山东省作物秸秆和畜禽粪尿有机肥资源现状及替代化肥潜力分析

2024-03-08马荣辉杨武杰于蕾杨泽龙王健郭跃升

中国农业科学 2024年4期

马荣辉，杨武杰，于蕾，杨泽龙，王健，郭跃升

1山东省农业技术推广中心，济南 250100；2山东师范大学地理与环境学院，济南 250358

【目的】计算作物秸秆、畜禽粪尿资源数量及养分总量，分析其替代化肥潜力，为统筹与合理利用全省有机肥资源提供数据支撑。【方法】对不同作物（小麦、玉米、水稻/稻谷、大豆、马铃薯、花生和棉花）和畜禽（牛、猪、羊、家禽和兔），利用草谷比和排泄系数法，估算山东省2016—2020年作物秸秆和畜禽粪尿资源总量及养分总量，分析变化趋势，计算不同区域和种类有机肥替代化肥潜力。【结果】（1）2020年全省作物秸秆资源总量为7 616.8×104t，养分总量为163.2×104t， N、P2O5、K2O养分量分别为63.6×104、9.2×104和90.5×104t。秸秆养分资源理论替代化肥潜力为42.9%，实际替代化肥潜力为20.9%；秸秆中N、P2O5、K2O资源理论替代化肥潜力分别为35.3%、9.0%和92.2%，实际替代化肥潜力分别为12.5%、4.2%和53.7%；2016—2020年作物秸秆资源总量增加了16.8%。（2）2020年全省畜禽粪尿资源总量为9 131.2×104t，养分总量为82.7×104t，N、P2O5、K2O养分量分别为35.2×104、11.7×104和35.7×104t。畜禽粪尿养分资源理论替代化肥潜力为21.7%，实际替代化肥潜力为19.5%；畜禽粪尿中N、P2O5、K2O资源理论替代化肥潜力分别为19.6%、11.4%和36.4%，实际替代化肥潜力分别为17.7%、10.3%和32.9%；2016—2020年畜禽粪尿资源总量减少了25.4%。（3）不同区域作物秸秆和畜禽粪尿养分资源理论替代化肥潜力大小为鲁西和鲁北＞鲁南＞鲁中南＞鲁中＞鲁东地区。鲁西和鲁北、鲁南地区最高，分别为77.0%和75.6%；鲁东地区最低，为46.5%。其中德州潜力最大，为95.3%，其次是东营、滨州，分别为92.6%和91.2%；烟台和威海最小，分别为35.5%和40.6%。（4）不同作物秸秆和畜禽粪尿养分资源理论替代化肥潜力分别为玉米秸秆（16.7%）＞小麦秸秆（16.2%）＞马铃薯秸秆（4.9%）＞花生秸秆（3.6%）＞水稻秸秆（0.7%）＞棉花秸秆（0.4%）、大豆秸秆（0.4%），牛粪尿（8.7%）＞猪粪尿（6.5%）＞羊粪尿（3.2%）、家禽粪（3.2%）＞兔粪（0.1%）。【结论】2020年全省作物秸秆和畜禽粪尿资源总量为16 748.0×104t，养分总量为245.9×104t。作物秸秆和畜禽粪尿养分资源理论替代化肥潜力为64.6%，实际替代化肥潜力为40.4%。作物秸秆和畜禽粪尿中氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）资源理论替代化肥潜力分别为54.8%、20.4%和128.6%，实际替代化肥潜力分别为30.2%、14.5%和86.6%。鲁西、鲁北以及鲁南地区作物秸秆和畜禽粪尿有机肥资源非常丰富，鲁中、鲁东地区相对较少；玉米和小麦等作物秸秆有机肥资源较多，牛和猪等畜禽粪尿有机肥资源较多，高效合理利用作物秸秆和畜禽粪尿等有机肥资源，是实现化肥减施增效的重要保障。

作物秸秆；畜禽粪尿；有机肥资源；替代化肥潜力；山东省

0 引言

【研究意义】化肥是重要的农业生产资料，合理施用可补充土壤养分，满足作物生长需求，在粮食增产和农业发展中有不可替代的作用[1-5]，长期单施和过量施用化学肥料也引起了土壤质量退化以及农业面源污染等环境问题[6]。为改进施肥方式，提高肥料利用率，促进农业可持续发展，农业农村部先后制定了《到2020年化肥使用零增长行动方案》《到2025年化肥减量化行动方案》，指出有机肥部分替代化肥是实现化肥减施、发展绿色农业的有效途径和重点任务，通过支持规模化养殖企业利用畜禽粪便生产有机肥、推广秸秆粉碎还田、快速腐熟还田、过腹还田等技术可有效推进有机肥资源化利用[7-8]。秸秆、畜禽粪尿中含有大量的有机质及大、中、微量元素，是重要的有机肥资源[9-13]，施用有机肥料可显著增加土壤有机质和养分含量，促进土壤总有机碳积累，降低对化肥的依赖，减少环境污染[10,14-17]。秸秆、畜禽粪尿含有的养分量、分布特征、利用现状等仍在探索研究阶段。通过分析研究省级尺度的秸秆、畜禽粪尿资源现状及利用潜力，可为估算秸秆、畜禽粪尿资源量提供方法借鉴，为制订区域化肥减施政策提供理论支持和数据支撑。【前人研究进展】不同学者在省域尺度上估算了秸秆、畜禽粪尿含有的养分量，分析了有机肥替代化肥潜力，提出了有机肥资源合理利用建议。王金武等[18]利用谷草比法估算分析了2008—2015年东北三省（黑龙江、吉林、辽宁）不同作物秸秆资源产量和分布，2015年三省秸秆可收集产量为15.9×108t。包建财等[19]利用谷草比法和系数法分别估算了2009 年西部七省区（甘肃、新疆、内蒙古、青海、宁夏、陕西和西藏）农作物秸秆资源量（8 820×104t）和养分量（237×104t）；基于农户调查获得了秸秆资源利用状况，养分还田率为50.5%。方放等[20]研究得出2012年黄淮海地区（北京、天津、河北、山东、河南）农作物秸秆资源量（2.4×108t），明确了秸秆资源分布及利用现状，初步分析了秸秆利用的潜势。张建杰等[21]估算了山西省1978—2012年畜禽粪尿产生量及其氮、磷养分的资源量。索龙等[22]分析了2009—2017年陕西省畜禽粪尿资源变化趋势，2014年畜禽粪尿资源量和养分量最大，分别是7 118.36×104、86.76×104t。丁尚等[23]定量估算了1988—2018年海南岛畜禽粪尿养分产生量、单位耕地面积养分承载量。刘淑军、石晓晓、宋大利、黄巧义、应多、张羽飞等[11,24-29]采用有机肥资源量与化肥用量比值，分析了有机肥替代化肥潜力；贾立国等[30]采用秸秆还田当季养分释放率估算了春麦区小麦有机肥替代化肥潜力。【本研究切入点】山东省作为农业大省，有机肥资源丰富，在保障国家粮食安全方面有重要作用，但化肥长期施用量偏高，为贯彻国家农业绿色发展战略，落实化肥减量政策，夯实粮食安全根基，通过探讨区域有机肥部分替代化肥潜力，探索适合不同区域的技术路径，形成可推广的技术模式。【拟解决的关键问题】通过分析调查，摸清山东省秸秆、畜禽粪尿资源总量、养分总量、区域分布以及近年来资源变化量，分析不同地市、不同作物和畜禽种类有机肥替代化肥潜力和问题，提出不同区域有机替代的技术途径和模式，为统筹全省各地区有机肥资源合理利用提供数据支撑和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

山东省位于北纬34°22.9′—38°24.01′、东经114°47.5′—122°42.3′之间，属暖温带季风气候类型，年平均气温11—14 ℃，年平均降水量一般在550—950 mm，土壤类型主要有潮土、棕壤、褐土、砂姜黑土、水稻土、粗骨土等[31-33]。山东省是农业大省，是全国粮食、棉花、花生、蔬菜、水果的主要产区之一，也是重要的农产品生产、加工和供给基地。秸秆、畜禽粪尿等资源丰富，利用潜力巨大。据统计，山东省粮食作物播种面积、产量以及牛、羊、生猪、家禽存栏居全国前列[25-26]。为便于分析，根据地貌特征、土壤分布、种植结构等因素，参考相关文献[32-34]，本文将全省分为5个区域进行研究（表1），分别为鲁东地区、鲁南地区、鲁中南地区、鲁中地区、鲁西和鲁北地区。

1.2 数据分析方法与参数

1.2.1 秸秆资源根据各地不同作物经济产量，采用草谷比方法计算秸秆资源量和养分量[25,27,30,35]。公式如下：

S=×

N(P,K)=××C(C,C)

S=S×1000/

N(P,K)=N(P,K)×1000/

式中，S为某种秸秆资源量（×104t），N、P、K分别为秸秆N、P2O5、K2O资源量（×104t）。为作物经济产量（×104t），为草谷比，C、C、C分别为秸秆中N、P2O5、K2O含量（%）。S为单位耕地面积秸秆资源量（kg∙hm-2）；N、P、K分别为单位耕地面积秸秆N、P2O5、K2O资源量（kg∙hm-2），为耕地面积（hm2）。

计算参数：作物草谷比及其养分含量与作物品种、气候等密切相关，本研究通过分析参考相关文献研究，结合调研获得的本地区农业生产实际情况，采用刘晓永等[30]整理计算的秸秆草谷比、养分含量（华北区）进行计算（表2）。

表2 主要作物秸秆草谷比、养分含量和养分当季释放率

1.2.2 畜禽粪尿资源根据各地不同畜禽饲养量（年末存栏数）、饲养周期，采用排泄系数法计算畜禽粪尿资源量和养分量[22,24,26,28,36-37]。公式如下：

ME=a×1×

EN(EP,EK)=ME×2

MU=a×3×

UN(UP,UK)=MU×4

M=ME+MU

N(P,K)=EN(EP,EK)+UN(UP,UK)

S=M×1000/

N(P,K)=N(P,K)×1000/

式中，M为某种畜禽粪尿资源量（×104t，鲜基），ME为某种畜禽粪便资源量（×104t，鲜基），MU为某种畜禽尿液资源量（×104t，鲜基）；N（P,K）为某种畜禽粪尿N、P2O5、K2O资源量（×104t），EN（EP,EK）为畜禽粪便N、P2O5、K2O资源量（×104t），UN（UP,UK）为畜禽尿液N、P2O5、K2O资源量（×104t）。a表示畜禽年末存栏量（×104头或×104只），1为畜禽粪便排泄量系数（kg·d-1），2为畜禽粪便养分含量（占鲜基%），3为畜禽尿液排泄量系数（kg·d-1），4为畜禽尿液养分含量（占鲜基%），为畜禽饲养周期（d）。S为单位耕地面积畜禽粪尿资源量（kg∙hm-2），N、P、K分别为单位耕地面积畜禽粪尿N、P2O5、K2O资源量（kg∙hm-2），为耕地面积（hm2）。

计算参数：所用参数参考相关文献，结合本地区农业生产实际情况，采用刘晓永等[31]整理计算的畜禽饲养周期、畜禽粪尿排泄量系数、养分含量等（表3）。饲养周期大于一年的家畜（牛、羊），饲养周期按365 d计，饲养周期小于一年的猪按192 d，家禽按67 d，兔按90 d计。

表3 畜禽饲养周期、粪尿日排泄量及养分含量

1.2.3 有机肥替代化肥潜力采用秸秆和畜禽粪尿含有的养分量与化肥施用量（折纯）比值计算理论有机肥替代化肥潜力；根据秸秆资源有效还田率、养分当季释放率和畜禽粪尿资源有效还田率计算实际有机肥替代化肥潜力[11,24-28]。公式如下：

L=（+）/化

=（×S×R+×L）/化

式中，L为理论有机肥替代化肥潜力（%），和分别为秸秆和畜禽粪尿中养分总量（×104t）；化为化肥施用总折纯量（×104t）。为实际有机肥替代化肥潜力（%），S和L分别为秸秆资源有效还田率（%）和畜禽粪尿资源有效还田率（%），R为秸秆养分当季释放率（%）。

1.3 数据来源和处理

全省不同地市主要作物（小麦、玉米、水稻/稻谷、大豆、马铃薯、花生、棉花等）的经济产量、播种面积，畜禽（牛、猪、羊、家禽、兔等）的年末存栏数量、化肥施用量（折纯）以及耕地面积来源于山东统计年鉴（2017—2021年）[38]。秸秆资源有效还田率和畜禽粪尿资源有效还田率来源于多年长期定位观测点试验数据结合农业农村部门对全省农户调查数据分析获得。资源量变化图利用2020年与2016年差值做柱状图。

文中数据分析使用Microsoft Excel进行统计计算，分布图采用Arcgis10.2进行绘制，资源量变化图用Microsoft Excel进行统计计算绘制。

2 结果

2.1 山东省作物秸秆资源量及养分量

2.1.1 作物秸秆资源区域分布通过计算得到2020年全省作物秸秆资源总量为7 616.8×104t（图1）。作物秸秆资源主要分布在鲁西和鲁北地区，该地区是全省粮食主产区，小麦玉米的种植面积较大，作物秸秆资源量占全省秸秆资源总量的52.1%；鲁南、鲁东地区是山地丘陵区，且当地耕地又以种植果树和经济作物为主，作物秸秆资源量较少，占比仅为11.0%和13.3%。其中菏泽、德州、聊城作物秸秆量较大，分别为1 075.2×104、985.5×104和733.6×104t；威海、日照作物秸秆量较小，分别为110.4×104和130.6×104t。

图1 2020年山东省16地市作物秸秆资源量分布图

全省单位耕地面积平均作物秸秆资源量为10 058.5 kg·hm-2，鲁西和鲁北、鲁中南地区单位耕地面积作物秸秆资源最丰富，分别为12 683.3、11 475.1 kg·hm-2；鲁南地区较低，为6 806.5 kg·hm-2。其中德州、枣庄、聊城、菏泽较高，分别为1 5341.0、1 4661.2、13 060.4和13 002.2 kg·hm-2；日照、威海、烟台较低，分别为5 482.2、5 699.0和6 197.5 kg·hm-2（图1）。

小麦、玉米的种植面积越大，秸秆资源量也越大。全省主要作物年产秸秆资源量多少依次为：小麦秸秆（3 442.3×104t）、玉米秸秆（3 192.3×104t）、花生秸秆（404.2×104t）、马铃薯秸秆（335.3×104t）、水稻/稻谷秸秆（95.8×104t）、大豆秸秆（84.9×104t）、棉花秸秆（62.0×104t）（表4）。

2.1.2 作物秸秆养分量区域分布进一步折算的作物秸秆资源氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）养分量见图2。全省作物秸秆资源N、P2O5、K2O养分总量为163.2×104t，N、P2O5、K2O养分量分别为63.6×104、9.2×104和90.5×104t。作物秸秆养分量分布与作物秸秆资源量分布类似，主要集中在鲁西和鲁北地区，鲁南、鲁东地区较少。其中菏泽、德州作物秸秆养分量较大，分别为21.0×104和18.8×104t；威海、日照、东营、淄博作物秸秆养分量较小，分别为2.7×104、3.1×104、3.4×104和3.6×104t。

全省单位耕地面积平均作物秸秆养分量为215.6 kg·hm-2（图2），鲁中南、鲁西和鲁北地区单位耕地面积作物秸秆养分量最丰富，分别为279.1和244.4 kg·hm-2；鲁南地区较少，为157.2 kg·hm-2。其中枣庄、德州较高，分别为455.0和292.0 kg·hm-2；日照、威海、烟台、东营、临沂较低，分别为129.1、138.5、142.4和150.5 kg·hm-2。

全省主要作物年产秸秆养分量多少依次为：玉米秸秆（63.5×104t）、小麦秸秆（61.6×104t）、马铃薯秸秆（18.8×104t）、花生秸秆（13.5×104t）、水稻/稻谷秸秆（2.7×104t）、棉花秸秆（1.7×104t）、大豆秸秆（1.4×104t）（表4）。

表4 2020年山东省不同作物秸秆资源量和养分量

图2 2020年山东省16地市作物秸秆养分量分布图

2.1.3 近5年作物秸秆资源量的变化通过计算得到全省2016—2020年作物秸秆资源总量分别为7 343.7×104、7 588.5×104、7 621.6×104、7 603.6× 104、7 616.8×104t，5年增加了165.3×104t，2016年作物秸秆资源总量增加最多，2017—2020年作物秸秆资源总量没有明显变化。从区域看，鲁中南地区作物秸秆资源量增加最多，为184.9×104t；其他地区基本没有变化。从地市看（图3），枣庄增加最多，为108.4×104t，其次为潍坊、济宁、泰安，青岛减少最多，为49.3×104t，其他地市年度间基本没有变化。2016—2020年全省单位面积平均作物秸秆资源量分别为9 697.9、10 021.2、10 064.9、10 041.0和10 058.5 kg·hm-2，5年增加了218.3 kg·hm-2，且2017—2020年年度间基本没有变化。鲁中南地区增加最多，为1 539.3 kg·hm-2，其次为鲁中地区，增加了333.6 kg·hm-2；鲁东地区减少最大，为369.7 kg·hm-2；其他地区变化很小。从地市看（图3），枣庄增加最多，为4 602.9 kg·hm-2，其次为泰安、济宁；青岛减少最多，为958.7 kg·hm-2；其他地市基本没有明显变化。

1：济南；2：青岛；3：淄博；4：枣庄；5：东营；6：烟台；7：潍坊；8：济宁；9：泰安；10：威海；11：日照；12：临沂；13：德州；14：聊城；15：滨州；16：菏泽。下同

1: Jinan (JN-1); 2: Qingdao (QD); 3: Zibo (ZB); 4: Zaozhuang (ZZ); 5: Dongying (DY); 6: Yantai (YT); 7: Weifang (WF); 8: Jining (JN-2); 9: Taian (TA); 10: Weihai (WH); 11: Rizhao (RZ); 12: Linyi (LY); 13: Dezhou (DZ); 14: Liaocheng (LC); 15: Binzhou (BZ); 16: Heze (HZ). The same below

图3 2016—2020年山东省16地市作物秸秆资源量的变化

Fig. 3 Variation of crop straw resources in 16 cities of Shandong Province, 2016-2020

全省2016—2020年作物秸秆养分总量分别为147.0×104、162.6×104、163.5×104、162.7×104和163.2×104t，5年增加了16.21×104t，2017—2020年间基本没有变化。鲁中南地区增加最多，为9.6× 104t；其他地区基本无变化。从地市看（图4），枣庄增加最多，为6.0×104t；其他地市保持相对稳定。全省单位面积平均作物秸秆养分量分别为194.2、214.7、215.9、214.8和215.6 kg·hm-2，5年增加了21.4 kg·hm-2，2017—2020年秸秆养分量基本稳定。鲁中南地区增加最多，为79.6 kg·hm-2；其次为鲁东、鲁中地区，分别增加了32.4和20.6 kg·hm-2。从地市看，枣庄增加最多，为255.3 kg·hm-2；其次为青岛、泰安，分别增加了63.8和55.0 kg·hm-2（图4）。

2.2 山东省畜禽粪尿资源特征

2.2.1 畜禽粪尿资源量区域分布通过计算得到，2020年全省畜禽粪尿资源总量为9 131.2×104t（图5），粪、尿资源量分别为5 546.9×104和3 584.3×104t。畜禽粪尿资源主要分布在鲁西和鲁北地区，该区域的畜禽粪尿资源量占全省畜禽粪尿资源总量的42.0%；鲁东、鲁南、鲁中南和鲁中等4个地区分布较为均衡，占比13.0%—16.2%。其中临沂、德州、菏泽较高，分别为1 117.3×104、1 097.7×104和1 017.4×104t；威海、枣庄、日照、淄博较少，分别为132.7×104、190.5×104、252.5×104和252.8 ×104t。

全省单位耕地面积平均畜禽粪尿资源量为12 058.4kg·hm-2（图5），鲁西和鲁北地区单位耕地面积畜禽粪尿资源最丰富，为14 082.7 kg·hm-2，鲁南次之，为12 778.5 kg·hm-2；鲁东、鲁中南和鲁中等3个地区资源较为均衡，在10 331—10 441 kg·hm-2。其中东营最高，其次为滨州、德州较高，分别为20 647.1、17 343.2和17 086.6 kg·hm-2；威海最低，为6 851.9 kg·hm-2。

图4 2016—2020年山东省16地市作物秸秆养分量的变化

图5 2020年山东省16地市畜禽粪尿资源量分布图

2020年全省主要畜禽年产粪尿资源量依次为：猪粪尿（3 701.0×104t）＞牛粪尿（3 484.9×104t）＞羊粪尿（1 258.1×104t）＞家禽粪（672.5×104t）＞兔粪（14.7×104t）（表5）。

2.2.2 畜禽粪尿养分量区域分布折算的畜禽粪尿氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）养分量见图6。全省2020年畜禽粪尿N、P2O5、K2O养分总量为82.7×104t，N、P2O5、K2O养分量分别为35.2×104、11.7×104和35.7×104t。畜禽粪尿养分量也主要集中在鲁西和鲁北地区，其畜禽粪尿养分量占全省畜禽粪尿养分总量的42.0%；鲁东、鲁南、鲁中南和鲁中等4个地区分布较为均衡，占比12.4%—16.8%。其中临沂、德州、菏泽、滨州和潍坊畜禽粪尿养分量较大，分别为10.3×104、9.8×104、9.0×104、7.4×104和7.1× 104t。威海、枣庄、日照和淄博畜禽粪尿养分量较小，分别为1.2×104、1.7×104、2.3×104和2.3×104t。

表5 2020年山东省不同畜禽粪尿资源量及养分量

全省单位耕地面积平均畜禽粪尿养分量为109.2 kg·hm-2，鲁西和鲁北地区单位耕地面积畜禽粪尿养分量最丰富，为127.5 kg·hm-2，鲁南次之，为117.9 kg·hm-2；鲁东、鲁中南和鲁中等3个地区资源较为均衡，为89.0—97.7 kg·hm-2。其中东营、滨州、德州较高，分别为184.2、160.8和151.9 kg·hm-2。威海、枣庄、聊城、青岛较低，分别为59.7、71.4、76.7和77.0 kg·hm-2（图6）。

全省主要畜禽年产粪尿养分量依次为：牛粪尿（33.2×104t）＞猪粪尿（24.8×104t）＞羊粪尿（12.3×104t）＞家禽粪（12.1×104t）＞兔粪（0.3×104t）（表5）。

图6 2020年山东省16地市畜禽粪尿养分量分布图

2.2.3 近5年畜禽粪尿资源量的变化通过计算得到全省2016—2020年畜禽粪尿资源总量分别为13 622.9×104、11 585.4×104、1 0491.9×104、9 800.6 ×104和9 131.2×104t，呈下降趋势，5年减少了4 491.7×104t。鲁西和鲁北、鲁中、鲁中南地区减少最多，分别为1 758.2×104、1 401.3×104和1 038.1×104t；其他区域减少量较小。从地市看（图7），德州、济南、菏泽、泰安、潍坊等2016—2020年畜禽粪尿资源总量下降较为明显，分别下降了950.3×104、943.7×104、649.0×104、571.7×104和409.8×104t；仅有东营、烟台呈增加趋势，分别增加164.1×104和15.6×104t。全省单位面积平均畜禽粪尿资源量分别为17 990.1、15 299.3、13 855.3、12 942.4和12 058.4 kg·hm-2，也呈下降趋势，5年降低了5 931.6 kg·hm-2。鲁中、鲁中南、鲁西和鲁北地区减少最多，分别为9 846.7、8 640.1和6 455.8 kg·hm-2；其他区域降低了1 300 kg·hm-2。从地市看，济南、泰安、德州、枣庄、菏泽等下降较为明显，分别下降了22 150.6、15 689.6、14 793.2、9 703.5和7 848.8 kg·hm-2。仅有东营、烟台呈增加趋势，分别增加了7 158.7和352.0 kg·hm-2。

图7 2016—2020年山东省16地市畜禽粪尿资源量的变化

全省2016—2020年畜禽粪尿养分总量分别为124.3×104、105.7×104、95.8×104、91.5×104和82.7×104t，呈减少的趋势，5年减少了41.6×104t。鲁西和鲁北、鲁中、鲁中南地区减少最多，分别为16.3×104、13.6×104和9.4×104t，其他区域略有减少。从地市看（图8），济南、德州、菏泽、泰安等市减少较多，分别减少了9.6×104、8.9×104、5.8×104和5.1×104t，仅有东营呈增加趋势，为1.3×104t。全省单位面积平均畜禽粪尿养分量分别为164.2、139.6、126.5、120.9和109.2 kg·hm-2，呈减少的趋势，5年减少了55.0×104t。鲁中、鲁中南、鲁西和鲁北地区减少最多，分别为95.5、78.4和59.9 kg·hm-2，其他区域略有减少。从地市看，济南、泰安、德州、枣庄等市畜禽粪尿养分量减少较为明显，分别减少了226.1、139.1、138.2和90.5 kg·hm-2，仅有东营呈增加趋势，为58.5 kg·hm-2（图8）。

2.3 有机肥替代化肥的潜力

2.3.1 作物养分需求量 2020年山东省水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、花生和油菜等主要农作物种植面积为904×104hm2，计算得到全省主要作物理论化肥需求量[39-40]为276.7×104t，同年化肥实际施用量为380.9×104t[38]，比理论需求量增加104.2×104t。

计算得到的全省各区域有机肥资源、粮食产量、化肥消费量、养分需求量占比以及有机替代化肥潜力见表6。由表6看出，粮食产量越多有机肥资源越丰富。有机肥资源丰富的鲁西和鲁北地区，粮食产量占全省粮食产量的41.8%，有机肥资源量占全省有机肥资源总量的43.5%；有机肥资源较少的鲁东地区，粮食产量占全省粮食产量的12.3%，有机肥资源量占全省有机肥资源总量的12.4%。

2.3.2 不同区域有机肥替代化肥潜力表7为估算的2020年各类作物秸秆和畜禽粪尿替代化肥潜力。结果表明，作物秸秆和畜禽粪尿全部还田时，全省作物秸秆和畜禽粪尿养分资源理论平均替代化肥潜力为64.6%，鲁西和鲁北、鲁南地区最高，分别为77.0%和75.6%，鲁东地区最低，为46.5%。其中，德州潜力最大，为95.3%，其次是东营、滨州，分别为92.6%和91.2%，烟台和威海最小，分别为35.5%和40.6%。

图8 2016—2020年山东省16地市畜禽粪尿养分量的变化

表6 2020年山东省各区域有机肥资源、粮食产量、化肥消费量、养分需求占比以及理论有机替代化肥潜力

据试验和调查数据分析（表8），2020年全省平均作物秸秆资源有效还田率为67.8%。聊城、枣庄、德州较高，分别为76.6%、76.6%和75.9%；日照、临沂较低，分别为46.2%和46.5%。平均畜禽粪尿资源有效还田率为90.1%，青岛、威海、烟台较高，分别为93.9%、93.5%和93.0%；日照、临沂较低，分别为86.0和86.7%。按全省作物秸秆资源有效还田率67.8%和畜禽粪尿资源有效还田率90.1%计算，考虑秸秆养分当季释放率，则山东省作物秸秆和畜禽粪尿养分资源实际替代化肥潜力为40.4%。

表7 2020年山东省16地市有机肥替代化肥潜力

2.3.3 不同作物秸秆和畜禽粪尿养分资源替代化肥潜力整体看，2020年作物秸秆养分资源理论替代化肥潜力（42.9%）大于畜禽粪尿（21.7%）。作物秸秆中N、P2O5、K2O资源理论替代化肥潜力分别为35.3%、9.0%和92.2%，畜禽粪尿中N、P2O5、K2O资源理论替代化肥潜力分别为19.6%、11.4%和36.4%（表9）。

同样，作物秸秆养分资源实际替代化肥潜力（20.9%）大于畜禽粪尿（19.5%）。作物秸秆中N、P2O5、K2O资源实际替代化肥潜力分别为12.5%、4.2%和53.7%，畜禽粪尿中N、P2O5、K2O资源实际替代化肥潜力分别为17.7%、10.3%和32.9%（表9）。

不同种类作物秸秆和畜禽粪尿养分资源理论替代化肥的潜力不同（表10）。秸秆资源中，玉米秸秆的理论替代潜力最大，为16.7%，其次为小麦秸秆，为16.2%，替代潜力最小的为棉花和大豆秸秆，均为0.4%。畜禽粪尿资源中，牛粪尿的理论替代潜力最大，为8.7%，替代潜力最小的是兔粪，仅为0.1%。

表8 2020年山东省16地市作物秸秆、畜禽粪尿资源有效还田率

从养分类型看，钾肥的可替代量最大、氮肥次之、磷肥最少，N、P2O5和K2O有机替代化肥潜力分别为54.9%、20.4%和128.6%（表9）。其中，玉米秸秆对氮肥替代潜力最大，小麦秸秆次之，分别为15.8%和10.3%；小麦秸秆对钾肥替代潜力最大，玉米秸秆次之，分别为40.7%和32.2%；各作物秸秆和畜禽粪尿对磷肥替代潜力在0—4.3%，猪粪尿最高，为4.3%（表10）。

表9 2020年山东省作物秸秆和畜禽粪尿养分资源替代化肥潜力

表10 2020年不同种类作物秸秆和畜禽粪尿养分资源理论替代化肥潜力

3 讨论

3.1 山东省作物秸秆和畜禽粪尿资源量及分布

本文依据2021年统计数据以及通用的草谷比方法、排泄系数法估算了2020年山东省作物秸秆资源总量（7 616.8×104t）和养分总量（163.2×104t），与宋大利等[25]估算的2015年山东省作物秸秆资源总量（5 680×104t）和养分总量（134.0×104t）总体相当；单位耕地面积平均作物秸秆资源量为10 058.5 kg·hm-2，与刘晓永等[35]估算的2015年华北地区单位耕地面积秸秆资源量5 098.05—9 184.71 kg·hm-2数量级相当。2020年山东省畜禽粪尿资源总量为9 131.2×104t，养分总量为82.7×104t，由于养殖量下降以及数据来源、调查种类和排泄系数取值不同，与宋大利[26]估算的2015年山东省畜禽粪尿资源总量（20 560×104t）和养分总量（272.1× 104t）有一定差距。在其他研究中也存在类似情况，如毕于运等[41]估算2005 年中国秸秆资源总量为8.41×108t，王亚静等[42]则估算为6.86×108t。在今后的研究工作中，可对秸秆和畜禽粪尿估算方法进行科学测定分析，得到统一权威的资源量估算值。

2016—2020年山东省作物秸秆资源总量增加了16.8%，期间全省粮食作物产量提高了16.0%；畜禽粪尿资源总量减少了25.4%，同时全省养殖数量也在下降。杨传文等[43]研究发现粮食种植结构调整会影响农作物秸秆的产量和结构，刘晓永等[37]研究发现畜禽粪尿总量增加与畜禽养殖数量增加有关，郑莉等[44]调查发现山东省养殖结构受经济发展和产业结构调整影响，不断发生变化。整体看，山东省作物秸秆和畜禽粪尿资源总量整体稳定，作物秸秆资源呈增长趋势，畜禽粪尿资源近5年虽有所下降，但整体涨幅仍据全国前列[37]，作物秸秆和畜禽粪尿资源丰富。

山东省作物秸秆和畜禽粪尿资源分布具有明显的空间分异性，均主要分布在鲁西和鲁北地区，该地区的作物秸秆和畜禽粪尿资源量占全省资源总量的43.5%，与之相对应的是，鲁西和鲁北地区粮食产量占全省粮食产量的41.8%；作物秸秆和畜禽粪尿资源较少的鲁东地区，秸秆和畜禽粪尿资源量占全省资源总量的12.4%，粮食产量占比为12.3%，说明粮食作物主产区集中了丰富的秸秆、畜禽粪尿资源。刘晓永、周力等[35,45]研究发现秸秆资源和秸秆养分资源主要分布在粮食主产区，畜禽养殖业生产区域集中度有进一步强化趋势。在制定相关政策时，应充分考虑资源分布、生产需求、地理位置等特点进行布局安排。

3.2 山东省作物秸秆和畜禽粪尿资源来源及利用

对山东省作物秸秆和畜禽粪尿资源的解析表明，小麦、玉米是山东省作物秸秆资源的主要来源，对作物秸秆资源量的贡献超过85.0%，对作物秸秆养分量贡献超过85.0%；猪、牛是山东省畜禽粪尿资源的主要来源，对畜禽粪尿资源贡献超过75.0%，对畜禽粪尿养分量的贡献超过70.0%。宋大利、毕于运、高祥照、柴如山等[25,41,46-47]研究表明玉米、小麦、水稻秸秆是我国的主要作物秸秆类型，小麦和玉米秸秆主要集中在华北农区[48]，水稻秸秆主要集中在长江中下游农区。刘晓永等[37]研究表明我国粪尿主要来源于家禽、羊、猪和牛；张国印等[49]研究表明河北省畜禽粪尿主要来源于猪和牛；山西省畜禽粪尿主要来源于牛、羊和猪；徐久凯等[12-13]研究发现猪粪能够替代 85.7%的化肥磷素，鸡粪替代 77.6%，牛粪替代 91.4%。可见，秸秆和畜禽粪尿资源的来源与种植业、养殖业布局密切相关，各地资源均以玉米、小麦、水稻、猪、牛、羊等为主，在制定有机肥替代化肥政策时，可结合主要作物和畜禽种类开展研究。

《山东省推进农业农村现代化“十四五”规划》等数据表明，近年来，山东省作物秸秆和畜禽粪尿资源综合利用率和肥料化利用量都有提高。2015年，山东省作物秸秆综合利用率为85.0%，肥料化利用率占秸秆利用总量的57.1%；2020年，全省作物秸秆综合利用率为95.2%，肥料化利用率占秸秆利用总量的67.8%。畜禽粪尿综合利用率由2016年的76.0%提高到2021年90.0%以上。刘晓永等[35,37]研究表明1980—2000年我国秸秆资源直接还田率提高了20%，畜禽粪尿还田率不足40.0%；宋大利等[25]研究表明2015年秸秆作为肥料利用量占可收集资源量的43.2%。因此，作物秸秆和畜禽粪尿资源利用率虽呈上升趋势，但仍有较大发展空间，可在关键技术上加强研究，提高资源利用潜力。

3.3 山东省有机肥资源替代化肥的对策建议

整体看，山东省具有丰富的作物秸秆和畜禽粪尿资源。每年产生的有机肥资源总量为1.6×108t，均位于全国前列[25,35]，化肥施用量仍有下降空间。据计算2020年化肥实际施用量比理论需求量高出104.2×104t，同时山东省具有作物秸秆和畜禽粪尿资源数量稳定、来源集中，分布具有明显的空间分异性等特点，针对这些特点，提出以下对策建议。

一是建议根据作物秸秆和畜禽粪尿资源分布制定有机替代化肥政策并加强区域间协同发展。全省有机肥替代化肥的潜力表现为鲁西和鲁北＞鲁南＞鲁中南＞鲁中＞鲁东地区。可在作物秸秆资源和畜禽粪尿资源丰富地区，如鲁西和鲁北地区，采取相应的秸秆还田方法和技术，在有条件的地区实现全量还田；鲁中、鲁东地区有机肥资源量相对较少，鲁中地区是蔬菜产业大区、鲁东地区是果树产业大区，作物秸秆资源量少，有机肥需求多，可以发展厨余和果木枝干粉碎腐熟技术，满足有机肥需求。对于秸秆养分资源尤其钾素资源丰富，还田后的当季释放率较高，可鼓励区域通过秸秆还田补充土壤钾素，减少钾肥投入。二是进一步加强秸秆腐熟和畜禽粪尿收集等技术研究，开展秸秆和畜禽粪尿替代化肥的比例研究。研究表明[25,31]，秸秆直接还田后养分难以快速释放，武际、匡恩俊等[50-51]研究了不同情况下小麦、玉米、水稻秸秆腐解特征，发现施入不同秸秆腐熟剂后作物秸秆氮、磷、钾养分释放率不同；畜禽粪尿收集技术也是制约资源利用的瓶颈。按全省作物秸秆资源有效还田率67.8%和畜禽粪尿资源有效还田率90.1%计算，考虑秸秆养分当季释放率，则山东省作物秸秆和畜禽粪尿养分资源实际替代化肥潜力为40.4%。在生产应用中还应考虑秸秆还田后养分的当季有效性，以及畜禽粪尿还田时养分挥发损失率等因素。三是各地因地制宜，结合当地有机资源禀赋、生产实际，总结推广有效的资源利用模式。近年来，山东省在实施机械化作业的地区推广秸秆（机械粉碎）还田技术模式，在大部分县区推广“农作物秸秆（果木枝条、尾菜等）+畜禽粪便堆沤还田”技术模式，在烟台苹果种植区栖霞、蓬莱、牟平等地推广“果木枝干粉碎蒸煮快速腐熟”技术模式等，取得了良好效果。

4 结论

山东省具有丰富的作物秸秆和畜禽粪尿资源，每年产生的有机肥资源总量为16 748.0×104t，理论上含有氮、磷、钾养分分别为98.8×104、20.9×104和126.2×104t，分别为化肥投入量的54.8%、20.4%和128.6%。山东省作物秸秆和畜禽粪尿资源存在明显地域性，鲁西、鲁北以及鲁南地区作物秸秆和畜禽粪尿有机肥资源非常丰富，鲁中、鲁东地区相对较少；全省作物秸秆和畜禽粪尿养分资源理论平均替代化肥潜力为64.6%，鲁西和鲁北、鲁南地区最高，分别为77.0%和75.6%，鲁东地区最低，为46.5%，在实际生产中可按照资源分布、生产需求、地理位置等进行合理布局

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Investigation on Potential of Replacing Chemical Fertilizer for Crop Straw and Livestock Manure Organic Fertilizer in Shandong Province

1Shandong Agricultural Technology Extension Center, Jinan 250100;2College of Geography and Environment, Shandong Normal University, Jinan 250358

【Objective】The quantity and total nutrient of crop straw, livestock and poultry manure resources were calculated, and their potential to replace chemical fertilizers was estimated, so as to provide the data support for the overall and rational utilization of organic fertilizer resources in Shandong. 【Method】Based on the crops (wheat, corn, rice/rice, soybean, potato, peanut and cotton) and livestock/poultry (cattle, pig, sheep, poultry and rabbit), the grass-grain ratio and excretion coefficient methods were used to calculate the total amounts of organic fertilizer and total nutrients in Shandong in 2020, and the potential of organic fertilizer replacing chemical fertilizer was estimated. 【Result】(1) In 2020, the total amount of straw resources was 7 616.8×104t, and the total amount of nutrients was 163.2×104t, in Shandong. The theoretical potential of straw nutrients to replace chemical fertilizers was 42.9%, while the actual potential was 20.9%. The theoretical potential of N, P2O5and K2O in straw to replace chemical fertilizers was 35.3%, 9.0% and 92.2%, respectively, while the actual potential was 12.5%, 4.2% and 53.7%, respectively. The total amount of straw resources increased by 16.8% from 2016 to 2020. (2) In 2020, the total amount of livestock and poultry manure resources was 9 131.2×104t, the total amount of nutrients was 82.7×104t, in Shandong. The theoretical potential of livestock and poultry manure nutrient resources to replace chemical fertilizers was 21.7%, and the actual potential was 19.5%; the theoretical substitution potential of N, P2O5and K2O resources in livestock manure was 19.6%, 11.4% and 36.4%, respectively, while the actual substitution potential was 17.7%, 10.3% and 32.9%, respectively. From 2016 to 2020, the total amount of livestock and poultry manure resources decreased by 25.4%. (3) The theoretical potential of crop straw and livestock manure nutrients in different regions of Shandong to replace chemical fertilizers was as followed: Northwest Shandong＞South Shandong＞South Central Shandong＞Central Shandong＞East Shandong. Northwest Shandong and South Shandong were with the highest potential of 77.0% and 75.6%, respectively; East Shandong was with the lowest of 46.5%. Among them, Dezhou had the greatest potential of 95.3%, followed by 92.6% of Dongying and 91.2% of Binzhou. Yantai and Weihai were with the smallest of 35.5% and 40.6%, respectively. (4) The theoretical potential of different types of resources of crop straw and livestock/poultry manure nutrients to replace chemical fertilizers were as followed: corn (16.7%)＞wheat (16.2%)＞potato (4.9%)＞peanut (3.6%)＞rice (0.7%)＞cotton (0.4%), soybean (0.4%)＞cow manure (8.7%)＞pig manure (6.5%)＞sheep manure (3.2%)＞poultry manure (3.2%)＞rabbit manure (0.1%).【Conclusion】In 2020, the total amount of straw and livestock manure resources was 16 748.0×104t, and the total amount of nutrients was 245.9×104t, in Shandong. The theoretical potential of straw and livestock manure nutrient resources to replace chemical fertilizers was 64.6%, and the actual potential was 40.4%. The theoretical substitution potential of N, P2O5and K2O in straw and livestock manure was 54.8%, 20.4% and 128.6%, respectively, and the actual substitution potential was 30.2%, 14.5% and 86.6%, respectively. The organic fertilizer resources of crop straw and livestock manure in western, northern and southern Shandong were very rich, while those in central and eastern Shandong were relatively few. There were more organic fertilizer resources of crop straws, such as corn and wheat, and more organic fertilizer resources of livestock, and poultry manure, such as cattle and pigs. Efficient and rational use of organic fertilizer resources, such as crop straws and livestock and poultry manure, was an important guarantee for reducing fertilizer application and increasing efficiency.

crop straw; livestock manure; organic fertilizer resource; potential to replace chemical fertilizer; Shandong Province