1988－2018年中國水稻秸稈資源時(shí)空分布特征及還田替代化肥潛力

劉淑軍，李冬初，黃 晶，馬常寶，王慧穎，于子坤，曲瀟林，張 璐，韓天富，都江雪，柳開樓，張會(huì)民※

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院衡陽紅壤實(shí)驗(yàn)站/祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外試驗(yàn)站，祁陽 426182；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部耕地質(zhì)量監(jiān)測保護(hù)中心，北京 100125； 4.江西省紅壤研究所，南昌 330046）

0 引 言

水稻是中國主要糧食作物之一，在中國糧食生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位[1]。水稻秸稈含有較為豐富的氮磷鉀養(yǎng)分和多種有機(jī)物質(zhì)等，是一種重要的有機(jī)肥資源，還田后向土壤輸入養(yǎng)分，可實(shí)現(xiàn)化肥的部分替代，達(dá)到化肥減施的目的。李繼福等[2]研究稻田不同土壤供鉀能力條件下秸稈還田替代鉀肥的效果，結(jié)果表明，秸稈還田配施鉀肥提高了 7.7%～12.6%水稻產(chǎn)量，在秸稈還田條件下，高鉀土壤田塊和中鉀土壤田塊可比推薦鉀肥用量分別減少49.1%和20.0%。田雁飛[3]研究秸稈還田和減量施肥對雙季稻產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施化肥可減少約10%～15%的氮、磷、鉀化肥用量，對水稻產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分影響不明顯。王保君等[4]研究秸稈還田和氮肥減量對稻田土壤養(yǎng)分和水稻產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，在相同供氮水平下，秸稈還田下純氮減施30 kg/hm2比秸稈不還田下常規(guī)施氮處理（270 kg/hm2）水稻產(chǎn)量提高22.8%。吳玉紅等[5]研究稻油輪作中兩季作物秸稈還田與化肥配施對作物產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益等的影響，結(jié)果顯示與秸稈不還田下常規(guī)施化肥處理比較，秸稈還田下氮、磷、鉀肥減量15%可維持作物穩(wěn)產(chǎn)，秸稈還田2 a后對油菜產(chǎn)量的提升作用逐漸增強(qiáng)。據(jù)研究，秸稈還田還能為土壤中的微生物提供碳源[6]，提升土壤肥力[7]和農(nóng)田養(yǎng)分利用率[8]，改善土壤質(zhì)量[9-10]，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)[11-12]，隨著還田時(shí)間的延長，增產(chǎn)效應(yīng)越明顯[13]。

中國的水稻秸稈資源豐富，近年來中國的水稻秸稈年產(chǎn)量約為2億t左右[14-17]。隨著作物產(chǎn)量的不斷提高，秸稈資源量逐漸增加，大量秸稈被丟棄和焚燒，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國每年被焚燒或丟棄的秸稈約占秸稈資源總量的15.6%[18]。不僅浪費(fèi)秸稈資源，還引起水體富營養(yǎng)化[19]、增加溫室氣體排放[20]、破壞農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[21-22]等。秸稈“用則利，棄則害”，有關(guān)秸稈資源的數(shù)量和開發(fā)利用問題已成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，此類研究主要集中在以下幾個(gè)方面：秸稈及養(yǎng)分資源量、秸稈利用現(xiàn)狀、秸稈還田的養(yǎng)分歸還等，但研究范圍僅為某個(gè)區(qū)域或某個(gè)年份[23-26]，在國家尺度上研究不同年份水稻秸稈資源量和還田替代化肥潛力的報(bào)道較少。并且多數(shù)論文中的數(shù)據(jù)來自官方統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料，目前估算秸稈資源量普遍使用草谷比[27-28]，草谷比的選取是影響秸稈資源量和養(yǎng)分資源量估算結(jié)果的關(guān)鍵因素，此種方法所得到的秸稈產(chǎn)量和養(yǎng)分資源量會(huì)因?yàn)椴煌芯空邔Σ莨缺鹊倪x取不同而造成結(jié)果的差異[15,29]，謝光輝等[28]采用水稻草谷比0.97估算中國1999年的水稻秸稈產(chǎn)量為1.92×108t，總養(yǎng)分量為512.6×104t，朱建春等[30]采用水稻草谷比1.00估算中國 1999年的水稻秸稈產(chǎn)量為 1.98×108t，總養(yǎng)分量為528.7×104t，兩者秸稈產(chǎn)量相差約600萬t，總養(yǎng)分量相差16萬t。因此本研究以農(nóng)業(yè)農(nóng)村部近30 a來（1988—2018年）在全國主要稻作區(qū)長期定點(diǎn)監(jiān)測的水稻秸稈產(chǎn)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，準(zhǔn)確計(jì)算中國的水稻秸稈資源量和養(yǎng)分資源量，并系統(tǒng)地探討和分析中國的水稻秸稈資源量、秸稈還田養(yǎng)分替代化肥潛力的時(shí)空變化特征，以期為不同地區(qū)水稻秸稈資源合理高效利用和水稻秸稈還田條件下化肥合理施用提供數(shù)據(jù)支持和理論參考。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點(diǎn)概況

本研究基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部全國稻作區(qū)水稻土監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。因西北地區(qū)僅有陜西省的數(shù)據(jù)，且開始的年份為2004年，不具代表性，故去除陜西省的 2個(gè)點(diǎn)；華北地區(qū)的山東省僅有2017年的數(shù)據(jù)，河南一個(gè)省代表整個(gè)華北地區(qū)代表性不強(qiáng)，故去除河南和山東省的18個(gè)點(diǎn)；華南地區(qū)的福建和海南省，東北的遼寧省，因缺乏 1988—1998年的數(shù)據(jù)，故去除福建、海南和遼寧省的32個(gè)點(diǎn)。本研究將全國311個(gè)稻作區(qū)監(jiān)測點(diǎn)，劃分為5大區(qū)域（表1）。

表1 區(qū)域劃分Table 1 Regions division

1.2 數(shù)據(jù)采集和分析

各監(jiān)測點(diǎn)每年水稻成熟期收獲時(shí)測濕水稻秸稈產(chǎn)量，風(fēng)干后折算含水量，得到風(fēng)干水稻秸稈產(chǎn)量（Wm），根據(jù)各省市和自治區(qū)的水稻播種面積計(jì)算得到每年的水稻秸稈資源量（WS），再根據(jù)其養(yǎng)分含量計(jì)算養(yǎng)分資源量，計(jì)算公式如下[29]：

式中WS為年水稻秸稈資源量，t；Wm為監(jiān)測點(diǎn)年水稻秸稈產(chǎn)量，kg/hm2；A為各省市和自治區(qū)的水稻播種面積，hm2；Wi為水稻秸稈養(yǎng)分資源量，t；Ni為水稻秸稈養(yǎng)分含量，%；i=N、P、K。

各省市和自治區(qū)的單位耕地面積水稻秸稈還田替代化肥潛力的計(jì)算公式為[31]

式中Ai為單位耕地面積水稻秸稈還田的化肥替代潛力，kg/hm2；Ri為還田條件下水稻秸稈養(yǎng)分當(dāng)季釋放率，%；i=N、P、K。

本文涉及的1988—2018年的各省市和自治區(qū)的水稻播種面積和農(nóng)用化肥施用折純量來自于《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒（1989—2019年）》[32]，水稻秸稈的氮（N）、磷（P）、鉀（K）養(yǎng)分含量參照全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心數(shù)據(jù)[33]，分別為 0.83%、0.12%、1.72%。水稻秸稈還田的氮（N）、磷（P）、鉀（K）養(yǎng)分當(dāng)季釋放率來自劉曉永等[34]研究數(shù)據(jù)，分別為47.2%、66.7%、84.9%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel計(jì)算數(shù)據(jù)，利用Origin2020進(jìn)行繪圖和擬合。由于個(gè)別年份點(diǎn)位差異，本研究將31個(gè)年份劃分為3個(gè)階段，每10 a一個(gè)階段（因1988—1998年監(jiān)測點(diǎn)位的數(shù)據(jù)相對較少，該階段包括11 a），分別為1988—1998年（1990s）、1999—2008年（2000s）、2009—2018 年（2010s）。1988—2018、1988—1998、1999—2008、2009—2018年的數(shù)值為各階段的均值。全國和各區(qū)域水稻秸稈資源和養(yǎng)分資源量的標(biāo)準(zhǔn)誤差采用誤差傳遞公式進(jìn)行計(jì)算[35]。

式中u，……，v為不同的計(jì)算結(jié)果，在本研究中代表各區(qū)域或各省市和自治區(qū)的水稻秸稈資源和養(yǎng)分資源量，t；X為不同計(jì)算結(jié)果之和；，，分別為X，u，v的標(biāo)準(zhǔn)誤差的平方；?X，?u，?v分別為X，u，v的偏微分。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻秸稈資源時(shí)空分布

1988—2018 年期間，全國的水稻秸稈年均資源量為1.59×108t，其中長三角、長江中游、華南、西南、東北的水稻秸稈資源量分別為 4.15×107、3.86×107、2.20×107、3.27×107、2.41×107t，秸稈資源主要分布在長三角、長江中游、西南，這些地區(qū)的水稻秸稈資源量占全國水稻秸稈資源總量的71.0%（圖1）。長三角的水稻秸稈資源量最高，占全國水稻秸稈資源量的26.1%，其次為長江中游，占全國水稻秸稈資源量的24.3%，華南最低，占全國水稻秸稈資源量的13.8%。

圖2為各區(qū)域水稻秸稈資源時(shí)間分布圖，1988—1998、1999—2008、2009—2018年全國水稻秸稈年均資源量分別為 1.46×108、1.48×108、1.69×108t，近 30 a來水稻秸稈資源量持續(xù)增長，增長了15.75%。其中，東北的增幅最高，從1988—1998年的1.48×107t增長到2009—2018年的3.40×107t，增長了130.59%，其次為長江中游和長三角，分別增長了33.26%和6.28%，而華南和西南呈下降趨勢。

將30 a水稻秸稈年均產(chǎn)量的年變化速率分為2個(gè)階段進(jìn)行計(jì)算（表2），第一階段為1990s—2000s，第二階段為2000s—2010s。全國第一階段的水稻秸稈產(chǎn)量年變化速率為18.11×104t/a，各區(qū)域第一階段的年變化速率從大到小依次為長江中游、東北、華南、長三角、西南；全國第二階段的水稻秸稈產(chǎn)量年變化速率為211.47×104t/a，各區(qū)域第二階段的年變化速率從大到小依次為東北、長江中游、長三角、西南、華南。

表2 各區(qū)域不同階段水稻秸稈產(chǎn)量的年變化速率Table 2 Annual changing rate of rice stalk yield at different stages in different regions

2.2 水稻秸稈養(yǎng)分資源時(shí)空分布

1988—2018 年期間，全國的水稻秸稈NPK總養(yǎng)分年均量為425.00×104t，長三角、長江中游、華南、西南、東北的水稻秸稈 NPK 總養(yǎng)分量分別為 111.05×104、103.30×104、58.54×104、87.55×104、64.56×104t，秸稈NPK養(yǎng)分資源主要分布在長三角、長江中游和西南，這些地區(qū)的水稻秸稈養(yǎng)分資源量占全國總量的 20.6%～26.1%（圖3）。

表3為不同區(qū)域水稻秸稈養(yǎng)分資源時(shí)間分布表，1988—1998、1999—2008、2009—2018年全國水稻秸稈NPK 總養(yǎng)分年均量分別為 390.59×104、395.44×104、452.09×104t，隨年份的延長穩(wěn)定增長，從時(shí)間變化來看，2009—2018年比1988—1998年增加61.50×104t。其中，較1988—1998年，2009—2018年的NPK總養(yǎng)分量以東北的增幅最高（增加了51.64×104t），其次為長江中游（增加了 27.09×104t），長三角的增幅最低（增加了6.71×104t），而華南、西南的水稻秸稈NPK總養(yǎng)分量呈下降趨勢。

表3 不同區(qū)域水稻秸稈養(yǎng)分資源時(shí)間分布Table 3 Temporal distribution of rice stalk nutrient resources in different regions

1988—1998 年水稻秸稈N、P、K養(yǎng)分年均量分別為121.02×104、17.19×104、252.38×104t，其總量是同期（1988—1998年）全國化肥施用均量1 648.17×104t的23.70%；1999—2008年水稻秸稈 N、P、K 養(yǎng)分年均量分別為122.52×104、17.40×104、255.52×104t，其總量是同期（1999—2008年）全國化肥施用均量2 197.69×104t的17.99%；2009—2018年水稻秸稈 N、P、K 養(yǎng)分年均量分別為140.07×104、19.90×104、292.12×104t，其總量是同期（2009—2018年）全國化肥施用均量2 712.25×104t的16.67%。

同水稻秸稈年均產(chǎn)量年變化速率，30 a水稻秸稈N、P、K養(yǎng)分年均量的年變化速率也分為2個(gè)階段進(jìn)行計(jì)算（表4）。全國第一階段的水稻秸稈養(yǎng)分年變化速率分別為 N 0.15×104、P 0.02×104、K 0.31×104t/a，各區(qū)域第一階段的年變化速率從大到小依次為長江中游、東北、華南、長三角、西南；全國第二階段的水稻秸稈養(yǎng)分年變化速率分別為 N 1.76×104、P 0.25×104、K 3.66×104t/a，各區(qū)域第二階段的年變化速率從大到小依次為東北、長江中游、長三角、西南、華南。

表4 各區(qū)域不同階段水稻秸稈N、P、K養(yǎng)分量的年變化速率Table 4 Annual changing rate of rice stalk nutrient at different stages in different regions

2.3 水稻秸稈還田替代化肥潛力

圖4為1988—2018年不同區(qū)域單位耕地面積水稻秸稈還田的替代化肥潛力，全國水稻秸稈還田的氮、磷、鉀肥年均可替代量分別為（28.90±0.14）、（5.80±0.03）、（180.46±0.52）kg/hm2，鉀肥替代潛力高于氮、磷肥替代潛力。各區(qū)域單位耕地面積水稻秸稈還田替代化肥潛力以長三角最高，氮、磷、鉀肥可替代量分別為（34.44±0.20）、（6.91±0.04）、（129.23±0.74）kg/hm2，其次為東北，氮、磷、鉀肥可替代量分別為（29.07±1.12）、（5.84±0.22）、（109.07±4.20）kg/hm2，華南最低，氮、磷、鉀肥可替代量分別為（25.80±0.23）、（5.18±0.05）、（96.83±0.87）kg/hm2。

表5為不同區(qū)域單位耕地面積水稻秸稈還田的化肥年均可替代量時(shí)間分布表，全國各階段水稻秸稈還田的氮、磷、鉀肥可替代量變幅分別為24.62～30.10、4.94～6.04、92.39～112.94 kg/hm2。從時(shí)間變化來看，2009—2018年的氮、磷、鉀肥可替代量比 1988—1998年增加了 5.48、1.10、20.55 kg/hm2。5個(gè)區(qū)域的水稻秸稈還田氮、磷、鉀肥可替代量均呈持續(xù)穩(wěn)定增加，其中，長江中游的增幅最高，較1988—1998年，2009—2018年的氮、磷、鉀肥可替代量增加了8.35、1.68、31.35 kg/hm2，其次為東北，較1988—1998年，2009—2018年的氮、磷、鉀肥可替代量增加了5.42、1.09、20.33 kg/hm2，華南最低，較1988—1998年，2009—2018年的氮、磷、鉀肥可替代量增加了2.60、0.52、9.75 kg/hm2。

表5 不同區(qū)域單位耕地面積水稻秸稈還田的化肥可替代量時(shí)間分布Table 5 Temporal distribution of synthetic fertilizers substitute potential through rice stalk incorporation in different regions

以各監(jiān)測點(diǎn)的化肥氮（N）、磷（P）、鉀（K）年均施用量為基礎(chǔ)，計(jì)算水稻秸稈全量還田的化肥年均可替代量占化肥年均施用量的比例。30 a來全國水稻秸稈還田的氮、磷肥可替代量占化肥施用量的比例逐年增加，而鉀肥呈先升后降趨勢。水稻秸稈還田以鉀肥可替代量占化肥施用量的比例最高，達(dá)到116.22%～122.62%，其次為磷肥，為11.83%～17.13%，氮肥最低，為10.88%～12.53%。除華南外，各區(qū)域水稻秸稈還田的氮、磷肥可替代量占化肥施用量的比例呈增長趨勢，除東北外，各區(qū)域水稻秸稈還田的鉀肥可替代量占化肥施用量的比例呈下降趨勢。

3 討 論

3.1 水稻秸稈及其養(yǎng)分資源時(shí)空分布

中國擁有豐富的水稻秸稈資源，隨著化肥用量的增加和管理措施的完善，水稻秸稈產(chǎn)量逐年上升，畢于運(yùn)等[36]估算1952年中國的水稻秸稈資源量為0.79×108t，到2008年達(dá)到2.22×108t，56 a間增長了1.81倍。冉繼偉等[37]統(tǒng)計(jì)表明 1999—2018年中國秸稈總量呈穩(wěn)步增長趨勢，其中水稻秸稈資源量從1999年的1.5×108t增長到2018年的1.62×108t，20 a間增長了8%。本研究中近30 a來中國的水稻秸稈及總養(yǎng)分資源量也表現(xiàn)為增長，水稻秸稈及其總養(yǎng)分資源年均量均增長了15.75%。其中東北、長江中游和長三角呈增長趨勢，東北的增幅最高，而華南、西南呈下降趨勢。造成這一結(jié)果的原因可能是水稻播種面積的變化，據(jù)《中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[32]的記載，東北的水稻年均播種面積從 1988—1998年的1.99×106hm2增長到2009—2018年的4.39×106hm2，30 a間增長120.38%，而西南的水稻年均播種面積從1988—1998年的5.25×106hm2降低到2009—2018年的4.09×106hm2，30 a間降低了22.06%。同時(shí)，從圖2可以看出，第二階段（2000s—2010s）東北的水稻秸稈資源增幅高于第一階段（1990s－2000s），結(jié)合水稻年均播種面積分析，第一階段水稻播種面積增幅為22.85%，第二階段增幅為79.39%，因此，水稻播種面積的變化對秸稈及其養(yǎng)分資源的增減具有一定的影響[38]。

本研究中近10 a（2009—2018年）中國的秸稈資源和養(yǎng)分資源量出現(xiàn)大幅度的提升，第二階段全國水稻秸稈資源年變化速率為211.47×104t/a，為第一階段的11.7倍，第二階段全國水稻秸稈養(yǎng)分資源年變化速率為N 1.76×104、P 0.25×104、K 3.66×104t/a，為第一階段的11.7～12.5倍，其原因可能和兩方面有關(guān)系，一是近10 a水稻播種面積的上升，1988—1998、1999—2008、2009—2018年全國的水稻播種面積分別為 22.36×106、20.53×106、22.09×106hm2，第一階段水稻播種面積降低了8.16%，而近10 a，水稻播種面積比中間10 a提高了7.60%，在劉珍環(huán)等[39]的研究中也得到類似結(jié)論，1999—2008年間全國水稻播種面積減少，2003年為最低年份，2004年開始，在國家糧食直補(bǔ)、免除農(nóng)業(yè)稅等政策驅(qū)動(dòng)下，全國水稻播種面積逐步上升。二是水稻單產(chǎn)的持續(xù)上升，據(jù)楊萬江等[40]的統(tǒng)計(jì)，中國水稻單產(chǎn)從1961年開始總體上在小幅波動(dòng)中不斷提高，1961—1963年間年均水稻單產(chǎn)為2 377 kg/hm2，2008—2010年間年均水稻單產(chǎn)為6 561 kg/hm2，47 a間水稻單產(chǎn)增長了176.02%。本研究中前10 a水稻播種面積雖然較大，但是水稻單產(chǎn)低，因此水稻秸稈資源量較低，而近10 a，水稻播種面積逐漸回升到前10 a的數(shù)值，水稻單產(chǎn)也出現(xiàn)大幅度提升，兩方面的原因使得近10 a中國的秸稈資源和養(yǎng)分資源量出現(xiàn)大幅度的提升。30 a來，各階段不同區(qū)域的水稻秸稈及其養(yǎng)分資源年變化速率以長江中游和東北較高，華南和西南較低，徐志宇等[41]研究近30 a中國主要糧食作物空間格局變化，結(jié)果表明，近30 a來，東北和長江中游的水稻產(chǎn)量總體呈增加趨勢，其中東北地區(qū)增長迅速，而華南和西南地區(qū)水稻產(chǎn)量總體呈下降趨勢。可見，各區(qū)域水稻產(chǎn)量的變化趨勢不同，導(dǎo)致區(qū)域間水稻秸稈及其養(yǎng)分資源年變化速率存在差異。

中國各區(qū)域因水稻種植制度、氣候條件、水稻品種和管理措施等因素的差別，水稻秸稈資源及養(yǎng)分資源存在明顯的地域性差異，主要分布在長三角、長江中游和西南，與中國水稻主產(chǎn)區(qū)劃分基本一致，此結(jié)果與其他研究結(jié)果相近[42-43]。

3.2 水稻秸稈還田替代化肥潛力時(shí)空分布

農(nóng)田土壤中秸稈腐解伴隨氮磷鉀養(yǎng)分的釋放是維持土壤肥力的重要途徑[44]，也是秸稈還田替代化肥養(yǎng)分的直接有效途徑[45]。然而，由于秸稈數(shù)量巨大、腐解速率緩慢[46]，開發(fā)利用起來有一定的難度。據(jù)研究水稻秸稈還田后，養(yǎng)分釋放特征表現(xiàn)為前期快，后期慢[47-48]，鉀的釋放速率最高，其次為磷，氮最低[48-49]。還田方式[50]、秸稈種類[51]、秸稈腐熟劑[52-54]等均影響水稻秸稈腐解速率。信彩云等[55]研究稻麥輪作下水稻秸稈還田后的腐解規(guī)律，水稻秸稈的累積腐解率為65.0%，氮、磷、鉀養(yǎng)分的釋放率分別為 61.0%、67.8%、90.6%。代文才等[48]研究發(fā)現(xiàn)腐解結(jié)束時(shí)水稻秸稈在在水田中的累積腐解率為62.1%，氮、磷、鉀養(yǎng)分的釋放率分別為64.2%、96.2%、92.3%。秸稈中的鉀主要以K+存在，易溶于水，釋放率最高，而秸稈中的氮素主要為難腐解的結(jié)構(gòu)性氮素，釋放率最低[56]，腐解菌劑的添加可提高秸稈中氮和磷的釋放率，姚云柯等[57]研究發(fā)現(xiàn)，和不添加促腐菌的對照處理相比，田間條件下不同促腐菌可提高水稻秸稈氮釋放率7.46%～11.66%，磷釋放率7.87%。可見，水稻秸稈還田后，由于腐解過程較慢，養(yǎng)分不能快速釋放而滿足水稻生長需求，因此本研究在計(jì)算水稻秸稈還田的化肥可替代量時(shí)，使用了水稻秸稈的養(yǎng)分當(dāng)季釋放率，采用劉曉永等[34]基于大量文獻(xiàn)資料計(jì)算得到的中國水稻秸稈養(yǎng)分當(dāng)季釋放率，此種計(jì)算方法可以避免簡單的全量養(yǎng)分替代從而導(dǎo)致肥料施用量不足，影響水稻生長。

多個(gè)水稻秸稈還田試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，水稻秸稈還田具有提升作物產(chǎn)量、提高土壤氮磷鉀養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤質(zhì)量等作用[58]，在一定條件下還可以改善稻米品質(zhì)[59]。秸稈還田作為一項(xiàng)培肥土壤的措施，直接還田既減少了焚燒秸稈導(dǎo)致的環(huán)境污染，又降低了化肥用量。本研究表明，30 a間，中國的單位耕地面積水稻秸稈還田的化肥可替代量持續(xù)穩(wěn)定增加，較 1988—1998年，2009—2018年的氮、磷、鉀肥年均可替代量分別增加了5.48、1.10、20.55 kg/hm2，而僅有氮、磷肥可替代量占化肥施用量的比例逐步增加，鉀肥呈先升后降趨勢，其主要原因是化學(xué)氮、磷、鉀肥施用量的不同變化趨勢，1988—1998、1999—2008、2009—2018年水稻的化學(xué)氮、磷、鉀肥年均施用量分別為：N 226.35、251.28、240.12 kg/hm2；P 41.78、39.81、35.28 kg/hm2；K 78.73、86.33、97.18 kg/hm2，相對于化學(xué)氮肥先升后降和磷肥的下降趨勢，化學(xué)鉀肥施用量呈持續(xù)增長趨勢，此數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部1988—2018年在全國稻作區(qū)的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，為種植水稻的化肥施用量，近10 a來隨著測土配方、綠肥以及有機(jī)無機(jī)肥配施技術(shù)的大面積推廣，使得化學(xué)氮、磷肥的施用量下降，而鉀肥的施用量逐年上升，說明農(nóng)戶逐漸重視水稻種植中鉀肥的施用[60]。水稻秸稈中的鉀含量較高[33]，還田后可以帶入大量的鉀素，對緩解鉀資源不足、改善土壤鉀素狀況、降低鉀肥投入量等具有重要意義。本研究中30 a來全國水稻秸稈還田的年均鉀肥可替代量為92.39～112.94 kg/hm2，通過施用化肥帶入的年均鉀素量為78.7～97.2 kg/hm2，為每年施鉀量的1.16～1.23倍，而水稻秸稈還田的氮、磷肥可替代量只占化肥施用量的10.88%～12.53%、11.83%～17.13%，該結(jié)果和李明德等[61]的研究結(jié)果相似，秸稈還田與化肥配施可以減少10%～20%的氮、磷化肥用量。因此水稻秸稈還田可減少甚至不施用鉀肥，應(yīng)適當(dāng)配合施用化學(xué)氮、磷肥。今后提高水稻主產(chǎn)區(qū)的水稻秸稈還田比例，優(yōu)化秸稈還田與化肥配施技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)化肥施用零增長的有力保障。

3.3 水稻秸稈還田建議

中國水稻秸稈資源豐富，含有大量養(yǎng)分資源。柴如山等[62]統(tǒng)計(jì)了2018年中國水稻秸稈磷資源量，結(jié)果表明，2018年中國水稻秸稈磷資源量為27.4×104t，早稻、雙季晚稻及中晚稻秸稈還田后可歸還的磷素分別為 6.29、7.95、10.7 kg/hm2。李廷亮等[63]研究表明2014—2018年中國水稻秸稈養(yǎng)分資源量分別為 N 164.9×104、P 38.8×104、K 407.0×104t，在稻麥輪作區(qū)，水稻秸稈全量還田后可分別替代小麥生產(chǎn)中 13.3%～19.9%氮肥、12.7%～50.9%磷肥和100%鉀肥用量。秸稈從田間來、到田間去，通過不同方式直接或間接還田，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要路徑。水稻秸稈的合理開發(fā)和還田技術(shù)的完善對我國實(shí)現(xiàn)化肥施用零增長有著深遠(yuǎn)的意義。本研究中近30 a來水稻秸稈 NPK總養(yǎng)分年均量呈增長趨勢，而占全國化肥施用均量的比例呈下降趨勢，1988—1998、1999—2008、2009—2018年水稻秸稈NPK總養(yǎng)分年均量占全國化肥施用均量的比例分別為 23.70%、17.99%、16.67%，主要原因是全國化肥施用均量的增長。然而近10 a（2009—2018年）其比例相對于中間10 a（1999—2008年）僅下降了1.32%，結(jié)合全國化肥施用均量數(shù)據(jù)可見，1988—1998年至1999—2008年的全國化肥施用均量增長了 33.34%，1999—2008年至 2009—2018年的全國化肥施用均量增長了23.41%。說明近10 a全國的化肥施用均量增長速率在下降，這和國家測土配方施肥、化肥零增長行動(dòng)等政策密切相關(guān)。

因此，提高中國水稻的秸稈還田率，完善水稻秸稈還田技術(shù)，充分發(fā)揮水稻秸稈還田的養(yǎng)分替代作用，對水稻生產(chǎn)中的減肥增效和水稻綠色生產(chǎn)尤為重要，故提出以下幾點(diǎn)建議：1）在水稻秸稈資源和養(yǎng)分資源相對豐富的地區(qū)，如長三角、長江中游、西南和東北地區(qū)，應(yīng)根據(jù)各地區(qū)的氣候條件、土壤類型和種植制度等采取合適的秸稈還田技術(shù)，提高各地區(qū)的水稻秸稈還田率；2）水稻秸稈還田后養(yǎng)分釋放早期快，后期慢，因此在考慮水稻施肥量時(shí)應(yīng)減少基肥用量，增加追肥用量，使得水稻整個(gè)生育期內(nèi)的養(yǎng)分供應(yīng)充足。水稻秸稈資源的鉀素資源豐富，還田后的當(dāng)季釋放率高，應(yīng)減少化學(xué)鉀肥的施用，鼓勵(lì)以秸稈還田的方式補(bǔ)充鉀素，而水稻秸稈中的氮、磷含量低，養(yǎng)分釋放率相對較低，在秸稈還田時(shí)應(yīng)配施適量的氮、磷肥。3）在水旱輪作區(qū)和雙季稻區(qū)，水稻秸稈還田時(shí)可配施適量的秸稈腐熟劑，以進(jìn)一步提高秸稈的腐解率和養(yǎng)分尤其氮、磷養(yǎng)分的當(dāng)季釋放率，充分發(fā)揮秸稈還田的作用。

4 結(jié) 論

1）2009—2018 年全國水稻秸稈資源及其NPK總養(yǎng)分資源年均量分別達(dá)到1.69×108t和452.09×104t，比1988—1998 年分別增加 0.23×108t和 61.50×104t，其中東北增幅最高，其次為長江中游，長三角最低，而華南和西南呈降低趨勢。全國的水稻秸稈資源和氮磷鉀養(yǎng)分資源年均量隨種植年限的延長呈增長趨勢，第一階段（1990s—2000s）全國水稻秸稈資源年變化速率為18.11×104t/a，N、P、K 養(yǎng)分資源年變化速率為 0.15×104、0.02×104、0.31×104t/a，年變化速率從大到小依次為長江中游、東北、華南、長三角、西南；第二階段（200s—2010s）全國水稻秸稈資源年變化速率為211.47×104t/a，N、P、K養(yǎng)分資源年變化速率為 1.76×104、0.25×104、3.66×104t/a，年變化速率從大到小依次為東北、長江中游、長三角、西南、華南。不同區(qū)域水稻秸稈及其養(yǎng)分資源年均量差異較大，長三角最高，其次為長江中游、西南和東北，華南最低。

2）30 a來（1988—2018年），全國單位耕地面積水稻秸稈還田的氮、磷、鉀肥年均可替代量持續(xù)穩(wěn)定增加，占化肥年均施用量的比例分別為 10.88%～12.53%、11.83%～17.13%、116.22%～122.62%，較1988—1998年，2009—2018年的氮、磷、鉀肥年均可替代量分別增加了5.48、1.10、20.55 kg/hm2，其中長江中游的增幅最高，其次為東北、西南和長三角，華南最低。全國水稻秸稈還田的氮、磷、鉀肥年均可替代量分別為（28.90±0.14）、（5.80±0.03）、（180.46±0.52）kg/hm2，各區(qū)域以長三角最高，其次為東北、西南和長江中游，華南最低。