，做蚯蚓相对简单一点，很容易测。我们做了两三年后，扒开地表秸秆，很容易看到很多蚯蚓。但是做微生物就很不容易了，因为微生物非常细小，一克土壤里有十几亿个微生物，用肉眼基本看不见，用显微镜看也困难。

但是现在有新的技术，叫做高通量测序技术。我们取出很少的土壤，把DNA提取出来，通过高通量测序，通过基因水平知道有什么微生物，它的种类变没变多。确实不一样了，整个微生物数量也增多了，多样性也增多了，整个群落结构也变好了，整个功能都变好了，就说明微生物改善了。

只有微生物改善了，土壤有机质才能增加，养分才能改善，这是我们最终的目的。我们最终要的是土壤有机质提高，整个土壤性质变好。土壤养分增多了，对作物来说就可以吸收，养分供应变好，土壤水分就改善了，因为水分也是决定产量最关键的因素。

所以除了微生物，我们首先看看这对有机质到底有没有影响。通过十几年的研究可以发现，有机质确实提高了，耕作的时候有一定的深度，耕层是20公分，20公分里的有机质能够增加。

▲ 食物充足——有机质增加

秸秆归还多少，有机质增加不一样，但是至少能增加20%，这是很可观的。因为有机质增加是非常缓慢的，你可能看不到在几年之内增加。所以除了关注有机质增加多少，我们还得关注它的机理怎么样，背后是怎么增加的，微生物怎么作用能使有机质增加。

我们这个团队是做微生物残留物的，什么叫微生物残留物呢？就是微生物死亡后，残体到土壤里变成土壤有机质了，我们就能够把微生物残体的细胞壁分离出来。把它的细胞壁提取出来后，能把细胞壁的成分测定出来。这是我们在国际上首创的技术，在国际上我们一直起到引领的作用。

我们能做到什么程度？在土壤里，碳氮有同位素，碳13 碳12是同位素，对氮来说，氮15 氮14也是同位素。所以我们用同位素的技术，还能区分开秸秆来源的有机质和土壤里微生物贡献的原有的有机质，这样我们就知道了，微生物贡献增加了，我们都能做出来。

我们这项工作取得了很大的进展，所以土壤变黑了。原来的土壤退化是土壤越来越黄，现在土壤真正变黑了，土壤有机质增加了，微生物也高兴了。因为微生物在供应植物残体时，是很好的养分，但是当停止供应时，它就依靠土壤里自身的土壤养分，大量的氮磷钾，不仅是作物需要的，同时也是微生物需要的。所以微生物增加了，土壤有机质增加了，微生物高兴了，它的活性增强了，积极性提高了。

这样还有一个好的作用，因为施肥时，特别是现在施化肥，农村的劳动力越来越少，农民施肥都喜欢一次性施肥。但是作物的生长是逐渐生长，也是逐渐地需要肥料，这样怎么办？微生物有一种作用，就是作物不需要时，我们施的化肥能够把原来无机的转化成有机的，这样就不损失了。

为什么化肥利用率低？就是这个无机形态在土壤。无机化肥，无论是铵态氮还是硝态氮，在土壤里都是很容易损失的。变成有机的，它就跑不掉了，所以在土壤里存储下来，作物需要时，逐渐吸收养分。土壤里养分少了，对微生物来说，吸收的也少了，它觉得不高兴了。这样它就把原来储存的再加速分解掉，变成有效的元素，即有效养分。这样作物也高兴了，所以可以源源不断地供应养分。

我们做过研究，通过这项技术能够使养分利用率提高15%-30%，这样我们可以减少20%的化肥使用。

▲ 补充养分——源源不断供应养分——节省化肥20-30%

减少化肥使用后，一方面，农民高兴了、省钱了，另一方面，对生态环境造成的压力减轻了，污染减轻了。对水分也是一样，我们吃饭还得喝水，没有水是消化不了的，虽然苞米花也挺好吃，但是嚼到一定程度时没有唾液了，还得喝点水。

由于土壤盖被，就是渗水加快了，蒸发的时候土壤有个被，蒸发慢了，再一降雨水，都能储存到土壤里，土壤里就产生一个水库。这个水库能够积累多少，就相当于每年能够增加50-70毫米的降水。因为东北在生长季降水也就四五百毫米，而50-70毫米降水，相当于两三场大的中雨，或两场大雨，这是非常可观的。

‍▲ 抗旱保墒：雨水渗透能力提升、蒸发减少、土壤保水能力增加

从图上看，没有保护性耕作时，在干旱的时候，发黄的和不发黄的是完全不一样的，所以增强抗旱保墒能力很重要。

守护东北黑土地

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实际上，这项工作现在不仅我们在做，我们的工作引起了国家重视，现在已经上升到国家战略。国家战略就是国家制定行动计划，在东北靠政策补贴，要大力推广保护性工作，使东北黑土变得越来越黑，变得能够可持续，也就是**“藏粮于地，藏粮于仓”**。

习总书记今年7月份到东北视察时，专门看了我们的保护性工作，当时他就把东北黑土地比作耕地中的大熊猫。**要把耕地中的大熊猫保护好、利用好，使之永远造福人民。**所以现在，有国家政策的加特，我们再通过科研上的努力，想使东北黑土变得越来越黑，我们的生活变得越来越好。

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