我国秸秆资源养分还田利用潜力及技术分析

李 一，王秋兵

（沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110866）

我国秸秆资源具有数量大、种类多、分布广的特点［1］。随着我国农业生产和农民生活方式的转变、农村人口向城市转移、传统能源消费结构的改变，秸秆资源出现了区域性、季节性、结构性的过剩问题［2］。在我国，大量的秸秆曾被焚烧或者闲置，不但浪费了资源，同时污染了生态环境，成为了比较敏感的社会问题。近年来，我国政府大力推进秸秆的资源化综合利用，其中秸秆还田利用的比重增长最快。只有因地制宜地发挥各种利用方式下的秸秆资源养分还田潜力，从而替代大量的化肥，才能真正发展农业循环经济，促进农业实现可持续发展。对于秸秆资源潜力的研究，我国学者对不同年份的全国理论秸秆养分含量进行了估算［3-5］。在秸秆还田利用上，近些年的研究大多数集中于秸秆还田方式以及作物秸秆的种类和还田量对于土壤养分变化或作物产量的影响［6-10］，对于秸秆养分还田潜力分析相对较少。因此，本文在综合分析以往学者研究成果的基础上，利用国家统计数据和相关参考文献对我国秸秆的养分还田潜力及技术进行了分析，以期为我国的秸秆资源的养分还田利用提供理论依据和数据基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域及主要农作物种类

本文研究区域是我国除港澳台及南海群岛以外的31个省市自治区，并参考《中国耕作制度区划》将其划为8个区域，分别是东北地区、黄淮海地区、西北干旱地区、黄土高原地区、青藏高原地区、长江中下游地区、华南地区、西南地区［11］。研究作物包括：玉米、水稻、小麦、其他谷类作物、豆类、棉花、花生、油菜、薯类。

1.2 计算方法

本文采用的是大部分学者使用的，并且在国际上比较常用的草谷比法［12］。草谷比法是最接近实际农作物秸秆资源量的计算方法，是评估秸秆资源量的重要参数［13］。计算方法如下：

式中：Wj—第j种农作物秸秆资源数量；Yij—第i个省市自治区的第j种农作物的经济产量；Rj—第j种农作物的草谷比；Wsj—第j种农作物秸秆的可收集量；Kj—第j种农作物的可收集系数；WN—第j种秸秆的氮素资源量；Nj—第j种农作物氮元素含量；WP（P2O5）—第j种秸秆的五氧化二磷资源量；Pj—第j种农作物的五氧化二磷含量；WK（K2O）—第j种秸秆的氧化钾资源量；Kj—第j种农作物氧化钾含量。

1.3 数据资料

1.3.1 统计数据

本文中农作物的经济产量、化肥折纯量等数据来自于《中国统计年鉴—2018》［14］。秸秆综合利用情况数据来自《中国农业统计年鉴》［15］和《关于编制“十三五”秸秆综合利用实施方案的指导意见》［16］。

1.3.2 秸秆草谷比和可收集系数

草谷比根据近几年的文献中取值的平均值确定［4-5，17-22］，可收集系数则取自农业部制定的《全国农村可再生能源统计报表制度》中的参考值（表1）。

表1 秸秆可收集系数及草谷比

1.3.3 秸秆养分含量参数

本文的秸秆养分含量参数参考《中国有机肥料养分志》［23］、《中国有机肥料资源》［24］、《中国有机肥料养分数据集》［25］以及相关参考文献［4-5］（表2）。

1.3.4 不同利用方式下的养分还田率

秸秆肥料化利用方式下，养分按全部还回农田中计算；饲料化和燃料化的养分还田率参考高祥照等［26］、刘晓永等［4］的估值（表 3）。

表2 不同作物的秸秆养分及有机碳含量（风干基）（%）

表3 不同利用方式下的养分还田率 （%）

2 结果与分析

2.1 秸秆资源量

经计算，2017年全国主要农作物秸秆理论资源总量约为8.55亿t，可收集量约为6.99亿t。各类作物的秸秆资源量如表4所示，其中玉米、水稻、小麦的秸秆数量最多，分别为3.54亿、1.98亿、1.65亿t，是我国最主要的秸秆资源。

2.2 秸秆的空间分布

如图1所示，我国秸秆资源主要集中于东北地区、黄淮海地区、长江中下游地区。其次在西北干旱地区和西南地区也有着大量的秸秆资源。

如表5所示，在秸秆资源构成上，全国有着明显的分布特征。东北地区地处水稻、玉米单作区，约68.07%的秸秆资源为玉米秸秆，且由于东北地区雨热同期，也有约20.82%的水稻秸秆。黄淮海地区处于小麦、玉米轮作区，秸秆资源约43.87%为玉米秸秆，43.63%为小麦秸秆。长江中下游地区北部处于麦、稻轮作区，南部处于双季稻种植区，全区的秸秆资源52.28%为水稻秸秆、21.77%为小麦秸秆、10.77%为玉米秸秆。此外，对于其他几种作物秸秆也有着明显的地区集聚特征，油菜秸秆主要集中于长江中下游地区和西南地区；花生秸秆主要分布于黄淮海地区；棉花秸秆主要分布于新疆维吾尔自治区；大豆秸秆主要分布在黑龙江省。

表4 2017年全国秸秆资源量及可收集量

图1 全国秸秆资源分布情况

表5 全国主要地区作物的秸秆资源构成情况 （%）

2.3 秸秆养分的利用潜力

2.3.1 养分量

秸秆中蕴含着作物光合作用一半以上的产物，包括大量的氮、磷、钾、有机碳等，如表6所示。虽然秸秆有机碳含量巨大，但有42%～79%的碳会变成CO2释放到大气中，只有不足40%的秸秆碳进入土壤碳库，并以不稳定的活性有机碳为主［27］。因此，要以合理的秸秆还田方式、田间管理和还田量进行还田，从而提高土壤的储碳能力，减少碳排放，减缓全球变暖趋势［28］。

表6 2017年全国不同农作物秸秆的养分量（104 t）

2.3.2 理论秸秆养分可替代化肥潜力

本文参考2017年国家统计数据中氮肥、磷肥及钾肥的折纯量，对当年各省市自治区理论秸秆养分可替代化肥率进行了估算，如表7所示。秸秆全量还田养分输入量分别为758.66万t（N）、238.84万t（P2O5）、1 316.36万t（K2O），分别占化肥使用量的34.15%（N）、29.95%（P2O5）、212.40%（K2O）。根据全国数据可以发现，N在东北地区的可替代率最高，华南地区可替代率最低，在其他地区平均可替代率维持在30%左右。P2O5的可替代率在全国范围相差较大，东北地区均超过了50%，华南地区最低，低于20%。K2O的可替代率在除华南地区外的其他地区均超过了100%。可见，秸秆中的K2O可完全替代实际钾肥的投入。针对我国不同地区的秸秆养分可替代化肥率的差异，笔者认为主要有两个原因：第一，由于草谷比越大，单位产量下的秸秆越多，养分含量更高，因此在以玉米、小麦、大豆等为主要作物的北方地区的化肥可替代率要高于南方地区；第二，在农业发达地区，秸秆资源密度相比其他地区大，单位面积的秸秆产量更高，因此可替代化肥率更高。此外，全国秸秆理论有机碳量达到了34 238.94万t（未包括棉秆），若30%的秸秆有机碳可以进入土壤中，则农田每年都会增加超过10 000万t的有机碳，数量巨大。

2.3.3 实际秸秆养分可替代化肥潜力

虽然秸秆中富含大量的养分，但秸秆中的养分不能全部还回农田中。一部分在收集的过程中直接损失，还有一部分由于秸秆在离田后进行不同方式的利用而损失掉。近几年的秸秆综合利用情况如图2所示。秸秆肥料化利用比例逐年增加；饲料化比例在逐年降低，但下降速度变缓，逐渐趋于稳定；燃料化利用比例在2010年前后快速下降，目前有缓慢增长的趋势；未利用比例逐年下降，田间焚烧秸秆得到了有效的控制，但仍有部分秸秆被焚烧。据资料统计，2015年约有7.80%的秸秆被直接焚烧［29］。因此，基于秸秆的理论养分含量，结合秸秆的综合利用情况，假设不同利用方式下的养分依然可以还田。根据2016年的秸秆综合利用情况，估算2017年全国秸秆肥料化、饲料化、燃料化和田间直接焚烧比例约为：48%、17.5%、12.3%、7%［30］。根据不同利用方式下的养分还田率，估算2017年全国实际可还田养分约为430.54万t（N）、185.69万t（P2O5）、1 033.80万t（K2O），分别占化肥的19.38%（N）、23.28%（P2O5）以及166.81%（K2O）。相比全量还田，还有很大的提升潜力。

2.4 秸秆养分主要分布区还田利用技术分析

我国秸秆的养分资源巨大，合理的秸秆养分还田利用技术是发挥养分还田潜力的保证。秸秆还田主要分为两种方式，分别是秸秆机械化直接还田和间接还田。间接还田又包括过腹还田、堆沤还田、秸秆炭化还田、烧灰还田等［31］。秸秆还田量与土壤养分有着显著的正相关关系［32］。大部分秸秆养分在土壤中释放的顺序为：K＞P＞C＞N，且释放速率都是前期快，后期慢［33-35］。由于不同地区的气候条件、耕作制度、作物种类等因素的差异，要因地制宜地选择合适的秸秆养分还田技术。本文选择我国秸秆资源最丰富的3个区域，即东北地区、黄淮海地区、长江中下游地区的秸秆养分还田技术进行分析。

2.4.1 东北地区

东北地区的秸秆资源以玉米秸秆为主，还有大量的水稻秸秆和大豆秸秆。种植制度为单季种植。目前，东北地区的秸秆养分还田利用主要存在以下几个问题：（1）冬季寒冷，冰冻时间长，秸秆不易腐解；（2）农机保有量不足，如黑龙江省若每年秸秆还田面积为400万hm2，需要增加翻转犁2 712台，免耕播种机5 636台［36］，这显然在短期是无法实现的；（3）切碎效果不达标。按正常技术要求，玉米秸秆粉碎长度不宜超过10 cm，破碎率在95%以上，如果秸秆粉碎后依然过长，要再次进行粉碎，但在实际农业生产过程中，农民出于成本考虑，往往不会进行二次切碎，而是直接进行旋耕或翻耕。为促进秸秆的腐烂，从秸秆还田技术角度，秸秆旋耕或翻耕还田后的秸秆腐解及养分释放率要明显高于秸秆的覆盖还田。因此，在东北地区，最好将秸秆粉碎后，将旋耕或翻耕还田作为主要还田方式，以避免覆盖还田方式下秸秆不易腐烂的问题。此外，定期进行一次深耕作业，促进耕地的蓄水保墒、培肥地力、抗旱减灾能力。在还田机械上，要加强新型农机的研发和推广，保证农机的切碎效果，还要加大还田作业的补贴力度，降低农民在秸秆还田过程中的作业成本，从而保证秸秆的切碎质量。东北地区的畜牧业十分发达，应加强秸秆过腹还田技术的推广，促进东北地区的秸秆还田循环利用，形成东北地区种养结合的循环农业模式。为解决冬季秸秆不易腐烂的问题，东北地区还应推广秸秆堆沤还田技术，以实现秸秆的快速腐解及养分释放，为农作物提供优质的有机肥料。

表7 2017年全国秸秆养分、有机碳含量及可替代化肥率

图2 2010、2014、2015、2016年全国秸秆综合利用情况

2.4.2 黄淮海地区

黄淮海地区属于夏玉米-冬小麦轮作区，一年两熟制。以小麦秸秆、玉米秸秆、花生秸秆为主要秸秆资源。目前，黄淮海地区的秸秆养分还田利用主要存在以下几个问题：（1）还田量过大。黄淮海地区的小麦秸秆已基本全部还田；玉米秸秆相对不易腐烂，部分还田，过量的秸秆在耕层聚集，影响下茬作物的生长发育；（2）粉碎后，还田不及时。根据调查，黄淮海地区在实际农业生产中，农民未能将新鲜的秸秆及时还田，导致秸秆失水，粉碎效果差［37］；（3）旋耕过浅。黄淮海地区的旋耕深度逐年变浅，导致秸秆与土壤混合不均匀；（4）土壤水分不足，秸秆的腐烂速度受水分的影响［37］，而黄淮海地区大部分是水浇地，农民存在抢墒种小麦的现象，且秸秆还田量大，导致秸秆不易腐烂，严重影响了小麦的生长［38］；（5）黄淮海地区的农机质量不好，部件磨损严重，导致秸秆切碎长度过长，切碎效果不达标。为有效改善黄淮海地区的秸秆养分还田利用过程中存在的问题，促进秸秆在土壤中的腐解和养分释放，黄淮海地区的小麦秸秆以粉碎覆盖还田模式为主，玉米秸秆则以粉碎旋耕或深耕还田模式为主，并增加耕翻深度，使秸秆与土壤混合均匀，定期进行深翻或深松，消除犁底层。新鲜秸秆应及时还田，避免秸秆失水所导致的秸秆切碎难的问题。其次，适当减少秸秆的机械化直接还田量，并通过秸秆堆沤还田或过腹还田技术进行有效补充。这主要有两个原因，一是黄淮海地区是我国的畜牧业大区，将不易腐解的玉米秸秆作为饲料，既解决了畜牧养殖的饲料来源问题，又消纳了大量的农作物秸秆；二是由于黄淮海地区土壤墒情不足，秸秆堆沤还田技术可以在干旱少水条件下，快速腐解秸秆，避免了秸秆还田量大而导致的秸秆不易腐烂的问题。对于农业机械，应提高切碎机的秸秆切碎质量及镇压机的镇压质量，避免土壤漏风跑墒。黄淮海地区设施农业比较发达，应提倡使用秸秆生物反应堆技术，不但可以消耗部分秸秆，还可以改善大棚生产的微生态环境［39］。

2.4.3 长江中下游地区

长江中下游地区拥有大量的水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、油菜秸秆。种植制度主要是稻麦（油）、双季稻轮作。目前，长江中下游地区的秸秆养分还田利用主要存在以下几个问题：（1）土壤质地粘重，机械化直接还田成本较高，降低了农户的还田意愿度；（2）农时紧张，如在双季稻地区，短短几天内，农民要完成早稻的收获、秸秆还田作业、晚稻的播种，时间紧张；（3）土壤微生物活跃，争“氮”现象比较严重。为解决这些问题，在长江中下游地区应采用水稻粉碎旋耕还田技术，旋耕可以在土壤质地粘重的地区减少作业成本。机械切碎长度应小于8 cm，旋耕深度应大于12 cm为最佳。在农作物收割后，应立即进行秸秆还田作业，避免因秸秆失水导致的不易腐烂问题。此外，要确保土壤水分充足，若水分不足，应及时灌溉。由于农时较短，长江中下游地区应推广秸秆的腐熟还田技术，该技术主要有两类，一是水稻免耕抛秧时覆盖秸秆的快速腐熟处理；二是小麦、油菜等作物免耕撒播时覆盖秸秆的快速腐熟处理。该技术通过适宜的腐熟菌剂，可以在高温多雨的地区快速腐解秸秆［39］。最后，在晚稻播种前，应适当配施氮肥，避免秸秆与微生物争“氮”的问题。

3 结论

全国秸秆资源总量大，2017年全国理论秸秆资源量约为8.55亿t，可收集量约为6.99亿t。其中三大作物玉米、水稻和小麦的秸秆资源量最多，共占全国秸秆资源总量的83.76%。我国秸秆资源有明显的空间分布特征，东北地区、黄淮海地区、长江中下游地区最多，共占全国秸秆资源总量的68.66%。

秸秆资源可作为肥料返回到农田中，具有很大的养分还田潜力。经计算，2017年秸秆理论养分含量约为758.66万t（N）、238.84万t（P2O5）、1 316.36万t（K2O），分别可替代当年约34.15%的氮肥、29.95%的磷肥、212.40%的钾肥。此外，根据当年秸秆综合利用情况和养分还田率，实际可还田的养分可替代约19.38%的氮肥、23.28%的磷肥、166.81%的钾肥。相比秸秆全量还田，实际可还田养分还有很大的提升潜力。此外，不同地区的秸秆资源可替代化肥潜力不同，东北地区、黄淮海地区、长江中下游地区的秸秆可替代化肥潜力要大于其他区域。因此，提高秸秆的可收集率，充分利用不同利用方式下的秸秆养分，减少秸秆在各种利用方式下的养分损失以及因地制宜地发挥秸秆资源养分潜力十分重要。

由于各地自然和生产条件的差异，不同粮食主产区（东北地区、黄淮海地区、长江中下游地区）的秸秆养分还田应因地制宜，采取不同的技术措施和手段。东北地区宜采用秸秆粉碎后的旋耕或翻耕还田模式，并定期进行深耕作业；黄淮海地区宜将小麦秸秆粉碎后覆盖还田、玉米秸秆粉碎旋耕或翻耕还田，定期进行深耕或深松；长江中下游地区宜采用秸秆粉碎旋耕混埋还田技术，控制好机械切碎长度和旋耕深度。此外，在东北和黄淮海地区应将过腹还田与堆沤还田作为机械化直接还田的重要补充，构建种养结合的农业循环模式。