今年7月22日是吉林省首个黑土地保护日。在吉林省四平市梨树县高家村有一片试验示范基地——中国科学院沈阳应用生态研究所(以下简称沈阳生态所)保护性耕作研发基地，基地里随处可见忙忙碌碌的学生和老师。
“来梨树县前，我都不知道黑土长什么样。”一名来自中国科学院大学的江苏籍学生告诉《中国科学报》。基地里的学生大多来自城市，几乎没有干过农活，如今却已成为庄稼地里干活的好手。
沈阳生态所研究员张旭东是保护性耕作研发团队的首席科学家，他第一次来到梨树县还是2006年。一晃十多年过去了，他和团队依然奔波在东北玉米种植带的各个乡村，推广玉米秸秆全覆盖免耕技术，教当地农户如何用好、养好黑土地。
黑土变馋、变渴
2002年，张旭东带领团队在东北开展黑土考察时发现，由于长期的重用轻养，原本肥沃的黑土地累“瘦”了，黑土层正在变薄。
根据我国第二次土壤普查结果以及中国科学院“碳专项”的研究发现，尽管全国范围内土壤有机质含量普遍提升，但是，东北旱地土壤的有机质含量仍在下降。传统耕作制度下的掠夺式经营是黑土退化的根源。
每年4月，张旭东从沈阳前往梨树县的路上经常遇到风沙。他告诉记者：“风沙刮走裸露的表土，造成黑土退化。同时，流动的雨水冲刷造成土壤侵蚀，不仅降低了土壤肥力，还增加了耕种难度。”
长此以往，黑土在变馋、变渴。张旭东解释道，变馋是缺乏有机物料归还导致土壤资源过度利用，黑土层变薄、有机质变少、养分库容量降低;变渴是地表裸露且频繁耕翻导致黑土层流失，水分涵养能力下降、风沙加剧、生态环境恶化，而过量化肥投入进一步加剧了黑土退化。
“如果不能有效遏制土壤退化，就会严重影响东北黑土的生产和生态功能。”针对黑土农田系统养分循环不畅、肥料利用效率低等问题，张旭东团队系统深入地研究了东北黑土氮素微生物转化的过渡特性以及调控过程，并提出“土壤有效氮过渡库”的理论。
“‘土壤有效氮过渡库’就好像‘骆驼的驼峰’，同时具有储存和释放养分的功能。”团队成员、沈阳生态所研究员何红波打了一个形象的比喻，“肥料氮素在土壤微生物的转化下，储存进入这个‘驼峰’中，按需释放补充，周而复始增加黑土肥力。”
“懒人耕作”
我国东北地区在20世纪末和21世纪初进行了保护性耕作的初步探索，但是由于受到技术和专用机械的限制，并没有真正的应用，在局部区域小范围的秸秆还田作业也仅限于传统耕作，并未实现对黑土地的保护作用。
张旭东分析发现，此前普遍应用的传统耕作(勤快种地)一方面导致秸秆资源无法有效利用，土壤承载力越来越接近极限;而另一方面，生态系统功能脆弱、生态环境不断恶化。因此，解决黑土退化问题的必经之路是改革玉米生产的传统耕作方式。
从2006年起，张旭东与时任吉林省梨树县农业技术推广总站站长的王贵满等合作，开始探索和研发适合东北气候特征和土壤特性的玉米秸秆覆盖免耕(保护性耕作)技术，并将梨树镇高家村的15公顷耕地作为保护性耕作试验示范基地。
记者获悉，保护性耕作试验示范基地的农田没有采用传统耕作的秸秆清理、旋耕起垄，而是在玉米秋收后，将秸秆原地均匀覆盖，春播时直接在秸秆覆盖的农田上实施免耕播种施肥一体化作业，从而实现秸秆还田、免耕播种、化学除草、机械收割的全程机械化作业。
简单说，保护性耕作技术的核心就是减少土壤扰动和增加地表作物秸秆覆盖。不过，这却让当地农户很困惑，传统耕作都讲究“勤劳致富”，怎么保护性耕作就变成“懒人耕作”呢?
张旭东解释道，免耕或者少耕保护了土壤的原生态特性，为土壤生物提供了良好的生存空间，不仅可以促进土壤动物对土壤结构的改良，还能提高土壤微生物的多样性，促进土壤养分的循环和积累，让黑土重新焕发生机和活力。
保护性耕作实施以来，作物秸秆的覆盖还田就像给土壤盖上了一层“被子”，可以降低土壤的风蚀和水蚀，又能够增加土壤蓄水保墒的能力。同时，这层秸秆又像滋养大地皮肤的“面膜”，提高土壤的碳储量和肥力，既缓解了大气碳浓度升高造成的气候变化问题，又减少了化肥的使用，促进了农业发展的节本增效。
打造更多样板
当年，张旭东等人希望在梨树县做一个模式，打造一个样板。这个心愿正在变为现实。
目前，梨树县保护性耕作研发基地已经成为东北黑土区持续时间最长的保护性耕作研发基地，也是“梨树模式”的诞生地。
张旭东介绍，“梨树模式”技术体系主要包括：均匀垄种植、宽行种植、宽窄行种植、超宽窄行休闲种植、原垄种植等。该模式下土壤养分库容增加10%～20%，养分利用效率提高15%～20%，土壤水分贮存容量增加10%以上，减少了风沙灾害，减少土壤风蚀和水蚀80%以上。
谈及为什么选择梨树县，张旭东告诉《中国科学报》：“梨树县位于吉林省，地处东北黑土地的中部，南部有辽宁省，北部有黑龙江省，具有代表性。如果从梨树县再向外推广辐射相对容易。”
7月6日，沈阳生态所与辽宁省昌图县人民政府签署“黑土粮仓”科技会战框架协议。
早在2012年，张旭东团队就开始在昌图县与盛泰农机专业合作社开展合作，进行全秸秆覆盖保护性耕作示范，一举解决了秸秆处理问题，较传统模式优势明显，适合大规模机械化作业。
“我们新买的4行免耕播种机，一季能作业3000亩，当年就能收回成本。”盛泰农机专业合作社理事长盛铁雍告诉《中国科学报》，“科研团队的到来，不仅帮我们处理了秸秆，还给我们带来了新技术，产量增加的同时每亩成本可以降低100多元。”
近年来，张旭东带领研究团队每年从沈阳出发“巡点”，已经走过东北玉米带的61个示范基地，行程近3000公里。展望未来，他感叹道：“除了‘梨树模式’，我们还会推出‘昌图模式’等更多适合东北不同区域黑土的保护性耕作样板。”
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