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乌克兰为什么是“面包篮子”?得从黑土说起 精选

已有 5800 次阅读 2022-3-23 13:41 |系统分类:科普集锦

乌克兰为什么是“面包篮子”?得从黑土说起

杨顺华(中国科学院南京土壤研究所)

本文原发于“科学大院”微信公众号,2022年3月22日

俄乌冲突牵动着全世界人民的神经。战争引起的一个连锁反应是国际粮价上扬。背后重要的原因之一,就在于冲突双方占据着世界上面积最大的一片黑钙土(250万km2)。


这块土地上广泛种植着小麦、大麦、玉米等农作物,并在世界出口量中占据了很大的比例。黑钙土是广义黑土的主要构成,是大自然赋予人类最有名的高产和稳产土壤。以乌克兰为例,该国三分之二以上的土壤为黑钙土,加之第聂伯河穿国而过,润泽万物,故乌克兰也被誉为“面包篮”,俄乌两国更是一道被称为欧洲“粮仓”。

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俄罗斯和乌克兰的主要农作物产量占世界的份额情况

(图片来源:FAO XCBS system)


为什么这种土壤叫“黑钙土”?要想了解这些,我们首先从一个问题开始:人们是怎么把土壤划分成各种类型的?


经典却有缺陷的划分方法:土壤发生分类


1873~1874年,俄罗斯黑钙土地区遭受干旱,农业歉收,民不聊生,引发了社会对黑钙土问题的关注。1877年,土壤学家B.B.道库恰耶夫开启了系统的黑钙土调查,发现在土壤形成历史和成土母质等因素相似的情况下,土壤类型的更替和气候带的更替同时出现。也就是说,在一定的生物气候条件下,土壤类型随生物气候带呈现有规律的带状分布,这就是土壤的地带性分布规律。


继而,他首次提出土壤是母质、气候、生物、地形和时间五大成土因素的产物,是有自己发生和发展规律的历史自然体。这些认识也成为了土壤发生分类的主要依据。


土壤发生分类的核心思想是:每一个土壤类型都是在成土因素的综合作用下,由特定的成土过程所产生的,且具有一定的土壤剖面形态和理化性状(属性)。


如果某两个土壤的上述三个要素(即成土因素、成土过程和属性)组合完全统一,则被划分为同一个土壤类型。

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左图:邮票上的土壤发生学奠基者——道库恰耶夫;

右图:道氏(右2)与农民交谈

(图片来源:道库恰耶夫纪念邮票,苏联,1949;张甘霖拍摄于俄罗斯土壤研究所卡明草原试验站陈列馆)


然而,这一分类系统的缺点也十分明显。


第一,发生分类的基础是上文提到的土壤发生学假说,按照土壤的地带性分布规律划分土壤,但实际上在两个不同生物气候带的重合区域,可能同时存在不同类型的土壤。


比如,在亚热带皖南山区一个不大的乡村里,气候条件基本一样,所有山头的高度差不多,岩石也都是花岗岩,漫山遍野生长着竹林。这个乡村所有山上土壤的成土因素和成土过程相同或极度相似,如果按土壤地带性分布规律来鉴定都会被划成红壤。但笔者在实地进行土壤考察时发现,有些山上的土壤却是黄色的,出现了“红壤”不红的现象。此外,在我国还有“黄壤”不黄、“黑土”不黑、“黄泥土”满天飞等等现象。


第二,发生分类重视生物气候条件,而忽视时间因素。例如,热带和亚热带地区的红壤是一种发育程度较高的“顶级”土壤,但位于山坡部位的土壤,由于水土流失等原因,上面发育程度高的土壤可能会慢慢流失殆尽,导致下边发育程度很弱的土壤出露。这类虚假的“返老还童”土壤往往很浅薄,结构也差,养分含量也低。因此,如果忽视时间因素,则会将“顶级”土壤和“幼年”土壤混为一谈。


第三,土壤不是像动植物那样的离散个体,具有非此即彼的特性,它的特征通常是渐变的。土壤在空间上是连续分布的,从一种土壤类型变化到另一种土壤时,它的性质是逐渐变化的。


比如,在我国南方地区,常能见到红壤和黄壤这两种不同土壤在空间上相邻。如果从红壤向黄壤一路走过去,往往会发现它们中间还存在黄红壤、红黄壤等过渡性土壤。因此,运用发生分类可以把典型土类A与典型土类B之间的区别说得头头是道,但两者之间的边界常常是模糊不清的,以致于某些过渡性土类找不到合适的位置,而在分类命名时陷入模棱两可的境地。


第四,强调土壤的发生过程,但过程的强度通常是难以量化的。例如,发生分类常缺乏定量的分类指标,对土壤发生过程及其强度的判断依赖人的知识积累和主观经验。由于相关知识水平的差异,在进行土壤类型划分时,极易出现因人的差别而对同一土壤类型有不同鉴定结果的现象。


最后,一些土壤名称虽然具有极强的本土特色,但难以进行国际交流。比如,乌山土中“乌山”意指傍晚时分,微弱的霞光笼罩下的山体颜色。如果望文生义地将其翻译为“Black Mountain Soil”,只会让其他人摸不着头脑。


一种“定制”的划分方法:中国土壤系统分类


前面已经提到,土壤发生分类强调成土条件-成土过程-土壤性质的统一。尚且不论成土过程是基于成土条件和土壤性质的推论,成土过程本身也是一件看不见、摸不着的事情。因而在实际运用中,常因土壤调查人员认识水平的差异,对同一种土壤类型会给出不同的鉴定结果。


然而,成土过程的产物,也就是土壤性状本身却是可以定量测量的。如果用于分类鉴定的是基于可以测试分析的定量指标,那么分类结果不就可以避免这些问题了吗?基于这一理念,一个全新的定量分类系统——土壤系统分类应运而生。


美国农业部组织以G. Smith为首的美国土壤学家在1960年提出了美国土壤系统分类方案(Soil Classification,7th Approximation),并于1975年正式出版(Soil Taxonomy)。该分类提出了诊断层和诊断特性的概念,并以定量指标为基础。

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鉴定土壤类型时,常常需要挖掘一个土坑(左图)并修整出一个剖面(右图)用于观察和描述。(杨顺华 摄)

所谓“诊断层”,是指用以识别土壤类别,在性质上有一系列定量说明的土层。“诊断特性”则是指用于分类目的、具有定量规定的土壤性质,包括形态特征、物理和化学特征。如果说发生分类依据土壤的成因和过程,那么系统分类则是依据过程所形成的结果。如果某两个土壤具有相同的诊断层,则可以划为同一种土壤类型。


下面以黑钙土为例,点击拓展阅读:


黑钙土的分类


发生分类上的典型黑钙土大致对应于中国土壤系统分类中的均腐土。均腐土的主要诊断依据是具有暗沃表层(一种“诊断层”)和均腐殖特性(一种“诊断特性”)。其中,暗沃表层的定量说明包括:

(1)厚度:

a. 若直接位于石质、准石质接触面或其他硬结土层之上,为≥10cm;或

b. 若土体层(A+B)厚度<75cm,应相当于土体层厚度的1/3,但至少为18cm;或

c. 若土体层厚度≥75cm,应≥25cm

(2)颜色:具有较低的明度和彩度;搓碎土壤的润态明度<3.5,干态明度<5.5;润态彩度<3.5;若有C层,其干、润态明度至少比C层暗一个芒塞尔单位,彩度应至少低2个单位;

(3)有机碳含量≥6g/kg;

(4)盐基饱和度(NH4OAc法)≥50%;

(5)主要呈粒状结构、小角块状结构和小亚角块状结构;干时不呈大块状或整块状结构,也不硬。

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内蒙古自治区牙克石农场的黑钙土景观及剖面照(图片来源:隋跃宇,王耀,焦晓光)


我国土壤系统分类的发展借鉴了采用诊断层和诊断特性以及定量依据的分类思想,但在诊断层和诊断特性建立、分类指标和标准上与美国土壤系统分类又有所不同。


这主要是由于现代土壤学发源于温带和人为作用不大强烈的地区,而中国境内丰富而又复杂的生物气候条件世所罕见。中国既有大片的温带地区,又有成片的热带和亚热带地区;既有四千年农耕传奇缔造的诸多人为土壤,又有广袤无垠的自然土壤;除了湿润区,还有干旱区;特有的三级阶梯地形格局上,还耸立着青藏高原这样的世界“第三极”。


独特的自然地理环境,造就了我国独特的成土条件,因而任何一个国外土壤分类系统都无法完全适用于我国。为此,自1984年开始,在中国科学院南京土壤研究所的主持下,联合全国34个科研院所和高校,历时近20年,完成了《中国土壤系统分类》。自此,中国有了一套适合于我国国情的定量分类系统,实现了从定性分类向定量分类的跨越,并得到了国际土壤学界的一致好评。

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水耕人为土的诊断标准:具有人为滞水水分状况和水耕表层(耕作层和犁底层)及水耕氧化还原层。

(图片来源:张甘霖,杨顺华)


在中国土壤系统分类中,有11个诊断表层(指位于土体最上部的“诊断层”,如用于鉴定均腐土的暗沃表层)、20个诊断表下层(指位于土壤表层之下的“诊断层”,如用于鉴定灰土的灰化淀积层)、25个诊断特性(指用于鉴定土壤类型的土壤性质的定量规定,如下文提到的潜育特征)和20个诊断现象(指不能完全满足“诊断层”或“诊断特性”规定的条件,但足以作为土壤类别划分依据的土壤现象,如钙积现象)。


根据这些定量诊断指标,我国土壤分为14个土纲:有机土、人为土、灰土、火山灰土、铁铝土、变性土、干旱土、盐成土、潜育土、均腐土、富铁土、淋溶土、雏形土和新成土。


在这一分类系统中,每一个土壤类型都有定量指标的规定。例如,潜育土的诊断指标为:排除了前七种土壤类型之后,在矿质土表至50cm范围内至少有一厚度≥10cm的土层呈现潜育特征。


简单地说,潜育特征就是由于长期泡在水里,氧气严重不足,含铁氧化物还原造成土壤颜色发青。这种逐级检索式的分类系统,使得土壤分类定名有了定量依据,赋予了每一种土壤类型一个独一无二的检索位置。因而,可以说是给每一种土壤办理了一张数字身份证,避免了“红壤”不红、“黄壤”不黄的现象。

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中国土壤系统分类中的14个土纲

(图片来源:《中国土系志》、赵玉国)


如何理解各种“土名”?


在生物分类体系中,一般按照界、门、纲、目、科、属、种的顺序对生物进行分类。其中,种是最基本的分类单位,科是最常用的分类单位。从“界”到“种”,越往下分,相同归属的生物之间的特征越相近。


类似地,中国土壤系统分类也有一套从上往下的六级分类体系,即:土纲、亚纲、土类、亚类、土族、土系。其中,前四个为高级分类单元,后两个为基层分类单元。越往下分,类型越多。土系是土壤分类的最基础单元,数量最多。据专家粗略估计,我国至少应有3万个土系。             clip_image001.jpg

《中国土系志》丛书(总主编 张甘霖)

土壤的命名采用逐级检索连续命名方式,形象地看就类似于一个“堆积木”的过程。积木每加一块,土壤类型的级别下降一级,反映的土壤信息也越丰富。


比如,在“铁聚潜育水耕人为土”这一亚类中,“人为土”、“水耕”、“潜育”和“铁聚”分别对应的是土纲、亚纲、土类和亚类的性质。土族的命名是在亚类前叠加反映土壤分异特性的名词,例如“砂质硅质混合型非酸性热性”。土系调查面向的是土壤实体,它的命名可以采用该土系代表性剖面点位或者首次描述该土系的所在地的标准地名直接定名,比如“太白系”、“西林系”。

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“堆积木”式的土系命名过程图解

(图片来源:《中国土系志·安徽卷》、《中国土壤地理》)


问题来了:“太白系”(砂质硅质混合型非酸性热性-铁聚潜育水耕人为土)这个土壤名字到底有什么含义,感兴趣的朋友可以扩展阅读↓↓↓

太白系这一土壤的含义


“太白”:土系命名通常以首次记录该的地点,这个土壤的调查地点是安徽省当涂县太白镇太白村,表明该区域比较广泛地分布着这种土壤。传说“诗仙”李白(字太白)死后葬于当涂,晚年的李白是否在此豪饮?此地名是否与此有关?那就另当别论了。

“水耕人为土”:长期种植水稻的土壤。

“潜育”:50 cm以上的土壤全部或有一部分长期泡在水里,颜色发青,这类土壤在利用时往往需要注意挖深沟排除积水。

“铁聚”:说明土壤中有一个氧化铁在其中集聚的层次,可以发现黄色、黄褐色的球形铁锰结核或条带状的锈纹锈斑。

“热性”表示一般位于亚热带地区,这意味着作物可以一年两熟,如种植制度为双季稻、水稻-小麦轮作、水稻-油菜轮作。

“非酸性”表示土壤pH大致在5.5-7.5之间,正好合适,不需要施用石灰等来改良酸性或施用石膏等来改良碱性。

“硅质混合型”:意味着土壤的矿物比较多是二氧化硅类,由于二氧化硅吸附离子的能力较弱,所有这类土壤的保肥供肥性能不怎么样。

“砂质”:表示这类土壤中砂粒含量高,质地粗,而砂粒的主要成分一般就是二氧化硅,这与二氧化硅多也正好对应。

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太白系代表性单个土体剖面及其典型景观

(图片来源:李德成,陈吉科,赵明松)


黑钙土是什么土?


明白了土壤名字的由来及其背后的含义,我们再回到开头的问题,黑钙土是什么,又有什么特别之处?


所谓黑钙土,从字面意思上看,是土体呈黑色(意味有机质含量高)、具有钙积层(碳酸钙积累的土层,pH在7.5以上)的一类土壤。黑钙土大多土体深厚,有机质含量高,具有理想的团粒结构,非常适合种植小麦、玉米、油菜、大豆等农作物,而且产量高,品质好。


例如,我国东北地区是全球四大黑土区之一,该区出产的大米、玉米等农作物享誉全国,其粮食产量和粮食调出量分别占全国总量的四分之一和三分之一。


按照中国土壤系统分类,典型黑钙土被命名为钙积干润均腐土,这个名称透露了什么信息呢?


首先,“钙积”就是钙积层的意思;其次,“干润”指一年中有90~180天时间土壤处于干燥状态,可以简单理解为干燥度在1~3之间的地区(也就是半干旱-半干润地区,例如东北的松嫩平原西部、西北的黄土高原);


最后,“均腐土”意味着从上到下腐殖质(有机质的主要成分)的含量都很高,而腐殖质含量高的土壤多是黑色的。相比于发生分类的名称,系统分类显然给出了更加定量化的信息。


结语


土壤分类是认识和管理土壤的工具,也是土壤普查的主要内容之一。时隔40余年之后,我国在今年正式启动第三次全国土壤普查,土壤系统分类必将在这次普查中发挥重要作用。


我们不仅要“多识”土壤之名,更要“多解”土壤之名。认识名字,只是认识土壤的第一步,只有用心理解土壤名字背后的信息,我们才能更好地利用和保护土壤。


参考文献:

[1] 李德成, 张甘霖, 王华.中国土系志·安徽卷. 2017, 北京: 科学出版社

[2] 杨顺华. 揭开中华五色土的奥秘. 北京日报, 2020年10月.

[3] 龚子同, 张甘霖, 张楚, 杨顺华. 2021. 土壤: 地球的皮肤——从邮文化讲述土壤学的故事. 北京: 科学出版社

[4] 张凤荣等. 土壤地理学. 2002, 北京: 中国农业出版社

[5] 张甘霖, 王秋兵, 张凤荣等. 中国土壤系统分类土族和土系划分标准. 土壤学报, 2013, 50: 826-834

[6] 中国科学院南京土壤研究所土壤系统分类课题组,中国土壤系统分类课题研究协作组. 2001. 中国土壤系统分类检索(第三版). 合肥:中国科学技术大学出版社

[7] FAO. The importance of Ukraine and the Russian Federation for global agricultural markets and the risks associated with the current conflict. 2022, Rome. 网址: https://www.fao.org/3/cb9013en/cb9013en.pdf. 访问日期:2022-3-17

[8] 国务院.国务院关于开展第三次全国土壤普查的通知(国发〔2022〕4号).2022-1-29. 网址:http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-02/16/content_5673906.htm访问日期:2022-3-18



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