主要农作物秸秆养分资源现状及其肥料替代潜力分析*——以安徽省为例

程文龙, 韩 上, 李 敏, 王 慧, 卜容燕, 曹哲伟, 唐 杉, 武 际

主要农作物秸秆养分资源现状及其肥料替代潜力分析*——以安徽省为例

程文龙, 韩 上, 李 敏, 王 慧, 卜容燕, 曹哲伟, 唐 杉, 武 际**

(安徽省农业科学院土壤肥料研究所/养分循环与资源环境安徽省重点实验室 合肥 230031)

安徽省农作物秸秆资源丰富, 充分利用秸秆养分资源对于农田养分投入的合理分配具有重要意义。评估全省主要农作物秸秆还田当季有效养分替代化肥潜力, 可为安徽省减肥增效提供科学依据。本研究以安徽种植面积较大的主要农作物水稻、小麦、玉米、大豆、花生和油菜为研究对象, 通过查阅安徽省统计数据和公开发表的文献资料, 对2017年安徽省主要农作物秸秆数量、秸秆还田率以及还田当季养分利用率进行估算, 明晰了全省化肥减施潜力。结果表明: 2017年安徽省主要农作物秸秆资源量为4 699.9万t, 秸秆资源分布上呈北部和中部较多、南部最少的特征。秸秆养分资源总量为124.8万t, N、P2O5和K2O分别为38.1万t、11.4万t和75.3万t, 分别占全省主要农作物养分需求的40.1%、32.1%和68.9%。理论上, 秸秆全量还田, 且养分充分利用的情况下, 秸秆养分替代化肥潜力大。但秸秆养分N、P2O5和K2O当季利用率分别为38.9%、52.3%和69.9%, 实际秸秆N、P2O5和K2O养分还田量仅占主要农作物养分需求的15.6%、16.8%和48.2%, 分别占农田养分总投入量的8.6%、6.4%和41.4%。通过秸秆还田, 全省可减施化肥63.3万t, 减施比例为19.8%, N、P2O5和K2O减施比例分别为11.4%、17.2%、40.7%。进一步提高秸秆还田率和当季养分释放率, 是推进全省化肥减施增效的有利手段。

秸秆产量; 秸秆养分资源量; 当季养分利用率; 化肥; 安徽省

安徽省作为农业大省, 常年化肥施用量较大, 据中国统计年鉴数据显示, 2017年安徽省化肥施用量达318.7万t, 位居全国第4[1]。大量施用化肥在一定程度提高了作物产量, 但易造成土壤耕地酸化、污染等问题, 致使耕地严重退化[2]。而安徽省秸秆资源丰富, 常年可收集的农作物秸秆达4 800万t[3], 且秸秆含有丰富的碳、氮、磷、钾以及各种中、微量营养元素[4-6]。秸秆还田是秸秆资源的有效利用途径, 同时还田后秸秆作为重要的有机肥源具有较大的化肥替代潜力。当前安徽省普遍存在施肥过量现象, 为落实新时代国家粮食安全战略和实施“藏粮于地, 藏粮于技”战略, 推进农业供给侧结构性改革, 提升耕地质量, 评估安徽省主要农作物秸秆养分资源数量及替代化肥潜力具有重要意义。

前人对安徽省主要农作物秸秆养分资源量及其肥料替代潜力进行了大量研究。鲍恩财等[7]研究表明, 安徽省秸秆资源分布呈现由北向南逐步递减的趋势, 利用潜力上, 由北向南可分为重点开发区、适度开发区和限制开发区。王晓斌[8]指出, 2011年安徽省主要农作物秸秆养分资源主要分布于淮北地区和江淮地区, 全省秸秆养分资源可替代化肥N、P2O5和K2O潜力分别为47.9万t、15.0万t和90.4万t。关于秸秆养分资源替代肥料潜力的研究, 前人主要集中于秸秆资源等养分替代化肥效果, 而对秸秆替代化肥后, 当季秸秆还田的养分有效性缺乏系统性评估。本文利用2017年安徽省统计年鉴数据和对已发表资料的统计, 探讨和分析了安徽省主要秸秆当季还田有效养分量及其替代化肥潜力, 以期为安徽省秸秆资源的高效利用、化肥减量增效提供理论依据。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究对象

本文研究对象为安徽省主要农作物秸秆。研究作物主要有水稻()、小麦()、玉米()、大豆()、花生()和油菜()。

1.2 秸秆养分资源数量的核算方法

通过作物经济产量数据计算得到秸秆产量(), 根据秸秆养分含量计算养分资源量。计算公式如下:

M=∑Y×R(1)

N=W×N(2)

P=W×P×2.29(3)

K=W×K×1.2(4)

式中:M为第个市农作物秸秆资源数量,Y为第个市的第种农作物的产量,R为第种农作物的草谷比,N为秸秆氮素(N)养分资源量,W为第种农作物秸秆资源数量,N为第种农作物秸秆氮素养分含量,P为秸秆磷素(P2O5)养分资源量,P为第种农作物秸秆磷素养分含量, 2.29为单质磷折算P2O5的系数,K为秸秆钾素(K2O)养分资源量,K为第种农作物秸秆钾素养分含量, 1.2为单质钾折算为K2O的系数。

本文涉及的农作物产量、种植面积及化肥施用量均来自于《安徽省统计年鉴 2018》。农作物草谷比和作物单位经济产量所需吸收的养分数量(表1)均通过查询国内外大量文献确定。秸秆养分含量参考全国农技推广站中心数据(表1)[9]。

表1 不同作物的草谷比、秸秆养分含量(风干基)和单位经济产量所需养分量

1.3 秸秆养分资源数量及化肥减施量的核算方法

秸秆还田当季释放的无机养分才能被作物吸收利用, 因此秸秆还田有效养分=秸秆养分资源量×秸秆还田率(%)×当季养分释放率(%)。安徽省秸秆还田率和当季养分释放率参考刘晓永[24]研究结果(表2)。减施化肥量=2017年化肥施用量+秸秆还田有效养分-推荐施肥量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010、ArcGIS 10.2对数据进行处理和作图。

表2 作物秸秆还田率及养分当季释放率[24]

2 结果与分析

2.1 安徽省主要农作物秸秆资源量及其分布情况

本研究估算2017年安徽省主要农作物秸秆资源量为4 699.9万t(表3), 其中秸秆数量仍以水稻、小麦和玉米三大粮食作物最高, 分别占总量的34.4%、38.3%和13.7%, 其他作物秸秆总量仅占13.6%。从秸秆养分资源数量看, 水稻、小麦和玉米三大粮食作物养分资源数量分别占总养分量的40.9%、29.1%和13.0%, 其他作物以油菜秸秆养分资源数量最高, 占9.0%。作物秸秆以水稻氮、磷和钾养分数量最高, 分别占单质养分总量的35.2%、38.6%和44.2%。

从不同地区主要农作物的秸秆(水稻、小麦、玉米、大豆、花生、油菜)及其养分资源分布来看, 2017年安徽省16个市的秸秆及其养分资源分布各地区差异较大(表4), 江淮地区和淮北地区秸秆总量较多, 分别占全省总量的40.9%和39.0%, 其中秸秆数量前3的市为阜阳、亳州和宿州, 分别占全省秸秆总量的13.7%、11.5% 和10.6%。秸秆养分资源总量最高的为阜阳, 其次为滁州和亳州, 分别占全省秸秆养分资源总量的12.0%、10.8%和9.8%。从各市的秸秆数量看, 大于400万t的市4个, 300万~400万t的市4个, 200万~300万t的市1个, 100万~200万t的市4个, 低于100万t的市3个。

2.2 主要农作物化学养分需求及其分布情况

安徽省2017年主要农作物产量为4 097.7万t, 包括水稻、小麦、玉米、大豆、花生和油菜, 种植面积738万hm2, 作物理论化学养分需求总量为239.8万t。N、P2O5和K2O需求量分别为95.2万t、35.5万t、109.1万t(表5)。在生产中三大粮食作物仍占据主要地位, 其中作物产量以小麦最高, 其次为水稻和玉米; 小麦对N、P2O5、K2O需求量最高, 分别为40.3万t、13.9万t、45.3万t。在本研究的作物中产量和种植面积最低的为花生, 其对N、P2O5和K2O需求量最低。

表3 2017年安徽省不同作物秸秆量、秸秆养分资源量及其在全部秸秆中的占比

表4 2017年安徽省不同地区水稻、小麦、玉米、大豆、花生、油菜等主要农作物秸秆及其养分资源分布

表5 2017年安徽省主要作物产量、种植面积及养分需求量

从全省不同地区主要农作物的养分需求分布来看, 2017年安徽省16个市的主要农作物养分需求呈现由北向南递减的趋势(表6), 淮北地区和江淮地区养分需求总量较多, 分别占全省总量的43.0%和38.9%, 沿江地区和江南地区次之, 占全省总量的12.6%和5.5%。其中作物养分需求量前3的市为阜阳、亳州和宿州, 分别占全省作物养分需求总量的14.8%、12.8%和11.9%。

表6 2017年安徽省不同地区主要农作物养分需求分布

2.3 作物养分需求与秸秆养分量、化肥施用量对比分析

将安徽省复合肥的N∶P2O5∶K2O按照1∶1∶0.8计入单质肥, 得到全省的化肥施用情况[24]。全省主要农作物养分需求与秸秆养分量及化肥施用量的对比如图1所示。总体来看2017年全省氮肥、磷肥施用过量, 而钾肥偏低。全省化肥施用总量为318.7万t, N、P2O5和K2O分别为156.4万t、88.0万t和74.3万t, N∶P2O5∶K2O为1∶0.56∶0.47。N、P2O5和K2O化肥施用量分别是作物养分需求量的1.6倍、2.5倍和0.7倍。从区域分布上看, 化肥施肥总量: 江淮地区>淮北地区>沿江地区>江南地区, 各区域施肥总量占全省总量比例分别为43.4%、33.7%、16.1%、6.9%。全省共有6个市的氮肥用量超过了作物养分需求量的2倍, 13个市的磷肥用量超过作物养分需求量的2倍, 全省各市钾肥用量是作物养分需求量的0.5~1.1倍, 有15个市的钾肥用量均低于作物养分需求量。施肥强度上, 2017年安徽省农作物单位播种面积化肥施用强度为360 kg×hm-2, 中国农作物单位播种面积化肥施用强度为352 kg×hm-2, 均远高于联合国粮农组织规定的化肥施用限值225 kg×hm-2。全省16市均高于联合国粮农组织规定的化肥施用限值, 而超过安徽省平均水平的市达6个。

全省的秸秆养分总量为124.8万t, N、P2O5和K2O分别为38.1万t、11.4万t和75.3万t。秸秆养分总量占全省作物养分需求量的52.0%, N、P2O5和K2O分别占全省作物养分需求量的40.1%、32.1%和68.9%。秸秆养分总量占全省化肥施用量的39.2%, N、P2O5和K2O分别占全省化肥施用量的24.1%、13.0%和101.4%。理论上, 秸秆全量还田, 且养分充分利用的情况下, 全省秸秆养分总量替代化肥潜力为39.2%, 其中替代化肥潜力较大的为六安(57.1%)、马鞍山(49.7%)、池州(48.6%)、铜陵(46.8%)、合肥(45.0%)等市。施肥强度上, 秸秆全量还田替代化肥后, 全省平均施肥强度由360 kg×hm–2降为211 kg×hm–2, 超过安徽省平均水平的市由6个降为1个, 高于联合国粮农组织规定的化肥施用限值的市由16个降为5个。因此, 理论上, 安徽省秸秆全量还田, 且充分利用的情况下, 具有较大的替代化肥潜力, 但实际上秸秆养分还需进一步考虑其还田量以及当季养分释放率。

2.4 秸秆替代化肥潜力分析

依据各种主要农作物秸秆的还田率及当季养分释放率得出秸秆还田的有效养分[24]。如图2所示, 全省秸秆还田当季有效养分总量为73.4万t, N、P2O5和K2O分别为14.8万t、6.0万t和52.6万t。秸秆还田当季有效养分总量占全省作物养分需求的30.6%, N、P2O5和K2O分别占全省作物养分需求15.6%、16.8%和48.2%。农田养分(秸秆和化肥)总投入量为392.1万t, N、P2O5和K2O分别为171.2万t、94.0万t和126.9万t。农田养分总投入量是全省作物养分需求量的1.6倍, N、P2O5和K2O分别为1.8倍、2.6倍和1.2倍。全省有8个市农田氮养分投入量和15个市的农田磷养分投入量超过了作物养分需求的2倍以上。

与全省推荐施肥量相比[24], 安徽省总减肥量为63.3万t, 减施比例为19.8%; N、P2O5和K2O减施量分别为17.9万t、15.1万t和30.2万t, 减施比例分别为11.4%、17.2%、40.7%。淮南、蚌埠、滁州、淮北、芜湖、马鞍山等市, 氮磷钾肥均有较大的减施潜力, 显著高于其他市, 其中以淮南(58.3%)、蚌埠(42.0%)、滁州(40.6%)减施潜力最大。铜陵、安庆、亳州、阜阳等市磷钾肥减施潜力较大, 但需补充氮肥。六安、池州、合肥、宿州需补充氮磷肥, 黄山需补充氮磷钾肥。减施化肥后, 秸秆还田有效养分N、P2O5和K2O占全省农田养分总投入量的比重分别由8.7%、6.3%和41.5%, 提升至9.7%、7.6%和54.4%。因此, 秸秆还田减施化肥后, 在全省氮磷肥投入上, 化肥仍占据很大的比重, 未来仍具有较大的减施空间, 需进一步通过调节碳氮比[25], 添加腐熟剂[26], 对秸秆进行酸化、氨化或微波等处理[27], 以提高秸秆还田的当季养分释放率。

3 讨论

随着我国产业结构调整, 农业综合生产水平持续提高, 农作物秸秆资源量显著增加, 还田秸秆养分资源量呈不断增加趋势。2006年中国农作物秸秆养分资源量N、P2O5和K2O分别为776万t、249万t和1 342万t[15], 经过近10年农业生产水平的发展, 2015年中国农作物秸秆养分资源量显著提高, N、P2O5和K2O分别达1 481.6万t、419万t和1 885.1万t[28], 可替代单质化肥比例分别为38.4%、18.9%和85.5%[29]。2017年安徽省秸秆养分资源量N、P2O5和K2O分别占全省作物养分需求量的40.1%、32.1%和68.9%, 从养分总量上看, 秸秆能有效填补部分农田养分的支出, 特别是能有效缓解钾肥不足的现状。但秸秆在收集、还田处理及田间腐解过程中均伴随着养分的损失, 因此秸秆还田率和养分释放率是当季秸秆还田有效养分的重要参数指标。2017年安徽省秸秆还田当季有效养分N、P2O5和K2O分别仅占全省作物养分需求15.6%、16.8%和48.2%, 全省秸秆养分N、P2O5和K2O当季利用率分别为38.9%、52.3%和69.9%, 约60%的氮和50%的磷未被利用, 未来可通过加强秸秆养分资源利用、提高秸秆还田关键技术等[29], 进一步提高秸秆的当季养分利用率。

安徽省农业生产区域化布局明显, 农作物秸秆分布具有显著区域特点, 整体呈现由北向南逐步递减的趋势[7]。2017年安徽省主要农作物秸秆资源量为4 699.9万t, 秸秆分布呈现北部和中部较多, 南部最少。这主要由于安徽淮北地区和江淮地区主要以平原为主, 地理条件优越, 是粮食的主产区, 秸秆多集中于此, 具有较大的资源潜力。农田总养分投入方面, 需进一步提高秸秆养分投入的占比, 进而合理优化农田养分投入结构。2017年全省农田养分总投入392.1万t, 秸秆还田有效养分和化肥占比分别为18.7%和81.3%, 农田养分总投入量是全省作物养分需求的1.6倍, N、P2O5和K2O分别为1.8倍、2.6倍和1.2倍。刘钦普[30]对安徽省面源污染的研究结果表明, 全省氮、磷和钾3种单质肥料的环境污染风险程度分别为中度、高度和低度。本研究中, 全省有8个市的农田氮养分和15个市的农田磷养分总投入量超过了作物养分需求的2倍以上, 存在一定程度的环境污染风险。2017年安徽省总减肥量为63.3万t, 减施比例为19.8%, N、P2O5和K2O减施量分别为17.9万t、15.1万t和30.2万t, 减施比例分别为11.4%、17.2%、40.7%。秸秆减施化肥后, 在全省氮磷肥的投入上, 化肥仍占据着很大的比重。其中氮肥施用较高的市主要集中于江淮地区, 而全省秸秆养分资源量以江淮地区最为丰富, 是发展秸秆养分还田的优势区域, 氮肥减施潜力大。进一步根据全省秸秆资源分布的区域特性, 在秸秆资源优势区域, 提高秸秆的还田率、养分释放率, 加大秸秆当季有效养分减施化肥潜力, 有利于改善全省化肥施用过量的现状。

安徽省作为农业大省, 是全国重要的商品粮生产基地。但全省耕地地力基础较差, 主要以中低产田为主[31]。加强秸秆还田有利于提高土壤有机质含量和肥料利用率[29]。2017年安徽省主要农作物秸秆资源量为4 699.9万t, 秸秆数量仍以水稻、小麦和玉米三大粮食作物最多, 共占比达86.4%。如何有效提高三大粮食作物秸秆直接还田的养分利用率显得尤为重要。已有的研究表明, 通过调节秸秆碳氮比[25], 秸秆碳化处理等方式[32], 可在一定程度上提高秸秆还田的养分释放率。此外, 秸秆区域化布局日趋明显, 在全省农业较为发达的地区, 秸秆资源丰富的北部和中部, 可加大秸秆机械化还田, 有利于秸秆资源的规模化利用, 提高资源利用率。而安徽南方稻区存在大面积的冬闲田, 是发展绿肥优势区域, 有利于调节粮食作物秸秆还田后的碳氮比, 促进秸秆养分的释放。因此, 充分利用安徽省秸秆区域化布局特点, 发挥区域优势, 进一步降低安徽省化肥使用潜力。

4 结论

1)2017年安徽省主要农作物秸秆资源量为4 699.9万t, 其中秸秆数量以水稻、小麦和玉米三大粮食作物最多, 共占比达86.4%, 秸秆资源分布呈现北部和中部较多, 南部最少。

2)全省农田养分总投入量(秸秆和化肥)为392.1万t, 秸秆还田有效养分和化肥占比分别为18.7%和81.3%。农田养分总投入量N、P2O5和K2O分别为171.2万t、94.0万t和126.9万t, 是作物养分需求的1.8倍、2.6倍和1.2倍。全省有8个市的农田氮和15个市的磷养分总投入量超过了作物养分需求的2倍以上, 存在一定的环境污染风险。

3)安徽省主要农作物秸秆养分资源总量当季利用率为58.8%, N、P2O5和K2O分别为38.9%、52.3%和69.9%。全省总减肥量为63.3万t, 减施比例为19.8%, N、P2O5和K2O减施量分别为17.9万t、15.1万t和30.2万t, 减施比例分别为11.4%、17.2%、40.7%。

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Current situation of the main crop straw nutrient resources and the substitute potential of crop straw for chemical fertilizer: A case study of Anhui Province*

CHENG Wenlong, HAN Shang, LI Min, WANG Hui, BU Rongyan, CAO Zhewei, TANG Shan, WU Ji**

(Soil and Fertilizer Research Institute, Anhui Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Nutrient Cycling and Resource Environment of Anhui Province, Hefei 230031, China)

Anhui Province is rich in crop straw resources,it is important to fully utilize straw nutrient resources for the purpose of maintaining a nutrient balance in farmlands. For this cause, the potential of straw as a natural alternative to chemical fertilizers was evaluated in order to provide a scientific basis for the reduced use of chemical fertilizers in Anhui Province. In this study, we selected main crops such as rice, wheat, corn, soybean, peanut, and rape as study subjects in Anhui Province. We consulted the published literature and statistical data, and estimated the amount of straw, straw return rate, and nutrient utilization rate of main crops in Anhui Province in 2017. The results showed that the amount of straw estimated at 46.999 million tons in 2017. Furthermore, the distribution of straw resources was more in the northern and the middle regions of the province, and less in the southern regions. We also found that the total amount of straw nutrient resources was 1.248 million tons. The amounts of N, P2O5, and K2O were 0.381, 0.114, and 0.753 million tons, respectively, and these accounted for 40.1%, 32.1%, and 68.9% of the main crop nutrient requirements of the entire province. Therefore, the potential of straw replacing chemical fertilizers is great in theory when all the straw is returned to the soil and the nutrients in the straw are fully utilized. However, the utilization rates of N, P2O5, and K2O were only 38.9%, 52.3%, and 69.9%, respectively. The actual nutrients contents of N, P2O5, and K2O of crop straws returned to the field accounted for only 15.6%, 16.8%, and 48.2%, respectively, of the nutrient demands of the main crops. Moreover, the actual amounts of N, P2O5, and K2O

to the field accounted for 8.6%, 6.4%, and 41.4% of the total input, respectively. By returning straw to the farmland, approximately 0.633 million tons of chemical fertilizer can be saved, representing 19.8% of the amount of chemical fertilizer that would have been used without the straw. It is also worth noting that the application reduction rates of N, P2O5, and K2O were 11.4%, 17.2%, and 40.7%, respectively. Thus, the improvement in straw returning-to-field rate and release rate of nutrients in crop growth period point towards the benefits of promoting the reduced use of chemical fertilizers.

Straw yield; Straw nutrient resources; Nutrient utilization rate in season; Chemical fertilizer; Anhui Province

, E-mail: wuji338@163.com

Mar. 25, 2020;

May 29, 2020

S141

10.13930/j.cnki.cjea.200219

程文龙, 韩上, 李敏, 王慧, 卜容燕, 曹哲伟, 唐杉, 武际. 主要农作物秸秆养分资源现状及其肥料替代潜力分析——以安徽省为例[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(11): 1789-1798

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* 国家重点研发计划项目(2018YFD0200900)、公益性行业科研专项(201503122)和安徽省重点研究与开发计划项目(1704e1002237)资助

武际, 主要从事绿肥作物综合利用技术、土壤培肥及作物高效施肥技术研究。E-mail: wuji338@163.com

程文龙, 主要从事植物营养与作物施肥技术研究。E-mail: wlchengche@163.com

2020-03-25

2020-05-29

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2018YFD0200900), the Public Welfare Industry Research Project of China (201503122), and the Key Research and Development Project of Anhui Province (1704e1002237).