东北黑土地是中国粮食生产的“压舱石”。不合理开发利用导致部分地区黑土地退化严重,影响局部区域粮食生产和经济社会发展。在全球范围内粮食供需矛盾加剧的背景下,亟需着眼于区域可持续发展战略全局,寻求系统性、科学性和经济性的解决方案。黑土粮仓全域定制模式以地理学综合思想为指导,系统诊断黑土地退化的关键问题与主导因素,构建多尺度联动、多要素耦合、多技术协同的黑土地保护共性与个性相结合的解决方案。该模式依托“星—空—地—网”立体监测系统,结合大数据与人工智能驱动的全域定制平台,构建3个不同尺度策略：① 市域尺度实施“分区施策”,制定服务于黑土保护的农业资源优化配置方案和全域农业区划方案等;② 村域尺度实施“依村定策”,制定不同类型村庄的黑土地保护利用模式;③ 地块尺度实施“一地一策”,提供黑土保护与种植管理等土壤修复和产量提升精准策略。在齐齐哈尔市开展“市域—村域—地块”多尺度的方案验证与集成示范,以破解黑土地保护与利用难题,形成可复制可推广的系统解决方案,为中国和全球黑土地农业的可持续发展提供示范样板。

东北平原是中国重要的商品粮生产基地,水稻是该地区的主要粮食作物之一,虽然该地区黑土质量和肥力均较高,但农田施肥过量的现象仍较为普遍。因此,为了阐明黑土区水稻施肥空间格局、差异特征及减施潜力,本文选择东北平原黑土水稻种植区为研究对象,在黑龙江、吉林、辽宁三省水稻施肥和产量进行了大规模调研分析基础上,结合土壤本底供氮能力培养试验,开展相关研究。结果表明：区域内由南至北施氮强度和经济产量均逐渐下降,施氮强度下降幅度大于产量下降,氮肥偏生产力逐渐增加。通过与理论适宜施氮量对比发现,辽宁稻区理论减氮潜力达16.7%~24.7%,吉林中、西部稻区潜力达8.7%~17.8%,黑龙江稻区还有2.0%~11.4%理论减氮空间。三省典型水稻土土壤累积矿化量没有明显差异。因此,地上部生物量变化所引起的氮携出量的变化是引起东北黑土区黑龙江、吉林和辽宁水稻施氮量差异的主要影响因素。

市域国土空间规划是空间规划体系构建的关键一环,基于黑土资源的特殊性和重要性,东北黑土区的市域国土空间规划需统筹考虑黑土保护与粮食安全双重目标。本文以黑龙江省齐齐哈尔市为例,建立了融合格网尺度与行政区尺度的黑土区国土空间功能评价指标体系,分析了市域“生产—生活—生态”（“三生”）用地的时空演变特征,诊断了其耦合协调状况,并以区域发展的多元性、社会需求的多样性为导向,提出了齐齐哈尔市黑土保护与粮食安全战略背景下国土空间优化调控路径。研究结果表明,2010—2018年齐齐哈尔市生产空间与生活空间均有一定程度的增长,“三生”功能轻度失调和勉强协调地区占比有所增加。国土空间格局冲突表现为“三生”功能协同性弱,冲突强度地域差异明显,对黑土资源的可持续性开发利用存在一定风险。本文以多尺度下“三生”功能冲突诊断结果为约束,建立了“三生”空间格局优化配置模型。研究认为,东北黑土区市域国土空间功能提升要在国家粮食安全保障能力基础上,坚持以黑土保护利用为导向,统筹“人—水—地”资源要素的组合与匹配,依托现有工业基础和产业优势,分别从引导优势功能区发展、加强重点城镇建设、提高黑土资源利用效率,协调城乡国土空间利用水平等路径来具体实施。

东北黑土区是中国重要的粮食生产基地,也是中国气候变化最敏感的地区之一。然而,气候变化背景下东北黑土区气候及物候变化对农业生产力的综合影响并不清晰,未来农业生产风险评估的定量化程度不够,风险等级制定缺乏依据。本文借助遥感产品、气候资料和模拟数据等资料,综合运用多元线性回归、相关分析及干旱危险性指数等方法,探究东北黑土区作物物候动态及其气候响应特征,辨识气候与物候变化对农业生产的复合效应及未来可能风险。结果表明：① 2000—2017年东北黑土区29.76%的区域作物生长季开始期呈显著延后趋势,16.71%的区域作物生长季结束期呈提前态势,生长季开始期受气温的影响范围广,且滞后时间长;生长季结束期与前期气候变化关系更加密切,且带状差异性响应格局尤其明显。② 气候变化和物候期改变对作物生产的解释能力较生长季同期气候变化的解释能力增加了70.23%,解释面积扩大了85.04%。③ RCP8.5情景下东北黑土区粮食总产量呈现上升趋势,粮食生产风险表现出“南增北减”的演变特征,风险区面积不断扩大,全球温升2.0 ℃时,松嫩黑土亚区南部粮食减产量可能达到10%。研究有助于深入认识气候—物候—作物生产的关联机理及未来粮食生产风险,对制定气候变化应对策略,保障国家粮食安全具有重要意义。

长期施用化肥导致农田黑土酸化、盐基离子耗竭、养分失衡及作物重金属污染等诸多问题。本文依托吉林公主岭国家黑土肥效监测基地25 a的施肥试验,研究了不施肥对照（C）、N、NP、NK、PK、NPK、厩肥—化肥配施（MNPK）、玉米秸秆还田（SNPK）等8个施肥处理对土壤酸中和容量（ANC）的影响,N、P、K施用量分别为165 kg hm^-2 a^-1、36 kg hm^-2 a^-1、68.5 kg hm^-2 a^-1,MNPK和SNPK处理与NPK处理为等N量。结果表明,施化肥导致表土pH下降0.37~1.39,MNPK和SNPK处理分别提高土壤pH值0.21和0.53。以pH 5.0为参比,N、NP、NK、PK、NPK各处理的酸中和容量ANC_{pH 5.0}分别为对照的42.85%、61.79%、54.05%、82.26%、63.68%;MNPK处理的ANC_{pH 5.0}是对照的1.86倍;加酸160 mmol kg^-1,SNPK处理的土壤pH值仅从7.65降至6.42,表现出极强的酸中和能力。SNPK和MNPK处理的土壤交换性盐基总量SEB分别是对照的1.37和1.14倍,土壤有机质SOM分别是对照的1.32和1.63倍,二者是提高土壤ANC主要原因。总之,有机物料添加显著提高了黑土抗酸化性能及土壤基础肥力水平,研究结果可为东北黑土区玉米秸秆还田保护性耕作及有机肥部分替代化肥实践提供长期试验的理论依据和数据支撑。