辽宁省主要粮食作物秸秆还田对化肥替代潜力分析

宫 亮，金丹丹，何志刚，王 娜，邹晓锦，张 鑫，隋世江，牛世伟，解占军

（1.辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，辽宁 沈阳 110161；2.辽宁省面源污染防控重点实验室，辽宁 沈阳 110161）

作物秸秆含有丰富的氮、磷、钾以及其他中微量元素，是重要的有机肥源[1]。秸秆还田能增加土壤有机质含量[2-3]，改善土壤物理结构[4]，提高速效养分供应能力[5]，实现作物增产[6]，其培肥土壤和增产效应随还田时间延长而增加[7-8]，是实现农田养分循环利用、维持土壤肥力的有效措施。2014—2018年，我国水稻、小麦和玉米三大粮食作物秸秆年均产量约6.5 亿t，全量还田理论上带入农田养分约为N 294 万t、P2O5194 万t、K2O 1 084 万t[9]，是实现化肥替代减施的重要途径。已有研究结果表明，2009—2008 年东北地区水稻秸秆还田带入农田的N、P2O5、K2O平均养分分别为32.6、6.6、122.0 kg/hm2，可替代化肥施用量的比值分别为10.9%～12.5%、11.8%～17.1%、116.0%～123.0%[10]。东北黑土区玉米秸秆还田量为12 t/hm2时可替代化学氮肥（N）36.8 kg/hm2[11]，如全量还田可较常规施肥减少磷肥用量15.4%～33.5%[12]。作物秸秆还田提供的有效钾占畜禽粪便有机肥还田可提供的有效钾总量的50.0%左右[13]，是重要的钾肥替代途径。辽宁省是我国粮食主产省份之一，2017 年玉米平均产量8.1 t/hm2，化肥折纯平均用量为422 kg/hm2，N、P2O5、K2O用量分别为188～275、88～144、64～119 kg/hm2，N、P2O5的减施潜力分别为23%、28%，K2O则相对不足，有机肥施用极少[14]。水稻平均产量8.6 t/hm2，化肥折纯平均施用量为423 kg/hm2，N、P2O5、K2O 用量分别为192～271、81～117、82～96 kg/hm2，其中，辽河三角洲稻作区氮肥过量问题突出，可减少纯N 用量约14%；东南部沿黄海稻作区磷肥过量现象普遍，可降低18.6%的P2O5投入量；K2O 施用过量与不足现象并存[15]。辽宁省作物秸秆资源丰富[16]，2017 年国家农业废弃物循环利用创新联盟在东北地区开展“秸秆五化”利用以来，辽宁省秸秆还田面积逐年扩大。柴如山等[17-18]在全国尺度上估算了辽宁省主要粮食作物秸秆还田的N、K2O 养分带入量及化肥替代潜力。宋大利等[16]在区域尺度上估算了辽宁省主要粮食作物秸秆产量和养分资源量。但目前辽宁省各地区主要粮食作物秸秆还田的化肥替代潜力尚不清楚。基于此，拟采用草谷比法估算辽宁省各市水稻和玉米秸秆产量，计算秸秆全量还田带入农田的N、P2O5、K2O 养分资源量，并参考秸秆还田当季养分释放率，分析单位面积作物秸秆全量还田的化肥替代潜力，以期为辽宁省不同地区主要作物秸秆还田后化肥配施和减量提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

辽宁省位于东北地区南部，介于东经118°53′～125°46′、北纬38°43′～43°26′，属于温带季风气候，年日照时数2 100～2 600 h，年平均气温7～11 ℃，无霜期130～200 d，年降水量600～1 100 mm。粮食作物主要有玉米、水稻、小麦、高粱、大豆、谷子、薯类和其他杂粮，年均种植面积约350 万hm2，种植制度均为一年一季。2018—2020 年玉米和水稻平均播种面积分别为269.6 万、50.5 万hm2，占全省粮食作物播种面积的91.5%，因此，拟选取玉米和水稻2 种主要粮食作物进行秸秆产量及其养分资源量分析。

1.2 研究方法

采用国内常用的草谷比法来估算辽宁省各市主要作物秸秆产量（WS），计算公式：

式中，WY为作物经济产量；SG为作物草谷比。草谷比为作物地上部秸秆产量与经济产量的比值。

秸秆养分资源量（WN）的计算公式：

式中，NS为作物秸秆养分含量。

作物秸秆还田的化肥替代量以单位面积还田秸秆当季养分释放量（ARN）进行估算，替代率（RT）为化肥替代量与推荐施肥量比值，计算公式：

式中，RN为还田秸秆当季养分释放率，A为作物播种面积，F为推荐施肥量。

1.3 数据来源

为降低作物种植面积和产量年际间波动对统计结果的影响，基于2018—2020 年《辽宁省统计年鉴》[19]中各市水稻和玉米年播种面积和经济产量对秸秆产量进行估算。草谷比[20-24]、作物秸秆氮磷钾养分含量[25-26]、秸秆还田当季养分释放率[27]和辽宁各地推荐施肥量[14-16]依据已有文献总结得出，具体见表1—2。

表1 不同作物的草谷比、秸秆养分含量和还田秸秆当季养分释放率Tab.1 Straw/grain ratio of different crops，nutrient content of straws and in-season nutrient release rate of returned straws

表2 辽宁省不同区域水稻和玉米推荐施肥量Tab.2 Application rate of N，P2O5 and K2O from optimized fertilization of different parts of Liaoning Province kg/hm2

2 结果与分析

2.1 辽宁省主要粮食作物秸秆产量及空间分布

2018—2020 年辽宁省玉米和水稻秸秆年均产量分别为2 130 万、440 万t。从各市作物秸秆产量来看，铁岭和沈阳的玉米秸秆产量较大，分别占全省玉米秸秆总产量的18.1%、16.3%，朝阳、阜新和锦州占比均达10%以上（图1）；水稻秸秆主要分布在盘锦和沈阳，分别占全省水稻秸秆总产量的23.7%、22.2%，营口、辽阳和丹东占比均在10%左右；2种作物秸秆总产量居于前列的是沈阳和铁岭，分别为410.3 万t（占比16.0%）、384.7 万t（占比15.0%），朝阳、锦州和阜新秸秆产量均达到230 万t 以上（占比9.1%—10.0%）。

图1 2018—2020 年辽宁省各市主要粮食作物秸秆年均产量Fig.1 Annual average yields of main crop straws in different cities of Liaoning Province during the period of 2018—2020

2.2 辽宁省主要粮食作物秸秆氮磷钾养分资源量及空间分布

如图2 所示，2018—2020 年辽宁省玉米和水稻秸秆年均养分资源总量为67.6 万t，玉米和水稻分别为53.7 万t（占比79.4%）、13.9 万t（占比20.6%）。其中，秸秆N 养分资源年均总量为22.2 万t，玉米和水稻分别为18.5 万t（占比83.5%）、3.7 万t（占比16.5%）；秸秆P2O5养分资源总量年均为7.8 万t，玉米和水稻分别为6.6 万t（占比85.0%）、1.2 万（占比15.0%）；秸秆K2O 养分资源总量年均为37.6 万t，玉米和水稻分别为28.5 万t（占比75.9%）、9.1 万t（占比24.1%）。

图2 2018—2020 年辽宁省主要粮食作物秸秆年均养分资源总量Fig.2 Annual average yields of main crop straw nutrient resources of Liaoning Province during the period of 2018—2020

由图3 可知，从不同作物秸秆养分资源总量来看，水稻秸秆养分资源量较高的是盘锦和沈阳，分别为3.3 万t（N 0.9 万t、P2O50.3 万t、K2O 2.2 万t）、3.1 万t（N 0.8 万t、P2O50.3 万t、K2O 2.0 万t），营口、辽阳和丹东则分别为1.5 万、1.3 万、1.3 万t，以上5市占全省水稻秸秆养分资源总量的74.7%；玉米秸秆养分资源量较丰富的是铁岭和沈阳，分别为9.7万t（N 3.4万t、P2O51.2万t、K2O 5.2万t）、8.8万t（N 3.0万t、P2O51.1万t、K2O 4.7万t），朝阳、阜新和锦州均在6.0万t以上，以上5市共占全省玉米秸秆养分资源总量的70.4%。

作物秸秆N、P2O5、K2O 养分资源总量位于全省前列的是沈阳和铁岭（图4），N 分别为3.8 万t（占比17.3%）、3.6万t（占比16.3%），P2O5分别为1.3万t（占比17.2%）、1.3 万t（占比16.3%），K2O 分别为6.7 万t（占比17.7%）、5.8万t（占比15.5%）；朝阳、锦州和阜新N、P2O5、K2O 均分别达2.0 万、0.8 万、3.0 万t 以上，秸秆养分资源量丰富。

图4 2018—2020 年辽宁省各市主要粮食作物秸秆年均氮磷钾养分资源量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 辽宁省主要粮食作物秸秆还田当季养分归还量及化肥替代潜力

辽宁省各市单位面积主要粮食作物秸秆还田当季的养分归还量（图5）显示，水稻秸秆还田的N、P2O5和K2O 归还量分别为23.7～40.1、5.3～9.0、98.8～167.0 kg/hm2，对氮肥（N）和磷肥（P2O5）替代率分别为13.2%～17.6%、6.3%～9.6%，可全部替代钾肥。玉米秸秆还田的N、P2O5和K2O 归还量分别为26.2～50.6、4.4～8.4、45.5～87.8 kg/hm2，对氮肥（N）、磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）替代率分别为12.7%～23.7%、4.8%～9.0%、46.7%～87.3%。各市水稻和玉米秸秆还田的N、P2O5归还量比较接近，2 种秸秆K2O 归还量以水稻较高。

图5 2018—2020年辽宁省各市单位面积秸秆还田养分归还量及化肥替代率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 结论与讨论

3.1 草谷比估算方法计算秸秆产量比较

草谷比法是目前我国估算秸秆资源量的常用方法，是评估秸秆资源量的重要参数，但受品种、气候、施肥量等条件的影响，评估结果存在较大差异[28]，因此，在选择草谷比估算秸秆资源量时，适当参考研究区域已有文献十分必要。已有研究结果表明，辽宁省玉米草谷比在0.96～1.27[29-31]，水稻草谷比为0.80～1.06[32-33]，本研究采用的玉米和水稻草谷比分别为1.2、1.0，与上述研究实测得到的草谷比较接近。已有报道显示，2018、2019 年辽宁省可收集秸秆资源总量分别为2 850 万、2 700 万t，按照玉米和水稻2种作物秸秆资源量占90%计算，2018、2019年2种作物秸秆资源量分别为2 565万、2 430万t[34]，与本研究估算得到的结果较为接近。

3.2 秸秆养分资源量比较

李廷亮[9]等通过分析文献总结得出我国小麦、水稻和玉米三大作物秸秆氮素含量变异系数在28.7%～39.6%，磷素含量变异系数在69.0%～87.5%，钾素含量变异系数在43.9%～46.1%。辽宁省玉米秸秆N、P2O5、K2O 养分含量分别为0.76%～1.0%、0.25%～0.40%、1.23%～1.30%[35-36]，水稻秸秆氮含量在0.71%～0.87%[37-38]，与本研究参照的秸秆养分含量接近。已有研究表明，辽宁省水稻秸秆N、P2O5和K2O 养分资源量分别高于本研究相应指标的20.55%[17]、24.79%[39]、11.36%[18]，玉米秸秆N 和K2O养分资源量分别高于本研究相应指标的15.6%[17]、44.0%[18]。这主要是因为前人在计算秸秆养分含量时，水稻和玉米秸秆N 含量分别采用9.1、9.2 g/kg，高于本研究采用的8.3、8.7 g/kg，同时其玉米草谷比采用1.86，也高于本研究采用的1.2。宋大利等[16]在统计2015年辽宁省主要作物秸秆养分资源量时，采用的草谷比和秸秆养分含量与本研究一致，但其统计结果低于本研究。这可能是作物种植面积的年际差异所致，2018—2020 年辽宁省水稻种植面积较2015 年下降了4.6%～10.5%，玉米面积增加了10.7%～12.3%。由此可见，作物种植面积波动也是影响秸秆养分资源量估算结果的主要因素。

3.3 秸秆还田对化肥替代潜力及标准化应用

秸秆中含有大量的有机物质和丰富的氮、磷、钾等各类营养元素，全量还田条件下减少10%～30%氮、磷、钾肥后仍可获得稳定产量[40-41]。秸秆还田能够增加土壤有机氮和土壤微生物量氮，有利于提高土壤氮的矿化和固持，对挖掘土壤潜在氮供应能力、替代化学氮肥具有重要意义[42]。已有研究表明，辽西地区玉米秸秆还田量在7 500～9 000 kg/hm2时，可替代氮肥（N）用量14.2%～16.9%，增产效果显著[43-44]；辽北地区玉米秸秆还田后降低14.3%的氮肥（N）用量仍可获得稳定产量[45]。本研究结果认为，上述地区玉米秸秆还田对氮肥（N）替代潜力为19.6%～22.7%，高于前人研究。这可能是因为本研究估算的是推荐施肥条件下秸秆还田对氮肥（N）的替代率。如果分别按照辽西和辽北当地习惯施N量249.0[46]、262.0 kg/hm2[45]计算，则2 个地区氮肥（N）替代率分别为15.9%、16.8%，与上述已有研究结果接近。

秸秆还田是土壤磷输入的重要渠道之一[47]，其补充土壤磷的同时，可促进无效态磷向速效磷和缓效磷转化[48]，提高耕层土壤磷有效性[49]，其作用随秸秆还田年限延长而增加[50]。王秀娟等[51]在辽北地区开展的秸秆连续4 a 还田试验结果表明，较常规施肥量降低20%磷肥（P2O5）用量后，玉米产量仍然保持稳定。本研究结果表明，辽北地区玉米秸秆全量还田条件下P2O5理论归还量为7.4 kg/hm2，占推荐施磷量（P2O5）的8.90%，低于上述研究结果。这可能是因为，本研究利用秸秆还田当季养分释放率估算养分替代量，但秸秆还田后磷的矿化速率小于干物质分解速率，大量磷还残留在田间未分解的秸秆中[52]，且较多的磷转化为土壤全磷[53]，因此，参考当季养分释放率估算的结果低于长期连续秸秆还田对磷肥的替代效果。

作物秸秆的K2O 含量较高，当季释放率约85%[24]，与化学钾肥具有相同的营养功效[54]。短期秸秆还田可以提高当季土壤速效钾含量，长期秸秆还田能显著提高土壤水溶性钾、非特殊吸附钾、非交换性钾及缓效钾的含量，从而提高作物产量[55]。本研究结果表明，单位面积水稻秸秆还田的K2O 当季归还量为98.8～167.0 kg/hm2，理论上可全部替代钾肥，这与已有研究结果一致[10，16]。

为保障辽宁省秸秆还田标准化实施，田间应用可参考以下分区标准：适用于辽北、辽南和辽河平原地区的有半湿润区玉米秸秆还田技术规程（DB21/T 2504—2015）、玉米秸秆翻免交替全量还田技术规程（DB21/T 3513—2021）、玉米秸秆富集深埋还田保护性耕作技术规范（DB21/T 3536—2021）、玉米秸秆堆腐还田技术规程（DB21/T 3592—2022）；适用于辽宁西部风沙半干旱区的有玉米秸秆覆盖免耕种植技术规程（DB21/T 2909—2018）、玉米秸秆间隔条带还田机械化栽培技术规程（DB21/T 3209—2019）、玉米秸秆覆盖滴灌节水栽培技术规程（DB21/T 3533—2021）、旱地秸秆还田免耕播种保护性耕作技术规程（DB21/T 3537—2021）；适用于辽东山区的有玉米秸秆混埋还田机械化作业技术规程（DB21/T 3590—2022）。水稻秸秆还田技术规程有水稻秸秆还田机械化作业技术规范（DB21/T 2791—2017）、水稻秸秆揉丝深埋作业规程（DB21/T 3528—2021）、水稻秸秆秋季湿耙还田丰产栽培技术规程（DB21/T 3483—2021）。

综上，2018—2020 年辽宁省玉米和水稻秸秆年均产量分别为2 130 万、440 万t。其中，铁岭、沈阳、朝阳、阜新和锦州的玉米秸秆产量较大，占全省玉米秸秆总产量的70.4%；水稻秸秆主要分布在盘锦、沈阳、营口、辽阳和丹东，占全省水稻秸秆总产量的67.9%。辽宁省玉米和水稻秸秆年均养分资源总量为67.6 万t，2 种作物占比分别为79.4%、20.6%。N、P2O5、K2O养分资源总量分别为22.2万、7.8万、37.6万t，2 种作物占比为别为83.5%、16.5%，85.0%、15.0%和75.9%、24.1%。辽宁省秸秆氮磷钾养分资源丰富，水稻秸秆还田对氮肥（N）和磷肥（P2O5）替代潜力分别为13.2%～17.6%，6.3%～9.6%，可全部替代钾肥（K2O）；玉米秸秆还田对氮肥（N）、磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）替代潜力分别为12.7%～23.7%，4.8%～9.0%、46.7%～87.3%。秸秆还田应该与黑土地保护利用结合开展，配套地方标准进行推广应用，这对于指导地区秸秆还田替代化肥具有指导意义。