耕地保育与产能提升
Soils for Food Security
· 第五篇 ·
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Cite this article :
Yuxin TONG, Marcos E. ANGELINI, Yusuf YIGINI, Isabel LUOTTO. Global black soil distribution. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(2): 271‒281 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024567
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黑土以其深厚且富含有机质的暗色土层为显著特征，是肥沃土壤的代表。但其肥沃性也易导致过度开发，进而产生土壤侵蚀、养分流失、污染、土壤板结以及盐碱化和酸化等问题。值得注意的是，由于大量土壤有机碳 (SOC) 的流失，黑土成为全球温室气体的重要排放源。尽管面临这些挑战，黑土对于全球粮食生产仍然至关重要。本文阐述了数字土壤制图在全球黑土分布图绘制及人类活动对土壤影响研究中的应用。黑土主要分布在东欧、中亚和东亚及北美和南美，覆盖面积约7.25亿公顷，其中俄罗斯联邦、哈萨克斯坦和中国所占面积过半。在农业上，黑土对全球农作物产量贡献显著，向日葵、小麦和土豆的全球产量中，分别有66%、30%和26%产自黑土。据估算，黑土表层30 cm的有机碳储量高达560亿吨。因此，黑土的可持续管理对于确保全球粮食安全和应对气候变化至关重要。
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黑土是富含有机碳的肥沃土壤，但过度利用会引发土壤侵蚀、养分枯竭等环境问题，并导致大量碳排放，加剧全球变暖。欧亚和北美的黑土地区经高强度垦殖后，有机碳含量大幅下降。当前欧亚的军事冲突对拥有丰富黑土资源的俄罗斯和乌克兰的农业产生重大影响，威胁全球粮食供应，并导致黑土污染和生物多样性下降。黑土分布和研究水平在全球各国差异大。
数字土壤制图 (DSM) 代表了一种用于制作复杂土壤种类和特征映射的结构化方法。该技术使用数学和统计框架将土壤观测数据与环境因素相结合，可预测土壤类型分布，各国需采用此方法确定黑土的具体范围，开发DSM将有助于更好地理解黑土在增强粮食安全和帮助应对气候变化方面的作用。
本文概述了利用DSM技术绘制国家和全球黑土图的方法。该方法涉及两个阶段：第一阶段，国际黑土网络 (INBS) 成员国生成自己的黑土图；第二阶段，使用这些地图的数据进行缺口填补技术，通过已有数据开发预测模型，旨在识别和填补无法完成自己地图的国家的黑土分布。
本倡议所制地图全面展示了国际黑土网络内黑土分布情况，主要分布在东欧、中亚、东亚及美洲。表1列出黑土面积前10个国家，占全球黑土的93.4%，总计7.25亿公顷。俄罗斯、哈萨克斯坦和中国占比超一半，其中俄罗斯最多，约为3.27亿公顷，占全球45%。FAO于2023年发布《全球黑土分布图》(GBSmap)，其中包括分类地图，显示有超过50%的概率是黑土的区域，以及连续地图，显示土壤为黑土的概率分布。
利用网格化世界人口地图，对黑土区域的人口分布进行了分析 (表2)。俄罗斯黑土区人口最多，达6800万。哈萨克斯坦黑土面积虽大，但人口较少，为800万。中国和哥伦比亚黑土区分别居住约3000万人。就土地覆盖来说，全球黑土包括耕地、草地和森林。黑土占全球0.63%的陆地，居住着2.86%的世界人口，拥有17.4%的全球耕地。各区域土地利用情况有异，如亚洲黑土半数为草地，北美则有54%的黑土为耕地。全球三分之一的黑土用于农作物生产，其中欧亚大陆黑土耕地面积占比较大。
《Hansen Global Forest Change v1.9》数据显示，2000至2021年间，黑土区森林面积减少2790万公顷，其中俄罗斯砍伐最多，约2000万公顷。美国、巴西和阿根廷三国因林业转农田共减少460万公顷。黑土对全球粮食供应至关重要，如2010年全球66%的向日葵、30%的小麦和26%的土豆产自黑土。
全球30 cm深SOC总量估为677 Gt，其中9%存于黑土 (表3)。欧洲占黑土SOC储量23.9%，拉美及加勒比地区占9.7%，北美占3.9%，亚洲占8.7%。
在欧洲，黑土拥有相当大的SOC封存总容量。俄联邦、乌克兰和哈萨克斯坦的黑土可封存约14 Mt·yr–1。南美阿根廷、哥伦比亚和乌拉圭的SOC封存潜力部分来自黑土。在亚洲，蒙古80%的SOC封存潜力在黑土，中国此比例为10%。
中纬度草原黑土：是全球最广泛的黑土类型，包括黑土 (Phaeozems)、黑钙土 (Chernozems) 和栗钙土 (Kastanozems)，特征为深色土层和高有机碳。它们形成于温带或亚热带气候区，降雨分布均匀。黑色源于草本植物根部腐烂物质积累 (黑化过程)。这些黑土不仅限于草原，还见于湿润凉爽的草原与森林交错区，广泛分布于东欧和中亚草原、北美大草原和潘帕斯草原，是全球广泛耕种的土壤类型。它们富含有机碳、磷和钾，是全球粮仓的重要组成部分。
洪泛平原和湿地黑土：主要属暗色潜育土，高有机碳含量者称泥炭潜育土，由粘土质淤泥组成，因其高水分含量和持续沉积的有机颗粒呈深色。这些土壤含水量高，管理复杂，排水后可用于农业耕作，但排水影响碳储存及生物多样性。
膨胀黑土：广泛分布于热带至温带，尤其在干湿交替区。这些土壤富含蒙脱石，在干燥时收缩，湿润时膨胀。它们虽呈深色但有机碳含量不高，深色源于腐殖质-粘土复合物。
火山黑土：这些土壤归类为暗色土 (Andosols)，富含腐殖质和未完全结晶的铝硅酸盐混合物，由火山灰烬沉积形成。
热带黑土：较肥沃但分布有限，见于高度风化土壤区域，由基性火成岩在稳定、温暖气候下发育，主要在湿润稀树草原和半落叶林。主要分铁铝土、新成土等类，深色表层富含腐殖质，耕作易致有机物质分解，受水蚀、压实和养分流失威胁。
高地黑土：常见于温带高山草甸和热带山区帕拉莫植被生态系统。高地草原根残体积累形成暗色腐殖质。土壤分类依降水量而异，高降水量者称黑钙土，湿润淋溶者称暗色淋溶土。
人为黑土：持续添加有机物质显著改变土壤性质，使之变暗，富含碳和养分，形成人为黑土或人为土。深色源于有机物质和木炭颗粒，主要受长期农业活动影响。
不同环境中的黑土：黑土可在多种环境中发育，面积一般较少。比如石灰石上形成的黑土 (Rendzinas)，含厚实黑色表层但深度有限，农业用途受限，但仍有部分被用于作物和动物生产。
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黑土作为高度肥沃的土壤类型，在全球粮食生产和气候变化缓解方面发挥着重要作用。本研究与国际黑土网络 (INBS) 共同确定黑土定义，绘制全球分布图谱，评估黑土面临的威胁并提出管理策略；强调了保护黑土自然植被、实施可持续农业管理的重要性；提出保持自然覆盖维持有机物水平，防止碳释放；强调可持续管理措施，如减少耕作、增加土壤有机物等管理方案；开发监测系统，保护自然景观，依托各级政府共同进行治理监督的管理机制，以支撑联合国可持续发展目标 (尤其是SDG 2) 实现。
佟玉欣，联合国粮食及农业组织土地与水资源司全球土壤伙伴关系。主持粮农组织国际黑土联盟、土壤肥力和肥料网络、土壤实验室网络日常工作。南南合作援助基金非洲土壤项目 (SSCAF) 首席技术官，参与《肥料可持续使用和管理国际行为规范》的实施工作。主持撰写发布了粮农组织《黑土定义》、《全球黑土分布地图》和《全球黑土现状报告》。拥有中国农业大学植物营养学博士学位。
编辑 | 唐静月 李云舟
审稿 | 许建香
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