我国春麦区小麦化肥有机替代潜力分析

贾立国，石晓华，苏亚拉其其格，秦永林，于静，陈杨，樊明寿

我国春麦区小麦化肥有机替代潜力分析

贾立国1，石晓华1，苏亚拉其其格2，秦永林1，于静1，陈杨2，樊明寿1

（1内蒙古农业大学农学院，呼和浩特 010019；2内蒙古农业大学草原与资源环境学院，呼和浩特 010011）

【】明确我国春小麦养分管理的主要问题，因地制宜地提出不同省（区）春小麦化肥有机替代的技术途径，为春小麦生产化肥零增长和可持续发展提供参考。通过农户实地调研与农户调研文献资料收集的2 166组数据，比较分析不同省（区）春小麦养分管理存在的问题。通过国家统计局网站2018年公布的最新牲畜数量、春小麦播种面积和产量等数据，利用已发表文献关于牲畜粪、秸秆和绿肥作物的养分含量，定量化分析春小麦主要省（区）的化肥有机替代潜力，结合气候、土壤和有机资源现状，提出适宜不同省（区）春小麦有机替代途径。化学氮肥和磷肥施用过量、钾肥和有机肥施用不足是我国春小麦养分管理存在的主要问题，其中尤以内蒙古西部和宁夏黄灌区氮肥过量施用最为严重。春麦区大牲畜和羊的数量约占全国的1/3和1/2，牲畜粪提供的氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）养分量分别为238.6×104、57.6×104和141.0×104t·a-1，牲畜粪N、P2O5和K2O在春小麦上的有机替代潜力分别为78.2%、48.1%和43.1%。春麦区秸秆还田总量折合410.2×104t，单位面积麦田氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）可还田量分别为11.4、2.5和31.9 kg·hm-2，通过秸秆还田N、P2O5和K2O当季有机替代潜力分别为4.9%、3.3%和22.7%。通过绿肥进行春小麦有机替代，绿肥的养分如充分释放完全可以满足春小麦对氮、磷、钾养分的需求。针对我国春小麦化肥过量和不合理施用的问题，可以通过牲畜粪肥、秸秆还田和种植绿肥三大有机替代途径加以解决。其中，牲畜粪肥在春小麦上N、P2O5和K2O的有机替代潜力分别为78.2%、48.1%和43.1%；秸秆还田N、P2O5和K2O当季有机替代潜力分别为4.9%、3.3%和22.7%；绿肥的养分如充分释放完全可以实现春小麦化肥氮、磷、钾的有机替代。不同省区在选择有机替代方式时应从资源、成本和技术等角度综合考虑。

春小麦；有机替代；秸秆还田；绿肥

0 引言

【研究意义】春小麦主要分布在内蒙古、新疆、甘肃、青海、黑龙江、宁夏六大省（区），另外在天津、河北和西藏有小面积的种植，春小麦种植区气温普遍较低，生产季节短，以一年一熟为主[1]。因生育期较短，单产水平普遍低于冬小麦，但是春小麦在区域和国家粮食生产中占有非常重要的地位。农户为了增加春小麦产量，不断增加化肥的投入，特别是内蒙古西部和宁夏的引黄灌区小麦生产上氮肥投入严重过量，而钾肥及有机肥投入又普遍偏低，致使产量和肥料利用效率较低[2-5]。内蒙古东部和黑龙江旱作春小麦区化肥投入量不高，但是土壤腐殖层逐年变薄，土壤有机质含量大幅减少、小麦肥料利用率低等问题正威胁着当地农业可持续发展[6]。实现春小麦化肥减施增效关系到整个北方地区农业可持续发展，符合生态优先绿色发展的国家战略。【前人研究进展】有机肥替代化肥是实现化肥用量零增长的重要途径，实现的方式主要包括施用畜禽粪便、秸秆还田和种植绿肥等[7-9]。在春小麦上进行有机替代的研究表明，以腐熟的羊粪为有机肥钾替代化肥钾的比例在30%—60%时，可实现小麦产量和钾肥利用效率的协同提升[10]。在冬小麦上的长期定位试验结果表明，发酵有机肥和秸秆还田部分替代化学氮均能显著提升小麦产量和水分利用效率，其中发酵有机肥的效果最好，10年平均产量较单施化肥增加25.4%[11]。连续18年的长期定位试验结果表明，作物秸秆长期直接施用在土壤培肥方面与腐熟有机肥效果基本相同，均对土壤理化性质有很大的改善，同时可提高作物产量[8]。化肥氮的有机氮替代率受土壤本身有机碳含量影响，长期施用有机肥可显著提高土壤有机碳含量，在黑土土壤有机碳含量达到约25 g·kg-1时，有机肥对化肥的替代率可近95%[12]。但是，绝大多数土壤在有机碳含量不是太高的条件下，化学氮肥有机替代比例50%—70%较为适宜，比例太高会导致产量和肥效的降低[10,12-13]。合理种植绿肥可以提高后茬麦田土壤有益菌群落数量，改善土壤物理结构，转化土壤难溶性养分，增加土壤肥力，在河套灌区植田菁、草木樨等绿肥还可降低盐碱危害[14-15]。【本研究切入点】鉴于北方春麦区在保障区域和国家粮食安全方面的重要作用，同时响应化肥零增长、生态优先绿色发展等国家战略，针对目前春小麦生产过程中化肥过量和不合理利用的问题，探讨有机肥部分替代化肥在春小麦绿色生产中的技术途径，依据不同春小麦省区气候、土壤、资源现状及栽培模式寻求适宜的有机替代模式。【拟解决的关键问题】在明确春小麦生产中化肥施用的现状和问题的基础上，通过对牲畜粪肥、秸秆还田和绿肥资源的定量化分析，并结合不同春麦省区气候、土壤及生产条件等进行综合考量，提出适宜于不同省区春小麦化肥有机替代的技术途径，旨在实现春小麦生产化肥零增长和绿色可持续发展。

1 材料与方法

1.1 数据来源

内蒙古东部和西部农户春小麦产量和施肥量数据通过实地调研获取，调研年份为2018年，调研的方式以实地面访的形式进行。东部调研的区域主要为呼伦贝尔市，分别在海拉尔、牙克石和额尔古纳选择10—15个农场进行问卷调查；西部调研的区域为巴彦淖尔市，分别在临河区、五原县、杭锦后旗和乌拉特前旗进行问卷调查，每县（区）选择代表性乡（镇）3—4个，每乡镇3—5个村，每村随机选3个以上春小麦种植农户为调查对象。新疆、宁夏、甘肃和青海农户小麦产量及施肥量数据通过最新发表的文献获得[2-5]，其中新疆的数据分滴灌和漫灌方式分别进行数据整理和分析。

春麦区各省份的大牲畜和羊的数量、春小麦种植面积和产量（内蒙古产量数据除外）等数据来源于国家统计局2018年（最新）数据，其中大牲畜和羊的数量为2018年底头（只）数。

1.2 数据分析方法

小麦养分利用效率通过肥料偏生产力表示，具体计算方法如下：

氮（磷、钾）肥偏生产力（kg·kg-1）=施氮（磷、钾）区产量/施氮（磷、钾）量；

牲畜粪排泄量（鲜基）及其养分含量估算方法如下：

TM=∑（Na×C1）

式中，TM表示某省区大牲畜和羊粪排泄总量（万吨/年，鲜基）；Na表示某种牲畜年底数量（万头或万只）；C1为牲畜排泄量系数（吨/年），其中牛和骆驼为10.1，马为5.9，驴和骡为5.0，羊为0.87[16]。

TN=∑（Nm×C2）

式中，TN为牲畜粪N、P2O5或K2O养分总量（万吨/年）；Nm表示某种牲畜年排泄粪量（万吨/年，鲜基）；C2为牲畜粪养分含量（占鲜基%），具体含量参照刘晓永等[16]的参数进行计算，其中骆驼和牛粪氮（纯N）、磷（P2O5）、钾（K2O）鲜基含量均按照0.38%、0.10%和0.24%折算。

小麦秸秆还田量及其养分含量采用国际上通用的草谷比1.1来估算，小麦秸秆直接还田率按照46.0%计算，燃烧还田率按照13.9%计算，秸秆氮磷钾养分还田量按下列方法估算[17]：

TN（TP, TK）=Y×R×Nc（Pc, Kc）

式中，TN、TP、TK分别为秸秆氮、磷、钾资源量，其中Y 为小麦经济产量，R为草谷比，Nc、Pc、Kc分别为秸秆N、P2O5、K2O含量，分别按照0.54%、0.09%和1.16%折算[17]。

秸秆还田化肥有机替代潜力根据秸秆还田当季养分释放率估算：

PN（PP, PK）= TN（TP, TK）×C3

式中，PN、PP、PK分别为秸秆氮、磷、钾有机替代潜力（量），C3表示秸秆氮、磷、钾当季释放率[17]。

绿肥作物的养分含量来源于文献报道[18-20]。

2 结果

2.1 春小麦主要产区施肥现状

2.1.1 各省区农户施肥量 通过文献收集和实际生产调研，对我国主要春麦省区的农户春小麦氮、磷、钾施用量进行汇总。分析发现，内蒙古西部、宁夏、新疆部分区域的漫灌春小麦氮肥和磷肥的施入量较高，平均为311.7和193.9 kg·hm-2；新疆的滴灌春小麦氮肥和磷肥的施入量平均为211.1和189.5 kg·hm-2，施肥量低于而产量高于漫灌模式；甘肃、青海、内蒙古东部和黑龙江春小麦主要是旱作，氮肥和磷肥的施入量平均为144.2和117.5 kg·hm-2。钾肥的施用量普遍较低，宁夏漫灌区最高（33.4 kg·hm-2），内蒙古西部漫灌区最低，只有7.5 kg·hm-2，春麦区钾肥平均施入量为19.1 kg·hm-2（表1）。

根据区域测土配方施肥推荐指标，东北春小麦区化肥基本不存在过量施用问题；西北地区农户春小麦氮、磷肥施用普遍过量，而钾肥投入严重不足。其中，宁夏和内蒙古西部黄灌区春小麦过量和不合理施肥最为突出，宁夏黄灌区平均86.4%的种植户氮肥投入过量，44.6%的磷肥施用过量，83.3%的钾肥投入严重不足[3]；我们的调研结果表明，内蒙古黄灌区平均97.4%的春小麦种植户氮肥投入过量，84.2%的磷肥施用过量，调研的所有农户几乎没有施用钾肥的习惯。

2.1.2 养分利用效率分析 肥料偏生产力与施肥量

的趋势相反，各春小麦省区均表现为氮肥和磷肥偏生产力较低、钾肥偏生产力较高（表2）。滴灌和旱作模式下氮肥和磷肥偏生产力总体高于漫灌模式，漫灌条件下钾肥偏生产力最高（宁夏除外）。

2.2 春麦区有机肥资源及其区域分布

2.2.1 春麦区主要牲畜数量及全国占比 牲畜粪便是农田有机肥的主要来源，大牲畜（包括牛、马、驴、骡和骆驼）和羊在北方地区占比较大，是性畜有机肥资源的主要来源。2018年春麦区各省份主要牲畜的数量见表3，其中春麦区牛和骡的数量约占全国约1/3，马和驴的数量占到全国约1/2，而骆驼100%都集中在春麦区各省份，春麦区大牲畜总计约占全国1/3；春麦区羊的数量占到全国的49.4%，约占全国的一半。从各省份的分布来看，各主要牲畜主要集中在内蒙古和新疆（表3）。

表1 我国不同地区春小麦产量及化肥施用量

表中各字母缩写表示如下：WI，Western Inner Mongolia；EI, Eastern Inner Mongolia；NX, Ningxia；XJ, Xinjiang；GS, Gansu；QH, Qinghai. 内蒙古西部和东部的数据来自于农户调研；宁夏的数据参考文献[3]；新疆的数据参考文献[2]；甘肃的数据参考文献[4]；青海的数据参考文献[5]

Region names in the table are abbreviated as follows: WI, Western Inner Mongolia; EI, Eastern Inner Mongolia; NX, Ningxia; XJ, Xinjiang; GS, Gansu; QH, Qinghai. The data in WI and EI were from farmer interview; The data in NX referred as literature [3]; The data in XJ referred as literature [2]; The data in GS referred as literature [4]; The data in QH referred as literature [5]

表2 我国不同地区春小麦化肥偏生产力

表3 我国春麦区主要牲畜数量（万头(只)）

表中各字母缩写表示如下：IM, Inner Mongolia；HLJ, Heilongjiang. 数据来源于国家统计局2018年数据Data source from the National Bureau of Statistics of China in 2018

2.2.2 春麦区主要牲畜粪养分供应量 基于上述各春麦区主要牲畜数量，估算了各省份牲畜粪排泄量及氮、磷、钾养分年度累积量（表4）。不同牲畜粪氮（纯N）、磷（P2O5）、钾（K2O）养分含量参照刘晓永[16-17]的参数进行计算，春麦区牲畜粪总的排泄量及养分累积量如表4，各省份间的分布与牲畜数量规律一致，表现为内蒙古最多，宁夏最少。

2.2.3 可利用养分量及其分布 因各省份春小麦种植面积及占比不同，可用于春小麦的牲畜粪养分量亦有很大差异。为了分析牲畜粪在春小麦上的有机替代潜力，基于有机粪肥在粮食作物总种植面积平均分配的原则，折算了各省份可用于春小麦的牲畜粪养分总量和单位面积可供应量（表5）。按照百公斤籽粒养分需求量折算春小麦省区N、P2O5和K2O需求量，则牲畜粪N、P2O5和K2O的有机替代潜力分别为78.2%、48.1%和43.1%。分析表明，青海不论是可用于春小麦的牲畜粪养分总量还是单位面积可供应量均最多，具有最大的牲畜粪有机替代潜力，其次是宁夏，黑龙江省最小。

表4 我国春小麦区牲畜粪排泄量及其养分累积量（鲜基，万吨/年）

表5 我国各省份春小麦可用牲畜粪养分量

1)春小麦播种面积来源于国家统计局2018年数据1)Data source of spring wheat planting area from the National Bureau of Statistics of China in 2018

2.3 春麦区小麦秸秆资源及其区域分布

2.3.1 秸秆及其养分资源 通过2018年各省份春小麦产量，按照谷草比1.1折算秸秆量[17]，秸秆量表现为内蒙古和新疆最多，宁夏最少。进一步折算了各省春小麦秸秆氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）累积量，各省份秸秆养分量的大小顺序同秸秆量，春麦区氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）总量分别为3.7×104、0.6×104和7.9×104t（表6）。

表6 我国各省份春小麦秸秆及其养分资源量

春小麦产量来源于国家统计局2018年数据 Data source of spring wheat yield from the National Bureau of Statistics of China in 2018

2.3.2 秸秆及其养分还田量 小麦的还田途径主要包括直接还田、燃烧还田和作为牲畜饲料过腹还田，过腹还田与牲畜粪便不易分开，在已经考虑牲畜粪肥资源的条件下，本研究不考虑秸秆过腹还田部分。春麦区秸秆还田总量折合410.2×104t，单位面积还田量在1 977.9—3 622.9 kg·hm-2，平均为2 746.3 kg·hm-2。按照秸秆直接还田氮磷钾养分100%归田，燃烧还田氮素0、磷钾100%归田计算，春麦区单位面积麦田氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）平均还田量分别为11.4、2.5和31.9 kg·hm-2，各省份的差异具体见表7。

表7 我国各省份春小麦秸秆及其养分还田量

2.3.3 秸秆还田化肥有机替代潜力 根据小麦秸秆还田当季养分释放率估算了化肥有机替代潜力，氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）的养分当季释放率分别按照50.11%、62.01%和89.05%进行折算[17]。结果表明，钾肥的可替代量最大、氮肥次之、磷肥最少。通过秸秆还田N、P2O5和K2O当季有机替代潜力分别为4.9%、3.3%和22.7%，新疆和内蒙古总的养分可替代量最大，而单位面积各养分的可替代量表现为甘肃最高（表8）。

2.4 春麦区绿肥资源及其区域分布

2.4.1 适宜春麦区的主要绿肥作物及养分含量 适合于我国北方春麦区的主要绿肥作物包括箭筈豌豆（）、毛苕子（），草木樨（）、沙打旺（）、小冠花（）、田菁（）、饲用油菜（）、黑麦草（）、紫花苜蓿（）等。各绿肥作物的氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）养分含量见表9，氮素和磷素含量各作物间差别不大，分别占鲜重的0.5%—0.7%和0.1%—0.2%之间，钾素含量各作物间差异较大，田菁最低（0.18%），小冠花最高（1.22%）[18]。

表8 我国各省份春小麦秸秆还田化肥有机替代潜力

表9 我国春麦区主要绿肥作物及养分含量

2.4.2 绿肥利用方式及替代潜力 综合春麦区绿肥利用的文献报道，我国春小麦生产中绿肥的种植方式主要包括麦收前（间）套种绿肥和麦后复种绿肥，具体的种植方式又包括单作和混作[21]。绿肥的生物量主要分布在30—60 t·hm-2，也有超过100 t·hm-2的报道，根据养分含量折算的可还田的氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）养分量见表10。根据春小麦的养分需求量（按照每生产100 kg籽粒吸收N、P2O5和K2O分别为2.8、1.1和3.0 kg计算）[22]，按照目前产量水平计算单位面积小麦需氮量为92.5—152.4 kg·hm-2，需磷量（P2O5）为36.2—59.9 kg·hm-2，需钾量（K2O）为99.1—163.3 kg·hm-2，如果还田绿肥的养分能够充分释放，完全可以满足小麦对氮、磷、钾养分的需求。

3 讨论

3.1 春小麦分布区域化肥施用现状与问题

我国春麦区东西跨度较大，各春麦省区气候、土壤特征和栽培模式有很大差异，适宜的施肥量也有较大的不同。但是，不同区域生产单位重量小麦籽粒的养分需求量是相对稳定的，与土壤养分供给相结合可以初步判断适宜的施肥量。研究表明，每生产100 kg小麦籽粒需要氮肥（纯N）、磷肥（P2O5）和钾肥（K2O）用量分别为2.8、1.1和3.0 kg[22]。内蒙古西部、宁夏和新疆灌溉（包括漫灌和滴灌）春小麦平均产量为5 602 kg·hm-2，折合N、P2O5和K2O需要量为156、62和168 kg·hm-2；内蒙古东部、甘肃和青海旱作小麦平均产量为3 911 kg·hm-2，折合N、P2O5和K2O需要量为110、43和117 kg·hm-2。另据吴良全等[23]报道，我国小麦氮肥推荐用量平均为169 kg N·hm-2，磷肥推荐用量平均为77 kg P2O5·hm-2，钾肥推荐用量平均为50 kg K2O·hm-2。分析各春麦省区施肥量发现，氮肥磷肥过量施用、钾肥施用不足是我国春小麦化肥施用的普遍问题。

表10 我国春麦区主要绿肥作物生物量及养分量

氮肥过量施用的问题在灌溉春小麦上尤为突出。从区域分布来看，除内蒙古东部和黑龙江旱作春小麦外，其他春麦省区均存在化肥过量施用，而钾肥施用不足的情况。氮肥的过量施用导致肥料利用效率普遍较低，特别是在内蒙古西部和宁夏漫灌春小麦上尤为明显，均低于适宜的氮肥偏生产力（40—70 kg·kg-1）范围[24]。滴灌春小麦肥料利用效率较高主要归功于高效的水分管理技术，而旱作春小麦肥效较高的原因主要是相对较少的化肥投入量，这在内蒙古东部旱作区表现得尤为明显。钾肥的投入量普遍较低是导致钾肥偏生产力较高的主要原因。

3.2 春小麦区化肥有机替代潜力分析

我国春小麦所在省区具有丰富的牲畜粪便资源，大牲畜（包括牛、马、驴、骡和骆驼）和羊在春麦地区占比较大，约1/3大牲畜和1/2的羊集中在春小麦省区，数量庞大的牲畜产生的粪便为区域春小麦化肥有机替代提供了物质基础。考虑到春麦区大牲畜和羊主要以放养为主，尿液中的养分大多难以收集利用，因此只估算了主要牲畜粪的排泄量及养分累积量。然后，根据各省（区）春小麦占粮食作物的比例进一步估算了单位面积春小麦可分配的牲畜粪及其养分量。研究发现，单位面积的牲畜粪可为春小麦供应N、P2O5和K2O量分别为91.2、22.0和53.9 kg·hm-2，根据百公斤籽粒养分需求量折算六大春小麦省区N、P2O5和K2O需求量分别为116.7、45.8和125.0 kg·hm-2，牲畜粪N、P2O5和K2O的有机替代潜力分别为78.2%、48.1%和43.1%。

秸秆中含有大量的氮、磷、钾等作物必需元素和有机质，还田后在土壤微生物作用下腐解可释放养分、改善土壤结构、提高土壤质量，是重要的有机肥资源[25-26]。在充分考虑春小麦谷草比、秸秆直接还田和燃烧还田养分损失的基础上，六大春小麦省区通过秸秆还田可积累的N、P2O5和K2O量分别为11.4、2.5和31.9 kg·hm-2。根据刘晓永等[16]研究提出的秸秆各养分当季释放率，春麦区单位面积N、P2O5和K2O秸秆还田量分别为5.7、1.5和28.4 kg·hm-2，通过秸秆还田N、P2O5和K2O当季有机替代潜力分别为4.9%、3.3%和22.7%，如果长期进行秸秆还田一些养分会在后作季释放出来，长期来看有机替代的潜力更高。近期的研究表明，在秸秆全量还田的情况下，我国小麦秸秆还田当季化学氮肥可替代总量23.4 kg·hm-2，在考虑还田比例和养分当季释放后，我们的研究结果与柴如山等[27]基本一致。

麦收前（间）套种绿肥和麦后复种绿肥是春小麦化肥有机替代的重要途径，绿肥不仅可以调节土壤养分、增强土壤水分蓄纳，而且在减少养分无效损失、增加农田生态系统生物多样性发面发挥积极效应[21]。适合春麦区种植的绿肥种类很多但不同省区有所差异，主要包括箭筈豌豆、毛苕子、草木樨、沙打旺、小冠花、田菁、饲用油菜、黑麦草、紫花苜蓿等。根据绿肥作物生物量和养分含量估算养分还田量[18-20]，结果表明如果还田绿肥的养分能够充分释放，完全可以满足春小麦对氮、磷、钾养分的需求。

3.3 春麦区化肥适宜有机替代技术分析及展望

内蒙古东部和黑龙江春小麦产区基本不存在化肥过量施用问题，但是近年来土壤有机质含量下降严重，有机替代技术是实现黑土地保护国家战略的重要途径[6]。当地机械化、规模化程度高，小麦生产中也具有秸秆还田的习惯，需要继续保留这一农艺技术途径。在此基础上，基于内蒙古东部区充足的牲畜粪便没有得到有效利用的现状，牲畜粪肥部分替代化肥应作为未来春小麦有机替代需考虑的主要技术途径。黑龙江单位面积春小麦牲畜粪养分供应量较少，可考虑通过休闲或轮作绿肥的途径进行有机替代。

内蒙古西部和宁夏黄灌区是化肥过量施用最严重的春小麦产区，特别是氮肥的过量施用现象严重且普遍。鉴于当地无霜期长、热量资源充足的气候特点，以及具有黄河水灌溉的优势，翻压的秸秆和绿肥能够充分腐解，可以进行秸秆还田和绿肥翻压相结合的有机替代模式。通过选择箭筈豌豆、毛苕子等豆科绿肥作物，延长氮肥的释放时间，大幅度减少化学氮肥的施用量；选择黑麦草等深根系的禾本科绿肥作物，可以吸收因过量施氮淋溶到深层土壤的氮素，减少环境风险，实现氮素的高效利用。另外，宁夏短期内应大力发展秸秆还田和绿肥种植相结合的模式，长期来看应利用单位面积春小麦牲畜粪养分供应充足的优势，在技术和经济适宜的条件下发展牲畜粪有机替代模式。

新疆、青海和甘肃光热资源充足、牲畜粪肥资源丰富，具有进行春小麦化肥有机替代的地理和资源优势，在有机替代途径方面有更多的选择。利用光热资源总体充足及无霜期长的优势，可以选择麦后复种或间套作绿肥作物，同时根据秸秆生物量和土壤腐熟能力进行适度还田。另外，由于该区域地理跨度较大，可能存在粪肥资源与小麦产区距离较远、运输成本较高的问题。因此，这三个省区在秸秆还田和合理种植绿肥的基础上，采取就近取材的原则尽可能增加牲畜粪肥的施用，实现区域春小麦化肥减施增效的目的。

在化肥有机替代的过程中，合理的化肥配施对于春小麦增产增效非常关键。化学氮肥适宜有机替代率的研究相对较多，考虑到秸秆还田养分释放的累积效应，长期来看应该在20%左右，牲畜粪收集还存在成本高等技术壁垒，按照我们估算量一半计算约为40%，而绿肥种植范围还不是很大，具有很大的应用潜力；西部麦区有机质普遍不高，替代比例太高作物会减产，肥料利用效率也会降低，综合考量替代比例50%—70%较为适宜[10,12-13]。但是，由于不同春麦省区气候和土壤理化性状差异较大，有机养分进入土壤当季释放能力不同，适宜的替代比例还需要因地制宜的进一步研究。

4 结论

化学氮、磷肥施用过量，钾肥和有机肥施用不足是我国春小麦养分管理的主要问题。有机替代技术是实现我国春小麦化肥减施增效的重要手段，主要包括牲畜粪肥替代、秸秆还田和种植绿肥等途径。其中，牲畜粪N、P2O5和K2O在春小麦上的有机替代潜力分别为78.2%、48.1%和43.1%；秸秆还田N、P2O5和K2O当季有机替代潜力分别为4.9%、3.3%和22.7%；绿肥的养分如充分释放完全可以实现春小麦化肥氮、磷、钾的有机替代。不同区域应从资源、成本和技术等角度综合考虑适宜的有机替代方式。

[1] 赵广才, 常旭虹, 王德梅, 陶志强, 王艳杰, 杨玉双, 朱英杰. 小麦生产概况及其发展. 作物杂志, 2018(4): 1-7.

ZHAO G C, CHANG X H, WANG D M, TAO Z Q, WANG Y J, YANG Y S, ZHU Y J. General situation and development of wheat production., 2018(4): 1-7. (in Chinese)

[2] 李青军, 赖宁, 耿庆龙, 马彦茹, 陈署晃. 不同灌溉方式下冬小麦和春小麦施肥现状与评价. 新疆农业科学, 2016(5): 893-900.

LI Q J, LAI N, GENG Q L, MA Y R, CHEN S H. Evaluation and present situation of fertilization for winter wheat and spring wheat under different irrigation methods in Qitai County, Xinjiang., 2016(5): 893-900. (in Chinese)

[3] 赵营, 郭鑫年, 赵护兵, 王朝辉. 宁夏引黄灌区春小麦施肥现状与评价. 麦类作物学报, 2014, 34(9): 1274-1280.

ZHAO Y, GUO X N, ZHAO H B, WANG Z H. Evaluation on present situation of fertilization in spring wheat in the Yellow River Irrigation Region of Ningxia., 2014, 34(9): 1274-1280. (in Chinese)

[4] 陈伟, 孙建好, 赵建华. 甘肃省小麦施肥现状分析与评价. 干旱地区农业研究, 2013, 31(2): 23-27.

CHEN W, SUN J H, ZHAO J H. Analysis and evaluation of fertilization situation for wheat in Gansu Province., 2013, 31(2): 23-27. (in Chinese)

[5] 冯承彬, 李吉环, 白惠义, 刘景莉. 青海省春小麦农户施肥状况调查研究. 安徽农业科学, 2017, 45(36): 102-104.

FENG C B, LI J H, BAI H Y, LIU J L. Investigation on current fertilization of spring wheat in Qinghai Province., 2017, 45(36): 102-104. (in Chinese)

[6] 段美惠, 时小翠, 王钰萱, 阎炳和. 有效遏制黑土地退化的方法. 黑龙江科学, 2018, 9(16): 60-61.

DUAN M H, SHI X C, WANG Y X, YAN B H. The methods of effectively curbing the degradation of black land., 2018, 9(16): 60-61. (in Chinese)

[7] XIN X L , QIN, S W, ZHANG J B, ZHU A N, YANG W L, ZHANG X F. Yield, phosphorus use efficiency and balance response to substituting long-term chemical fertilizer use with organic manure in a wheat-maize system., 2017, 208: 27-33.

[8] 杨志臣, 吕贻忠, 张凤荣, 肖小平, 刘沫. 秸秆还田和腐熟有机肥对水稻土培肥效果对比分析. 农业工程学报, 2008, 24(3): 214-218.

YANG Z C, LU Y Z, ZHANG F R, XIAO X P, LIU M. Comparative analysis of the effects of straw-returning and decomposed manure on paddy soil fertility betterment., 2008, 24(3): 214-218. (in Chinese)

[9] 张久东, 包兴国, 曹卫东, 车宗贤, 卢秉林, 杨新强, 吴科生. 长期施用绿肥减施化肥对毛叶苕子产草量和土壤肥力的影响. 中国土壤与肥料, 2017(6): 66-70.

ZHANG J D, BAO X G, CAO W D, CHE Z X, LU B L, YANG X Q, WU K S. Effect of long-term application of green manure and reducing fertilizer on Vicia Villosa Roth yield and soil fertility., 2017(6): 66-70. (in Chinese)

[10] 秦永林, 石晓华, 贾立国, 康文钦, 樊明寿. 有机肥替代化肥对马铃薯-小麦轮作体系产量及钾肥利用率的影响. 北方农业学报, 2019(4): 47-51.

QIN Y L, SHI X H, JIA L G, KANG W Q, FAN M S. Influence of organic fertilizer substituting chemical fertilizer on the yield and potassium use efficiency of potato-wheat rotation system., 2019(4): 47-51. (in Chinese)

[11] 张建军, 樊廷录, 赵刚, 党翼, 王磊, 李尚中. 长期定位施不同氮源有机肥替代部分含氮化肥对陇东旱塬冬小麦产量和水分利用效率的影响. 作物学报, 2017,43(7): 1077-1086.

ZHANG J J, FAN T L, ZHAO G, DANG Y, WANG L, LI S Z. Yield and water use efficiency of winter wheat in response to long-term application of organic fertilizer from different nitrogen resources replacing partial chemical nitrogen in dry land of eastern Gansu Province., 2017, 43(7): 1077-1086. (in Chinese)

[12] 龚海青, 付海美, 徐明岗, 郜红建, 朱平, 高洪. 黑土有机氮肥替代率演变及其对土壤有机碳的响应. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(6): 110-117.

GONG H Q, FU H M, XU M G, GAO H J, ZHU P, GAO H. Potential substitution rate of chemical nitrogen with organic nitrogen in black soil and its correlation with soil organic carbon., 2018, 24(6): 110-117. (in Chinese)

[13] 谢军, 赵亚南, 陈轩敬, 李丹萍, 徐春丽, 王珂, 张跃强, 石孝均. 有机肥氮替代化肥氮提高玉米产量和氮素吸收利用效率. 中国农业科学, 2016, 49(20): 3934-3943.

XIE J, ZHAO Y N, CHEN X J, LI D P, XU C L, WANG K, ZHANG Y Q, SHI X J. Nitrogen of organic manure replacing chemical nitrogenous fertilizer improve maize yield and nitrogen uptake and utilization efficiency., 2016, 49(20): 3934-3943. (in Chinese)

[14] 李文广, 杨晓晓, 黄春国, 薛乃雯, 夏清, 刘小丽, 张晓琪, 杨思, 杨珍平, 高志强. 饲料油菜作绿肥对后茬麦田土壤肥力及细菌群落的影响. 中国农业科学, 2019, 52(15): 2664-2677.

LI W G, YANG X X, HUANG C G, XUE N W, XIA Q, LIU X L, ZHANG X Q, YANG S, YANG Z P, GAO Z Q. Effects of rapeseed green manure on soil fertility and bacterial community in dryland wheat field., 2019, 52(15): 2664-2677. (in Chinese)

[15] 景宇鹏, 张建中, 李秀萍, 杜二小, 赵强, 白勇兴, 陈强, 刘梅, 伊风艳, 赵沛义. 种植绿肥作物对河套灌区盐碱土改良效果研究. 北方农业学报, 2019, 47(6): 42-46.

JING Y P, ZHANG J Z, LI X P, DU E X, ZHAO Q, BAI Y X, CHEN Q, LIU M, YI F Y, ZHAO P Y. Study on the effect of planting green manure crops on the improvement of saline-alkali soil in Hetao Irrigation Area., 2019, 47(6): 42-46. (in Chinese)

[16] 刘晓永, 李书田. 中国畜禽粪尿养分资源及其还田的时空分布特征. 农业工程学报, 2018, 34(4): 1-14.

LIU X Y, LI S T. Temporal and spatial distribution of nutrient resource from livestock and poultry feces and its returning to cropland., 2018, 34(4): 1-14. (in Chinese)

[17] 刘晓永, 李书田. 中国秸秆养分资源及还田的时空分布特征. 农业工程学报, 2017, 33(21): 1-19.

LIU X Y, LI S T. Temporal and spatial distribution characteristics of crop straw nutrient resources and returning to farmland in China., 2017, 33(21): 1-19. (in Chinese)

[18] 张淑珍, 孙传芳. 绿肥品种资源研究. 作物品种资源, 1995(1): 7-10.

ZHANG S Z, SUN C F. Research of green manure variety resources., 1995(1): 7-10. (in Chinese)

[19] 李小坤, 李文西, 鲁剑巍, 黄元仿, 刘光文. 施肥对黑麦草产量和氮磷钾养分吸收的影响. 中国农学通报, 2006(7): 341-344.

LI X K, LI W X, LU J W, HUANG Y F, LIU G W. Effect of fertilization on the yield and N, P, K nutrient absorption of ryegrass., 2006(7): 341-344. (in Chinese)

[20] 段玉, 张君, 景宇鹏, 王博, 郝云凤, 赵娜. 河套灌区麦后复种饲料油菜养分吸收规律及施肥效应. 中国油料作物学报, 2017, 39(6): 848-854.

DUAN Y, ZHANG J, JING Y P, WANG B, HAO Y F, ZHAO N. NPK absorption, fertilizing effect of wheat /silage rape multiple cropping in Hetao irrigation area., 2017, 39(6): 848-854. (in Chinese)

[21] 樊志龙, 柴强, 曹卫东, 于爱忠, 赵财, 谢军红, 殷文, 胡发龙. 绿肥在我国旱地农业生态系统中的服务功能及其应用. 应用生态学报, 2020,31(4): 1389-1402.

FAN Z L, CHAI Q, CAO W D, YU A Z, ZHAO C, XIE J H, YIN W, HU F L. Ecosystem service function of green manure and its application in dryland agriculture of China., 2020, 31(4): 1389-1402. (in Chinese)

[22] 薛正平, 杨星卫, 段项锁, 陆贤, 袁志明. 土壤养分与春小麦产量关系及最佳施肥量研究. 中国生态农业学报, 2004, 12(4): 110-112.

XUE Z P, YANG X W, DUAN X S, LU X, YUAN Z M. Study on the relationship between soil nutrient and spring wheat yield and optimum fertilization., 2004, 12(4): 110-112. (in Chinese)

[23] 吴良泉, 武良, 崔振岭, 陈新平, 张福锁. 中国小麦区域氮磷钾肥推荐用量及肥料配方研究. 中国农业大学学报, 2019, 24(11): 30-40.

WU L Q, WU L, CUI Z L, CHEN X P, ZHANG F S. Optimal regional nitrogen, phosphorus, potassium rates recommendations and special fertilizer formulae study for wheat in China., 2019, 24(11): 30-40. (in Chinese)

[24] DOBERMANN A. Nitrogen use efficiency-state of the art//. Frankfurt, Germany, 2005.

[25] WANG Y J, BI Y Y, GAO C Y. The assessment and utilization of straw resources in China., 2010, 9(12): 1807-1815.

[26] 李书田, 金继运. 中国不同区域农田养分输入、输出与平衡. 中国农业科学, 2011, 44(20): 4207-4229.

LI S T, JIN J Y. Characteristics of nutrient input/output and nutrient balance in different regions of China., 2011, 44(20): 4207-4229. (in Chinese)

[27] 柴如山, 王擎运, 叶新新, 江波, 赵强, 王强, 章力干, 郜红建. 我国主要粮食作物秸秆还田替代化学氮肥潜力. 农业环境科学学报, 2019, 38(11): 2583-2593.

CHAI R S, WANG Q Y, YE X X, JIANG B, ZHAO Q, WANG Q, ZHANG L G, GAO H J. Nitrogen resource quantity of main grain crop straw in China and the potential of synthetic nitrogen substitution under straw returning., 2019, 38(11): 2583-2593. (in Chinese)

Potential Analysis of Organic Fertilizer Substitution for Chemical Fertilizer in Spring Wheat Regions of China

JIA LiGuo1, SHI XiaoHua1, SUYALA Qiqige2, QIN YongLin1, YU Jing1, CHEN Yang2, FAN MingShou1

(1College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019;2College of Grassland and Resource Environment, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010011)

【】The objective of this study was to clarify the major problems of nutrition management in spring wheat production and to raise the suitable way on the organic fertilizer substitution for chemical fertilizer in different provinces and regions of China, so as to provide reference for Zero Growth Action of Chemical Fertilizers and sustainable development in spring wheat production regions. 【】A total of 2 166 survey data were collected from farmer interview and related literature retrieval, based on which the major problems were analyzed in different spring wheat regions of China. The data in 2018 of major livestock numbers, planting area and yield of spring wheat were downloaded from the National Bureau of Statistics of China. The nutritional contents of livestock manure, wheat straw and green manure plants were checked from published literatures, then the potential of organic fertilizer substitution for chemical fertilizer in different spring wheat regions was qualified. Comprehensive considered the climate, soils and the status of organic resources, the suitable ways of organic fertilizer substitution were suggested in different spring wheat regions. 【】Overuse of chemical nitrogen and phosphorus fertilizer but the deficiency of potassium and organic fertilizer dressing was the major problem of nutrition management in spring wheat. Especially, it was especially serious on nitrogen overuse in western Inner Mongolia and Ningxia irrigated spring wheat. The number of large livestock and sheep in spring wheat region was accounted for about 1/3 and 1/2 of that in China, respectively. The nutrient amount of N, P2O5and K2O from livestock manure was 238.6×104, 57.6×104and 141.0×104t per year respectively, accordingly the potential of organic fertilizer from livestock manure substitution for chemical fertilizer was 78.2%, 48.1% and 43.1% for spring wheat, respectively. The total amount of straw returning to farmland in spring wheat region was 410.2×104t per year. Available N, P2O5and K2O in straw was 11.4, 2.5 and 31.9 kg·hm-2returning to farmland, accordingly in-season potential of organic fertilizer from wheat straw substitution for chemical fertilizer was 4.9%, 3.3% and 22.7%, respectively for spring wheat. Green manure plants returning to farmland was enough for meeting the nutrient requirement of spring wheat if the nutrients could release to soil completely. 【】Based on the problems of overuse and unreasonable application of chemical fertilizer in spring wheat in China, three ways of organic fertilizer substitution including livestock manure, straw returning and green manure can be selected for resolving. By application of livestock manure the substitution potential for chemical fertilizer was 78.2%, 48.1% and 43.1%, respectively.The in-season substitution potential of organic fertilizer was 4.9%, 3.3% and 22.7%, respectively. Green manure, as organic fertilizer substitution, was sufficient for nutrient requirement of spring wheat if the nutrients could release to soil completely. The suitable way of organic fertilizer substitution should consider local resource, input and technology comprehensively.

spring wheat; organic fertilizer substitution; straw returning; green manure

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.23.011

2020-06-05；

2020-08-19

国家重点研发计划（2018YFD0200407）、内蒙古自治区科技成果转化专项（2019CG030）、内蒙古科技创新引导项目（KCBJ2018010）

贾立国，E-mail：nndjialiguo@163.com。通信作者樊明寿，E-mail：fmswh@126.com

（责任编辑 李云霞）