广东省主要农作物秸秆养分资源量及替代化肥潜力

黄巧义，于俊红，黄建凤，黄旭，李苹，付弘婷，唐拴虎，刘一锋，徐培智*

1. 广东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室，广东 广州 510640；2. 广东省农业环境与耕地质量保护中心，广东 广州 510500

化肥在中国粮食增产中发挥了重要作用，但近年来，中国农业生产对化肥依赖性过高，以致化肥用量逐年提高，有机类肥料施用量少（牛新胜等，2017；麻坤等，2018），导致了化肥利用效率下降，土壤酸化、板结、微生物多样性降低、肥力下降等负面影响，甚至引起温室气体排放、水体富营养化等环境问题（Conley et al.，2009；Bai et al.，2020；李红莉等，2010；魏文良等，2020）。在农业绿色发展大背景下，中国大力推行秸秆还田、测土配方施肥、机械化深施等化肥减量增效技术措施（付浩然等，2020）。农作物秸秆资源量大，且含有大量的有机质和养分元素，是宝贵的有机养分资源，在理论上可替代化学肥料，实现化肥减施（刘晓永等，2017；马文奇等，2020）。大量研究表明，秸秆还田可减少化肥用量 10%—20%，并实现作物增产8.06%以上（付浩然等，2020；杨竣皓等，2020），还可显著提高土壤有机质、养分含量，提高土壤pH值、改善土壤结构、丰富微生物多样性，提高耕地土壤肥力，实现藏粮于地（高洪军等，2015；解文艳等，2015；程文龙等，2019；房静静等，2020；侯云鹏等，2020；王昆昆等，2020；张鑫等，2020；王碧胜等，2021）。目前，中国正处于农业发展换挡提速增效关键时期，由过度依赖资源消耗向资源高效利用的绿色生态可持续发展转变，提升秸秆养分资源化利用效率具有重要意义。

当前，中国秸秆资源利用效率偏低，丢弃、焚烧现象存在，不仅造成资源浪费，还污染环境，引发火灾、危害人体健康（高利伟等，2009；徐奔奔等，2020）。监测发现，广东省农作物秸秆露天焚烧发生点多，大气污染物排放物量大（杨夏捷等，2018）。林日强等（2002）分析了广东省 2002年的秸秆利用情况，约有 32.26%的秸秆被焚烧或丢弃，浪费的养分资源量相当于一个大型化肥厂的年产量。近几年，广东省大力推进秸秆综合利用工作，秸秆综合利用效率逐年提高，秸秆露天焚烧比例逐年下降（叶延琼等，2019）。

摸清秸秆养分资源储量、种类构成及区域分布是秸秆养分资源高效利用的前提。宋大利等（2018）研究表明，2015中国主要农作物秸秆资源量达7.19×108t，含有养分资源量为 625.6×104t N、197.9×104t P2O5、1159.5×104t K2O，可替代 38.4%氮肥、18.9%磷肥和85.5%钾肥。广东省地处亚热带季风气候带，甘蔗等亚热带作物种植面积较广，不同主要农作物的秸秆养分资源量及化肥替代潜力尚缺乏系统性评估。本研究利用 2020年广东省统计年鉴、广东省农村统计年鉴数据及相关发表文献资料，分析了广东省 2019年主要农作物秸秆养分资源量、种类构成、区域分布情况及替代化肥潜力，以期为广东省秸秆资源高效利用、化肥减施和农业绿色发展转型提供理论依据。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究对象

广东省地处亚热带季风气候区，年均气温 19—24 ℃，降水量 1300—2500 mm，日照 1500—2300 h。本文主要研究对象为广东省4个大区域21个地级市的秸秆资源情况，其中珠三角地区包括广州、深圳、佛山、东莞、中山、珠海、江门、肇庆、惠州；粤东地区包括汕头、潮州、揭阳、汕尾；粤西地区，包括湛江、茂名、阳江、云浮；粤北地区包括韶关、清远、河源、梅州。广东省农作物类型多，2019年全省水稻（Oryza sativaL.）、玉米（Zea maysL.）、薯类（Dioscorea esculenta(Lour.)Burkill）、甘蔗（Saccharum officinarumL.）、花生（Arachis hypogaeaLinn.）和大豆（Glycine max(Linn.) Merr.）的播种面积分别为 179.4×104、12.0×104、20.2×104、17.0×104、34.1×104、3.3×104hm2，其中水稻、玉米、薯类和大豆总播种面积占全省粮食作物播种面积的99.5%，甘蔗和花生则是分别广东省最主要的糖料作物和油料作物。因此，本研究选取以上6种主要农作物进行秸秆及其养分资源量分析。

1.2 研究方法

秸秆资源量核算方法。本文的秸秆资源产量采用大多数研究所采用的方法，即通过作物经济产量与草谷比计算得到作物的秸秆资源产量（宋大利等，2018；程文龙等，2020；李胜男等，2020）。主要农作物秸秆产量（WS）的计算公式为：

式中：

WY——作物平均经济产量；

SG——作物草谷比。

秸秆养分资源量核算方法。本文采用作物秸秆产量与秸秆的养分含量计算作物的秸秆养分资源量（柴如山等，2021）。主要农作物秸秆养分资源量（WN）的计算公式为：

式中：

NS——作物秸秆养分含量。

秸秆全量还田的有效养分资源量核算方法。本文采用秸秆养分资源量和秸秆当季养分释放率计算秸秆全量还田的有效养分资源量（EN），其计算公式为：

式中：

PN——作物秸秆养分当季释放率。

化肥替代潜力核算方法。本文采用作物推荐养分施用量与秸秆全量还田的有效养分资源量计算秸秆养分资源替代化肥的潜力（RS），其计算公式为：

式中：

NR——作物推荐养分施用量。

1.3 数据来源

本文中广东省 21个地级市主要作物产量来源于《2020年广东统计年鉴》和《2020年广东省农村统计年鉴》。不同农作物的草谷比通过国内外大量相关文献收集和整理所得（毕于运等，2009；熊娜等，2019；王亚静等，2010），不同农作物秸秆的氮磷钾养分含量参照全国农业技术推广服务中心数据和发表的文献资料（全国农业技术推广服务中心，1999；高利伟等，2009），详见表1。不同农作物秸秆养分当季释放率参照公开发表的文献资料（Alva et al.，2002；Zolahchi et al.，2012；罗文丽，2014；刘晓永，2018；程文龙等，2020），详见表1。

表1 广东省主要农作物的草谷比、秸秆养分质量分数（风干基）和养分当季释放率Table 1 Ratio of straw to grain, nutrient contents in straws(air-dried base) and rate of in-season nutrient release from different crops straw

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和R软件对数据进行处理和作图。

2 结果与分析

2.1 广东省主要农作物秸秆资源量

广东省6种主要农作物总播种面积和总产量分别为 265.91×104hm2和 2780.42×104t，理论秸秆资源量为1951.00×104t（表2）。其中，水稻秸秆资源量为 1139.55万 t，占全省主要农作物秸秆资源总量的 58.41%，为广东省资源量最大的农作物秸秆；其次为甘蔗秸秆，其资源量为487.78×104t，占全省主要农作物秸秆资源总量的25.00%；花生是广东省秸秆资源量第三大农作物，其秸秆资源量占全省主要农作物秸秆资源总量的9.19%；玉米、薯类和大豆的秸秆资源量小，仅占全省主要农作物秸秆资源总量的7.40%。

表2 广东省主要农作物的播种面积、产量及秸秆资源量估算Table 2 Sown area, yields and theoretical straw resources of major crops in Guangdong Province

2.2 广东省主要农作物秸秆资源空间分布

从表3可见，广东省不同区域的秸秆资源量在0.70—584.92×104t之间，区域间差异显著。粤西地区的秸秆资源最丰富，占全省主要农作物秸秆总产量的47.86%；其次是粤北地区，其秸秆资源产量占总产量的22.43%；珠三角和粤东地区的秸秆资源量较低，分别占总产量的19.33%和10.40%。从地市级的结果来看，湛江市的秸秆资源量最大，占全省主要农作物秸秆总产量的29.98%；其次为茂名市，占总产量的10.16%；肇庆市、梅州市、江门市、韶关市和清远市的秸秆资源量也相对较大，均超过100×104t。

表3 广东省不同地区主要农作物秸秆及其养分资源分布Table 3 Distribution of straws and their nutrients resources of crops in different regions of Guangdong Province

鉴于水稻、甘蔗和花生占广东省农作物秸秆资源量的90%以上，本研究分别对这3种农作物秸秆的空间分布进行了分析。从图1可见，水稻秸秆资源主要集中在茂名、湛江、肇庆、梅州和江门地区，其水稻秸秆资源量分别达到140.01、133.65、111.40、109.18和92.28×104t，分别占全省水稻秸秆资源总量的12.29%、11.73%、9.78%、9.58%和8.10%。甘蔗秸秆资源的集中度更高，主要集中在湛江地区，其甘蔗秸秆资源量为396.21×104t，占全省甘蔗秸秆资源总量的81.23%。不同地市级的花生秸秆资源在0.02—36.47×104t之间，差异较大，其中湛江市、茂名市和韶关市的花生秸秆资源量相对较大。

图1 广东省水稻、甘蔗和花生秸秆资源空间分布图Figure 1 Spatial distribution of the straw resources of rice, sugarcane and peanut in Guangdong province

2.3 广东省主要农作物秸秆氮磷钾养分资源及空间分布

从表4可见，广东省主要农作物秸秆氮、磷、钾养分资源量分别为19.26×104、 4.51×104、33.51×104t。其中，水稻的秸秆氮、磷、钾养分资源量最大，合计为30.01×104t，占全省秸秆养分资源总量的62.87%；其次为甘蔗的秸秆养分资源，氮、磷、钾养分资源总量达10.49×104t，占全省秸秆养分资源总量的 18.31%；第三大秸秆养分资源是花生，为 6.61×104t，占全省秸秆养分资源总量的10.49%；玉米、薯类和大豆秸秆的氮磷钾养分资源量相对较低。从图2可见，湛江市的农作物秸秆氮、磷、钾资源量最大，分别达 5.91×104、1.00×104、7.65×104t，占全省秸秆氮、磷、钾资源总量的30.67%、22.11%、22.83%，并以甘蔗秸秆养分资源为主。茂名市的农作物秸秆氮、磷、钾资源量分别为 1.95×104、0.49×104、3.69×104t，排全省第二，占全省秸秆氮、磷、钾资源总量的10.14%、11.00%、11.03%，并以水稻秸秆养分资源为主。肇庆市、梅州市、江门市、韶关市、河源市、清远市和揭阳市的农作物秸秆氮、磷、钾资源量也相对较大，且均以水稻秸秆养分资源为主。

表4 广东省主要农作物秸秆养分资源量及其在全部秸秆中的占比Table 4 Nutrients quantities of crop straw and their percentages in the whole straw yields in Guangdong Province

图2 广东省各个地级市主要农作物秸秆氮、磷、钾养分资源量Figure 2 The nitrogen, phosphorus and potassium resources of crop straw in different cities of Guangdong province

2.4 广东省不同类型秸秆养分资源替代化肥潜力分析

从表5可见，若将农作物秸秆全量还田，可为土壤带入的有效养分资源量分别为：N 24.88—161.59 kg·hm−2、P2O55.25—18.46 kg·hm−2和 K2O 41.41—254.34 kg·hm−2，其中甘蔗秸秆带入的单位面积有效氮、磷、钾资源量均最大，水稻秸秆带入的单位面积有效钾资源量排第二，花生和薯类秸秆带入的单位面积有效氮资源量仅次于甘蔗，水稻、玉米、薯类和大豆秸秆带入的单位面积有效磷资源量基本相似，而花生秸秆带入的单位面积有效磷养分资源量最低。不同作物秸秆输入的有效氮资源量与氮肥推荐用量的占比在9.57%—49.91%之间，其中大豆秸秆输入的有效氮资源量替代氮肥的潜力最大，达49.91%，其次为甘蔗和花生；不同作物秸秆输入的有效磷资源量占磷肥推荐用量的5.47%—30.51%，其中水稻秸秆输入的有效磷资源量替代磷肥的潜力最大，达30.51%，其次为甘蔗、玉米和大豆；不同作物秸秆输入的有效钾资源量占钾肥推荐用量的12.55%—94.20%，其中甘蔗和水稻秸秆输入的有效钾资源量替代钾肥的潜力最大，达94.20%和92.61%，其次为花生和玉米，而薯类秸秆的有效钾资源量替代钾肥的潜力最低，仅有12.55%。

表5 广东省主要农作物推荐施肥量、秸秆有效养分量和直接还田率Table 5 Optimum fertilizer rates of different main crops, available nutrients from straw and ratio of direct straw returning from major crops to farmland in Guangdong province

广东省主要农作物的秸秆还田利用率不同，其中水稻秸秆直接还田率最高，达80.57%，其次为甘蔗和花生秸秆。广东省主要农作物秸秆实际还田的有效养分资源量分别为：N 14.31—104.61 kg·hm−2、P2O53.23—11.95 kg·hm−2和 K2O 22.76—164.66 kg·hm−2，其中每公顷甘蔗秸秆还田产生的氮、磷、钾养分资源量均最大。水稻秸秆实际还田的氮、磷、钾养分资源量分别占氮肥、磷肥、钾肥推荐用量的13.37%、24.58%、74.61%，玉米为4.77%、7.66%、16.46%，薯类为 9.99%、4.45%、6.90%，甘蔗为26.15%、9.96%、60.99%，花生为22.82%、3.36%、30.07%，大豆为29.72%、7.58%、47.26%。在实际生产中，水稻秸秆还田替代钾肥和磷肥的潜力较大，大豆秸秆还田替代氮肥的潜力较大，而玉米和薯类秸秆还田的养分量替代化肥的潜力则较小。

2.5 广东省不同区域秸秆还田替代化肥的潜力分析

根据广东省不同地市级的主要农作物种植面积和推荐施肥量，计算不同地区的氮、磷、钾养分需求量；然后根据农作物秸秆有效养分资源量和养分需求量，计算不同地区农作物秸秆还田替代化肥的潜力，结果如图3所示。湛江市的氮、磷和钾肥需求量最大，分别达10.82×104t N、3.58×104t P2O5和8.56×104t K2O；其次是茂名，其氮、磷和钾肥需求量分别为 4.86×104t N、1.71×104t P2O5和4.38×104t K2O；第三为肇庆市，其氮、磷和钾肥需求量分别为 3.55×104t N、1.21× 104t P2O5和3.21×104t K2O；同时，江门市、梅州市、清远市的氮肥需求量也在3.00×104t N以上，清远市的磷肥需求量在1.00× 104t P2O5以上，梅州市、江门市、韶关市、清远市和揭阳市的钾肥需求量在2.00×104t K2O以上。

图3 广东省各个地级市主要农作物秸秆氮、磷、钾养分需求量及秸秆替代氮肥潜力Figure 3 The nitrogen, phosphorus and potassium requirement of crop straw and how much could be substituted by straw in different cities of Guangdong province

从秸秆还田替代氮肥的潜力来看，湛江市和广州市秸秆还田替代氮肥的潜力最大，分别达29.70%和28.66%；其次是韶关市、揭阳市、汕头市和茂名市，秸秆还田替代氮肥的潜力分别为 23.14%、21.40%、21.38%和 20.43%；其余大部分地市级秸秆替代氮肥的潜力均为15.00%左右。秸秆还田替代磷肥的潜力相对较低，其中珠海市和梅州市秸秆还田替代磷肥的潜力最大，分别达25.98%和23.84%；其次是潮州市、河源市、云浮市、江门市和肇庆市，其秸秆替代磷肥的潜力分别为 21.93%、21.32%、20.92%、20.56%和 20.40%；其余地市级的磷肥替代潜力均低于20.00%，其中深圳市和东莞市更低至10.00%左右。不同地市级秸秆替代钾肥的潜力差异较大，其中梅州市秸秆还田替代钾肥的潜力最大，达78.44%；其次是湛江市、清远市、广州市、肇庆市、茂名市、惠州市和江门市，其钾肥替代潜力均在70.00%以上；深圳市和东莞市秸秆还田替代钾肥的潜力最低，仅为40.23%和33.33%。

3 讨论

本文研究表明，广东省主要农作物秸秆资源量达1951.00×104t，高于宋大利等（2018）估算的结果，这主要是由于本文增加了甘蔗作物秸秆；同时，本文结果也较黄继川等（2017）估算的2008—2014年广东省秸秆资源量高，这可能是由于种植水平提高，农作物秸秆产量增加。本文统计结果表明，广东省秸秆资源概况有以下几个特征：第一，广东省秸秆资源种类集中度较高，以水稻和甘蔗秸秆为主，分别占全省秸秆资源总量的58.41%和25.00%。广东省为中国双季稻种植区域，水稻种植面积大，因此，水稻秸秆资源量大，该结果与华南地区其他省份（如广西省和湖南省）的秸秆资源种类构成相同（熊娜等，2019；李胜男等，2020；李一等，2020）。广东省是中国甘蔗主产区之一（吴多广等，2017），种植面积为16.97×104hm−2，低于花生和薯类，但其单位面积秸秆产量远高于花生和薯类（黄继川等，2017），以致其秸秆总产量较高。第二，不同区域的秸秆资源量差异较大。其中粤西地区的秸秆资源量最丰富，并以湛江市和茂名市的秸秆资源量最大；而珠三角发达地区的秸秆资源量最低。这主要是由于粤西地区地势相对其它地区平坦，耕地面积大。粤北地区虽然土地面积也很大，但大部分为山地，耕地面积相对较小。珠三角地区虽然地势平坦，但由于经济发展、开发利用挤压耕地空间，以致其耕地农作物种植面积小，秸秆产量低。第三，不同农作物秸秆的区域分布特征不同。甘蔗秸秆主要集中于湛江市，花生秸秆主要集中在粤西和粤北地区。

本文通过分析得知，广东省主要农作物秸秆的养分资源总量为57.28×104t，其中钾资源量最大，其次是氮资源，磷资源最低，这主要是由于农作物秸秆本身的氮、磷、钾含量特性决定（刘晓永等，2017；高利伟等，2009；李一等，2020；李廷亮等，2020）。秸秆产量占比最大的水稻秸秆钾含量远高于氮、磷含量；薯类和固氮类作物（花生和大豆）秸秆的氮含量较高，但其秸秆量远远低于水稻秸秆。因此，广东省秸秆的总钾养分资源量大于氮养分资源量。茂名市、韶关市和清远市的花生种植面积较大，从而该地区的农作物秸秆氮资源量相对较高（刘晓永等，2017；宋大利等，2018）。本文通过分析得知，广东省秸秆养分资源替代化肥的潜力为：N 21.69%、P2O518.61%、K2O 70.47%，低于宋大利等（2018）的估算结果，这主要由于本文秸秆替代化肥的潜力计算方法中考虑了秸秆养分有效性。秸秆养分有效性取决于秸秆还田后的腐解特征（代文才等，2017；李昌明等，2017），主要受秸秆本身性质、气候、土壤和管理措施等因素影响（王金洲等，2016；马想等，2019）。本文通过分析得知，广东省不同农作物秸秆还田替代化肥的潜力不同，这主要是由于不同农作物的秸秆还田率和秸秆当季养分释放率有关。实际生产上广东省不同农作物秸秆还田率不同，其中水稻秸秆还田率最高，其次为甘蔗和花生秸秆，均高于刘晓永（2018）的统计结果。这主要是由于广东省近年高度重视秸秆综合利用工作，大力推动秸秆还田、秸秆离田“五料化”利用，广东省秸秆综合利用率逐年提高。刘晓永（2018）认为，农作物秸秆还田后的当季养分释放率平均为 N 51.61%、P2O566.50%、K2O 85.82%。通过查阅公开发表的文献资料，大部分农作物秸秆的钾当季释放率较接近，而氮、磷的当季释放率差别较大。其中薯类秸秆的氮、磷养分当季释放率高于其他作物秸秆，这可能是由于薯类秸秆纤维素和木质素含量偏低，碳氮比相对较低，还田后的分解矿化速率较高。另外，秸秆中尚未释放出来的养分将大部分以有机态形式保存在土壤中，可提高土壤肥力水平，也能为后茬作物继续提供养分（解文艳等，2015；程文龙等，2019；王昆昆等，2020；张鑫等，2020；王碧胜等，2021）。通过秸秆替代化肥措施，可降低广东省农田化肥投入量，从而减少农业生产过程中氮、磷养分流失，有效控制农业面源污染。同时，秸秆含有大量有机质，推广秸秆替代化肥技术可提高土壤有机碳含量，提升农田生态系统的固碳潜力。据估算，广东省通过秸秆还田可使农田固碳潜力每年提高0.01 Tg C（韩冰等，2008）。但也有研究表明，秸秆还田导致农机作业难度加大、与作物争夺氮营养、作物病虫害加重等负面影响（王如芳等，2011；代文才等，2017；胡蓉等，2020）。因此，在推动秸秆还田的过程中，须进一步研发推广配套的施肥、管理和栽培措施，避免秸秆还田负面效应的产生；同时，加大秸秆离田“饲料化”、“原料化”、“基质化”、“肥料化”、“燃料化”等多途径利用方式，实现秸秆多元化利用。

4 结论

广东省秸秆资源量为1951.00×104t，主要分布于粤西和粤北地区。其中，水稻和甘蔗秸秆产量最高，水稻秸秆在各个地市级均有分布，甘蔗秸秆则主要集中于湛江市，花生秸秆主要集中于粤西和粤北地区。广东省秸秆养分资源量丰富，氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）养分资源总量分别达到19.26×104、4.51×104、33.51×104t，其中有效氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）养分资源总量分别达到10.02、2.94、28.47×104t，秸秆替代氮、磷、钾肥料的潜力高达 21.69%、18.61%、70.47%，是实现化肥减施和农业绿色发展的可行途径。实际生产中，水稻秸秆还田率最高，其次为甘蔗和花生秸秆，因此，水稻、甘蔗和花生秸秆替代化肥的可行性较高。