我國(guó)水稻秸稈磷分布及其還田對(duì)土壤磷輸入的貢獻(xiàn)*

柴如山,黃 晶,羅來(lái)超,田 達(dá),張亮亮,葉新新,章力干,郜紅建**

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶磷資源高效利用與水環(huán)境保護(hù)研究中心 合肥 230036;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 北京 100081)

水稻(Oryza sativa)是我國(guó)主要糧食作物之一,我國(guó)水稻秸稈資源十分豐富,此前的研究顯示近年來(lái)全國(guó)水稻秸稈年產(chǎn)量在2億t以上[1-3]。秸稈直接還田是目前秸稈農(nóng)業(yè)利用的主要路徑之一,可實(shí)現(xiàn)秸稈的直接肥料化利用[4-5]。與秸稈的離田利用相比,秸稈直接粉碎就地還田具有成本低、省工省時(shí)等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)可促進(jìn)土壤有機(jī)碳累積、提升土壤基礎(chǔ)地力及增加作物產(chǎn)量[6-9],是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要土壤培肥措施。

我國(guó)水稻和小麥(Triticum aestivum)的磷肥增產(chǎn)率分別為9.2%和14.3%[10]。2016年我國(guó)水稻和小麥的磷肥(P2O5)施用總量分別為184.4萬(wàn)t和200.2萬(wàn)t[11]。而生產(chǎn)磷肥的原料磷礦是一種不可再生的礦產(chǎn)資源。隨著全球有限磷礦資源的逐步開發(fā)利用,磷資源供給短缺問(wèn)題日漸突出[12]。我國(guó)磷礦資源豐而不富,以中低品位磷礦為主,難選礦多,開采難度大[13]。磷礦已被我國(guó)自然資源部列入24種國(guó)家戰(zhàn)略性礦產(chǎn)目錄。在這種背景下,對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)化學(xué)磷肥的科學(xué)施用顯得尤為重要。

隨著我國(guó)農(nóng)田磷肥投入量的不斷增加,農(nóng)田土壤磷盈余已成為一個(gè)日益受關(guān)注的問(wèn)題[14]。近30年(1988—2016年)我國(guó)主要稻區(qū)水稻土有效磷含量以年均0.18 mg·kg?1的速率顯著升高,2012—2016年全國(guó)水稻土有效磷平均含量為20.1 mg·kg?1[15]。稻田磷素流失風(fēng)險(xiǎn)與施磷量及土壤有效磷含量呈顯著正相關(guān)[16-17]。在農(nóng)田化學(xué)磷肥施用量較高的情況下,土壤中磷素會(huì)逐漸累積并出現(xiàn)盈余,農(nóng)田磷素向周邊水網(wǎng)遷移的風(fēng)險(xiǎn)隨之增大[18-19],進(jìn)而導(dǎo)致受納水體的富營(yíng)養(yǎng)化[20]。2011年我國(guó)農(nóng)田總磷徑流損失量為6.36萬(wàn)t,其中水田達(dá)4.72萬(wàn)t,所占比例為74.1%[21]。因此,農(nóng)田磷素管理不僅會(huì)影響土壤磷素平衡和化學(xué)磷肥的利用效率,還關(guān)系到水生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

除化學(xué)磷肥外,還田秸稈是土壤磷素輸入的另一個(gè)重要來(lái)源[22-23]。已有研究對(duì)我國(guó)水稻秸稈磷養(yǎng)分資源量以及水稻秸稈還田的磷肥替代潛力進(jìn)行分析。高利偉等[24]估算得到2006年我國(guó)水稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分產(chǎn)量為54.6萬(wàn)t。Jia等[1]的研究結(jié)果顯示,2014年我國(guó)水稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源數(shù)量為68.7萬(wàn)t。宋大利等[3]計(jì)算出2015年我國(guó)水稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源量為56.8萬(wàn)t,并對(duì)不同稻區(qū)水稻秸稈還田下磷的輸入量進(jìn)行了分析。此前的多數(shù)研究對(duì)我國(guó)水稻秸稈磷養(yǎng)分資源量的估算較為籠統(tǒng),沒有詳細(xì)區(qū)分早稻、雙季晚稻,及中稻和一季晚稻(以下簡(jiǎn)稱中晚稻,包括東北稻區(qū)的一季稻)的草谷比和秸稈磷含量。而對(duì)水稻秸稈磷含量的取值多是參考原農(nóng)業(yè)部1994年開展有機(jī)肥料資源調(diào)查后出版的《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分志》[25]、《中國(guó)有機(jī)肥料資源》[26]和《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)集》[27]。何萍等[28]對(duì)2000—2013年我國(guó)水稻主要種植區(qū)域大量田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析的結(jié)果顯示:早稻及雙季晚稻的草谷比低于中晚稻,且不同季別水稻秸稈的磷含量也存在差異?；诖?本研究利用不同季別水稻草谷比和秸稈磷含量以及我國(guó)水稻主要種植省份相應(yīng)水稻產(chǎn)量等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),系統(tǒng)地探討了我國(guó)主要稻區(qū)不同季別水稻秸稈磷養(yǎng)分資源量的時(shí)空分布特征,并分析水稻秸稈還田對(duì)土壤磷輸入的貢獻(xiàn),以期為各區(qū)域不同季別水稻秸稈還田條件下土壤磷素優(yōu)化管理策略的制定提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域包括我國(guó)水稻主要種植省份遼寧、吉林、黑龍江、湖北、湖南、江西、安徽、浙江、江蘇、重慶、四川、貴州、云南、福建、廣西、廣東和海南,2016—2018年上述省份的水稻播種面積占全國(guó)水稻總播種面積的95.6%。本研究將我國(guó)水稻主要種植省份劃分為:東北稻區(qū)(遼寧、吉林、黑龍江),長(zhǎng)江中游稻區(qū)(湖北、湖南、江西),長(zhǎng)江下游稻區(qū)(安徽、浙江、江蘇),西南稻區(qū)(重慶、四川、貴州、云南)及華南稻區(qū)(福建、廣西、廣東、海南)。2016—2018年期間各稻區(qū)的水稻年均播種面積分別占研究區(qū)域水稻年均總播種面積的17.1%、33.9%、18.7%、14.5%和15.8%。東北稻區(qū)主要為一季稻,長(zhǎng)江中游稻區(qū)包括中晚稻、早稻和雙季晚稻,長(zhǎng)江下游和西南稻區(qū)以中晚稻種植為主,華南稻區(qū)主要為早稻和雙季晚稻。

1.2 估算方法

采用國(guó)內(nèi)常用的草谷比法對(duì)我國(guó)主要稻區(qū)各省份的早稻、雙季晚稻和中晚稻秸稈產(chǎn)量進(jìn)行估算,在此基礎(chǔ)上對(duì)不同地區(qū)的水稻秸稈磷養(yǎng)分資源量與單位播種面積水稻秸稈還田的磷養(yǎng)分輸入量進(jìn)行評(píng)估。

水稻秸稈產(chǎn)量(WSR)計(jì)算公式為:

式中:WYR為水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(kg),RR為水稻草谷比。

水稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源量(WP2O5)計(jì)算公式為:

式中:PSR為水稻秸稈磷(P)含量(kg·kg?1),2.29是將單質(zhì)磷(P)折算為P2O5的系數(shù)。

單位播種面積水稻秸稈還田的磷(P2O5)養(yǎng)分輸入量(AP2O5)計(jì)算公式為:

式中:AR為水稻播種面積(hm2)。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究基于2013—2018年省級(jí)水稻相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),對(duì)我國(guó)主要稻區(qū)水稻秸稈產(chǎn)量及其所含磷養(yǎng)分資源量進(jìn)行評(píng)估。各省份水稻年播種面積和產(chǎn)量來(lái)自國(guó)家統(tǒng)計(jì)局農(nóng)村社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查司編制的《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》[29]。水稻草谷比和秸稈磷含量來(lái)自何萍等[28]基于我國(guó)水稻主要種植區(qū)域大量田間試驗(yàn)總結(jié)得到的數(shù)據(jù):東北稻區(qū)一季稻的草谷比為0.85(n=660),水稻秸稈磷(P)含量為1.8 g·kg?1(n=421);其他稻區(qū)早稻、雙季晚稻和中晚稻的草谷比分別為0.82(n=763)、0.89(n=653)和1.00(n=1512),水稻秸稈磷(P)含量分別為1.3 g·kg?1(n=632)、1.5 g·kg?1(n=419)和1.4 g·kg?1(n=639)。

2 結(jié)果與分析

2.1 我國(guó)主要稻區(qū)水稻秸稈產(chǎn)量及其時(shí)空分布

近年來(lái)我國(guó)早稻及雙季晚稻秸稈的產(chǎn)量呈緩慢下降趨勢(shì),分別從2013年的2778萬(wàn)t和3235萬(wàn)t下降到2018年的2327萬(wàn)t和2783萬(wàn)t(圖1),下降幅度分別為16.2%和14.0%。我國(guó)主要稻區(qū)的中晚稻秸稈產(chǎn)量呈穩(wěn)中有升趨勢(shì),從2013年的11 775萬(wàn)t緩慢增加至2016年的12 189萬(wàn)t,升幅為3.5%;2018年的中晚稻秸稈產(chǎn)量與2016年相比增加11.0%。總的來(lái)看,2013—2018年我國(guó)主要稻區(qū)水稻秸稈產(chǎn)量變化幅度不大,2013年和2018年我國(guó)水稻秸稈總產(chǎn)量分別為17 788萬(wàn)t和18 636萬(wàn)t。我國(guó)水稻秸稈產(chǎn)出以中晚稻秸稈為主,2013年我國(guó)主要稻區(qū)早稻、雙季晚稻和中晚稻秸稈產(chǎn)量分別占水稻秸稈總產(chǎn)量的15.6%、18.2%和66.2%,2018年相應(yīng)比例分別為12.5%、14.9%和72.6%。

2018年我國(guó)早稻和雙季晚稻秸稈主要分布在湖南、江西、廣東和廣西,各省份的早稻秸稈產(chǎn)量分別為620萬(wàn)t(占比26.6%)、569萬(wàn)t(占比24.5%)、410萬(wàn)t(占比17.6%)和386萬(wàn)t(占比16.6%),晚稻秸稈產(chǎn)量分別為740萬(wàn)t(占比26.6%)、715萬(wàn)t(占比25.7%)、474萬(wàn)t(占比17.0%)和402萬(wàn)t(占比14.4%)(圖2)。中晚稻秸稈產(chǎn)量在1000萬(wàn)t以上的省份有黑龍江、江蘇、湖北、四川、安徽和湖南,分別為2283萬(wàn)t(占比16.9%)、1958萬(wàn)t(占比14.5%)、1734萬(wàn)t(占比12.8%)、1479萬(wàn)t(占比10.9%)、1469萬(wàn)t(占比10.9%)和1087萬(wàn)t(占比8.0%)。中晚稻秸稈產(chǎn)量為350萬(wàn)～600萬(wàn)t的省份包括江西(594萬(wàn)t)、吉林(549萬(wàn)t)、云南(491萬(wàn)t)、重慶(487萬(wàn)t)、貴州(421萬(wàn)t)、遼寧(355萬(wàn)t)和浙江(353萬(wàn)t)。2018年我國(guó)主要稻區(qū)水稻秸稈資源總量居于前列的省份為湖南、黑龍江、江蘇、湖北、江西、安徽和四川,各省份的水稻秸稈總產(chǎn)量分別為2447萬(wàn)t(占比13.1%)、2283萬(wàn)t(占比12.2%)、1958萬(wàn)t(占比10.5%)、1933萬(wàn)t(占比10.4%)、1879萬(wàn)t(占比10.1%)、1650萬(wàn)t(占比8.9%)和1479萬(wàn)t(占比7.9%)。我國(guó)早稻和雙季晚稻秸稈資源集中分布在長(zhǎng)江中游和華南稻區(qū),兩個(gè)稻區(qū)的早稻秸稈產(chǎn)量分別占全國(guó)主要稻區(qū)早稻秸稈總產(chǎn)量的54.5%和39.3%,雙季晚稻秸稈資源所占比例分別為56.6%和38.2%;中晚稻秸稈資源主要分布在長(zhǎng)江下游、長(zhǎng)江中游、東北和西南稻區(qū),所占比例分別為27.9%、25.2%、23.6%和21.3%。

2.2 我國(guó)主要稻區(qū)水稻秸稈磷養(yǎng)分資源量及其時(shí)空分布

2013—2018年期間我國(guó)主要稻區(qū)水稻秸稈磷資源量總體上呈緩慢上升趨勢(shì)。2013年全國(guó)主要稻區(qū)水稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源總量為59.70萬(wàn)t,主要分布在黑龍江、湖南、江蘇、江西、湖北、四川和安徽等省份(表1),各省份所占比例分別為13.0%、12.4%、10.3%、9.5%、8.6%、8.3%和7.1%;2018年全國(guó)水稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源總量為62.78萬(wàn)t,其中黑龍江、湖南、江蘇、湖北、江西、安徽和四川等省份居于全國(guó)前列,所占比例分別為15.0%、12.5%、10.0%、9.9%、9.6%、8.4%和7.6%。與2013年相比,2018年部分省份的水稻秸稈磷養(yǎng)分資源量變化幅度較大,其中安徽、黑龍江、湖北、貴州和吉林的增加幅度分別為24.5%、20.9%、20.3%、16.4%和14.7%,而云南、福建、浙江、遼寧和海南的下降幅度則分別為21.6%、19.4%、17.9%、17.5%和14.1%。從2018年的省級(jí)水稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源量來(lái)看,黑龍江和湖南最為豐富,分別為9.41萬(wàn)t和7.87萬(wàn)t;江蘇、湖北、江西、安徽和四川為4.5萬(wàn)～6.5萬(wàn)t;1.5萬(wàn)～3.0萬(wàn)t的省份包括廣東、廣西、吉林、云南和重慶;1.0萬(wàn)～1.5萬(wàn)t的省份有浙江、遼寧、貴州和福建。

2013—2018年我國(guó)不同稻區(qū)的水稻秸稈磷養(yǎng)分資源量如圖3所示。華南和長(zhǎng)江下游稻區(qū)的早稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源產(chǎn)量相對(duì)平穩(wěn),2013—2018年期間其年均產(chǎn)量分別為2.95萬(wàn)t和0.45萬(wàn)t;2013—2015年長(zhǎng)江中游稻區(qū)的早稻秸稈磷養(yǎng)分產(chǎn)量較為穩(wěn)定,年均為4.68萬(wàn)t,從2016年開始有所下降,2016—2018年其年均產(chǎn)量為4.11萬(wàn)t。2013—2018年華南稻區(qū)的雙季晚稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源量波動(dòng)不大,年均產(chǎn)量為3.92萬(wàn)t;長(zhǎng)江中游和長(zhǎng)江下游稻區(qū)的雙季晚稻秸稈磷養(yǎng)分產(chǎn)量從2016年開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì),分別從2015年的6.82萬(wàn)t和0.58萬(wàn)t下降到2018年的5.41萬(wàn)t和0.49萬(wàn)t,下降幅度分別為20.6%和14.9%。近年來(lái)中晚稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源量變化較大的為長(zhǎng)江中游和東北稻區(qū),分別從2013—2016年的7.30萬(wàn)t和11.63萬(wàn)t增加到2017—2018年的10.58萬(wàn)t和13.45萬(wàn)t,增長(zhǎng)幅度分別為45.1%和15.7%。2013年中晚稻秸稈磷養(yǎng)分資源主要分布在東北、長(zhǎng)江下游、西南和長(zhǎng)江中游稻區(qū),占比分別為28.6%、27.5%、24.2%和17.4%;到2018年,中晚稻秸稈磷養(yǎng)分產(chǎn)量排序轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北、長(zhǎng)江下游、長(zhǎng)江中游和西南稻區(qū),所占比例分別為28.4%、26.2%、23.7%和19.9%。與2013年相比,2018年?yáng)|北和長(zhǎng)江中游稻區(qū)的水稻秸稈磷養(yǎng)分資源量分別增加13.9%和10.4%,其他稻區(qū)的波動(dòng)幅度相對(duì)較小。2018年長(zhǎng)江中游、東北、長(zhǎng)江下游、西南和華南稻區(qū)的水稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源量分別為20.14萬(wàn)t(占比32.1%)、13.14萬(wàn)t(占比20.9%)、13.04萬(wàn)t(占比20.8%)、9.23萬(wàn)t(占比14.7%)和7.23萬(wàn)t(占比11.5%)。

表1 2013—2018年我國(guó)不同省份水稻秸稈磷養(yǎng)分資源量年際變化Table 1 Temporal variations of rice straw phosphorus resource quantities in different provinces of China from 2013 to 2018×104 t P2O5

2.3 我國(guó)主要稻區(qū)水稻秸稈還田下的土壤磷輸入量分析

我國(guó)各省份早稻秸稈還田條件下的土壤磷養(yǎng)分輸入量比較接近,為13.9～15.1 kg(P2O5)·hm?2,其中浙江和福建的稍高,分別為15.1 kg(P2O5)·hm?2和14.9 kg(P2O5)·hm?2(表2)。單位播種面積雙季晚稻秸稈還田下土壤磷養(yǎng)分輸入量最小的省份是海南,為13.6 kg(P2O5)·hm?2,其余省份為16.0～20.9 kg(P2O5)·hm?2,其中雙季晚稻主要種植省份江西、湖南、廣東和廣西分別為18.5 kg(P2O5)·hm?2、19.6 kg(P2O5)·hm?2、17.0 kg(P2O5)·hm?2和16.5 kg(P2O5)·hm?2。對(duì)于中晚稻秸稈還田來(lái)說(shuō),其土壤磷養(yǎng)分輸入量在不同省份間存在較大差異,遼寧、湖北、吉林和江蘇較高,達(dá)27.3～29.3 kg(P2O5)·hm?2,2018年這4個(gè)省份的中晚稻總播種面積占全國(guó)主要稻區(qū)中晚稻總播種面積的29.7%;四川、黑龍江、浙江、重慶、湖南和江西為21.8～25.0 kg(P2O5)·hm?2,2018年這些地區(qū)中晚稻總播種面積占比為48.8%;云南、貴州、福建、安徽和廣西中晚稻秸稈還田的土壤磷養(yǎng)分輸入量相對(duì)較小,為19.3～21.2 kg(P2O5)·hm?2。從全國(guó)范圍看,單位播種面積早稻、雙季晚稻及中晚稻秸稈還田下的土壤磷養(yǎng)分輸入量分別為14.4 kg(P2O5)·hm?2、18.2 kg(P2O5)·hm?2和24.4 kg(P2O5)·hm?2,中晚稻秸稈還田的土壤磷養(yǎng)分輸入量要高于雙季晚稻和早稻。

表2 2013—2018年我國(guó)不同省份單位播種面積水稻秸稈還田的土壤磷輸入量Table 2 Phosphorus input through rice straw incorporation in different provinces of China during 2013?2018 kg(P2O5)·hm?2

從圖4可見,長(zhǎng)江中游、長(zhǎng)江下游和華南稻區(qū)的早稻秸稈還田土壤磷輸入量非常接近,分別為14.3 kg(P2O5)·hm?2、14.5 kg(P2O5)·hm?2和14.4 kg(P2O5)·hm?2;而長(zhǎng)江中游稻區(qū)雙季晚稻秸稈還田的土壤磷輸入量[19.3 kg(P2O5)·hm?2]稍高于長(zhǎng)江下游稻區(qū)[17.0 kg(P2O5)·hm?2]和華南稻區(qū)[16.8 kg(P2O5)·hm?2]。在我國(guó)主要稻區(qū)中,中晚稻秸稈還田的土壤磷輸入量最高的是東北稻區(qū),可以達(dá)到25.8 kg(P2O5)·hm?2;華南稻區(qū)中晚稻秸稈還田土壤磷輸入量相對(duì)較低,為20.6 kg(P2O5)·hm?2。

3 討論

水稻秸稈產(chǎn)量估算是對(duì)水稻秸稈磷養(yǎng)分資源量進(jìn)行評(píng)估的基礎(chǔ),在水稻秸稈產(chǎn)量計(jì)算過(guò)程中,草谷比是對(duì)估算結(jié)果具有決定性影響的關(guān)鍵參數(shù)。謝光輝等[30]通過(guò)查閱2006—2010年期間發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)獲得的水稻草谷比為1.0。在以往的研究中,對(duì)我國(guó)水稻草谷比的取值以1.0居多[1,3]。劉曉永等[31]基于文獻(xiàn)資料總結(jié)進(jìn)一步得到我國(guó)不同區(qū)域的水稻草谷比,其中長(zhǎng)江中下游稻區(qū)的水稻草谷比(1.08)要高于其他稻區(qū)(0.91～0.95)。這些研究在估算過(guò)程中沒有對(duì)不同季別水稻的秸稈產(chǎn)量進(jìn)行區(qū)分。此前相關(guān)研究采用的水稻秸稈磷含量多是參考原農(nóng)業(yè)部1994年開展有機(jī)肥料資源調(diào)查后出版的《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分志》[25]和《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)集》[27],其中的水稻秸稈磷(P)含量分別為1.3 g·kg?1和1.2 g·kg?1。宋大利等[3]采用水稻草谷比1.0計(jì)算出2015年我國(guó)水稻秸稈產(chǎn)量為20 823萬(wàn)t,并利用《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)集》[27]中的水稻秸稈磷含量推算出當(dāng)年水稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源量為56.8萬(wàn)t。

本研究使用的不同季別水稻草谷比和秸稈磷含量來(lái)自何萍等[28]對(duì)2000—2013年我國(guó)水稻主要種植區(qū)大量田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果,在此基礎(chǔ)上可以較為準(zhǔn)確地對(duì)我國(guó)早稻、雙季晚稻及中晚稻秸稈資源量進(jìn)行評(píng)估。不同季別水稻的草谷比和秸稈磷含量存在較大差異,早稻秸稈磷含量相對(duì)較低,東北稻區(qū)一季稻秸稈磷含量比其他稻區(qū)水稻秸稈磷含量要高出20.0%～38.5%[28]。本研究估算結(jié)果顯示,2015年和2017年我國(guó)水稻秸稈總產(chǎn)量分別為18 217萬(wàn)t和18 703萬(wàn)t,水稻秸稈磷養(yǎng)分資源總量分別為61.12萬(wàn)t和63.15萬(wàn)t,比宋大利等[3]和李一等[32]對(duì)相應(yīng)年份水稻秸稈磷養(yǎng)分?jǐn)?shù)量的估算結(jié)果分別高出7.6%和18.2%,這是由于本研究中采用的不同季別水稻秸稈磷(P)含量(1.3～1.8 g·kg?1)高于宋大利等[3]和李一等[32]對(duì)我國(guó)水稻秸稈磷含量的統(tǒng)一取值(1.2 g·kg?1)。2018年全國(guó)水稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分資源總量為62.78萬(wàn)t,主要分布在水稻種植大省黑龍江、湖南、江蘇、湖北、江西和安徽,這些省份的水稻秸稈磷養(yǎng)分資源總量占主要稻區(qū)總產(chǎn)量的65.5%。從水稻秸稈磷養(yǎng)分資源在不同稻區(qū)間的分布來(lái)看,長(zhǎng)江中游稻區(qū)所占比例最高,為32.1%,其次為東北和長(zhǎng)江下游稻區(qū),占比分別為20.9%和20.8%。長(zhǎng)江中游稻區(qū)包括湖南、江西、湖北3個(gè)省份,為我國(guó)中晚稻和雙季稻主要產(chǎn)區(qū),在全國(guó)主要稻區(qū)中水稻產(chǎn)量占比最高,因此水稻秸稈磷養(yǎng)分資源最為豐富。東北稻區(qū)為一季稻,長(zhǎng)江下游稻區(qū)為中晚稻主要產(chǎn)區(qū),兩個(gè)稻區(qū)的水稻產(chǎn)量比較接近;東北稻區(qū)一季稻的草谷比(0.85)低于長(zhǎng)江下游稻區(qū)中晚稻的草谷比(1.00),但東北稻區(qū)水稻秸稈磷(P)含量(1.8 g·kg?1)高于長(zhǎng)江下游稻區(qū)中晚稻秸稈磷(P)含量(1.4 g·kg?1)[28],綜合起來(lái)看,兩個(gè)稻區(qū)的水稻秸稈磷養(yǎng)分資源占比基本相當(dāng)。

在湖南雙季稻上進(jìn)行的3年田間試驗(yàn)表明,在土壤磷收支基本能維持平衡的施磷量下,稻田田面水總磷濃度相對(duì)較低,而隨著施磷量的增加,稻田土壤磷素盈余量和田面水總磷濃度隨之升高,磷素流失及誘發(fā)受納水體富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)繼而增大[17]。在南方赤紅壤區(qū)開展的稻田定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)顯示,導(dǎo)致田面水總磷濃度激增的土壤有效磷臨界含量所對(duì)應(yīng)的施磷量與土壤磷素收支持平下的施磷量基本上是一致的[33]。這些研究表明,維持土壤磷素收支平衡對(duì)于降低農(nóng)田磷流失風(fēng)險(xiǎn)可發(fā)揮重要作用。除磷肥施用外,秸稈還田也是向土壤輸入磷素的重要途徑之一。朱蕓等[22]對(duì)長(zhǎng)江流域油菜(Brassic napus)-水稻與小麥-水稻兩個(gè)輪作體系周年磷養(yǎng)分收支狀況進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn),水稻秸稈還田在油菜季和小麥季上的磷養(yǎng)分輸入量分別可達(dá)到21.4 kg(P2O5)·hm?2和16.9 kg(P2O5)·hm?2。因此,在水稻秸稈還田條件下要實(shí)現(xiàn)土壤磷養(yǎng)分收支平衡,需要把還田水稻秸稈的磷素?cái)y入量考慮在內(nèi),并在后茬作物上根據(jù)具體情況調(diào)整磷肥投入量,在此基礎(chǔ)上才有可能實(shí)現(xiàn)稻田系統(tǒng)磷素的科學(xué)管理。

宋大利等[3]的研究結(jié)果表明,2015年我國(guó)長(zhǎng)江中下游和華南雙季稻區(qū)早稻秸稈還田磷的輸入量為16 kg(P2O5)·hm?2左右,晚稻的為15～17 kg(P2O5)·hm?2。本研究的估算結(jié)果顯示,2013—2018年我國(guó)主要稻區(qū)早稻秸稈還田的年均磷輸入量為14.5 kg(P2O5)·hm?2,稍低于宋大利等[3]的結(jié)果,這是由于本研究采用的早稻草谷比(0.82)較小;本研究中主要稻區(qū)雙季晚稻秸稈還田的年均磷輸入量為16.8～19.3 kg(P2O5)·hm?2,略高于宋大利等[3]的估算結(jié)果,這可歸因于本研究通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研獲得的雙季晚稻秸稈磷(P)含量(1.5 g·kg?1)相對(duì)較高。與宋大利等[3]的研究結(jié)果不同的是,本研究中各雙季稻區(qū)晚稻秸稈還田的磷攜入量均不同程度地高于早稻;在省級(jí)尺度上,湖南和江西這兩個(gè)雙季稻種植大省晚稻秸稈還田的磷輸入量比早稻分別高出35.2%和31.2%。這主要是由于本研究對(duì)早稻和雙季晚稻的草谷比及秸稈磷含量進(jìn)行了區(qū)分,采用的雙季晚稻草谷比和秸稈磷含量比早稻分別高出8.5%和15.4%。此前的相關(guān)研究顯示,我國(guó)長(zhǎng)江中下游稻麥輪作區(qū)和東北水稻單作區(qū)稻秸還田的土壤磷輸入量為22 kg(P2O5)·hm?2左右,西南稻區(qū)水稻秸稈還田磷的輸入量為19 kg(P2O5)·hm?2左右[3]。本文對(duì)長(zhǎng)江中下游中晚稻和東北一季稻秸稈還田磷攜入量的估算結(jié)果為25 kg(P2O5)·hm?2左右,西南稻區(qū)的為23 kg(P2O5)·hm?2左右,高于上述評(píng)估結(jié)果,這里的差異主要是由中晚稻秸稈磷含量取值不同所導(dǎo)致的?？傮w來(lái)看,我國(guó)中晚稻秸稈還田條件下的土壤磷養(yǎng)分輸入量是相當(dāng)可觀的,主要稻區(qū)絕大部分省份中晚稻秸稈還田的磷攜入量在20 kg(P2O5)·hm?2以上,湖北、江蘇和四川這3個(gè)水稻主產(chǎn)省份超過(guò)25 kg(P2O5)·hm?2。因此,在我國(guó)水稻秸稈特別是中晚稻秸稈還田條件下,對(duì)農(nóng)田磷素投入的計(jì)算不能忽視還田秸稈磷攜入量對(duì)土壤磷輸入的貢獻(xiàn)。

本研究在一定程度上明確了我國(guó)主要稻區(qū)不同季別水稻秸稈還田對(duì)農(nóng)田土壤磷素平衡的影響,可以為水稻秸稈還田條件下土壤磷素管理對(duì)策的制定提供科學(xué)依據(jù)和重要支持,進(jìn)而有望實(shí)現(xiàn)稻田土壤磷養(yǎng)分收支平衡,提高磷肥利用率,減少磷資源浪費(fèi),同時(shí)降低農(nóng)田磷素流失的水體污染風(fēng)險(xiǎn)。水稻秸稈還田前期腐解較快,是秸稈中磷素的快速釋放期[34-35]。加之稻田磷肥施用后的較短一段時(shí)間內(nèi),田面水中總磷濃度較高,為磷流失高峰期[17,19]。因此,在長(zhǎng)江中游和華南雙季稻區(qū),水稻秸稈還田初期要加強(qiáng)對(duì)稻田田面水的管理以防控磷素流失。

4 結(jié)論

2013—2018年我國(guó)主要稻區(qū)早稻及雙季晚稻秸稈產(chǎn)量緩慢下降,而中晚稻秸稈產(chǎn)量在保持平穩(wěn)中有所上升,2018年全國(guó)水稻秸稈總產(chǎn)量為18 636萬(wàn)t,其中以中晚稻秸稈為主。近年來(lái)我國(guó)水稻秸稈磷資源量總體呈緩慢上升趨勢(shì),2018年全國(guó)水稻秸稈磷(P2O5)養(yǎng)分總產(chǎn)量為62.78萬(wàn)t,主要分布在黑龍江、湖南、江蘇、湖北、江西、安徽和四川等省份;早稻和雙季晚稻秸稈磷養(yǎng)分資源集中分布在長(zhǎng)江中游和華南稻區(qū),中晚稻秸稈磷養(yǎng)分資源主要分布在東北、長(zhǎng)江下游、長(zhǎng)江中游和西南稻區(qū)。

我國(guó)主要稻區(qū)不同省份早稻秸稈還田的土壤磷養(yǎng)分輸入量較為接近,為13.9～15.1 kg(P2O5)·hm?2,雙季晚稻秸稈還田的土壤磷養(yǎng)分輸入量為16.0～20.9 kg(P2O5)·hm?2;中晚稻秸稈還田的土壤磷養(yǎng)分輸入量為19.3～29.3 kg(P2O5)·hm?2,高于雙季晚稻和早稻。在進(jìn)行稻田土壤磷素管理時(shí),要考慮到水稻秸稈還田特別是中晚稻秸稈還田的磷養(yǎng)分輸入量,以實(shí)現(xiàn)稻田土壤磷素收支平衡,降低土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)。