黑龙江省作物秸秆养分资源时空特征及替代化肥潜力

郝小雨

（黑龙江省农业科学院 土壤肥料与环境资源研究所，黑龙江 哈尔滨 150086）

黑龙江省作为中国的农业大省、粮食主产区，2020 年黑龙江省总耕地面积为2.155 亿亩，粮食产量达到7 541 万t，粮食产量实现“十七连丰”，连续10年成为全国第一产粮大省［1］。然而，由于长期高强度利用，不注重养地，导致土壤表层有机质含量显著下降，土壤耕作层变浅、犁底层变硬，土壤肥力下降和生态功能严重退化［2］。据测算，开垦前黑土有机质含量高达8%～10%，开垦20 年的黑土地有机质含量下降1/3，开垦40 年的下降1/2 左右，开垦70 ～80 年下降2/3 左右，每10 年下降0.6 ～1.4 g/kg［3］。因此，保护黑土地是保障国家粮食安全、实施“藏粮于地、藏粮于技”战略的迫切需要。《东北黑土地保护规划纲要（2017—2030 年）》指出，通过秸秆还田等有机物料投入的方式，是增加土壤有机质含量、改善土壤理化性状、持续提升耕地基础地力、提高黑土地综合生产能力的重要途径，对节约资源、增加农民收入、保护环境及农业可持续发展具有重要意义。

近年来，随着黑龙江省粮食产量的稳步提升，作为农业副产物的秸秆数量也随之增加，合理利用秸秆资源成为当前亟需解决的问题。秸秆资源综合利用的前提，是需要对秸秆资源进行准确估算。部分学者对黑龙江省主要农作物秸秆及养分资源量进行了相关研究。姚宗路等［4］指出，2007 年黑龙江省玉米、水稻、大豆秸秆的理论资源量为4 408 万t，其中玉米为2 669 万t，水稻为929 万t，大豆为810 万t。孙彬等［5］指出，2013 年农作物秸秆量为6 100 万t，其中玉米秸秆3 100 万t，水稻秸秆2 400 万t，大豆秸秆510 万t。王金武等［6］指出，2015 年黑龙江省秸秆产量约占东北地区秸秆总产量50.5%，其中哈尔滨市、绥化市及农垦系统秸秆产量约占全省的三分之二，玉米、水稻及大豆秸秆产量约占全省总量的93%。宋大利等［7］指出，2015 年黑龙江省秸秆养分资源总量最高（203.3 万t），占全国秸秆养分资源总量的10.3%。前人主要集中于秸秆资源理论产量和理论养分量，并未关注秸秆还田后养分有效性。本研究在综合以往学者研究结果基础上，基于黑龙江省统计年鉴数据，充分考虑秸秆还田率、养分释放率，分析了黑龙江省主要农作物秸秆资源特征和肥料替代利用潜力，并提出相关建议，以期为黑龙江省秸秆资源合理利用及农业可持续发展提供数据和理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

黑龙江省玉米(Zea mays)、水稻(Oryza sativa)、大豆(Glycine max)、小麦(Triticum aestivum) 这4种作物的总播种面积，占到黑龙江省作物播种面积的95%以上。农作物播种面积、经济产量数据、化肥投入等参考1980—2019 年《黑龙江统计年鉴》《黑龙江垦区统计年鉴》。作物草谷比和秸秆养分含量受作物品种、栽培管理措施和气候条件等因素影响，差异较大，因此本研究在前人研究基础上，对数据进行加权平均［8-16］：玉米、水稻、大豆及小麦草谷比分别为1.23、0.98、1.44 和1.27；秸秆养分含量见表1。秸秆直接还田率和养分释放率参考刘晓永［8］研究结果。

表1 不同作物秸秆养分含量Table 1 The nutrient contents in straws of different crops %

1.2 计算方法

作物秸秆产量= 作物经济产量×草谷比

作物秸秆养分资源量= 作物秸秆产量×秸秆养分含量(%)

秸秆还田有效养分量= 秸秆养分资源量×秸秆直接还田率(%)×当季养分释放率(%)

秸秆养分替代率= 秸秆还田有效养分量/化肥施用量

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2016 处理数据和作图。

2 结果与分析

2.1 黑龙江省主要农作物秸秆资源演变特征

黑龙江省主要农作物秸秆资源量表现为前期缓、后期快的波动上升趋势（图1），其中1980 年到2003 年上升较缓，2003 年到2015 年则快速上升，2015 年之后略有下降，2018 年秸秆资源量达到了8 523.0 万t。玉米秸秆资源量表现为前期低、后期高的波动上升趋势，从1980 年的639.6 万t 上升到2018 年的4 898.1 万t，年均增加23.8%。水稻秸秆资源量总体呈现出逐步上升的趋势，从1980 年的78.0 万t 上升到2018 年的2 631.8 万t，年均增加116.9%。大豆秸秆资源量表现为波动上升趋势，从1980 年的317.5 万t 上升到2018 年的947.2 万t，年均增加7.1%。小麦秸秆资源量总体表现为逐步下降的趋势，从1980 年的501.1 万t 下降到2018 年的45.9 万t，年均下降3.2%。主要作物秸秆资源量变化与作物经济产量密切相关，而作物经济产量主要受气候条件、土壤环境、农作物品种、栽培管理、肥料施用、病虫害防治等因素影响。

图1 黑龙江省不同作物秸秆资源量Fig.1 Straw resources of different crops in Heilongjiang Province

比较黑龙江省不同作物的秸秆资源量，以2018年为例，玉米秸秆资源量为4 种作物中最多的，占到总量的57.5%，其次为水稻占30.9%，大豆为11.1%，小麦为0.5%。

2.2 黑龙江省不同地区主要农作物秸秆资源量

由表2 可知，玉米秸秆主要分布在黑龙江省南部和西部，总量达到3 368.8 万t，占全省玉米秸秆总量的62.4%，其中玉米秸秆数量排名前3 的为哈尔滨市、齐齐哈尔市和绥化市，分别占全省总量的19.1%、18.3%和17.8%。水稻秸秆主要分布在黑龙江南部和东部，总量达到2 151.3 万t，占全省总量的82.7%，其中水稻秸秆数量排名前3 的为农垦总局、哈尔滨市和佳木斯市，分别占全省水稻秸秆总量的45.4%、20.3%和17.1%。大豆秸秆主要分布在黑龙江北部和西部，总量达到566.7 万t，占全省总量的64.3%，其中大豆秸秆数量排名前3 的为农垦总局、黑河市和齐齐哈尔市，分别占全省大豆秸秆总量的21.9%、21.0%和12.6%。小麦秸秆主要分布在黑龙江北部的黑河市，总量达到46.2 万t，占全省总量的81.0%。总体来看，哈尔滨市、齐齐哈尔市、绥化市、佳木斯市和农垦总局的4 种作物秸秆资源量最高，分别占全省总量的15.5%、14.3%、14.5%、8.5%和23.2%，总和为76.0%。

表2 黑龙江省不同地区主要农作物秸秆资源分布特征（2018 年）Table 2 Distribution characteristics of main crop straw resources in different regions of Heilongjiang Province

2.3 黑龙江省主要农作物秸秆养分资源量变化特征

观察黑龙江省不同作物的秸秆养分资源量（图2）：不同年份玉米、水稻、小麦的钾（K2O）养分资源量总体上要高于氮（N）和磷（P2O5）的养分资源量；大豆的氮（N）养分资源量总体上要高于磷（P2O5）和钾（K2O）的养分资源量。总体来看，黑龙江省作物秸秆钾养分资源较为丰富。从图2 还可看出，玉米、水稻、大豆的秸秆养分资源量呈波动上升趋势，小麦的秸秆养分资源量总体呈逐步下降趋势。

2.4 黑龙江省秸秆养分替代化肥潜力分析

施用化肥对作物产量提升有较大贡献，但不合理施肥会导致土壤酸化、环境污染，致使耕地质量严重退化。通过秸秆还田释放的养分来抵消一部分化学肥料，对于肥料减施增效和提升土壤地力具有现实意义。图3 为2018 年黑龙江省不同作物秸秆还田后的有效养分量。玉米秸秆还田后，氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）有效养分量分别为10.4、4.5 和23.9 万t，占到全省总量的37.7%、44.9%和30.9%。玉米秸秆还田后，氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）有效养分量分别为10.4、4.5 和23.9 万t，占到全省总量的37.7%、44.9%和30.9%。大豆秸秆还田后的氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）有效养分量分别为6.9、1.3 和8.2 万t，占到全省总量的25.0%、12.9%和10.5%。小麦秸秆还田后的氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）有效养分量相对较低，仅占全省总量的0.5%左右。以2018 年为例，如果这4 种作物秸秆全部还田，氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）有效养分资源量分别为27.6、10.0 和77.3万t，总量达114.9 万t，分别可替代24.8%的氮肥、13.0%的磷肥、135.7%的钾肥，以及可替代全省化肥投入量（将2018 年复合肥的N∶P2O5∶K2O 按照 1∶1∶0.8 计入单质肥）［8］的46.8%。

图2 黑龙江省主要农作物秸秆养分资源变化趋势Fig.2 Change trend of nutrient resources of main crop straws in Heilongjiang Province

从区域分布情况来看（表3），化肥投入量较大的地区为农垦总局、哈尔滨市、绥化市、齐齐哈尔市和佳木斯市，分别达到了57.2、43.4、34.3、28.1 和23.9 万t。化肥可替代率最高的地区为鸡西市、大兴安岭地区和伊春市，分别为100.3%、91.0%和79.9%，其它地区化肥可替代率在33.6%～63.3%之间，仍具有较大的提升潜力。诚然，理想条件下黑龙江省秸秆全量还田具有较大的替代化肥潜力，但受气候、农机、土壤条件等因素影响，农业生产中秸秆还田率和养分释放率没有那么高，还需通过优化秸秆还田方式、调节土壤碳氮比、添加秸秆腐熟剂等方法进一步提升秸秆养分释放率［14］。

图3 黑龙江省不同作物还田后的有效养分量（2018 年）Fig.3 Quantity of available nutrients of different crop straws in Heilongjiang Province

表3 黑龙江省不同地区化肥投入量和秸秆有效养分量（2018）Table 3 Fertilizer input and effective nutrient contents of straw in different regions of Heilongjiang Province

3 讨论

近年来，随着黑龙江省农业产业结构调整，农业综合生产水平不断上升, 黑龙江省秸秆资源量快速增长，与此同时秸秆养分资源量也在逐步增加。据统计，2015—2017 年我国主要粮食作物秸秆年均产量为80 213 万t，其中水稻、小麦和玉米秸秆年均产量分别为23 212、17 083 和39 918 万t，黑龙江省3 大作物的秸秆产量达到8 784 万t，占到全国总量的10.9%［18］，秸秆氮（N）和钾（K2O）养分资源量分别为78.7 和145.1 万t［18-19］。宋大利等［7］指出，2015 年黑龙江省主要农作物（玉米、水稻、大豆、小麦、马铃薯、花生和油菜）秸秆产量达到了7 220 万t，秸秆氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）养分量分别为67.8、22.0 和113.5 万t。王金武等［6］的统计结果表明，2015 年黑龙江省玉米、水稻、大豆秸秆总量为8 030 万t。本研究中，2018 年黑龙江省玉米、水稻、大豆和小麦秸秆总量8 523 万t，氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）有效养分资源量分别为27.6、10.0 和77.3 万t。与上述结果产生差异的原因，除了与作物草谷比和作物秸秆养分含量取值不同有关，也与本研究中引入的秸秆还田率和养分释放率有关。本研究中为了避免参考单一文献草谷比导致的统计误差，在前人研究基础上，对数据进行加权平均。目前黑龙江省秸秆还田率还未达到100%，需考虑当季作物的实际秸秆还田率。秸秆还田后当季释放的养分易于被作物吸收利用，也要关注不同作物的当季养分释放率。尽管不同的研究结果存在差异，但也说明黑龙江省农作物秸秆养分资源量巨大，具有较强的利用潜力。

从黑龙江省区域分布来看，作物秸秆资源集中在哈尔滨市、齐齐哈尔市、绥化市、佳木斯市和农垦总局，分别占全省总量的15.5%、14.3%、14.5%、8.5% 和23.2%，总和为76.0%。主要原因是这些地区是粮食主产区，秸秆资源较为丰富，具有较大的利用潜力。如果上述5 个区域玉米、水稻、大豆和小麦秸秆全部还田，有效养分量分别为20.0、17.8、17.8、14.2 和17.7 万t，化肥可替代率分别为46.2%、63.3%、51.9%、59.6% 和31.0%。可见，这些区域的仍具有较大的化肥减施潜力。

黑龙江省秸秆综合利用方式主要为肥料化、饲料化、能源化、基料化、原料化，其中肥料化为最主要的利用方式。据统计，2018 年黑龙江省秸秆肥料化利用量超过4 700 万t［20］，但是秸秆还田后养分氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）数量和比例不是十分明确。本研究中，以2018 年为例，黑龙江省秸秆氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）有效养分资源量分别为27.6、10.0 和77.3 万t，总量114.9 万t，可替代全省化肥投入量的46.8%。如果以4 元/kg氮（N）、7 元/kg 磷（P2O5）和8 元/kg 钾（K2O）肥料价格计算，每亩可节约肥料成本38.66 元。在节约成本的同时，秸秆还田对于改善土壤肥力状况、促进微生物活动、保持作物持续稳产增产、提升作物品质等也有积极作用［21-23］。

4 结论

1980 年到2018 年黑龙江省主要农作物秸秆资源量表现为前期缓、后期快的波动上升趋势，玉米秸秆和水稻秸秆占比较高。哈尔滨市、齐齐哈尔市、绥化市、佳木斯市和农垦总局的秸秆资源量最高，占比达到七成以上。2018 年秸秆全部还田后的氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）有效养分资源量分别为27.6、10.0 和77.3 万t，分别可替代24.8%的氮肥、13.0%的磷肥、135.7%的钾肥。黑龙江省化肥可替代率最高的地区为鸡西市、大兴安岭地区和伊春市，其它地区仍具有较大的提升潜力。可见，黑龙江省秸秆资源丰富，具有较强的化肥替代潜力，合理利用秸秆养分资源是实现黑龙江省肥料减施增效的重要途径。