遼寧省主要糧食作物秸稈還田對化肥替代潛力分析

宮 亮，金丹丹，何志剛，王 娜，鄒曉錦，張 鑫，隋世江，牛世偉，解占軍

（1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，遼寧 沈陽 110161；2.遼寧省面源污染防控重點實驗室，遼寧 沈陽 110161）

作物秸稈含有豐富的氮、磷、鉀以及其他中微量元素，是重要的有機(jī)肥源[1]。秸稈還田能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[2-3]，改善土壤物理結(jié)構(gòu)[4]，提高速效養(yǎng)分供應(yīng)能力[5]，實現(xiàn)作物增產(chǎn)[6]，其培肥土壤和增產(chǎn)效應(yīng)隨還田時間延長而增加[7-8]，是實現(xiàn)農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)利用、維持土壤肥力的有效措施。2014—2018年，我國水稻、小麥和玉米三大糧食作物秸稈年均產(chǎn)量約6.5 億t，全量還田理論上帶入農(nóng)田養(yǎng)分約為N 294 萬t、P2O5194 萬t、K2O 1 084 萬t[9]，是實現(xiàn)化肥替代減施的重要途徑。已有研究結(jié)果表明，2009—2008 年東北地區(qū)水稻秸稈還田帶入農(nóng)田的N、P2O5、K2O平均養(yǎng)分分別為32.6、6.6、122.0 kg/hm2，可替代化肥施用量的比值分別為10.9%～12.5%、11.8%～17.1%、116.0%～123.0%[10]。東北黑土區(qū)玉米秸稈還田量為12 t/hm2時可替代化學(xué)氮肥（N）36.8 kg/hm2[11]，如全量還田可較常規(guī)施肥減少磷肥用量15.4%～33.5%[12]。作物秸稈還田提供的有效鉀占畜禽糞便有機(jī)肥還田可提供的有效鉀總量的50.0%左右[13]，是重要的鉀肥替代途徑。遼寧省是我國糧食主產(chǎn)省份之一，2017 年玉米平均產(chǎn)量8.1 t/hm2，化肥折純平均用量為422 kg/hm2，N、P2O5、K2O用量分別為188～275、88～144、64～119 kg/hm2，N、P2O5的減施潛力分別為23%、28%，K2O則相對不足，有機(jī)肥施用極少[14]。水稻平均產(chǎn)量8.6 t/hm2，化肥折純平均施用量為423 kg/hm2，N、P2O5、K2O 用量分別為192～271、81～117、82～96 kg/hm2，其中，遼河三角洲稻作區(qū)氮肥過量問題突出，可減少純N 用量約14%；東南部沿黃海稻作區(qū)磷肥過量現(xiàn)象普遍，可降低18.6%的P2O5投入量；K2O 施用過量與不足現(xiàn)象并存[15]。遼寧省作物秸稈資源豐富[16]，2017 年國家農(nóng)業(yè)廢棄物循環(huán)利用創(chuàng)新聯(lián)盟在東北地區(qū)開展“秸稈五化”利用以來，遼寧省秸稈還田面積逐年擴(kuò)大。柴如山等[17-18]在全國尺度上估算了遼寧省主要糧食作物秸稈還田的N、K2O 養(yǎng)分帶入量及化肥替代潛力。宋大利等[16]在區(qū)域尺度上估算了遼寧省主要糧食作物秸稈產(chǎn)量和養(yǎng)分資源量。但目前遼寧省各地區(qū)主要糧食作物秸稈還田的化肥替代潛力尚不清楚?；诖?，擬采用草谷比法估算遼寧省各市水稻和玉米秸稈產(chǎn)量，計算秸稈全量還田帶入農(nóng)田的N、P2O5、K2O 養(yǎng)分資源量，并參考秸稈還田當(dāng)季養(yǎng)分釋放率，分析單位面積作物秸稈全量還田的化肥替代潛力，以期為遼寧省不同地區(qū)主要作物秸稈還田后化肥配施和減量提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼寧省位于東北地區(qū)南部，介于東經(jīng)118°53′～125°46′、北緯38°43′～43°26′，屬于溫帶季風(fēng)氣候，年日照時數(shù)2 100～2 600 h，年平均氣溫7～11 ℃，無霜期130～200 d，年降水量600～1 100 mm。糧食作物主要有玉米、水稻、小麥、高粱、大豆、谷子、薯類和其他雜糧，年均種植面積約350 萬hm2，種植制度均為一年一季。2018—2020 年玉米和水稻平均播種面積分別為269.6 萬、50.5 萬hm2，占全省糧食作物播種面積的91.5%，因此，擬選取玉米和水稻2 種主要糧食作物進(jìn)行秸稈產(chǎn)量及其養(yǎng)分資源量分析。

1.2 研究方法

采用國內(nèi)常用的草谷比法來估算遼寧省各市主要作物秸稈產(chǎn)量（WS），計算公式：

式中，WY為作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量；SG為作物草谷比。草谷比為作物地上部秸稈產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的比值。

秸稈養(yǎng)分資源量（WN）的計算公式：

式中，NS為作物秸稈養(yǎng)分含量。

作物秸稈還田的化肥替代量以單位面積還田秸稈當(dāng)季養(yǎng)分釋放量（ARN）進(jìn)行估算，替代率（RT）為化肥替代量與推薦施肥量比值，計算公式：

式中，RN為還田秸稈當(dāng)季養(yǎng)分釋放率，A為作物播種面積，F(xiàn)為推薦施肥量。

1.3 數(shù)據(jù)來源

為降低作物種植面積和產(chǎn)量年際間波動對統(tǒng)計結(jié)果的影響，基于2018—2020 年《遼寧省統(tǒng)計年鑒》[19]中各市水稻和玉米年播種面積和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量對秸稈產(chǎn)量進(jìn)行估算。草谷比[20-24]、作物秸稈氮磷鉀養(yǎng)分含量[25-26]、秸稈還田當(dāng)季養(yǎng)分釋放率[27]和遼寧各地推薦施肥量[14-16]依據(jù)已有文獻(xiàn)總結(jié)得出，具體見表1—2。

表1 不同作物的草谷比、秸稈養(yǎng)分含量和還田秸稈當(dāng)季養(yǎng)分釋放率Tab.1 Straw/grain ratio of different crops，nutrient content of straws and in-season nutrient release rate of returned straws

表2 遼寧省不同區(qū)域水稻和玉米推薦施肥量Tab.2 Application rate of N，P2O5 and K2O from optimized fertilization of different parts of Liaoning Province kg/hm2

2 結(jié)果與分析

2.1 遼寧省主要糧食作物秸稈產(chǎn)量及空間分布

2018—2020 年遼寧省玉米和水稻秸稈年均產(chǎn)量分別為2 130 萬、440 萬t。從各市作物秸稈產(chǎn)量來看，鐵嶺和沈陽的玉米秸稈產(chǎn)量較大，分別占全省玉米秸稈總產(chǎn)量的18.1%、16.3%，朝陽、阜新和錦州占比均達(dá)10%以上（圖1）；水稻秸稈主要分布在盤錦和沈陽，分別占全省水稻秸稈總產(chǎn)量的23.7%、22.2%，營口、遼陽和丹東占比均在10%左右；2種作物秸稈總產(chǎn)量居于前列的是沈陽和鐵嶺，分別為410.3 萬t（占比16.0%）、384.7 萬t（占比15.0%），朝陽、錦州和阜新秸稈產(chǎn)量均達(dá)到230 萬t 以上（占比9.1%—10.0%）。

圖1 2018—2020 年遼寧省各市主要糧食作物秸稈年均產(chǎn)量Fig.1 Annual average yields of main crop straws in different cities of Liaoning Province during the period of 2018—2020

2.2 遼寧省主要糧食作物秸稈氮磷鉀養(yǎng)分資源量及空間分布

如圖2 所示，2018—2020 年遼寧省玉米和水稻秸稈年均養(yǎng)分資源總量為67.6 萬t，玉米和水稻分別為53.7 萬t（占比79.4%）、13.9 萬t（占比20.6%）。其中，秸稈N 養(yǎng)分資源年均總量為22.2 萬t，玉米和水稻分別為18.5 萬t（占比83.5%）、3.7 萬t（占比16.5%）；秸稈P2O5養(yǎng)分資源總量年均為7.8 萬t，玉米和水稻分別為6.6 萬t（占比85.0%）、1.2 萬（占比15.0%）；秸稈K2O 養(yǎng)分資源總量年均為37.6 萬t，玉米和水稻分別為28.5 萬t（占比75.9%）、9.1 萬t（占比24.1%）。

圖2 2018—2020 年遼寧省主要糧食作物秸稈年均養(yǎng)分資源總量Fig.2 Annual average yields of main crop straw nutrient resources of Liaoning Province during the period of 2018—2020

由圖3 可知，從不同作物秸稈養(yǎng)分資源總量來看，水稻秸稈養(yǎng)分資源量較高的是盤錦和沈陽，分別為3.3 萬t（N 0.9 萬t、P2O50.3 萬t、K2O 2.2 萬t）、3.1 萬t（N 0.8 萬t、P2O50.3 萬t、K2O 2.0 萬t），營口、遼陽和丹東則分別為1.5 萬、1.3 萬、1.3 萬t，以上5市占全省水稻秸稈養(yǎng)分資源總量的74.7%；玉米秸稈養(yǎng)分資源量較豐富的是鐵嶺和沈陽，分別為9.7萬t（N 3.4萬t、P2O51.2萬t、K2O 5.2萬t）、8.8萬t（N 3.0萬t、P2O51.1萬t、K2O 4.7萬t），朝陽、阜新和錦州均在6.0萬t以上，以上5市共占全省玉米秸稈養(yǎng)分資源總量的70.4%。

作物秸稈N、P2O5、K2O 養(yǎng)分資源總量位于全省前列的是沈陽和鐵嶺（圖4），N 分別為3.8 萬t（占比17.3%）、3.6萬t（占比16.3%），P2O5分別為1.3萬t（占比17.2%）、1.3 萬t（占比16.3%），K2O 分別為6.7 萬t（占比17.7%）、5.8萬t（占比15.5%）；朝陽、錦州和阜新N、P2O5、K2O 均分別達(dá)2.0 萬、0.8 萬、3.0 萬t 以上，秸稈養(yǎng)分資源量豐富。

圖4 2018—2020 年遼寧省各市主要糧食作物秸稈年均氮磷鉀養(yǎng)分資源量Fig.4 Annual average yields of main crop straw nitrogen，phosphorus and potassium nutrient resources in different cities of Liaoning Province during the period of 2018—2020

2.3 遼寧省主要糧食作物秸稈還田當(dāng)季養(yǎng)分歸還量及化肥替代潛力

遼寧省各市單位面積主要糧食作物秸稈還田當(dāng)季的養(yǎng)分歸還量（圖5）顯示，水稻秸稈還田的N、P2O5和K2O 歸還量分別為23.7～40.1、5.3～9.0、98.8～167.0 kg/hm2，對氮肥（N）和磷肥（P2O5）替代率分別為13.2%～17.6%、6.3%～9.6%，可全部替代鉀肥。玉米秸稈還田的N、P2O5和K2O 歸還量分別為26.2～50.6、4.4～8.4、45.5～87.8 kg/hm2，對氮肥（N）、磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）替代率分別為12.7%～23.7%、4.8%～9.0%、46.7%～87.3%。各市水稻和玉米秸稈還田的N、P2O5歸還量比較接近，2 種秸稈K2O 歸還量以水稻較高。

圖5 2018—2020年遼寧省各市單位面積秸稈還田養(yǎng)分歸還量及化肥替代率Fig.5 Returned amount to the field and fertilizer substitution rate of straw nutrients per unit area in cities of Liaoning Province from 2018—2020

3 結(jié)論與討論

3.1 草谷比估算方法計算秸稈產(chǎn)量比較

草谷比法是目前我國估算秸稈資源量的常用方法，是評估秸稈資源量的重要參數(shù)，但受品種、氣候、施肥量等條件的影響，評估結(jié)果存在較大差異[28]，因此，在選擇草谷比估算秸稈資源量時，適當(dāng)參考研究區(qū)域已有文獻(xiàn)十分必要。已有研究結(jié)果表明，遼寧省玉米草谷比在0.96～1.27[29-31]，水稻草谷比為0.80～1.06[32-33]，本研究采用的玉米和水稻草谷比分別為1.2、1.0，與上述研究實測得到的草谷比較接近。已有報道顯示，2018、2019 年遼寧省可收集秸稈資源總量分別為2 850 萬、2 700 萬t，按照玉米和水稻2種作物秸稈資源量占90%計算，2018、2019年2種作物秸稈資源量分別為2 565萬、2 430萬t[34]，與本研究估算得到的結(jié)果較為接近。

3.2 秸稈養(yǎng)分資源量比較

李廷亮[9]等通過分析文獻(xiàn)總結(jié)得出我國小麥、水稻和玉米三大作物秸稈氮素含量變異系數(shù)在28.7%～39.6%，磷素含量變異系數(shù)在69.0%～87.5%，鉀素含量變異系數(shù)在43.9%～46.1%。遼寧省玉米秸稈N、P2O5、K2O 養(yǎng)分含量分別為0.76%～1.0%、0.25%～0.40%、1.23%～1.30%[35-36]，水稻秸稈氮含量在0.71%～0.87%[37-38]，與本研究參照的秸稈養(yǎng)分含量接近。已有研究表明，遼寧省水稻秸稈N、P2O5和K2O 養(yǎng)分資源量分別高于本研究相應(yīng)指標(biāo)的20.55%[17]、24.79%[39]、11.36%[18]，玉米秸稈N 和K2O養(yǎng)分資源量分別高于本研究相應(yīng)指標(biāo)的15.6%[17]、44.0%[18]。這主要是因為前人在計算秸稈養(yǎng)分含量時，水稻和玉米秸稈N 含量分別采用9.1、9.2 g/kg，高于本研究采用的8.3、8.7 g/kg，同時其玉米草谷比采用1.86，也高于本研究采用的1.2。宋大利等[16]在統(tǒng)計2015年遼寧省主要作物秸稈養(yǎng)分資源量時，采用的草谷比和秸稈養(yǎng)分含量與本研究一致，但其統(tǒng)計結(jié)果低于本研究。這可能是作物種植面積的年際差異所致，2018—2020 年遼寧省水稻種植面積較2015 年下降了4.6%～10.5%，玉米面積增加了10.7%～12.3%。由此可見，作物種植面積波動也是影響秸稈養(yǎng)分資源量估算結(jié)果的主要因素。

3.3 秸稈還田對化肥替代潛力及標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用

秸稈中含有大量的有機(jī)物質(zhì)和豐富的氮、磷、鉀等各類營養(yǎng)元素，全量還田條件下減少10%～30%氮、磷、鉀肥后仍可獲得穩(wěn)定產(chǎn)量[40-41]。秸稈還田能夠增加土壤有機(jī)氮和土壤微生物量氮，有利于提高土壤氮的礦化和固持，對挖掘土壤潛在氮供應(yīng)能力、替代化學(xué)氮肥具有重要意義[42]。已有研究表明，遼西地區(qū)玉米秸稈還田量在7 500～9 000 kg/hm2時，可替代氮肥（N）用量14.2%～16.9%，增產(chǎn)效果顯著[43-44]；遼北地區(qū)玉米秸稈還田后降低14.3%的氮肥（N）用量仍可獲得穩(wěn)定產(chǎn)量[45]。本研究結(jié)果認(rèn)為，上述地區(qū)玉米秸稈還田對氮肥（N）替代潛力為19.6%～22.7%，高于前人研究。這可能是因為本研究估算的是推薦施肥條件下秸稈還田對氮肥（N）的替代率。如果分別按照遼西和遼北當(dāng)?shù)亓?xí)慣施N量249.0[46]、262.0 kg/hm2[45]計算，則2 個地區(qū)氮肥（N）替代率分別為15.9%、16.8%，與上述已有研究結(jié)果接近。

秸稈還田是土壤磷輸入的重要渠道之一[47]，其補(bǔ)充土壤磷的同時，可促進(jìn)無效態(tài)磷向速效磷和緩效磷轉(zhuǎn)化[48]，提高耕層土壤磷有效性[49]，其作用隨秸稈還田年限延長而增加[50]。王秀娟等[51]在遼北地區(qū)開展的秸稈連續(xù)4 a 還田試驗結(jié)果表明，較常規(guī)施肥量降低20%磷肥（P2O5）用量后，玉米產(chǎn)量仍然保持穩(wěn)定。本研究結(jié)果表明，遼北地區(qū)玉米秸稈全量還田條件下P2O5理論歸還量為7.4 kg/hm2，占推薦施磷量（P2O5）的8.90%，低于上述研究結(jié)果。這可能是因為，本研究利用秸稈還田當(dāng)季養(yǎng)分釋放率估算養(yǎng)分替代量，但秸稈還田后磷的礦化速率小于干物質(zhì)分解速率，大量磷還殘留在田間未分解的秸稈中[52]，且較多的磷轉(zhuǎn)化為土壤全磷[53]，因此，參考當(dāng)季養(yǎng)分釋放率估算的結(jié)果低于長期連續(xù)秸稈還田對磷肥的替代效果。

作物秸稈的K2O 含量較高，當(dāng)季釋放率約85%[24]，與化學(xué)鉀肥具有相同的營養(yǎng)功效[54]。短期秸稈還田可以提高當(dāng)季土壤速效鉀含量，長期秸稈還田能顯著提高土壤水溶性鉀、非特殊吸附鉀、非交換性鉀及緩效鉀的含量，從而提高作物產(chǎn)量[55]。本研究結(jié)果表明，單位面積水稻秸稈還田的K2O 當(dāng)季歸還量為98.8～167.0 kg/hm2，理論上可全部替代鉀肥，這與已有研究結(jié)果一致[10，16]。

為保障遼寧省秸稈還田標(biāo)準(zhǔn)化實施，田間應(yīng)用可參考以下分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)：適用于遼北、遼南和遼河平原地區(qū)的有半濕潤區(qū)玉米秸稈還田技術(shù)規(guī)程（DB21/T 2504—2015）、玉米秸稈翻免交替全量還田技術(shù)規(guī)程（DB21/T 3513—2021）、玉米秸稈富集深埋還田保護(hù)性耕作技術(shù)規(guī)范（DB21/T 3536—2021）、玉米秸稈堆腐還田技術(shù)規(guī)程（DB21/T 3592—2022）；適用于遼寧西部風(fēng)沙半干旱區(qū)的有玉米秸稈覆蓋免耕種植技術(shù)規(guī)程（DB21/T 2909—2018）、玉米秸稈間隔條帶還田機(jī)械化栽培技術(shù)規(guī)程（DB21/T 3209—2019）、玉米秸稈覆蓋滴灌節(jié)水栽培技術(shù)規(guī)程（DB21/T 3533—2021）、旱地秸稈還田免耕播種保護(hù)性耕作技術(shù)規(guī)程（DB21/T 3537—2021）；適用于遼東山區(qū)的有玉米秸稈混埋還田機(jī)械化作業(yè)技術(shù)規(guī)程（DB21/T 3590—2022）。水稻秸稈還田技術(shù)規(guī)程有水稻秸稈還田機(jī)械化作業(yè)技術(shù)規(guī)范（DB21/T 2791—2017）、水稻秸稈揉絲深埋作業(yè)規(guī)程（DB21/T 3528—2021）、水稻秸稈秋季濕耙還田豐產(chǎn)栽培技術(shù)規(guī)程（DB21/T 3483—2021）。

綜上，2018—2020 年遼寧省玉米和水稻秸稈年均產(chǎn)量分別為2 130 萬、440 萬t。其中，鐵嶺、沈陽、朝陽、阜新和錦州的玉米秸稈產(chǎn)量較大，占全省玉米秸稈總產(chǎn)量的70.4%；水稻秸稈主要分布在盤錦、沈陽、營口、遼陽和丹東，占全省水稻秸稈總產(chǎn)量的67.9%。遼寧省玉米和水稻秸稈年均養(yǎng)分資源總量為67.6 萬t，2 種作物占比分別為79.4%、20.6%。N、P2O5、K2O養(yǎng)分資源總量分別為22.2萬、7.8萬、37.6萬t，2 種作物占比為別為83.5%、16.5%，85.0%、15.0%和75.9%、24.1%。遼寧省秸稈氮磷鉀養(yǎng)分資源豐富，水稻秸稈還田對氮肥（N）和磷肥（P2O5）替代潛力分別為13.2%～17.6%，6.3%～9.6%，可全部替代鉀肥（K2O）；玉米秸稈還田對氮肥（N）、磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）替代潛力分別為12.7%～23.7%，4.8%～9.0%、46.7%～87.3%。秸稈還田應(yīng)該與黑土地保護(hù)利用結(jié)合開展，配套地方標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行推廣應(yīng)用，這對于指導(dǎo)地區(qū)秸稈還田替代化肥具有指導(dǎo)意義。