浙江省主要粮食作物秸秆还田替代化肥的潜力

汪 洁,陆若辉,朱伟锋,陈钰佩,单英杰

(浙江省耕地质量与肥料管理总站,浙江 杭州 310020)

近年来,浙江省农作物秸秆综合利用率从2013年底的79.2%提高到2021年的96.6%,高出全国平均水平约8百分点,其中,秸秆还田利用贡献率达到60%以上。秸秆还田替代部分化肥是推进化肥零增长行动的重要措施之一,亦是化肥减量增效和促进农业绿色发展的重要途径之一。秸秆还田能增加作物产量[1-2],在一定条件下还能改善作物品质[3-4]。长期定位试验结果表明,早稻秸秆还田替代部分化肥可稳定晚稻产量水平,提高养分利用效率[5]。据测算,广东省2019年主要农作物秸秆养分资源替代化肥的比例为氮素22%、磷素19%、钾素70%[6];安徽省通过秸秆还田,全省可减施化肥19.8%,氮、磷、钾素减施比例分别为11.4%、17.2%、40.7%[7]。

目前,我国各地针对秸秆资源开展的研究已较为丰富,但多数或是对秸秆利用状况的研究[8-11],或是针对秸秆中的单一元素[12-13],或是针对某种具体作物[13-15],或是在其他农区进行[6,16-18],具体针对浙江省域尺度上秸秆还田替代化肥潜力的分析还未见报道。为此,本研究以浙江省主要粮食作物为对象,基于《浙江农业农村统计资料》中2018—2020年各设区市主要粮食作物的年播种面积和产量,利用文献调研得出的相关参数,在市级尺度上估算了3大粮食作物(水稻、小麦和玉米)秸秆中的氮、磷、钾养分资源量,及其在还田条件下单位面积氮、磷、钾养分的当季释放量,以期为全省乃至全国主要粮食作物秸秆还田条件下的农田化肥替代提供科学依据和参考。

1 材料与方法

1.1 研究方法

采用草谷比法对浙江省各设区市水稻、小麦、玉米的秸秆产量进行估算。

WS=WP×SG。

(1)

式(1)中:WS为作物秸秆产生量,WP为作物产量,SG为作物草谷比。

作物秸秆中养分资源量的计算公式如下:

WN=WS×NS;

(2)

WP=WS×PS×2.29;

(3)

WK=WS×KS×1.2。

(4)

式(2)～(4)中:WN、WP、WK分别为作物秸秆氮素、磷素(以P2O5计,下同)、钾素(以K2O计,下同)养分资源量;NS、PS、KS分别为作物秸秆的氮、磷、钾素养分含量。

单位面积作物秸秆还田当季化肥可替代量的计算公式为

ARN=WRN/A=WN×RN/A;

(5)

ARP=WRP/A=WP×RP/A;

(6)

ARK=WRK/A=WK×RK/A。

(7)

式(5)～(7)中:ARN、ARP、ARK分别为单位面积作物秸秆还田当季可提供的氮素、磷素、钾素养分资源量(表征养分替代潜力);WRN、WRP、WRK分别为作物秸秆还田当季可提供的氮素、磷素、钾素养分资源量(表征养分可替代量);RN、RP、RK分别为秸秆还田氮素、磷素、钾素养分的当季释放率;A为作物的播种面积。

1.2 数据来源

本研究采用2018—2020年的年均值来对秸秆资源量和化肥替代潜力进行估算。

各设区市3大粮食作物的产量和播种面积数据来自浙江省农业农村厅统计资料。草谷比数据来自《关于开展农作物秸秆综合利用规划终期评估的通知》[19]中的浙江省主要农作物草谷比数据,具体为水稻1.28,小麦1.38,玉米2.05。参照刘晓永等[20]提出的秸秆养分含量和当季释放率数据,将其整理于表1。

表1 主要粮食作物的秸秆养分含量和当季释放率Table 1 Nutrients contents in straws and their seasonal release rates of main grain crops

2 结果与分析

2.1 主要粮食作物的秸秆资源量

2018—2020年,浙江省主要粮食作物的秸秆年产量平均为697.6万t,其中,水稻、小麦和玉米秸秆的年产量平均值分别为593.2万、51.5万、52.9万t,分别占3大粮食作物秸秆总产量的85.0%、7.4%和7.6%。从各设区市3大粮食作物的秸秆总产量看(图1),嘉兴最多(117.9万t),其次为绍兴(91.1万t),两地合计占全省的30.0%。分作物看,水稻秸秆产量最高的是嘉兴和绍兴,分别有89.5万t和81.3万t,两地合计占全省水稻秸秆产量的28.8%;小麦秸秆产量最高的是嘉兴,产量达25.7万t,占全省小麦秸秆产量的50.0%;玉米秸秆产量最高的是杭州(11.0万t),占全省玉米秸秆产量的20.8%。从各设区市3大粮食作物秸秆产量占秸秆总产量的比值看:水稻秸秆在各地均达到70%以上,温州、台州、衢州等地的水稻秸秆占比达到90%以上,宁波、湖州、绍兴、金华等地的水稻秸秆占比在80%～90%;嘉兴、湖州的小麦秸秆占比分别为21.8%和12.0%,杭州和宁波的小麦秸秆占比在7%～10%;杭州、舟山、丽水的玉米秸秆占比在20%左右,金华和衢州的玉米秸秆占比在10%左右。

2.2 主要粮食作物秸秆养分资源量

经测算,2018—2020年,浙江省水稻、小麦和玉米秸秆的年均养分资源量分别为2 015.6、110.1、123.2 t,分别占全省3大作物秸秆总养分资源量的89.6%、4.9%和5.5%。秸秆养分总量中,钾素资源量(1 487.0 t)最高,其次为氮素(561.3 t)和磷素(200.5 t),三者分别占总养分资源量的66.1%、25.0%、8.9%。

在水稻秸秆养分总量中,同样以钾素资源量(1 352.6 t)最高(图2),其次为氮素(486.4 t)和磷素(176.6 t),分别占水稻秸秆总养分资源量的67.1%、24.1%和8.8%。分地区看,嘉兴的水稻秸秆养分资源量最高(304.0 t),占全省水稻秸秆养分资源总量的15.1%;绍兴(276.3 t)次之,占比13.7%;宁波(229.8 t)、温州(238.2 t)、衢州(201.7 t)、台州(187.9 t)占比均在10%左右。

图2 浙江各地主要粮食作物的秸秆养分资源量Fig.2 Nutrients resources of main grain crop straws in Zhejiang Province

在小麦秸秆养分总量中,同样以钾素资源量(71.7 t)最高,其次为氮素(27.8 t)和磷素(10.6 t),分别占小麦秸秆总养分资源量的65.1%、25.3%和9.6%。分地区看,嘉兴(55 t)的小麦秸秆养分资源量居全省第一位,约占全省一半,这与嘉兴小麦秸秆产量较大有关;其次为湖州(16.0 t),占全省小麦秸秆总资源量的14.5%。

在玉米秸秆养分总量中,同样以钾素资源量(62.8 t)最高,其次为氮素(47.0 t)和磷素(13.3 t),分别占玉米秸秆总养分资源量的51.0%、38.1%和10.8%。杭州(25.6 t)的玉米秸秆养分资源量最多,占全省玉米秸秆养分资源总量的20.8%;丽水(17.5 t)、金华(15.8 t)、衢州(14.8 t)、绍兴(12.9 t)次之,占比均在10%以上。

总体上看,嘉兴3大主粮作物的秸秆总养分资源量(365.2 t)最多,占全省的16.2%;其次为绍兴(298.3 t),占全省的13.3%;其余大多数地区的秸秆养分资源量在160～260 t,在全省的占比在8%～11%;丽水(123.7 t)相对较少,占比为5.5%;舟山因秸秆产量最少,养分资源量(8.1 t)也最少。

持续3 a的定位试验表明,紫云英配合稻草半量还田等量替代化肥氮的效果更好[21];长期绿肥和秸秆联合还田替代部分化肥能有效提高水稻土和微生物生物量氮和酸解铵态氮的含量[22];配施1/4有机肥和1/4秸秆的模式可显著促进番茄盛果期的氮素吸收,减少可能经淋洗损失的氮量[23];持续4 a的定位试验结果表明,稻秸-有机肥联合还田可提高黄泥田的产能与养分利用水平[24],有机物料联合还田可替代化肥。因此,在秸秆资源量丰富的地区,如杭州、嘉兴等地,可因地制宜通过适量配施绿肥或有机肥等多元化模式开展秸秆的肥料化利用,以提高化肥替代效率。

2.3 主要粮食作物秸秆还田的当季化肥替代潜力

浙江省水稻、小麦和玉米秸秆还田的年均养分可替代量分别为1 495.8、84.4、88.2 t(表2),分别占总养分可替代量的89.6%、5.1%和5.3%。秸秆养分可替代量中,钾素(1 265.3 t)最高,其次为氮素(268.9 t)和磷素(134.1 t),分别占养分可替代总量的75.8%、16.1%和8.1%。分作物看:水稻秸秆养分可替代量中,氮、磷、钾素占比分别为15.3%、7.9%、76.8%;小麦秸秆养分可替代量中,氮、磷、钾素占比分别为16.5%、7.8%、75.6%;玉米秸秆养分可替代量中,氮、磷、钾素占比分别为28.8%、11.0%和60.1%。分地区看:嘉兴(272.2 t)3大主粮作物秸秆还田的化肥可替代量最大,占全省秸秆还田化肥可替代量的16.3%;其次为绍兴(221.2 t),占比为13.3%。

表2 浙江省主要粮食作物秸秆还田的养分可替代量Table 2 Nutrients substitution amount of main grain crops staws in Zhejiang Province t

浙江省3大主粮作物的氮、磷、钾素养分替代潜力平均值分别为(34.4±0.4)、(17.1±0.1)、(161.8±0.8) kg·hm-2,其中,氮素替代潜力以玉米(41.7 kg·hm-2)最高,水稻(36.3 kg·hm-2)次之;磷、钾素替代潜力均以水稻(分别为18.6、181.8 kg·hm-2)最高,玉米(分别为16.0、87.1 kg·hm-2)次之。总的来看,水稻秸秆总的养分替代潜力最大,小麦最小(表3)。因此,浙江省今后应以进一步增强水稻秸秆养分替代化肥的潜力作为主要研究方向。浙江省3大主粮作物的氮、磷、钾素的养分替代潜力与全国平均值36.1 kg·hm-2(2013—2017年数据)[25]、16.7 kg·hm-2(2015年数据)和103.1 kg·hm-2(2015年数据)[26]相比,分别低4.7%、高2.4%、高56.9%。这可能与浙江省的粮食生产现状密切相关。据《中国统计年鉴》,浙江省2018—2020年单位面积的主要粮食作物产量分别为6 782、6 680、6 665 kg·hm-2,分别高于全国平均值10.8%、6.5%、5.9%;因此,其秸秆总量与替代潜力整体也相应高于全国平均水平。秸秆中的氮素替代潜力偏低,可能与浙江省近年来严格控制化肥尤其是氮素的投入量和更关注提高氮肥的利用率相关。浙江省自2018年开始实施农业绿色发展试点先行区三年行动[27],于2019年推出化肥定额施用[28],并于2020年持续深化[29],明确规定水稻和小麦的定额施用量。例如:单季稻、晚稻化肥施用总量(折纯)分别不超过390、345 kg·hm-2,比历年常规施肥量减少25.7%、17.9%,氮肥施用量不超过255、210 kg·hm-2,分别比历年常规施肥量减少22.7%、12.5%;小麦化肥施用总量不超过300 kg·hm-2,比历年常规施肥量减少25.0%,氮肥不超过150 kg·hm-2,比历年常规施肥量减少33.3%。这些措施在一定程度上降低了水稻和小麦秸秆还田的氮肥替代潜力,但提高了氮肥的利用率和作物产量。

表3 浙江省主要粮食作物秸秆的总养分替代潜力Table 3 Total nutrients substitution potential of main grain crop straws in Zhejiang Province kg·hm-2

浙江各地水稻秸秆的氮素养分替代潜力相差不大(图3),均在33.4 kg·hm-2以上,全省平均36.3 kg·hm-2,高于全国平均水平的29.9 kg·hm-2[30],其中,嘉兴、湖州在38.8 kg·hm-2以上,温州、金华、丽水在34.7 kg·hm-2以下;磷素养分替代潜力相差较小,在17.1～20.5 kg·hm-2,全省平均18.6 kg·hm-2,与全国平均水平(17.8 kg·hm-2)基本相符[30],其中,嘉兴、湖州在19.9 kg·hm-2以上;钾素养分替代潜力在172.3～199.8 kg·hm-2,显著高于全国平均水平(145.1 kg·hm-2)[30],其中,嘉兴、湖州在194.3 kg·hm-2以上,温州最小,为166.9 kg·hm-2。

图3 浙江省主要粮食作物秸秆的养分替代潜力Fig.3 Nutrients substitution potential of main grain crops straws in Zhejiang Province

浙江各地小麦秸秆的氮、磷素养分替代潜力分别为11.0～16.4、5.2～7.7 kg·hm-2,其中,氮素养分替代潜力远高于全国平均水平(4.6 kg·hm-2),而磷素的全省平均值为7.3 kg·hm-2,与全国平均水平(7.8 kg·hm-2)基本相符[30]。分地区看,宁波和湖州(氮素16.4 kg·hm-2、磷素7.7 kg·hm-2)并列最高,衢州(氮素11.0 kg·hm-2、磷素5.2 kg·hm-2)最低。浙江各地小麦秸秆的钾素养分替代潜力为50.4～75.2 kg·hm-2,全省平均71.1 kg·hm-2,与全国平均水平(65.3 kg·hm-2)基本相符[30],各地区相比,以宁波(75.2 kg·hm-2)最高,其次为湖州(74.9 kg·hm-2),衢州(50.4 kg·hm-2)最低。

浙江各地玉米秸秆的氮、磷、钾素养分替代潜力分别为36.3～46.7、13.9～17.8、75.8～97.3 kg·hm-2,其中,氮素与全国平均水平(39.4 kg·hm-2)相符,磷素和钾素均低于全国平均水平,分别为28.9、100.9 kg·hm—2[30]。分地区看,氮、磷、钾素养分替代潜力均以湖州最高,分别为46.7、17.8、97.3 kg·hm-2;其次为嘉兴,分别为46.0、17.6、95.9 kg·hm-2;丽水最低,分别为36.3、13.9、75.8 kg·hm-2。

总体来看,浙江各地水稻秸秆总的养分替代潜力以嘉兴(260.2 kg·hm-2)、湖州(253.0 kg·hm-2)最高,小麦秸秆总的养分替代潜力以宁波(99.3 kg·hm-2)、湖州(99.0 kg·hm-2)最高,玉米秸秆总的养分替代潜力以湖州(161.8 kg·hm-2)、嘉兴(159.5 kg·hm-2)最高。

秸秆还田后的腐解过程对土壤氮、磷有效性的影响是实际生产中需要关注的问题。研究表明,在秸秆还田的腐解过程中,添加腐解菌剂可以进一步提高秸秆氮、磷的释放率[31-32]。今后,可以在氮、磷养分替代潜力相对偏低的地区通过添加合适的腐解菌剂来进一步提高秸秆中养分的释放量,进一步增强秸秆还田替代化肥的力度。作物秸秆中的钾含量较高[33],钾素替代潜力较大,在还田条件下可以作为一种重要的钾素来源[34-35]。浙江省水稻、小麦、玉米的钾素养分替代潜力分别为181.8、71.1、87.1 kg·hm-2,与2015—2017年的全国平均值152.6、82.4、124.4 kg·hm-2[36]相比,分别高19.1%、低13.7%、低30.0%。研究表明,在小麦秸秆还田的同时减施钾肥对水稻产量的影响不显著[37]。浙江省除衢州小麦秸秆和丽水玉米秸秆的钾素养分替代潜力相对偏小外,其他各地3大主粮作物秸秆的钾素养分替代潜力差异不明显,据此推断,整体上浙江各地今后可以水稻秸秆为主进行钾素养分替代来维持土壤钾素平衡。

3 讨论

作物秸秆还田的养分替代潜力与作物产量、作物草谷比、秸秆还田当季释放率和播种面积等因素有关。草谷比是作物科学研究和生产中的重要指标,也是评估秸秆资源量的重要参数[38]。研究表明,草谷比法是最接近实际的农作物秸秆产量测算方法。本研究采用国家发展和改革委员会和农业部联合发表的政府公文中的含浙江省在内的长江中下游地区的草谷比数据,较全国平均值更贴合浙江实际。影响作物还田后秸秆腐解及其养分释放的因素很多,包括秸秆还田方式、外源养分投入、外施腐熟剂、土壤本底养分含量、气候环境、种植习惯等[39]。研究表明,秸秆还田当季释放率(有机物料腐解)与气候、有机物料性质和土壤因子三者的交互作用相关,这3个影响因素的贡献率达42.3%[40]。添加不同外源氮对累计腐解率影响不显著,但对不同时期的水稻秸秆腐解有显著影响[41]。随小麦秸秆还田残留质量的不断降低,其腐解率逐渐上升[42]。因国内暂未有专门针对浙江省秸秆还田相关系数的研究,因此本研究选择参照农区文献数据进行测算。今后,若要进一步提高测算的精度,应针对浙江省的秸秆还田当季释放率做进一步探究。

在3大主粮作物中,浙江省8成以上的主粮产量由水稻贡献。水稻秸秆是浙江省3大主粮作物秸秆还田最主要的部分。本研究表明,各地水稻秸秆还田的养分可替代量从多到少依次为嘉兴>绍兴>温州>宁波>衢州>台州>湖州>金华>杭州>丽水>舟山,而养分替代潜力从大到小依次为嘉兴>湖州>绍兴>杭州>宁波>衢州>台州>舟山>丽水>金华>温州,各地秸秆还田的养分替代潜力与养分可替代量的大小规律并不一致,这可能与种植密度相关。研究表明,土壤养分指标随种植密度的增大呈先增后减的趋势,合理的种植密度可以促进土壤养分积累与土壤酶活性的提升[43]。尽管现阶段暂未有学者就种植密度对农作物化肥可替代量的影响深入开展研究,但可以推断,在养分可替代量相同的情况下,可能在一定的范围内,播种密度越大,养分可替代潜力就越大。一般来说,种植密度与地形、种植面积、种植技术等因素直接相关。浙江省的地形自西南向东北呈阶梯状倾斜,西南以山地为主,中部以丘陵为主,东北部以平原为主。嘉兴、湖州、绍兴、杭州等平原地区,规模种植相对较多,农业机械化水平也较高,种植密度相对较大;而丽水、金华、温州等地山区较多,规模种植相对较少,种植技术相对较弱,种植密度也相对较小。种植制度是间接影响种植密度的因素之一,浙北地区以单季稻为主,浙南地区则以双季稻为主,一般单季稻的单位面积产量较双季稻高。此外,各地水稻秸秆还田的养分可替代潜力还会受到农户施肥习惯、农田地力情况、基建设施等多种因素的影响。下一阶段,可进一步研究各地农作物秸秆还田的养分替代潜力与种植密度的关系,因地制宜得出各地最适宜的种植密度范围,以期为秸秆还田的最优化利用提供理论依据。

浙江省自2014年积极探索农作物秸秆综合利用以来,逐步建立起政府主导、市场运作、农民参与的秸秆综合治理机制,将大力实施秸秆机械粉碎还田、推进肥料化利用作为秸秆资源化利用的首要途径[44]。近年来,浙江各地加快推进秸秆机械化粉碎和捡拾打捆作业,视秸秆数量实行全量或部分粉碎还田,提高土壤肥力,并对多余部分秸秆进行捡拾打捆。在以杭州、嘉兴、湖州为代表的浙北平原地区,实行带茎秆切碎和抛洒装置、二次割刀的全喂入或半喂入联合收割机大型机械作业,以及应用捡拾打捆机与农作物收割、捡拾打捆为一体的机械化联合作业。该做法在省外一些地区也得到了应用,并取得积极效果。如在安徽淮北平原砂姜黑土区上,长期小麦单季秸秆全量粉碎覆盖还田就有利于壮苗的培育[45]。在以丽水、温州为代表的山垄田、小块地等不适宜农机作业的地区,鼓励秸秆覆盖、生物腐熟、稻麦双套、行间铺草等其他方式还田。目前,秸秆还田利用技术多样,也有部分学者在省域范围内深入开展秸秆还田研究[46],但未见有从化肥替代角度分地形分区域就各市的最优化还田模式深入进行研究的。此外,研究表明,秸秆还田有助于提高农田土壤节肢动物的数量和多样性[47];秸秆还田配施有机肥后可显著改善土壤性质,增加土壤养分含量和微生物数量[48]。今后应充分考虑各地主要农作物秸秆的养分替代潜力,通过秸秆还田配合补施少量合理配比的含氮、磷、钾素的化肥和有机肥以实现土壤养分全面合理,既能满足农作物生长需求,也有利于秸秆分解腐烂的目的。

4 结论

(1)2018—2020年浙江省水稻、小麦、玉米秸秆年产量分别为593.2万、51.5万、52.9万t,年均养分资源(总)量分别为2 015.6、110.1、123.2 t,其中,钾素养分资源量(1 487.0 t)最高,其次为氮素(561.3 t)和磷素(200.5 t)。水稻和小麦秸秆的养分资源量以嘉兴最高,玉米秸秆养分资源量以杭州最多,3大主粮作物秸秆养分资源量以嘉兴(365.2 t)最多。

(2)秸秆养分可替代量以钾素最高。在3大粮食作物中,氮素替代潜力以玉米秸秆最高,磷、钾素替代潜力均以水稻秸秆最高,总的养分替代潜力以水稻秸秆最大。

(3)各地水稻秸秆的养分替代潜力以嘉兴、湖州最高,小麦秸秆的养分替代潜力以宁波、湖州最高,玉米秸秆的养分替代潜力以湖州、嘉兴最高。