李 一，王秋兵

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110866）

我國秸稈資源具有數(shù)量大、種類多、分布廣的特點［1］。隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民生活方式的轉(zhuǎn)變、農(nóng)村人口向城市轉(zhuǎn)移、傳統(tǒng)能源消費結(jié)構(gòu)的改變，秸稈資源出現(xiàn)了區(qū)域性、季節(jié)性、結(jié)構(gòu)性的過剩問題［2］。在我國，大量的秸稈曾被焚燒或者閑置，不但浪費了資源，同時污染了生態(tài)環(huán)境，成為了比較敏感的社會問題。近年來，我國政府大力推進秸稈的資源化綜合利用，其中秸稈還田利用的比重增長最快。只有因地制宜地發(fā)揮各種利用方式下的秸稈資源養(yǎng)分還田潛力，從而替代大量的化肥，才能真正發(fā)展農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟，促進農(nóng)業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。對于秸稈資源潛力的研究，我國學(xué)者對不同年份的全國理論秸稈養(yǎng)分含量進行了估算［3-5］。在秸稈還田利用上，近些年的研究大多數(shù)集中于秸稈還田方式以及作物秸稈的種類和還田量對于土壤養(yǎng)分變化或作物產(chǎn)量的影響［6-10］，對于秸稈養(yǎng)分還田潛力分析相對較少。因此，本文在綜合分析以往學(xué)者研究成果的基礎(chǔ)上，利用國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)和相關(guān)參考文獻(xiàn)對我國秸稈的養(yǎng)分還田潛力及技術(shù)進行了分析，以期為我國的秸稈資源的養(yǎng)分還田利用提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及主要農(nóng)作物種類

本文研究區(qū)域是我國除港澳臺及南海群島以外的31個省市自治區(qū)，并參考《中國耕作制度區(qū)劃》將其劃為8個區(qū)域，分別是東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、西北干旱地區(qū)、黃土高原地區(qū)、青藏高原地區(qū)、長江中下游地區(qū)、華南地區(qū)、西南地區(qū)［11］。研究作物包括：玉米、水稻、小麥、其他谷類作物、豆類、棉花、花生、油菜、薯類。

1.2 計算方法

本文采用的是大部分學(xué)者使用的，并且在國際上比較常用的草谷比法［12］。草谷比法是最接近實際農(nóng)作物秸稈資源量的計算方法，是評估秸稈資源量的重要參數(shù)［13］。計算方法如下：

式中：Wj—第j種農(nóng)作物秸稈資源數(shù)量；Yij—第i個省市自治區(qū)的第j種農(nóng)作物的經(jīng)濟產(chǎn)量；Rj—第j種農(nóng)作物的草谷比；Wsj—第j種農(nóng)作物秸稈的可收集量；Kj—第j種農(nóng)作物的可收集系數(shù)；WN—第j種秸稈的氮素資源量；Nj—第j種農(nóng)作物氮元素含量；WP（P2O5）—第j種秸稈的五氧化二磷資源量；Pj—第j種農(nóng)作物的五氧化二磷含量；WK（K2O）—第j種秸稈的氧化鉀資源量；Kj—第j種農(nóng)作物氧化鉀含量。

1.3 數(shù)據(jù)資料

1.3.1 統(tǒng)計數(shù)據(jù)

本文中農(nóng)作物的經(jīng)濟產(chǎn)量、化肥折純量等數(shù)據(jù)來自于《中國統(tǒng)計年鑒—2018》［14］。秸稈綜合利用情況數(shù)據(jù)來自《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒》［15］和《關(guān)于編制“十三五”秸稈綜合利用實施方案的指導(dǎo)意見》［16］。

1.3.2 秸稈草谷比和可收集系數(shù)

草谷比根據(jù)近幾年的文獻(xiàn)中取值的平均值確定［4-5，17-22］，可收集系數(shù)則取自農(nóng)業(yè)部制定的《全國農(nóng)村可再生能源統(tǒng)計報表制度》中的參考值（表1）。

表1 秸稈可收集系數(shù)及草谷比

1.3.3 秸稈養(yǎng)分含量參數(shù)

本文的秸稈養(yǎng)分含量參數(shù)參考《中國有機肥料養(yǎng)分志》［23］、《中國有機肥料資源》［24］、《中國有機肥料養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)集》［25］以及相關(guān)參考文獻(xiàn)［4-5］（表2）。

1.3.4 不同利用方式下的養(yǎng)分還田率

秸稈肥料化利用方式下，養(yǎng)分按全部還回農(nóng)田中計算；飼料化和燃料化的養(yǎng)分還田率參考高祥照等［26］、劉曉永等［4］的估值（表 3）。

表2 不同作物的秸稈養(yǎng)分及有機碳含量（風(fēng)干基）（%）

表3 不同利用方式下的養(yǎng)分還田率 （%）

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈資源量

經(jīng)計算，2017年全國主要農(nóng)作物秸稈理論資源總量約為8.55億t，可收集量約為6.99億t。各類作物的秸稈資源量如表4所示，其中玉米、水稻、小麥的秸稈數(shù)量最多，分別為3.54億、1.98億、1.65億t，是我國最主要的秸稈資源。

2.2 秸稈的空間分布

如圖1所示，我國秸稈資源主要集中于東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、長江中下游地區(qū)。其次在西北干旱地區(qū)和西南地區(qū)也有著大量的秸稈資源。

如表5所示，在秸稈資源構(gòu)成上，全國有著明顯的分布特征。東北地區(qū)地處水稻、玉米單作區(qū)，約68.07%的秸稈資源為玉米秸稈，且由于東北地區(qū)雨熱同期，也有約20.82%的水稻秸稈。黃淮海地區(qū)處于小麥、玉米輪作區(qū)，秸稈資源約43.87%為玉米秸稈，43.63%為小麥秸稈。長江中下游地區(qū)北部處于麥、稻輪作區(qū)，南部處于雙季稻種植區(qū)，全區(qū)的秸稈資源52.28%為水稻秸稈、21.77%為小麥秸稈、10.77%為玉米秸稈。此外，對于其他幾種作物秸稈也有著明顯的地區(qū)集聚特征，油菜秸稈主要集中于長江中下游地區(qū)和西南地區(qū)；花生秸稈主要分布于黃淮海地區(qū)；棉花秸稈主要分布于新疆維吾爾自治區(qū)；大豆秸稈主要分布在黑龍江省。

表4 2017年全國秸稈資源量及可收集量

圖1 全國秸稈資源分布情況

表5 全國主要地區(qū)作物的秸稈資源構(gòu)成情況 （%）

2.3 秸稈養(yǎng)分的利用潛力

2.3.1 養(yǎng)分量

秸稈中蘊含著作物光合作用一半以上的產(chǎn)物，包括大量的氮、磷、鉀、有機碳等，如表6所示。雖然秸稈有機碳含量巨大，但有42%～79%的碳會變成CO2釋放到大氣中，只有不足40%的秸稈碳進入土壤碳庫，并以不穩(wěn)定的活性有機碳為主［27］。因此，要以合理的秸稈還田方式、田間管理和還田量進行還田，從而提高土壤的儲碳能力，減少碳排放，減緩全球變暖趨勢［28］。

表6 2017年全國不同農(nóng)作物秸稈的養(yǎng)分量（104 t）

2.3.2 理論秸稈養(yǎng)分可替代化肥潛力

本文參考2017年國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)中氮肥、磷肥及鉀肥的折純量，對當(dāng)年各省市自治區(qū)理論秸稈養(yǎng)分可替代化肥率進行了估算，如表7所示。秸稈全量還田養(yǎng)分輸入量分別為758.66萬t（N）、238.84萬t（P2O5）、1 316.36萬t（K2O），分別占化肥使用量的34.15%（N）、29.95%（P2O5）、212.40%（K2O）。根據(jù)全國數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，N在東北地區(qū)的可替代率最高，華南地區(qū)可替代率最低，在其他地區(qū)平均可替代率維持在30%左右。P2O5的可替代率在全國范圍相差較大，東北地區(qū)均超過了50%，華南地區(qū)最低，低于20%。K2O的可替代率在除華南地區(qū)外的其他地區(qū)均超過了100%?？梢姡斩捴械腒2O可完全替代實際鉀肥的投入。針對我國不同地區(qū)的秸稈養(yǎng)分可替代化肥率的差異，筆者認(rèn)為主要有兩個原因：第一，由于草谷比越大，單位產(chǎn)量下的秸稈越多，養(yǎng)分含量更高，因此在以玉米、小麥、大豆等為主要作物的北方地區(qū)的化肥可替代率要高于南方地區(qū)；第二，在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，秸稈資源密度相比其他地區(qū)大，單位面積的秸稈產(chǎn)量更高，因此可替代化肥率更高。此外，全國秸稈理論有機碳量達(dá)到了34 238.94萬t（未包括棉稈），若30%的秸稈有機碳可以進入土壤中，則農(nóng)田每年都會增加超過10 000萬t的有機碳，數(shù)量巨大。

2.3.3 實際秸稈養(yǎng)分可替代化肥潛力

雖然秸稈中富含大量的養(yǎng)分，但秸稈中的養(yǎng)分不能全部還回農(nóng)田中。一部分在收集的過程中直接損失，還有一部分由于秸稈在離田后進行不同方式的利用而損失掉。近幾年的秸稈綜合利用情況如圖2所示。秸稈肥料化利用比例逐年增加；飼料化比例在逐年降低，但下降速度變緩，逐漸趨于穩(wěn)定；燃料化利用比例在2010年前后快速下降，目前有緩慢增長的趨勢；未利用比例逐年下降，田間焚燒秸稈得到了有效的控制，但仍有部分秸稈被焚燒。據(jù)資料統(tǒng)計，2015年約有7.80%的秸稈被直接焚燒［29］。因此，基于秸稈的理論養(yǎng)分含量，結(jié)合秸稈的綜合利用情況，假設(shè)不同利用方式下的養(yǎng)分依然可以還田。根據(jù)2016年的秸稈綜合利用情況，估算2017年全國秸稈肥料化、飼料化、燃料化和田間直接焚燒比例約為：48%、17.5%、12.3%、7%［30］。根據(jù)不同利用方式下的養(yǎng)分還田率，估算2017年全國實際可還田養(yǎng)分約為430.54萬t（N）、185.69萬t（P2O5）、1 033.80萬t（K2O），分別占化肥的19.38%（N）、23.28%（P2O5）以及166.81%（K2O）。相比全量還田，還有很大的提升潛力。

2.4 秸稈養(yǎng)分主要分布區(qū)還田利用技術(shù)分析

我國秸稈的養(yǎng)分資源巨大，合理的秸稈養(yǎng)分還田利用技術(shù)是發(fā)揮養(yǎng)分還田潛力的保證。秸稈還田主要分為兩種方式，分別是秸稈機械化直接還田和間接還田。間接還田又包括過腹還田、堆漚還田、秸稈炭化還田、燒灰還田等［31］。秸稈還田量與土壤養(yǎng)分有著顯著的正相關(guān)關(guān)系［32］。大部分秸稈養(yǎng)分在土壤中釋放的順序為：K＞P＞C＞N，且釋放速率都是前期快，后期慢［33-35］。由于不同地區(qū)的氣候條件、耕作制度、作物種類等因素的差異，要因地制宜地選擇合適的秸稈養(yǎng)分還田技術(shù)。本文選擇我國秸稈資源最豐富的3個區(qū)域，即東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、長江中下游地區(qū)的秸稈養(yǎng)分還田技術(shù)進行分析。

2.4.1 東北地區(qū)

東北地區(qū)的秸稈資源以玉米秸稈為主，還有大量的水稻秸稈和大豆秸稈。種植制度為單季種植。目前，東北地區(qū)的秸稈養(yǎng)分還田利用主要存在以下幾個問題：（1）冬季寒冷，冰凍時間長，秸稈不易腐解；（2）農(nóng)機保有量不足，如黑龍江省若每年秸稈還田面積為400萬hm2，需要增加翻轉(zhuǎn)犁2 712臺，免耕播種機5 636臺［36］，這顯然在短期是無法實現(xiàn)的；（3）切碎效果不達(dá)標(biāo)。按正常技術(shù)要求，玉米秸稈粉碎長度不宜超過10 cm，破碎率在95%以上，如果秸稈粉碎后依然過長，要再次進行粉碎，但在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)民出于成本考慮，往往不會進行二次切碎，而是直接進行旋耕或翻耕。為促進秸稈的腐爛，從秸稈還田技術(shù)角度，秸稈旋耕或翻耕還田后的秸稈腐解及養(yǎng)分釋放率要明顯高于秸稈的覆蓋還田。因此，在東北地區(qū)，最好將秸稈粉碎后，將旋耕或翻耕還田作為主要還田方式，以避免覆蓋還田方式下秸稈不易腐爛的問題。此外，定期進行一次深耕作業(yè)，促進耕地的蓄水保墑、培肥地力、抗旱減災(zāi)能力。在還田機械上，要加強新型農(nóng)機的研發(fā)和推廣，保證農(nóng)機的切碎效果，還要加大還田作業(yè)的補貼力度，降低農(nóng)民在秸稈還田過程中的作業(yè)成本，從而保證秸稈的切碎質(zhì)量。東北地區(qū)的畜牧業(yè)十分發(fā)達(dá)，應(yīng)加強秸稈過腹還田技術(shù)的推廣，促進東北地區(qū)的秸稈還田循環(huán)利用，形成東北地區(qū)種養(yǎng)結(jié)合的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式。為解決冬季秸稈不易腐爛的問題，東北地區(qū)還應(yīng)推廣秸稈堆漚還田技術(shù)，以實現(xiàn)秸稈的快速腐解及養(yǎng)分釋放，為農(nóng)作物提供優(yōu)質(zhì)的有機肥料。

表7 2017年全國秸稈養(yǎng)分、有機碳含量及可替代化肥率

圖2 2010、2014、2015、2016年全國秸稈綜合利用情況

2.4.2 黃淮海地區(qū)

黃淮海地區(qū)屬于夏玉米-冬小麥輪作區(qū)，一年兩熟制。以小麥秸稈、玉米秸稈、花生秸稈為主要秸稈資源。目前，黃淮海地區(qū)的秸稈養(yǎng)分還田利用主要存在以下幾個問題：（1）還田量過大。黃淮海地區(qū)的小麥秸稈已基本全部還田；玉米秸稈相對不易腐爛，部分還田，過量的秸稈在耕層聚集，影響下茬作物的生長發(fā)育；（2）粉碎后，還田不及時。根據(jù)調(diào)查，黃淮海地區(qū)在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)民未能將新鮮的秸稈及時還田，導(dǎo)致秸稈失水，粉碎效果差［37］；（3）旋耕過淺。黃淮海地區(qū)的旋耕深度逐年變淺，導(dǎo)致秸稈與土壤混合不均勻；（4）土壤水分不足，秸稈的腐爛速度受水分的影響［37］，而黃淮海地區(qū)大部分是水澆地，農(nóng)民存在搶墑種小麥的現(xiàn)象，且秸稈還田量大，導(dǎo)致秸稈不易腐爛，嚴(yán)重影響了小麥的生長［38］；（5）黃淮海地區(qū)的農(nóng)機質(zhì)量不好，部件磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致秸稈切碎長度過長，切碎效果不達(dá)標(biāo)。為有效改善黃淮海地區(qū)的秸稈養(yǎng)分還田利用過程中存在的問題，促進秸稈在土壤中的腐解和養(yǎng)分釋放，黃淮海地區(qū)的小麥秸稈以粉碎覆蓋還田模式為主，玉米秸稈則以粉碎旋耕或深耕還田模式為主，并增加耕翻深度，使秸稈與土壤混合均勻，定期進行深翻或深松，消除犁底層。新鮮秸稈應(yīng)及時還田，避免秸稈失水所導(dǎo)致的秸稈切碎難的問題。其次，適當(dāng)減少秸稈的機械化直接還田量，并通過秸稈堆漚還田或過腹還田技術(shù)進行有效補充。這主要有兩個原因，一是黃淮海地區(qū)是我國的畜牧業(yè)大區(qū)，將不易腐解的玉米秸稈作為飼料，既解決了畜牧養(yǎng)殖的飼料來源問題，又消納了大量的農(nóng)作物秸稈；二是由于黃淮海地區(qū)土壤墑情不足，秸稈堆漚還田技術(shù)可以在干旱少水條件下，快速腐解秸稈，避免了秸稈還田量大而導(dǎo)致的秸稈不易腐爛的問題。對于農(nóng)業(yè)機械，應(yīng)提高切碎機的秸稈切碎質(zhì)量及鎮(zhèn)壓機的鎮(zhèn)壓質(zhì)量，避免土壤漏風(fēng)跑墑。黃淮海地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)比較發(fā)達(dá)，應(yīng)提倡使用秸稈生物反應(yīng)堆技術(shù)，不但可以消耗部分秸稈，還可以改善大棚生產(chǎn)的微生態(tài)環(huán)境［39］。

2.4.3 長江中下游地區(qū)

長江中下游地區(qū)擁有大量的水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、油菜秸稈。種植制度主要是稻麥（油）、雙季稻輪作。目前，長江中下游地區(qū)的秸稈養(yǎng)分還田利用主要存在以下幾個問題：（1）土壤質(zhì)地粘重，機械化直接還田成本較高，降低了農(nóng)戶的還田意愿度；（2）農(nóng)時緊張，如在雙季稻地區(qū)，短短幾天內(nèi)，農(nóng)民要完成早稻的收獲、秸稈還田作業(yè)、晚稻的播種，時間緊張；（3）土壤微生物活躍，爭“氮”現(xiàn)象比較嚴(yán)重。為解決這些問題，在長江中下游地區(qū)應(yīng)采用水稻粉碎旋耕還田技術(shù)，旋耕可以在土壤質(zhì)地粘重的地區(qū)減少作業(yè)成本。機械切碎長度應(yīng)小于8 cm，旋耕深度應(yīng)大于12 cm為最佳。在農(nóng)作物收割后，應(yīng)立即進行秸稈還田作業(yè)，避免因秸稈失水導(dǎo)致的不易腐爛問題。此外，要確保土壤水分充足，若水分不足，應(yīng)及時灌溉。由于農(nóng)時較短，長江中下游地區(qū)應(yīng)推廣秸稈的腐熟還田技術(shù)，該技術(shù)主要有兩類，一是水稻免耕拋秧時覆蓋秸稈的快速腐熟處理；二是小麥、油菜等作物免耕撒播時覆蓋秸稈的快速腐熟處理。該技術(shù)通過適宜的腐熟菌劑，可以在高溫多雨的地區(qū)快速腐解秸稈［39］。最后，在晚稻播種前，應(yīng)適當(dāng)配施氮肥，避免秸稈與微生物爭“氮”的問題。

3 結(jié)論

全國秸稈資源總量大，2017年全國理論秸稈資源量約為8.55億t，可收集量約為6.99億t。其中三大作物玉米、水稻和小麥的秸稈資源量最多，共占全國秸稈資源總量的83.76%。我國秸稈資源有明顯的空間分布特征，東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、長江中下游地區(qū)最多，共占全國秸稈資源總量的68.66%。

秸稈資源可作為肥料返回到農(nóng)田中，具有很大的養(yǎng)分還田潛力。經(jīng)計算，2017年秸稈理論養(yǎng)分含量約為758.66萬t（N）、238.84萬t（P2O5）、1 316.36萬t（K2O），分別可替代當(dāng)年約34.15%的氮肥、29.95%的磷肥、212.40%的鉀肥。此外，根據(jù)當(dāng)年秸稈綜合利用情況和養(yǎng)分還田率，實際可還田的養(yǎng)分可替代約19.38%的氮肥、23.28%的磷肥、166.81%的鉀肥。相比秸稈全量還田，實際可還田養(yǎng)分還有很大的提升潛力。此外，不同地區(qū)的秸稈資源可替代化肥潛力不同，東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、長江中下游地區(qū)的秸稈可替代化肥潛力要大于其他區(qū)域。因此，提高秸稈的可收集率，充分利用不同利用方式下的秸稈養(yǎng)分，減少秸稈在各種利用方式下的養(yǎng)分損失以及因地制宜地發(fā)揮秸稈資源養(yǎng)分潛力十分重要。

由于各地自然和生產(chǎn)條件的差異，不同糧食主產(chǎn)區(qū)（東北地區(qū)、黃淮海地區(qū)、長江中下游地區(qū)）的秸稈養(yǎng)分還田應(yīng)因地制宜，采取不同的技術(shù)措施和手段。東北地區(qū)宜采用秸稈粉碎后的旋耕或翻耕還田模式，并定期進行深耕作業(yè)；黃淮海地區(qū)宜將小麥秸稈粉碎后覆蓋還田、玉米秸稈粉碎旋耕或翻耕還田，定期進行深耕或深松；長江中下游地區(qū)宜采用秸稈粉碎旋耕混埋還田技術(shù)，控制好機械切碎長度和旋耕深度。此外，在東北和黃淮海地區(qū)應(yīng)將過腹還田與堆漚還田作為機械化直接還田的重要補充，構(gòu)建種養(yǎng)結(jié)合的農(nóng)業(yè)循環(huán)模式。