耕地中的“大熊猫”：可算知道它多少岁了！

出品：科普中国

作者：陈冬峰、李成保（中国科学院南京土壤研究所）

监制：中国科普博览

黑土对于我们来说都不陌生，土壤是陆地表层含有机质之矿质颗粒的集合体，而黑土则是那些富含有机质（碳）、土层颜色灰黑的土壤。

黑土的最大特点就是含有丰富的有机碳，如果能准确测定土层中最初产生与其后加积演化的有机碳，将能判断土壤的形成年代和演化速率，这对黑土资源可持续利用与管理有着重要意义。不仅如此，作为我国粮食安全的关键，有效保护黑土资源更是对我国的大国粮仓建设至关重要。

那么黑土中的有机质到底是如何产生的？在产生后又如何进行不断累积和演化呢？别急，我们一起往后看。

黑土测龄？远比你想象中复杂

土壤是一个极为复杂的开放体系，其物质的交换、迁移与转化等过程始终存在。这种复杂的物理、化学与生物学特性使得准确界定土壤的形成年龄显得十分困难。

为了更准确的测量和确定土壤年龄，由中国科学院南京土壤研究所和南京地理与湖泊研究所等单位研究人员，根据东北黑土区数十个剖面的广泛调查结果，对黑土层底界之下出现的碳屑和深部埋藏的黑土层进行研究，并进一步对平稳地形条件下自然发育的三个黑土剖面进行碳14和OSL定年。

东北黑土区地形地貌图

（图片来源：中国科学院）

通过这一研究，我国科学家有效解决了黑土年龄无法准确限定的难题，并首次明确了我国东北典型黑土区黑土形成的初始年龄范围介于距今16.9～12.6 千年，远早于此前普遍认为的全新世早中期（10～5千年）。

碳14年代测定法是放射性碳定年法（Radiocarbon dating），又称为碳十四断代法（Carbon-14 dating），是根据碳14的衰变程度（碳14的半衰期为5730年）来计算出样品的大概年代的一种测量方法，这一方法通常用来测定古生物化石的年代，测定年代范围58～62千年。放射性碳法是在第四纪地质测定年龄方法中精度最高、用途最广、最成熟的方法，广泛应用于距今50千年以来的地质、环境和考古研究。

OSL（Optically stimulated luminescence）光释光测年法与同位素测年法都是基于同一原理：总量、速率与时间之间有某种函数关系。如果已知总量和速率，则可求出时间（年代）。凡经过阳光（自然光）充分晒退过的含有石英或长石等矿物的埋藏地质体和考古样品都可作释光测年，例如黄土、沙丘砂、古陶片、快速隆升的基岩等。

研究人员分别采用上述二种方法对东北黑土进行了测量，结果显示，黑土层基部OSL年龄（14～13.5千年）远老于碳14年龄（9～7千年）。由此可以推断OSL年龄代表了黑土中最初产生的有机碳的年龄，而全土（后来加积的黑土层）碳14年龄（土壤有机碳平均滞留时间）则大大低估了黑土的形成年龄。

黑土剖面

（图片来源：中国科学院）

这一推论符合于第四纪地质环境背景，OSL年龄对应的时间处于晚冰期暖期（约距今14.7–12.7 千年），末次冰盛期以来的区域气候在此时段经历了快速暖湿化，显著提高了生物量，对土壤有机质的累积演化提供了有利条件。

对被埋藏黑土层测定的年龄也证实了这一点。根据碳14与OSL年龄的巨大变化、成土母质沉积过程及区域历史环境等因素，研究人员提出了黑土形成的新模式——加积模型，认为我国东北深厚黑土层的形成是有机质积累和矿质粘粒持续加积共同作用的结果。该模型不仅揭示了深厚黑土层的形成机制，还解释了为何土壤有机碳碳14年龄会严重低估黑土的形成年龄。

黑土有机质组分碳14年龄与OSL年龄深度变化特征揭示黑土形成的加积模式

（图片来源：中国科学院）

守卫黑土地，上阵黑科技

对黑土有机质累积演化规律的精准研究，将会成为揭示培肥黑土、提升土壤生产力的有效途径，理应成为当下土壤学研究的首先方向。

2021年，中国科学院启动和实施了“黑土粮仓”科技会战，乃是研究、揭示黑土有机质的累积演化规律的重大举措，南京土壤所的一个研究团队是这一会战的骨干力量。

大面积培肥区域性黑土并提高其生产力的任务十分艰巨。土壤有机质作为耕地内在生产力的核心指标，是影响黑土地质量的重要因素。

东北黑土区耕地土壤有机质含量空间分布图

（图片来源：中国科学院）

目前，增施有机肥、种植绿肥、秸秆还田、沃土微生物菌剂、保护性耕作等手段均能有效增加有机质，但外加有机物转化为土壤有机质的过程是很缓慢的。

为了解决速度上的难题，南京土壤所的研究团队对黑土有机质含量快速持续提高和健康土壤培育方面进行了大量调查和研究，基本建立有效的增碳沃土技术体系。

该技术体系采用综合的农业技术措施，尽量多施用人畜禽粪堆沤的农家有机肥，绿肥与秸秆结合还田并配施含有巨大芽孢杆菌的微生物菌剂，以加速有机物的腐烂分解，形成土壤腐殖质，增加黑土的有机质含量，并采用深耕、翻耙等耕作措施，为有效培肥黑土、提升土壤生产力提供技术支撑。

田里的农家肥

（图片来源：Veer图库）

针对黑土地变薄、变瘦、变硬等问题，当下国家科技会战队伍开展天空地一体化监测和预警研究，以加快实现黑土地生产的智能化运作。

土地耕耙、作物播种栽插和施肥实现自动化无人操作，通过卫星定位，使智能除草机精准清除田间作物中的杂草，实现除草机械化，这样就消除了因施用除草剂而引起的污染，保护了耕地环境。

新一代无人化智能农机

（图片来源：新华社）

除此之外，科研人员还不断开展土壤退化过程阻控技术的研究与开发，在黑土区综合规划建造防护林带，在多风的岗坡地上种植多年生牧草，以防止土壤风蚀和水土流失，这对累积有机质、保护黑土层起有重要作用。为了实现黑土地的综合保护利用，需要大力研发多种型式的耕种管智慧机械，以适应乡村振兴和农业现代化的迫切需求。

结语

在东北黑土区，深厚的土层均呈黑色，乃是黑土地富含有机碳的有力证据。准确测量黑土年龄并提出加积模型对理解黑土资源形成过程与机理、评估黑土资源可持续性，以及对断定土壤年龄有着重要意义。可以设想，如果能弄清黑土有机碳的累积演化规律，进而设法开发出能使一般土壤有机碳含量提升到一般黑土水平的技术，那就会大大增加土壤碳库的容量。这将促进我国“双碳”目标的早日实现，对于全球气候变化而言无疑是一大贡献。

参考文献：

[1]中国科学院南京土壤研究所主编，1978, 中国土壤，科学出版社。

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