辽宁省农作物秸秆资源及其替代化肥潜力评估

杨丽娟，武立萍，杨迪文，王永欢，阚志坚，张国显，张新宇

（1.沈阳农业大学土地与环境学院，沈阳 110161；2.辽宁省农业发展服务中心，沈阳 110034）

秸秆是农作物成熟后其茎叶部分的总称，是农业生产中的主要副产物，作物从土壤中吸收的养分一半以上都存在于秸秆中，其中含有作物生长所需的大部分营养元素，是丰富的生物有机质资源[1-3]。秸秆还田是提升土壤肥力的有效措施之一。我国秸秆资源量丰富，可用于替代部分化肥，降低农业生产成本。劳秀荣等[4]研究表明，秸秆直接还田与化肥配施对提高土壤有机质、改善土壤结构、减缓地力衰竭、培肥土壤有极显著的效果。孟祥宇等[5]发现，秸秆还田后显著增加了0~20 cm 土层中全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾和有机质的含量，从而提高水稻产量。2021 年《全国农作物秸秆综合利用情况报告》显示我国秸秆综合利用率达88.1%[6]，辽宁省秸秆综合利用率则为86%[7]，秸秆资源存在严重的浪费现象。如果能够高效利用浪费的秸秆资源，不仅能解决秸秆处理不当带来的环境问题，还能通过秸秆还田减少农业生产成本，提高农副产品收益。目前，针对农作物秸秆的研究，多半集中在秸秆资源数量[8-11]、利用现状和措施[12-17]上，以及利用秸秆资源能带来的经济、环境和社会效益[18-22]。近些年，针对全国范围内秸秆及其资源的养分总量、种类以及在空间上分布特征[23-27]的研究逐渐展开，但研究的范围较广，其中包括华北、东北、长江中下游、西北、西南和东南地区[28-29]。辽宁是农业大省，秸秆资源丰富，但秸秆肥料化比率较低。针对辽宁省秸秆资源量及其养分资源量与分布情况的研究鲜见报道。通过对辽宁省统计年鉴中作物产量数据进行统计，利用草谷比计算方法，对辽宁省秸秆资源及其替代化肥潜力进行评价，为辽宁省秸秆资源的综合利用和农业绿色可持续发展提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域

辽宁省位于东北地区南部，介于北纬38°43'至43°26'，东经118°53'至125°46'之间，全省年平均气温9.8 ℃，年平均降水量677 mm，东部为山地，西部为丘陵山地，中部为平原，总面积达1486万hm2，其中包括沈阳、大连、鞍山、抚顺、本溪、丹东、锦州、营口、阜新、辽阳、盘锦、铁岭、朝阳、葫芦岛共14 个市，耕地面积417.17 万hm2，占辽宁省土地总面积的28.07%，其中有80%左右分布在辽宁中部平原区和辽西北低山丘陵的河谷地带，主要种植粮食作物，此外还包括一部分的油料作物、蔬菜及食用菌等。

1.2 研究方法

采用国际上通用的估算农作物秸秆产量的方法-草谷比法，利用草谷比将作物产量换算为秸秆产量，通过不同秸秆中氮磷钾养分含量，计算辽宁省秸秆养分资源量。计算公式如下。

辽宁省作物秸秆产量计算公式：

式中：Wi为辽宁省第i种作物理论秸秆量；Yi为辽宁省第i种作物产量；Ri为辽宁省第i种作物的草谷比；

式中：S(Ni)为辽宁省第i种作物秸秆氮素（N）资源量；Ni为辽宁省第i种作物秸秆氮素（N）含量。

式中：S(Pi)为辽宁省第i种作物秸秆磷素（P2O5）资源量；Pi为辽宁省第i种作物秸秆磷素（P2O5）含量；2.29为单质磷与P2O5间转换系数。

式中：S(Ki)为辽宁省第i种农作物秸秆钾素（K2O）资源量；Ki为辽宁省第i 种农作物秸秆钾素（K2O）含量；1.2 为单质钾与K2O间转换系数。

不同农作物的草谷比及对应秸秆中氮、磷、钾含量见表1[2,26]。

表3 辽宁省作物秸秆资源的区间分布Table 3 Regional distribution of crops straw resources in Liaoning Province

1.3 数据来源

辽宁省相关作物产量及耕地面积的数据源于《辽宁省统计年鉴》，农作物包括粮食作物（水稻、小麦、玉米、高粱、谷子、薯类、大豆和其他杂粮）、经济作物（花生、葵花籽、棉花、甜菜、麻类、烟叶）和其他作物（蔬菜）。

2 结果与分析

2.1 辽宁省作物秸秆及养分资源量

根据《辽宁统计年鉴2022》，辽宁省作物种植面积共4 171.70 千hm2，作物秸秆资源量达3 075.49 万t，秸秆中N、P2O5、K2O 养分总量分别为32.69 万t、9.47 万t和47.51 万t，其中钾素养分总量占秸秆资源养分总量的比例最高，为52.98%，氮素养分总量占秸秆资源养分总量的36.46%，磷素养分总量占秸秆资源养分总量的10.56%。作物中粮食作物为秸秆产出的主体，占88.73%，其次是蔬菜和经济作物，分别占6.47%和4.8%。玉米是辽宁省主产作物，种植面积为269.93 万hm2，占总种植面积的64.71%，秸秆资源量高达2 209.02 万t，占总秸秆资源的71.83%，其中N、P2O5、K2O 养分资源量分别为19.66万t、5.56万t和26.24万t。此外，占比较大的作物还有水稻、蔬菜和花生，秸秆资源量和种植面积分别占总量的12.84%、6.47%、4.69%和12.47%、7.80%、7.42%，这3种作物N、P2O5、K2O 养分资源量也相对较高。棉花和麻类作物种植面积和秸秆产量较小，占比很小，所以在计算秸秆养分资源总量时它们的N、P2O5、K2O养分可以忽略不计。

2.2 辽宁省作物秸秆的区间分布特征

2.2.1 辽宁省作物秸秆资源量及其养分资源量的区间分布 由图1可见，辽宁省14个市间秸秆资源量差异较大，沈阳、铁岭和朝阳为秸秆资源量前三地区，沈阳秸秆资源量最多为498.01万t，占辽宁省秸秆资源总量的16.19%，其次是铁岭和朝阳，分别为472.14万t和370.73万t，分别占辽宁省秸秆资源总量的15.35%和12.05%，本溪秸秆资源最少，为38.86万t，仅占宁省秸秆资源总量的1.26%。辽宁省秸秆资源量大于400万t的市有2个，300~400万t的市3个，200~300万t的市2个，100~200万t的市4个，低于100万t的市3个。

图1 辽宁省作物秸秆及其养分资源量的区间分布Figure 1 Regional distribution of crops straw and its nutrient resources in Liaoning Province

图2 辽宁省主产作物秸秆资源的区间分布Figure 2 Regional distribution of straw resources of main crops in Liaoning Province

辽宁省秸秆中养分资源的区间分布与秸秆资源量的分布相似，沈阳占比仍然最高，N、P2O5、K2O 养分资源分别占全省的19.59%、16.55%、16.39%；本溪秸秆养分资源最少，分别占全省的1.41%、1.20%、1.24%。

2.2.2 辽宁省作物秸秆资源的区间分布

2.2.2.1 辽宁省主产作物秸秆资源的区间分布 辽宁省主产的玉米、水稻、蔬菜和花生四种作物秸秆资源量丰富。其中，玉米秸秆资源量最多，5个市玉米秸秆产量都达到了辽宁省玉米秸秆总产量的10%以上，依次为铁岭416.24万t（占比18.84%）、沈阳348.92万t（占比15.80%）、朝阳284.68万t（占比12.89%）、阜新273.68万t（占比12.39%）和锦州249.59万t（占比11.30%），鞍山和大连也达到了100万t以上，其他地区较为匮乏；玉米秸秆资源主要集中在辽西（锦州、阜新、朝阳、葫芦岛和盘锦）和辽北（沈阳、抚顺和铁岭）地区，辽南（大连、鞍山、营口和辽阳）地区和辽东（丹东、本溪）地区分布较少，尤其是辽东地区，总量仅为100万t。

水稻秸秆主要分布在盘锦和沈阳，分别是96.99 万t（占比24.57%）和87.89 万t（占比22.26%），阜新、朝阳、葫芦岛、大连、抚顺和本溪仅有少量水稻秸秆的产出。

葫芦岛和阜新的花生秸秆产量较多，分别为38.56 万t（占比26.76%）和28.52 万t（占比19.79%），其次是锦州（占比19.19%）、沈阳（占比10.24%）和铁岭（占比8.78%），其他地区花生秸秆产量不足10 万t，花生秸秆主要集中在辽西和辽北地区（朝阳和抚顺除外），辽东和辽南地区较为匮乏。

蔬菜秸秆在辽宁省的分布较平均，沈阳（39.08万t，占比19.64%）为辽北地区蔬菜秸秆主产区，锦州、朝阳、葫芦岛为辽西地区蔬菜秸秆主产区，鞍山和大连为辽南地区蔬菜秸秆主产区，辽东地区整体蔬菜秸秆产量不足5%。

2.2.2.2 辽宁省非主产作物秸秆资源的区间分布 辽宁省非主产秸秆资源主要集中在粮食作物，经济作物秸秆资源较少。高粱秸秆最多，其次是甘薯、谷子和大豆，其中高粱和谷子秸秆的主产区为朝阳，分别是24.21万t（占比74.80%）和26.27万t（占比74.21%）；薯类和大豆秸秆的主产区为大连，分别是3.60万t（占比18.18%）和13.55万t（占比41.83%），沈阳薯类秸秆资源为2.48万t（占比12.50%），也相对较多，其他地区两种秸秆资源量分布较为平均，在0.04~3.48万t之间。朝阳秸秆资源种类最为丰富，同时甜菜和葵花籽秸秆产量最高，此外，阜新秸秆资源种类也较为丰富，而其他地区仅有1~3种经济作物秸秆产出。

2.3 辽宁省作物秸秆资源综合利用现状

由表4可知，辽宁省秸秆资源利用以燃料化为主，饲料化、肥料化利用为辅，少量秸秆资源用于秸秆的基料化和原料化利用。作物秸秆作为燃料体积过大，不易储存和运输，目前采用机械打包的方式来缩小秸秆体积。近年来，我国秸秆利用状况越来越好。2019 年辽宁省下发了《关于创新体制机制推进农业绿色发展的实施意见》，要求到2020 年辽宁省秸秆综合利用率达到87%以上，在全程农业机械化示范县推广秸秆还田离田技术[30]。为保障“实施意见”有效实施，政府同时加大扶持力度，出台相关优惠政策、信贷支持及用地支持等，禁烧秸秆，使得辽宁省秸秆还田水平显著提高[7]。

表4 辽宁省2019年秸秆利用方式及其占比Table 4 The amount of utilization and its proportion to total straw resources in Liaoning Province in 2019

2.4 辽宁省主产作物秸秆替代化肥潜力

辽宁省玉米和水稻秸秆的资源量大，是辽宁省秸秆资源的主体部分，蔬菜秸秆由于其具有种类多样性、生产时间季节性及生产区域分散性等问题，秸秆还田成本高、难度大；而花生秸秆仅占到总秸秆资源量的4.69%，并且同样存在蔬菜秸秆还田的部分问题，因此在替代化肥潜力的研究中仅对玉米及水稻秸秆进一步分析。玉米和水稻秸秆的当季养分释放率见表5。

表5 辽宁省主产作物秸秆当季养分释放率[8]Table 5 Rate of in-season nutrient release from main crops straw in Liaoning Province

由表6可知，2022年辽宁省玉米秸秆全量还田可提供氮素养分（N）10.62万t、磷素养分（P2O5）4.06万t、钾素养分（K2O）22.15万t，折算为尿素23.09万t、过磷酸钙33.83万t、硫酸钾44.30万t，能减少高达16.98亿元的化肥投入。水稻秸秆全量还田可提供的养分含量较玉米秸秆少，其中氮素养分（N）1.53万t、磷素养分（P2O5）0.79万t、钾素养分（K2O）7.64万t的，折算为尿素3.33万t、过磷酸钙6.58万t、硫酸钾15.28万t，其经济价值明显低于玉米秸秆，为4.23亿元。

表6 辽宁省主产作物秸秆替代化肥潜力Table 6 Potential of chemical fertilizer substituted by the main crops straw in Liaoning Province

在温室中，秸秆还田12 d 可释放98%的钾离子[31]，由于秸秆中钾素释放率高，钾素养分当季释放量高[8]，其肥效等同于化肥，可有效代替部分化学钾肥的施入，有利于缓解我国钾肥供应不足、依赖进口的现状，同时还能缓解施肥不平衡造成的作物缺钾状况。

3 讨论与结论

辽宁省秸秆资源以粮食类秸秆（玉米秸秆、水稻秸秆）为主体，主要分布在辽宁北部，与粮食主产区域基本一致。

秸秆资源的养分替代潜力与作物种类、作物产量、作物草谷比、种植面积和秸秆还田当季养分释放率等因素有关[32]。近年来，针对秸秆资源量的研究，均采用草谷比法来确定某一地区某种作物的秸秆产量，与其他估算方法相比，草谷比法的结果最接近实际作物秸秆资源量，所以可以作为估算秸秆资源量的重要方法[23,28]。在本研究以辽宁省为研究区域，相关研究较少，同时可参考的相关作物的草谷比也较少。刘晓永等[8]的研究中，对东北地区作物草谷比进行了广泛对比，覆盖面广，具有一定代表性，所以本研究中相关作物草谷比均参考其东北地区各作物的草谷比。

秸秆中含有丰富的氮磷钾养分，但并不是所有的养分都能快速释放从而被作物所吸收，因此在研究秸秆还田时，通常要考虑秸秆的当季有效性，避免养分供应不足而导致作物减产、品质下降[33]。信彩云等[34]研究表明在大田中，水稻秸秆还田后，其中的钾素养分释放率最高，其次是磷和氮。因此，如何提高秸秆中氮、磷的当季养分释放率，是未来的研究重点。本研究发现，辽宁省各种作物秸秆的钾素含量养分均高于氮和磷含量，在还田后，玉米秸秆当季可释放的钾素养分相当于7.19 万t 的硫酸钾，水稻秸秆也可以提供相当于2.48 万t 的硫酸钾，因此秸秆还田对于大田作物的种植是十分必要的，有必要根据秸秆养分释放率配施化肥。

秸秆资源量是当前社会经济技术条件下可以被收集并加以利用的作物秸秆的产量[35]。近年来，为推进辽宁省秸秆资源综合利用，政府多措并举，稳定推进，目前秸秆综合利用率已达86%，剩余14%秸秆资源[7]的有效利用是辽宁省秸秆综合利用的重点和难点。有必要探索秸秆还田利用新模式，提高辽宁省秸秆综合利用率。

辽宁省秸秆资源丰富，2022 年主产作物秸秆资源量达3075.49 万t，秸秆中N、P2O5、K2O 养分总量分别为32.69万t、9.47万t、47.51万t；秸秆产量最多的作物为玉米，其次是水稻、蔬菜和花生。辽宁省14个市之间秸秆资源量差异较大，沈阳、铁岭和朝阳为秸秆量前三的地区。玉米、水稻、花生、蔬菜秸秆产量最高的分别为铁岭（18.84%）、盘锦（24.57%）、葫芦岛（26.76%）、沈阳（19.64%），朝阳秸秆资源种类最为丰富，其中甜菜和葵花籽秸秆产量最高。玉米和水稻秸秆作为辽宁省秸秆资源的主体，替代化肥潜力高，还田后当季可提供的氮、磷、钾肥分别为23.09万t、33.83万t、44.30万t和3.33万t、6.58万t、15.28万t，有利于减少大量化肥的投入和昂贵的钾肥进口，促进农业绿色可持续发展。