黑土是世界上最肥沃、最适宜耕作的土壤，是珍贵的、不可再生的自然资源，被称为“耕地中的大熊猫”。我国东北黑土区是世界四大黑土区之一，是国家重要的商品粮基地和绿色食品生产基地，其中典型黑土面积达22.6万平方公里。据国家发改委公布的数据，近年来东北三省粮食产量占全国的1/5以上，商品粮量约占全国的1/4，粮食调出量约占全国的1/3。
由于黑土土质疏松以及持续开垦的影响，黑土区正面临严重的侵蚀退化威胁（图1）。中国科学院地质与地球物理研究所杨石岭研究员带领团队对东北黑土区百余个土壤剖面开展大范围野外调查和采样，结合系列指标分析，揭示了东北黑土的成因、侵蚀和退化现状，提出针对性措施保障黑土资源和粮食安全。
图1 东北黑土区的侵蚀地貌（熊尚发、郭利成/供图）
一、东北黑土的成因
黑土粒度分布显示，位于东北西部的黑土与黄土高原北部砂黄土类似，表现出典型的风成特征；位于东北东部的黑土与冲积平原上的次生黄土类似，显示出后期水力改造的特征。黑土平均中值粒径以及砂含量结果显示，自西向东黑土粒度整体由粗变细，该沉积分异与东北地区尘暴季节（3‒5月）的近地面风向完全吻合（图2）。这些特征表明尽管东部黑土存在局地的水力改造，但是并没有改变粒度的空间分异格局，因此黑土的矿物颗粒最初是由风力搬运而来（Zhang et al., 2024）。
图2 东北黑土平均中值粒径（μm）（a）、砂含量（>63 μm%）（b）空间分布及尘暴季节风向（c）
年代学研究显示（崔静怡等, 2021; 陈雨露等, 2022; Zhang et al., 2024; Guo et al., 2026），东北黑土主要形成于全新世（约1万年来），而其下伏的末次冰期沉积年龄分布范围较宽（距今6.5‒1.2万年）。这意味着在末次冰期时，东北黑土区的地貌条件并不稳定，受到不同程度的侵蚀，这可能与冰期增强的风蚀以及周边山岳冰川融水导致的水蚀密切相关；而全新世气候温暖湿润、植被发育，使得风尘物质得以保存并发育为富含有机质的黑土。因此，东北地区风尘沉积的发育与侵蚀与冰期‒间冰期气候旋回有紧密关联。
二、东北黑土的侵蚀速率和侵蚀营力
东北黑土的侵蚀速率通过137Cs分析获得。137Cs主要由1954‒1968年核武器地上试爆释放到大气中，之后很快被气溶胶和粉尘颗粒吸附，并被降水、降尘带入地表。137Cs一旦进入土壤后就被土壤矿物颗粒和有机物吸附，并随土壤颗粒的移动而迁移。据此，137Cs可用于构建土壤侵蚀速率模型。
黑土侵蚀速率重建结果显示（图3），东北黑土区的侵蚀速率从西部（>3 mm/年）到东部（0‒3 mm/年）逐渐降低，平均侵蚀速率为2.22 mm/年（Wang et al., 2022）。通过进一步分析气象参数与黑土侵蚀速率空间分布，发现东北黑土区西部的侵蚀营力以风为主，东部以水为主，这一结论也在东北地区玛珥湖和水库的沉积速率记录中得到印证。
图3 东北黑土侵蚀速率空间分布
三、东北黑土退化预警
研究团队集成了全国土壤总有机碳（TOC）含量，发现土壤TOC含量下降至0.5%时，土壤发生明显退化（Guo et al., 2023; Cui et al., 2024；图4）。全国谷物年产量集成数据（图4）揭示，TOC含量下降至0.5%时，粮食产量显著下降，即使在人工施肥干预下，生产力也很难提升。由此可见，土壤TOC含量下降可以作为土壤退化的预警指示，即TOC含量小于0.5%时，土壤已经发生退化。
图4 东北地区土壤TOC含量变化以及全国谷物产量与土壤TOC含量的关系
研究团队以土壤TOC含量变化为黑土退化评估基础，综合考虑黑土层厚度和侵蚀速率对黑土退化的影响，构建了新的黑土退化评估体系（Yang et al., 2022, 杨石岭等, 2022; Yang and Guo, 2024）。结果显示（图5），当前已退化区面积为0.2万平方公里（0.7%），高风险区和低风险区面积分别为2.6万平方公里（11.7%）和13.1万平方公里（57.8%），安全区面积为6.7万平方公里（29.8%）。
图5 东北黑土退化程度分布
四、总结与展望
以上研究表明，东北黑土的矿物颗粒主要由风力搬运而来，而东北黑土的有机质则主要来源于暖湿气候影响下丰富的地表植被。虽然目前东北黑土退化的低风险区和安全区面积合计达~88%，但以平均侵蚀速率估算，如果不采取有效措施，黑土将在~113年内被侵蚀殆尽（Wang et al., 2022）。
黑土的成因、侵蚀和退化研究均揭示出植被在风尘物质的保存和侵蚀退化防治方面发挥了关键作用。为减少黑土侵蚀，研究团队提出适当的植被恢复和降低耕作强度将有助于减轻风蚀和水蚀作用，建议在降水量较少的西部地区以种植草本为主，在降水量较多的东部地区以造林为主。
上述研究成果发表在学术期刊和专著上，受到同行的密切关注，其中Wang et al. (2022)一文已被SCI论文引用120余次，入选科睿唯安TOP 1%高被引论文。成果作为《地球大数据支撑可持续发展目标报告(2022)》案例之一，在联合国部长级会议（2022年9月20日，纽约）上发布，为实施保障黑土地粮食安全、防治黑土侵蚀退化战略提供了重要科学支撑，也为实现联合国2030年可持续发展目标提供了案例支撑和决策依据。
主要参考文献
Cui J, Guo L, Xiong S, Yang S, Wang Y, Zhang, Sun H. Soil organic carbon induces a decrease in erodibility of black soil with loess parent materials in northeast China. Quaternary Research, 2024, 120: 83‒92.
Guo L, Xiong S, Chen Y, Cui J, Yang S, Wang H, Wang Y, Ding Z. Total organic carbon content as an early warning indicator of soil degradation. Science Bulletin, 2023, 68(2): 150‒153.
Guo L, Zhang Q, Xue H, Xiong S Yang S, Tang Z, Cui L, Cui J, Wang Y, Zhang S. Globally synchronous acceleration of soil formation approximately 12,000 years ago. Global and Planetary Change, 2026, 257: 105264.
Wang H, Yang S, Wang Y, Gu Z, Xiong S, Huang X, Sun M, Zhang S, Guo L, Cui J, Tang Z, Ding Z. Rates and causes of black soil erosion in Northeast China. Catena, 2022, 214: 106250.
Yang S, Guo L, Xiong S. Status and risk assessment of black soil degradation in Northeast China. In: Guo H, et al. Big Earth Data in Support of the Sustainable Development Goals (2022). Beijing: Science Press and EDP Sciences, 2022: 109‒110.
Yang S, Guo L. Early warning and risk assessment of black soil degradation in Northeast China. In: Guo H. Big Earth Data in Support of the Sustainable Development Goals (2022) - China. Singapore: Springer, 2024: 223‒226.
Zhang S, Yang S, Xiong S, Guo L, Wang Y, Huang X, Sun M, Ding Z. Origin and depositional background of the Holocene black soil in Northeast China: evidence from grain-size analysis and optically stimulated luminescence dating. Catena, 2024, 239: 107963.
陈雨露, 郭利成, 崔静怡, 熊尚发. 全新世年代框架约束下的东北地区土壤有机碳储库时空格局．第四纪研究, 2022, 42(5): 1311‒1327.
崔静怡, 郭利成, 陈雨露, 王恒,杨石岭,熊尚发. 松嫩平原全新世黑土14Ｃ年龄－深度关系空间格局. 第四纪研究, 2021, 41(5): 1332‒1341.
杨石岭,郭利成,熊尚发.东北黑土退化现状与风险评估.见:郭华东等.地球大数据支撑可持续发展目标报告(2022). 北京: 科学出版社, 2022: 106.
