浙江省主要糧食作物秸稈還田替代化肥的潛力

汪 潔,陸若輝,朱偉鋒,陳鈺佩,單英杰

(浙江省耕地質量與肥料管理總站,浙江 杭州 310020)

近年來,浙江省農作物秸稈綜合利用率從2013年底的79.2%提高到2021年的96.6%,高出全國平均水平約8百分點,其中,秸稈還田利用貢獻率達到60%以上。秸稈還田替代部分化肥是推進化肥零增長行動的重要措施之一,亦是化肥減量增效和促進農業綠色發展的重要途徑之一。秸稈還田能增加作物產量[1-2],在一定條件下還能改善作物品質[3-4]。長期定位試驗結果表明,早稻秸稈還田替代部分化肥可穩定晚稻產量水平,提高養分利用效率[5]。據測算,廣東省2019年主要農作物秸稈養分資源替代化肥的比例為氮素22%、磷素19%、鉀素70%[6];安徽省通過秸稈還田,全省可減施化肥19.8%,氮、磷、鉀素減施比例分別為11.4%、17.2%、40.7%[7]。

目前,我國各地針對秸稈資源開展的研究已較為豐富,但多數或是對秸稈利用狀況的研究[8-11],或是針對秸稈中的單一元素[12-13],或是針對某種具體作物[13-15],或是在其他農區進行[6,16-18],具體針對浙江省域尺度上秸稈還田替代化肥潛力的分析還未見報道。為此,本研究以浙江省主要糧食作物為對象,基于《浙江農業農村統計資料》中2018—2020年各設區市主要糧食作物的年播種面積和產量,利用文獻調研得出的相關參數,在市級尺度上估算了3大糧食作物(水稻、小麥和玉米)秸稈中的氮、磷、鉀養分資源量,及其在還田條件下單位面積氮、磷、鉀養分的當季釋放量,以期為全省乃至全國主要糧食作物秸稈還田條件下的農田化肥替代提供科學依據和參考。

1 材料與方法

1.1 研究方法

采用草谷比法對浙江省各設區市水稻、小麥、玉米的秸稈產量進行估算。

WS=WP×SG。

(1)

式(1)中:WS為作物秸稈產生量,WP為作物產量,SG為作物草谷比。

作物秸稈中養分資源量的計算公式如下:

WN=WS×NS;

(2)

WP=WS×PS×2.29;

(3)

WK=WS×KS×1.2。

(4)

式(2)～(4)中:WN、WP、WK分別為作物秸稈氮素、磷素(以P2O5計,下同)、鉀素(以K2O計,下同)養分資源量;NS、PS、KS分別為作物秸稈的氮、磷、鉀素養分含量。

單位面積作物秸稈還田當季化肥可替代量的計算公式為

ARN=WRN/A=WN×RN/A;

(5)

ARP=WRP/A=WP×RP/A;

(6)

ARK=WRK/A=WK×RK/A。

(7)

式(5)～(7)中:ARN、ARP、ARK分別為單位面積作物秸稈還田當季可提供的氮素、磷素、鉀素養分資源量(表征養分替代潛力);WRN、WRP、WRK分別為作物秸稈還田當季可提供的氮素、磷素、鉀素養分資源量(表征養分可替代量);RN、RP、RK分別為秸稈還田氮素、磷素、鉀素養分的當季釋放率;A為作物的播種面積。

1.2 數據來源

本研究采用2018—2020年的年均值來對秸稈資源量和化肥替代潛力進行估算。

各設區市3大糧食作物的產量和播種面積數據來自浙江省農業農村廳統計資料。草谷比數據來自《關于開展農作物秸稈綜合利用規劃終期評估的通知》[19]中的浙江省主要農作物草谷比數據,具體為水稻1.28,小麥1.38,玉米2.05。參照劉曉永等[20]提出的秸稈養分含量和當季釋放率數據,將其整理于表1。

表1 主要糧食作物的秸稈養分含量和當季釋放率Table 1 Nutrients contents in straws and their seasonal release rates of main grain crops

2 結果與分析

2.1 主要糧食作物的秸稈資源量

2018—2020年,浙江省主要糧食作物的秸稈年產量平均為697.6萬t,其中,水稻、小麥和玉米秸稈的年產量平均值分別為593.2萬、51.5萬、52.9萬t,分別占3大糧食作物秸稈總產量的85.0%、7.4%和7.6%。從各設區市3大糧食作物的秸稈總產量看(圖1),嘉興最多(117.9萬t),其次為紹興(91.1萬t),兩地合計占全省的30.0%。分作物看,水稻秸稈產量最高的是嘉興和紹興,分別有89.5萬t和81.3萬t,兩地合計占全省水稻秸稈產量的28.8%;小麥秸稈產量最高的是嘉興,產量達25.7萬t,占全省小麥秸稈產量的50.0%;玉米秸稈產量最高的是杭州(11.0萬t),占全省玉米秸稈產量的20.8%。從各設區市3大糧食作物秸稈產量占秸稈總產量的比值看:水稻秸稈在各地均達到70%以上,溫州、臺州、衢州等地的水稻秸稈占比達到90%以上,寧波、湖州、紹興、金華等地的水稻秸稈占比在80%～90%;嘉興、湖州的小麥秸稈占比分別為21.8%和12.0%,杭州和寧波的小麥秸稈占比在7%～10%;杭州、舟山、麗水的玉米秸稈占比在20%左右,金華和衢州的玉米秸稈占比在10%左右。

2.2 主要糧食作物秸稈養分資源量

經測算,2018—2020年,浙江省水稻、小麥和玉米秸稈的年均養分資源量分別為2 015.6、110.1、123.2 t,分別占全省3大作物秸稈總養分資源量的89.6%、4.9%和5.5%。秸稈養分總量中,鉀素資源量(1 487.0 t)最高,其次為氮素(561.3 t)和磷素(200.5 t),三者分別占總養分資源量的66.1%、25.0%、8.9%。

在水稻秸稈養分總量中,同樣以鉀素資源量(1 352.6 t)最高(圖2),其次為氮素(486.4 t)和磷素(176.6 t),分別占水稻秸稈總養分資源量的67.1%、24.1%和8.8%。分地區看,嘉興的水稻秸稈養分資源量最高(304.0 t),占全省水稻秸稈養分資源總量的15.1%;紹興(276.3 t)次之,占比13.7%;寧波(229.8 t)、溫州(238.2 t)、衢州(201.7 t)、臺州(187.9 t)占比均在10%左右。

圖2 浙江各地主要糧食作物的秸稈養分資源量Fig.2 Nutrients resources of main grain crop straws in Zhejiang Province

在小麥秸稈養分總量中,同樣以鉀素資源量(71.7 t)最高,其次為氮素(27.8 t)和磷素(10.6 t),分別占小麥秸稈總養分資源量的65.1%、25.3%和9.6%。分地區看,嘉興(55 t)的小麥秸稈養分資源量居全省第一位,約占全省一半,這與嘉興小麥秸稈產量較大有關;其次為湖州(16.0 t),占全省小麥秸稈總資源量的14.5%。

在玉米秸稈養分總量中,同樣以鉀素資源量(62.8 t)最高,其次為氮素(47.0 t)和磷素(13.3 t),分別占玉米秸稈總養分資源量的51.0%、38.1%和10.8%。杭州(25.6 t)的玉米秸稈養分資源量最多,占全省玉米秸稈養分資源總量的20.8%;麗水(17.5 t)、金華(15.8 t)、衢州(14.8 t)、紹興(12.9 t)次之,占比均在10%以上。

總體上看,嘉興3大主糧作物的秸稈總養分資源量(365.2 t)最多,占全省的16.2%;其次為紹興(298.3 t),占全省的13.3%;其余大多數地區的秸稈養分資源量在160～260 t,在全省的占比在8%～11%;麗水(123.7 t)相對較少,占比為5.5%;舟山因秸稈產量最少,養分資源量(8.1 t)也最少。

持續3 a的定位試驗表明,紫云英配合稻草半量還田等量替代化肥氮的效果更好[21];長期綠肥和秸稈聯合還田替代部分化肥能有效提高水稻土和微生物生物量氮和酸解銨態氮的含量[22];配施1/4有機肥和1/4秸稈的模式可顯著促進番茄盛果期的氮素吸收,減少可能經淋洗損失的氮量[23];持續4 a的定位試驗結果表明,稻秸-有機肥聯合還田可提高黃泥田的產能與養分利用水平[24],有機物料聯合還田可替代化肥。因此,在秸稈資源量豐富的地區,如杭州、嘉興等地,可因地制宜通過適量配施綠肥或有機肥等多元化模式開展秸稈的肥料化利用,以提高化肥替代效率。

2.3 主要糧食作物秸稈還田的當季化肥替代潛力

浙江省水稻、小麥和玉米秸稈還田的年均養分可替代量分別為1 495.8、84.4、88.2 t(表2),分別占總養分可替代量的89.6%、5.1%和5.3%。秸稈養分可替代量中,鉀素(1 265.3 t)最高,其次為氮素(268.9 t)和磷素(134.1 t),分別占養分可替代總量的75.8%、16.1%和8.1%。分作物看:水稻秸稈養分可替代量中,氮、磷、鉀素占比分別為15.3%、7.9%、76.8%;小麥秸稈養分可替代量中,氮、磷、鉀素占比分別為16.5%、7.8%、75.6%;玉米秸稈養分可替代量中,氮、磷、鉀素占比分別為28.8%、11.0%和60.1%。分地區看:嘉興(272.2 t)3大主糧作物秸稈還田的化肥可替代量最大,占全省秸稈還田化肥可替代量的16.3%;其次為紹興(221.2 t),占比為13.3%。

表2 浙江省主要糧食作物秸稈還田的養分可替代量Table 2 Nutrients substitution amount of main grain crops staws in Zhejiang Province t

浙江省3大主糧作物的氮、磷、鉀素養分替代潛力平均值分別為(34.4±0.4)、(17.1±0.1)、(161.8±0.8) kg·hm-2,其中,氮素替代潛力以玉米(41.7 kg·hm-2)最高,水稻(36.3 kg·hm-2)次之;磷、鉀素替代潛力均以水稻(分別為18.6、181.8 kg·hm-2)最高,玉米(分別為16.0、87.1 kg·hm-2)次之。總的來看,水稻秸稈總的養分替代潛力最大,小麥最小(表3)。因此,浙江省今后應以進一步增強水稻秸稈養分替代化肥的潛力作為主要研究方向。浙江省3大主糧作物的氮、磷、鉀素的養分替代潛力與全國平均值36.1 kg·hm-2(2013—2017年數據)[25]、16.7 kg·hm-2(2015年數據)和103.1 kg·hm-2(2015年數據)[26]相比,分別低4.7%、高2.4%、高56.9%。這可能與浙江省的糧食生產現狀密切相關。據《中國統計年鑒》,浙江省2018—2020年單位面積的主要糧食作物產量分別為6 782、6 680、6 665 kg·hm-2,分別高于全國平均值10.8%、6.5%、5.9%;因此,其秸稈總量與替代潛力整體也相應高于全國平均水平。秸稈中的氮素替代潛力偏低,可能與浙江省近年來嚴格控制化肥尤其是氮素的投入量和更關注提高氮肥的利用率相關。浙江省自2018年開始實施農業綠色發展試點先行區三年行動[27],于2019年推出化肥定額施用[28],并于2020年持續深化[29],明確規定水稻和小麥的定額施用量。例如:單季稻、晚稻化肥施用總量(折純)分別不超過390、345 kg·hm-2,比歷年常規施肥量減少25.7%、17.9%,氮肥施用量不超過255、210 kg·hm-2,分別比歷年常規施肥量減少22.7%、12.5%;小麥化肥施用總量不超過300 kg·hm-2,比歷年常規施肥量減少25.0%,氮肥不超過150 kg·hm-2,比歷年常規施肥量減少33.3%。這些措施在一定程度上降低了水稻和小麥秸稈還田的氮肥替代潛力,但提高了氮肥的利用率和作物產量。

表3 浙江省主要糧食作物秸稈的總養分替代潛力Table 3 Total nutrients substitution potential of main grain crop straws in Zhejiang Province kg·hm-2

浙江各地水稻秸稈的氮素養分替代潛力相差不大(圖3),均在33.4 kg·hm-2以上,全省平均36.3 kg·hm-2,高于全國平均水平的29.9 kg·hm-2[30],其中,嘉興、湖州在38.8 kg·hm-2以上,溫州、金華、麗水在34.7 kg·hm-2以下;磷素養分替代潛力相差較小,在17.1～20.5 kg·hm-2,全省平均18.6 kg·hm-2,與全國平均水平(17.8 kg·hm-2)基本相符[30],其中,嘉興、湖州在19.9 kg·hm-2以上;鉀素養分替代潛力在172.3～199.8 kg·hm-2,顯著高于全國平均水平(145.1 kg·hm-2)[30],其中,嘉興、湖州在194.3 kg·hm-2以上,溫州最小,為166.9 kg·hm-2。

圖3 浙江省主要糧食作物秸稈的養分替代潛力Fig.3 Nutrients substitution potential of main grain crops straws in Zhejiang Province

浙江各地小麥秸稈的氮、磷素養分替代潛力分別為11.0～16.4、5.2～7.7 kg·hm-2,其中,氮素養分替代潛力遠高于全國平均水平(4.6 kg·hm-2),而磷素的全省平均值為7.3 kg·hm-2,與全國平均水平(7.8 kg·hm-2)基本相符[30]。分地區看,寧波和湖州(氮素16.4 kg·hm-2、磷素7.7 kg·hm-2)并列最高,衢州(氮素11.0 kg·hm-2、磷素5.2 kg·hm-2)最低。浙江各地小麥秸稈的鉀素養分替代潛力為50.4～75.2 kg·hm-2,全省平均71.1 kg·hm-2,與全國平均水平(65.3 kg·hm-2)基本相符[30],各地區相比,以寧波(75.2 kg·hm-2)最高,其次為湖州(74.9 kg·hm-2),衢州(50.4 kg·hm-2)最低。

浙江各地玉米秸稈的氮、磷、鉀素養分替代潛力分別為36.3～46.7、13.9～17.8、75.8～97.3 kg·hm-2,其中,氮素與全國平均水平(39.4 kg·hm-2)相符,磷素和鉀素均低于全國平均水平,分別為28.9、100.9 kg·hm—2[30]。分地區看,氮、磷、鉀素養分替代潛力均以湖州最高,分別為46.7、17.8、97.3 kg·hm-2;其次為嘉興,分別為46.0、17.6、95.9 kg·hm-2;麗水最低,分別為36.3、13.9、75.8 kg·hm-2。

總體來看,浙江各地水稻秸稈總的養分替代潛力以嘉興(260.2 kg·hm-2)、湖州(253.0 kg·hm-2)最高,小麥秸稈總的養分替代潛力以寧波(99.3 kg·hm-2)、湖州(99.0 kg·hm-2)最高,玉米秸稈總的養分替代潛力以湖州(161.8 kg·hm-2)、嘉興(159.5 kg·hm-2)最高。

秸稈還田后的腐解過程對土壤氮、磷有效性的影響是實際生產中需要關注的問題。研究表明,在秸稈還田的腐解過程中,添加腐解菌劑可以進一步提高秸稈氮、磷的釋放率[31-32]。今后,可以在氮、磷養分替代潛力相對偏低的地區通過添加合適的腐解菌劑來進一步提高秸稈中養分的釋放量,進一步增強秸稈還田替代化肥的力度。作物秸稈中的鉀含量較高[33],鉀素替代潛力較大,在還田條件下可以作為一種重要的鉀素來源[34-35]。浙江省水稻、小麥、玉米的鉀素養分替代潛力分別為181.8、71.1、87.1 kg·hm-2,與2015—2017年的全國平均值152.6、82.4、124.4 kg·hm-2[36]相比,分別高19.1%、低13.7%、低30.0%。研究表明,在小麥秸稈還田的同時減施鉀肥對水稻產量的影響不顯著[37]。浙江省除衢州小麥秸稈和麗水玉米秸稈的鉀素養分替代潛力相對偏小外,其他各地3大主糧作物秸稈的鉀素養分替代潛力差異不明顯,據此推斷,整體上浙江各地今后可以水稻秸稈為主進行鉀素養分替代來維持土壤鉀素平衡。

3 討論

作物秸稈還田的養分替代潛力與作物產量、作物草谷比、秸稈還田當季釋放率和播種面積等因素有關。草谷比是作物科學研究和生產中的重要指標,也是評估秸稈資源量的重要參數[38]。研究表明,草谷比法是最接近實際的農作物秸稈產量測算方法。本研究采用國家發展和改革委員會和農業部聯合發表的政府公文中的含浙江省在內的長江中下游地區的草谷比數據,較全國平均值更貼合浙江實際。影響作物還田后秸稈腐解及其養分釋放的因素很多,包括秸稈還田方式、外源養分投入、外施腐熟劑、土壤本底養分含量、氣候環境、種植習慣等[39]。研究表明,秸稈還田當季釋放率(有機物料腐解)與氣候、有機物料性質和土壤因子三者的交互作用相關,這3個影響因素的貢獻率達42.3%[40]。添加不同外源氮對累計腐解率影響不顯著,但對不同時期的水稻秸稈腐解有顯著影響[41]。隨小麥秸稈還田殘留質量的不斷降低,其腐解率逐漸上升[42]。因國內暫未有專門針對浙江省秸稈還田相關系數的研究,因此本研究選擇參照農區文獻數據進行測算。今后,若要進一步提高測算的精度,應針對浙江省的秸稈還田當季釋放率做進一步探究。

在3大主糧作物中,浙江省8成以上的主糧產量由水稻貢獻。水稻秸稈是浙江省3大主糧作物秸稈還田最主要的部分。本研究表明,各地水稻秸稈還田的養分可替代量從多到少依次為嘉興>紹興>溫州>寧波>衢州>臺州>湖州>金華>杭州>麗水>舟山,而養分替代潛力從大到小依次為嘉興>湖州>紹興>杭州>寧波>衢州>臺州>舟山>麗水>金華>溫州,各地秸稈還田的養分替代潛力與養分可替代量的大小規律并不一致,這可能與種植密度相關。研究表明,土壤養分指標隨種植密度的增大呈先增后減的趨勢,合理的種植密度可以促進土壤養分積累與土壤酶活性的提升[43]。盡管現階段暫未有學者就種植密度對農作物化肥可替代量的影響深入開展研究,但可以推斷,在養分可替代量相同的情況下,可能在一定的范圍內,播種密度越大,養分可替代潛力就越大。一般來說,種植密度與地形、種植面積、種植技術等因素直接相關。浙江省的地形自西南向東北呈階梯狀傾斜,西南以山地為主,中部以丘陵為主,東北部以平原為主。嘉興、湖州、紹興、杭州等平原地區,規模種植相對較多,農業機械化水平也較高,種植密度相對較大;而麗水、金華、溫州等地山區較多,規模種植相對較少,種植技術相對較弱,種植密度也相對較小。種植制度是間接影響種植密度的因素之一,浙北地區以單季稻為主,浙南地區則以雙季稻為主,一般單季稻的單位面積產量較雙季稻高。此外,各地水稻秸稈還田的養分可替代潛力還會受到農戶施肥習慣、農田地力情況、基建設施等多種因素的影響。下一階段,可進一步研究各地農作物秸稈還田的養分替代潛力與種植密度的關系,因地制宜得出各地最適宜的種植密度范圍,以期為秸稈還田的最優化利用提供理論依據。

浙江省自2014年積極探索農作物秸稈綜合利用以來,逐步建立起政府主導、市場運作、農民參與的秸稈綜合治理機制,將大力實施秸稈機械粉碎還田、推進肥料化利用作為秸稈資源化利用的首要途徑[44]。近年來,浙江各地加快推進秸稈機械化粉碎和撿拾打捆作業,視秸稈數量實行全量或部分粉碎還田,提高土壤肥力,并對多余部分秸稈進行撿拾打捆。在以杭州、嘉興、湖州為代表的浙北平原地區,實行帶莖稈切碎和拋灑裝置、二次割刀的全喂入或半喂入聯合收割機大型機械作業,以及應用撿拾打捆機與農作物收割、撿拾打捆為一體的機械化聯合作業。該做法在省外一些地區也得到了應用,并取得積極效果。如在安徽淮北平原砂姜黑土區上,長期小麥單季秸稈全量粉碎覆蓋還田就有利于壯苗的培育[45]。在以麗水、溫州為代表的山壟田、小塊地等不適宜農機作業的地區,鼓勵秸稈覆蓋、生物腐熟、稻麥雙套、行間鋪草等其他方式還田。目前,秸稈還田利用技術多樣,也有部分學者在省域范圍內深入開展秸稈還田研究[46],但未見有從化肥替代角度分地形分區域就各市的最優化還田模式深入進行研究的。此外,研究表明,秸稈還田有助于提高農田土壤節肢動物的數量和多樣性[47];秸稈還田配施有機肥后可顯著改善土壤性質,增加土壤養分含量和微生物數量[48]。今后應充分考慮各地主要農作物秸稈的養分替代潛力,通過秸稈還田配合補施少量合理配比的含氮、磷、鉀素的化肥和有機肥以實現土壤養分全面合理,既能滿足農作物生長需求,也有利于秸稈分解腐爛的目的。

4 結論

(1)2018—2020年浙江省水稻、小麥、玉米秸稈年產量分別為593.2萬、51.5萬、52.9萬t,年均養分資源(總)量分別為2 015.6、110.1、123.2 t,其中,鉀素養分資源量(1 487.0 t)最高,其次為氮素(561.3 t)和磷素(200.5 t)。水稻和小麥秸稈的養分資源量以嘉興最高,玉米秸稈養分資源量以杭州最多,3大主糧作物秸稈養分資源量以嘉興(365.2 t)最多。

(2)秸稈養分可替代量以鉀素最高。在3大糧食作物中,氮素替代潛力以玉米秸稈最高,磷、鉀素替代潛力均以水稻秸稈最高,總的養分替代潛力以水稻秸稈最大。

(3)各地水稻秸稈的養分替代潛力以嘉興、湖州最高,小麥秸稈的養分替代潛力以寧波、湖州最高,玉米秸稈的養分替代潛力以湖州、嘉興最高。