我国主要粮食作物秸秆还田养分资源量及其对小麦化肥减施的启示

2020-12-10李廷亮王宇峰王嘉豪栗丽谢钧宇李丽娜黄晓磊谢英荷

中国农业科学 2020年23期

李廷亮，王宇峰，王嘉豪，栗丽，谢钧宇，李丽娜，黄晓磊，谢英荷

李廷亮1,2，王宇峰1，王嘉豪1，栗丽1，谢钧宇1，李丽娜1，黄晓磊1，谢英荷1

（1山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西太谷 030801）

【】明确我国主要粮食作物秸秆及其养分资源特征，为秸秆肥料化利用、化肥合理减施及农业绿色生产提供科学依据。基于《中国统计年鉴》和文献资料数据，估算我国水稻、小麦和玉米秸秆及其养分资源量，分析秸秆和养分资源区域分布特征、养分资源当季释放量以及小麦生产中化肥减施量。通过文献数据加权估算，我国水稻、小麦和玉米的草谷比分别为1.01、1.14和1.25。2014—2018年，我国三大粮食作物秸秆年均产量为65 386.6万t，其中水稻、小麦和玉米秸秆产量分别占32.3%、22.7%和45.0%。秸秆资源量的73.3%分布在我国华北、长江中下游和东北农区，其中水稻秸秆主要集中在长江中下游农区（50.7%）、小麦秸秆主要集中在华北农区（59.0%）、玉米秸秆主要集中在东北农区（33.7%）和华北农区（30.4%）。我国水稻、小麦和玉米秸秆氮素（N）平均含量分别为0.78%、0.64%和0.85%，磷素（P2O5）平均含量分别为0.42%、0.27%和0.53%，钾素（K2O）平均含量分别为2.31%、1.53%和1.59%，秸秆总养分含量（N+P2O5+K2O）表现为水稻＞玉米＞小麦。三大粮食作物秸秆养分资源年均量为509.8万t（N）、284.7万t（P2O5）和1 183.0万t（K2O），不同农区总养分量分布表现为长江中下游（26.0%）＞华北（25.4%）＞东北（21.3%）＞西北（11.1%）＞西南（10.5%）＞东南（5.6%）。我国水稻、小麦和玉米秸秆还田氮素当季释放率分别为54.9%、51.4%和61.9%，磷素当季释放率分别为60.9%、65.3%和73.0%，钾素当季释放率分别为90.1%、93.3%和92.3%，表现为钾＞磷＞氮。三大粮食作物秸秆还田养分当季归还量（化肥可替代量）年均值为294.0万t（N）、194.1万t（P2O5）和1 083.9万t（K2O），总量为1 572万t，其中以玉米秸秆养分（N+P2O5+K2O）当季归还量最高，占当季养分总归还量的44.6%。秸秆还田对我国小麦生产具有较高化肥替代潜力，在小麦一年一作区，小麦秸秆全量还田理论上可替代4.6 kg N·hm-2、7.8 kg P2O5·hm-2和65.3 kg K2O·hm-2的化肥投入量；小麦玉米轮作区，玉米秸秆全量还田理论上可替代小麦生产季39.4 kg N·hm-2、28.9 kg P2O5·hm-2和109.9 kg K2O·hm-2的化肥投入量；稻麦轮作区，水稻秸秆全量还田理论上可替代小麦生产季29.9 kg N·hm-2、17.8 kg P2O5·hm-2和145.1 kg K2O·hm-2的化肥投入量。我国水稻、小麦和玉米秸秆年均产量分别为21 141.5万t、14 843.1万t和29 402.0万t，总量为65 386.6万t。三大粮食作物秸秆全量还田养分当季释放量为294.0万t（N）、194.1万t（P2O5）和1 083.9万t（K2O）。70%以上秸秆资源和养分当季释放量集中在长江中下游、华北和东北地区。小麦生产区，前茬作物秸秆全量还田理论上可替代4.6—39.4 kg N·hm-2、7.8—28.9 kg P2O5·hm-2和65.3—145.1 kg K2O·hm-2的化肥投入量。

秸秆产量；养分资源量；化肥减施；小麦生产

0 引言

【研究意义】农作物秸秆含有大量氮、磷、钾及其他中微量元素，秸秆还田后易分解物质可快速释放矿质养分供后期作物吸收利用，难分解部分则经微生物转化为腐殖质增加土壤碳汇，改善土壤结构和微生态环境，进而提高土壤肥力[1-3]。作物秸秆是农业生产中最经济有效的有机养分资源，科学统计评价我国现阶段主要粮食作物秸秆资源量及养分释放特征对合理减少农业化肥投入和提高耕地质量具有重要意义。【前人研究进展】我国农作物秸秆资源丰富，据统计2015年全国农作物秸秆总产量达10.4亿t，其中可收集资源量为9亿 t，秸秆肥料化利用率为43.2%[4]。秸秆含有大量养分资源，宋大利等[5]研究表明2015年我国水稻、小麦和玉米秸秆全量还田可归还的氮素（N）分别为56.9、36.6和61.5 kg·hm-2，占对应作物生产化肥氮施用量的31.6%（水稻）、22.5%（小麦）和28.8%（玉米）；柴如山等[6]对我国2013—2017年主要粮食作物秸秆钾素资源量研究表明，我国水稻、小麦和玉米秸秆还田当季可提供的钾素量分别为499万t、193万t和479万t。目前国际上估算秸秆资源量普遍采用的方法是草谷比，而草谷比受作物品种、栽培措施和气候条件等因素影响较大，我国水稻、小麦和玉米的草谷比一般在0.62—1.40、0.73—1.56和0.89—2.00之间[7-12]。草谷比的选择很大程度上会影响秸秆和养分资源量的估算结果，毕于运等[11]采用玉米草谷比1.2估算我国2005年玉米秸秆总产量为2.02亿t，而在张培栋等[13]研究中选择玉米草谷比2.0估算我国2005年玉米秸秆资源量为2.78亿t。另外关于作物秸秆养分含量，多数研究[6,14-17]参考了1999年全国农业技术推广服务中心编制的《中国有机肥料养分志》，其中我国水稻、小麦和玉米秸秆的氮（N）含量分别为0.91%、0.65%和0.92%，磷（P2O5）含量分别为0.30%、0.18%和0.34%，钾（K2O）分别为2.29%、1.27%和1.43%；而刘晓永等[12]在《中国有机肥料养分志》基础上通过后期文献统计加权确定的我国水稻、小麦和玉米的磷素（P2O5）含量分别为0.13%、0.09%和0.11%，整体降低了50%以上；高伟[18]对我国北方不同地区玉米秸秆养分含量研究结果为0.93%（N）、0.37%（P2O5）和2.37%（K2O），其中钾素含量则提高了66%。表明作物秸秆养分含量会随作物品种的更替、土壤水肥条件和栽培措施等发生变化。作物秸秆还田后在微生物作用下逐步发生腐解，释放矿质营养元素，研究表明不同作物秸秆中养分释放速率表现为K＞P＞N，其中秸秆钾的当季释放率可达90%，磷的当季释放率在60%—70%，氮的当季释放率在50%—60%[12,19-21]。秸秆翻埋在15—20 cm土层的累积腐解率高于0—5 cm土层，秸秆在旱地土壤中的累积腐解率和养分释放率总体高于水田[22-24]。我国近年小麦种植面积在2 400万hm2以上，其中旱作小麦约占1/3，我国旱地土壤相对贫瘠，化肥利用效率低，因此秸秆还田在小麦种植区的化肥减量有机替代研究对当地土壤质量提升和小麦绿色生产显得尤为重要。【本研究切入点】以往研究中有关秸秆产量及养分资源量统计多依据某一标准或单一文献的草谷比和养分含量值，所以统计结果差异较大，且秸秆还田养分资源估算量大多没有考虑当季养分释放率，仅通过全量养分估算秸秆还田替代化肥潜力。而基于大样本统计的草谷比和养分含量值估算我国主要粮食作物秸秆产量和养分资源量，以及基于秸秆养分当季释放率估算化肥实际可替代量的研究鲜为报道。【拟解决的关键问题】本文基于《中国统计年鉴》和前人大量文献数据，系统研究我国2014—2018年水稻、小麦和玉米三大粮食作物秸秆产量分布特征、秸秆养分含量和释放特征，并进一步分析秸秆还田养分释放对我国小麦生产化肥减施的贡献，以期为我国农业绿色资源化生产提供理论依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区域

本研究参照中国粮食主产区划分，将中国大陆31个省、市、自治区（未包括香港、澳门、台湾和南海群岛）划分为六大农区：（1）东北农区（黑龙江、吉林和辽宁）；（2）华北农区（北京、天津、河北、河南、山东、山西）；（3）长江中下游农区（上海、江苏、浙江、安徽、湖北、湖南、江西）；（4）西北农区（内蒙古、陕西、宁夏、甘肃、青海、新疆）；（5）西南农区（重庆、四川、贵州、云南、西藏）；（6）东南农区（福建、广东、广西、海南）。研究的作物包括水稻、小麦和玉米。

1.2 估算方法

本研究中各地区水稻、小麦和玉米的秸秆产量是指籽粒收获后所有地上部剩余的副产品，采用草谷比法进行估算。

各省份主要粮食作物秸秆产量的计算公式为：

WS=Wg×R （1）

式中，WS为作物秸秆产量；Wg为作物籽粒产量；R为作物草谷比。

各省份主要粮食作物秸秆养分资源量的计算公式为：

WN= WS×NS（2）

式中，WN为作物秸秆氮素（N）资源量；NS为作物秸秆氮素（N）含量。

WP2O5= WS×PS×2.29 （3）

式中，WP2O5为作物秸秆磷素（P2O5）资源量；PS为作物秸秆磷素（P）含量；2.29为单质磷转化为P2O5的系数。

WK2O= WS×KS×1.2 （4）

式中，WK2O为作物秸秆钾素（K2O）资源量；KS为作物秸秆钾素（K）含量；1.2为单质钾转化为氧化钾（K2O）的系数。

1.3 数据来源

本研究中各地区作物产量及种植面积数据来自2015—2019年国家统计局编制的《中国统计年鉴》，为避免粮食作物产量年度之间差异引起的统计不准确性，水稻、小麦和玉米秸秆产量为基于2014—2018年作物产量多年统计数据的估算值。关于草谷比的确定，本研究基于前人大量数据统计结果，加权平均计算获得（表1）。水稻、小麦和玉米秸秆养分含量及当季释放率均为近年相关研究文献大量样品统计结果。

表1 不同文献中主要农作物的草谷比

表中括号内的数据为统计样本数。下同 The data in brackets indicate the number of statistical samples. The same as below

2 结果

2.1 我国主要粮食作物秸秆资源量及分布

2014—2018年我国三大粮食作物秸秆总产量年平均为65 386.6万t（表2），其中水稻、小麦和玉米秸秆产量分别占32.3%、22.7%和45.0%。三大粮食作物秸秆资源主要集中在我国华北、长江中下游和东北农区，占总秸秆产量的73.3%。水稻秸秆产量以长江中下游农区最高，西北农区最低，分别占全国水稻秸秆总量的50.7%和2.8%；小麦秸秆产量以华北农区最高，占全国小麦秸秆总量的59.0%，东南农区小麦秸秆年均产量最低，仅1.5万t；玉米秸秆产量以东北和华北农区最高，分别占全国玉米秸秆总量的33.7%和30.4%，以东南农区最低，仅占全国玉米秸秆总量的1.5%。

2.2 我国主要粮食作物秸秆养分含量及资源总量

表3为根据相关文献数据[5-6,12,16,18-21,23-115]统计的我国水稻、小麦和玉米秸秆氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）养分含量。可知，不同文献背景下作物养分含量差异较大，其中三大作物秸秆氮素含量变异系数在28.7%—39.6%，磷素含量变异系数在69.0%—87.5%，钾素含量变异系数在43.9%—46.1%，表明作物秸秆中磷含量较氮和钾更容易受到研究条件变化的影响。我国水稻、小麦和玉米秸秆氮素（N）平均含量分别为0.78%、0.64%和0.85%，磷素（P2O5）平均含量分别为0.42%、0.27%和0.53%，钾素（K2O）平均含量分别为2.31%、1.53%和1.59%，秸秆总养分含量（N+P2O5+K2O）表现为水稻＞玉米＞小麦。

表2 我国不同农区主要粮食作物秸秆产量

表中数据为平均值±标准差。下同 The data were mean ± standard deviation. The same as below

表3 我国主要粮食作物秸秆养分含量

依据上述秸秆养分平均含量对我国不同农区主要粮食作物秸秆养分资源量的估算值见表4。2014—2018年，我国三大粮食作物秸秆养分年资源总量为509.8万t（N）、284.7 万t（P2O5）和1 183.0 万t（K2O），其中水稻秸秆养分资源量占年资源总量的32.3%（N）、31.2%（P2O5）和41.3%（K2O），小麦秸秆养分资源量占年资源总量的18.6%（N）、14.1%（P2O5）和19.2%（K2O），玉米秸秆养分资源量占年资源总量的49.0%（N）、54.7%（P2O5）和39.5% （K2O）。三大粮食作物秸秆N、P2O5和K2O资源量在我国不同农区的分布规律一致，总养分量表现为长江中下游（26.0%）＞华北（25.4%）＞东北（21.3%）＞西北（11.1%）＞西南（10.5%）＞东南（5.6%），其中72.6%的养分资源量集中我国长江中下游、华北和东北农区。玉米是东北和华北农区养分资源主要来源，分别占70.0%和52.7%；水稻是长江中下游农区秸秆养分资源主要来源，占73.1%。

2.3 我国主要粮食作物秸秆养分释放率及当季归还量

作物秸秆覆盖或翻压还田后，秸秆腐解率和养分释放率因秸秆物质组成、土壤环境条件不同而具有一定差异性。通过文献数据[19-24,96-128]分析表明（表5），我国水稻、小麦和玉米秸秆在下季作物生长过程中的腐解率统计值分别为58.6%、60.0%和57.9%，平均为58.8%；氮素当季释放率分别为54.9%、51.4%和61.9%，平均为56.1%；磷素当季释放率分别为60.9%、65.3%和73.0%，平均为66.4%；钾素当季释放率分别为90.1%、93.3%和92.3%，平均为91.9%。

依据上述文献统计的秸秆养分释放率，对我国不同农区秸秆养分当季归还量的估算值见表6。2014—2018年，我国三大粮食作物秸秆还田养分当季归还量（化肥可替代量）年均值为294.0万t（N）、194.1万t（P2O5）和1 083.9万t（K2O），总量为1 572万t，其中水稻秸秆养分当季归还量占当季养分总归还量的30.8%（N）、27.9%（P2O5）和40.6%（K2O），小麦秸秆养分当季归还量占当季养分总归还量的16.6%（N）、13.5%（P2O5）和19.5%（K2O），玉米秸秆养分当季归还量占当季养分总归还量的52.6%（N）、58.6%（P2O5）和39.9%（K2O）。

我国不同农区三大粮食作物秸秆N、P2O5和K2O当季归还量分布规律一致，其中72.7%当季归还量集中在长江中下游、华北和东北地区。

2.4 小麦生产中秸秆还田及化肥减量分析

表7是我国不同小麦种植制度下前茬作物秸秆全量还田当季化肥投入替代量。本研究中小麦一年一作区单位面积秸秆产量是基于我国北方旱作小麦平均产量的计算值[129]，另外以我国玉米和水稻单位面积秸秆产量分别作为小麦玉米轮作区和稻麦轮作区的前茬作物秸秆量，前茬作物秸秆量表现为玉米（7 482.2 kg·hm-2）＞水稻（6 971.0 kg·hm-2）＞小麦（4 448.3 kg·hm-2）。结合不同种植制度下小麦的推荐施肥量（表8）可知，在小麦一年一作区，秸秆全量还田当季可释放14.6 kg N·hm-2、7.8 kg P2O5·hm-2和65.3 kg K2O·hm-2, 理论上可替代小麦生产中7.6%—48.7%（N）、8.9%—60.0%（P2O5）和58.8%—100%（K2O）的化肥投入量；小麦玉米轮作区，玉米秸秆全量还田当季可释放39.4 kg N·hm-2、28.9 kg P2O5·hm-2和109.9 kg K2O·hm-2，理论上可替代小麦生产中21.4%—22.5%（N）、18.1%—57.8%（P2O5）和100%（K2O）的化肥投入量；稻麦轮作区，水稻秸秆全量还田当季可释放29.9 kg N·hm-2、17.8 kg P2O5·hm-2和145.1 kg K2O·hm-2, 理论上可替代小麦生产中13.3%—19.9%（N）、12.7%—50.9%（P2O5）和100%（K2O）的化肥投入量。可见，由于我国不同地区土壤养分含量、水分状况、小麦品种及其他气候环境条件等不同，小麦产量水平和理论施肥量具有较大的区域差异性，对应秸秆还田替代化肥比例差异较大。因此，在具体小麦生产过程中，化肥减施比例要结合实际秸秆还田量及施肥量确定。

表4 我国不同农区主要粮食作物秸秆养分资源量

表5 我国主要粮食作物秸秆当季养分释放率

表6 我国不同农区主要粮食作物秸秆养分当季归还量

表7 我国不同小麦种植制度下秸秆替代化肥养分量

3 讨论

3.1 我国主要粮食作物秸秆产量估算

秸秆作为粮食作物生产的副产品，区域范围内资源量并没有准确的统计数据，国内外研究通用方法是采用草谷比与作物产量进行估算。不同文献中我国作物产量统计口径主要依据《中国统计年鉴》或《中国农业统计年鉴》，差异总体不大，但草谷比的取值是影响秸秆产量估算结果的关键因素。宋大利等[5]对我国2015年水稻、小麦和玉米秸秆资源量的估算结果为6.2亿t；从宏斌等[134]统计表明，2017年我国水稻、小麦和玉米秸秆资源量为7.1亿t；而柴如山等[15]对我国2013—2017年主要粮食作物秸秆产量统计结果表明，我国水稻、小麦和玉米秸秆年均产量分别为2.3、1.7和4.0亿t，总量为8.0亿t。上述研究秸秆估算量的差异与文献中所选取草谷比具有很大关系。本研究中为了避免参考单一文献草谷比值带来的统计误差，文中草谷比为前人大量样本统计值的加权平均值，水稻、小麦和玉米的草谷比分别为1.01（n=247）、1.14（n=839）和1.25（n=341），大样本统计结果更具有科学性和可信度。本研究结果表明2014—2018年我国水稻、小麦和玉米秸秆年均产量分别为2.1、1.5和2.9亿t，总量为6.5亿t。另外本研究发现，2014—2018年期间我国玉米秸秆产量的变异系数较大，原因是近年来我国玉米种植面积在不断加大，2018年全国玉米总产量较2014年增加了14%。

表8 我国不同种植制度下基于土壤养分含量的小麦推荐施肥量

一年一作小麦区，土壤硝态氮是指小麦播种前1 m土体硝态氮贮量，土壤有效磷和土壤速效钾是0—40 cm土层Olsen-P和速效钾的含量；小麦玉米轮作区和稻麦轮作区，土壤有效磷和土壤速效钾是0—20 cm土层有效磷和速效钾的含量

In wheat monoculture area, the value of soil nitrate nitrogen is the accumulation of NO3--N in 1 m soil before sowing, the value of soil available P and available K is the content of soil Olsen-P and NH4OAc-K in 0-40 cm soil layer; in wheat-maize rotation and rice-wheat rotation area, the value of soil available P and available K is the content of soil Olsen-P and NH4OAc-K in 0-20 cm soil layer

3.2 秸秆养分含量及变化特征

作物地上部对养分的吸收累积和转运分配受基因和环境因素共同作用[135-136]。例如，磷高效作物品种对磷的吸收转运能力相对较高[137]；增加光照条件下，氮、磷和钾等养分向籽粒分配的比例就会增加[138]。本研究发现不同文献研究背景下我国三大粮食作物秸秆氮（N）、磷（P2O5）和（K2O）养分含量变异较大，除上述原因，一定程度上还与作物体内氮、磷和钾移动性和可再利用程度高有关。本研究中，三大粮食作物秸秆中养分含量均表现为K2O＞N＞P2O5，不同文献背景下秸秆磷含量的变异系数最高，可能原因是秸秆中磷素含量最低，环境条件改变引起秸秆磷含量变幅可能会更大。另外，作物秸秆养分含量也存在区域性差异特征，黄宁等[139]研究表明黄淮南片麦区，高产品种茎叶含磷量较低，含钾量较高；而长江中下游麦区，高产品种的含磷钾量均相对较高。高伟[18]研究表明我国北方地区玉米秸秆中钾含量表现为西北地区＞华北地区＞东北地区。不同生态条件下稻草中氮的含量也会出现显著差异[140]。

本研究中我国水稻、小麦和玉米秸秆氮含量较1999年全国农业技术推广服务中心编制的《中国有机肥料养分志》降低了1.5%—14.3%，而磷和钾含量则分别提高了41.1%—54.3%和1.0%—11.4%，秸秆磷钾含量增加可能与近年来化肥施用量增加有关，而秸秆中氮含量的降低则可能更大程度与近年我国科研对作物氮素利用效率关注度高有关，氮高效利用品种选育及管理措施优化研究和应用进一步提高了作物秸秆氮素向籽粒的转移。例如地膜覆盖和适宜的氮肥用量协同作用促进了营养器官氮素向籽粒的转移率，从而提高作物氮收获指数[141-142]。

另外，本研究表明我国三大粮食作物秸秆养分年均资源量为509.8万t（N）、284.7万t（P2O5）和1 183.0万t（K2O），其中钾素资源量和宋大利等[5]和柴如山等[6]估算值相近，氮素资源量估算值低于宋大利等[5]估算值（625.6万t），磷素资源量高于宋大利等[5]估算值（197.9万t），这与秸秆氮、磷含量取值有很大关系，但研究均表明我国秸秆养分资源量主要集中在长江中下游、华北和东北农区。

3.3 秸秆还田养分释放特征

秸秆直接还田后，秸秆养分伴随着秸秆腐解过程逐步释放，因此在研究秸秆还田替代化肥时应考虑秸秆还田后养分的当季有效性[12]。秸秆腐解过程受到秸秆碳氮比、土壤水肥条件、通气性及温度等环境因素影响[1]。目前秸秆腐解研究多采用尼龙网袋原位法，且大量研究表明，秸秆养分释放表现为前期快、后期慢，大概在100—150 d达到稳定停滞状态，养分释放率一般表现为钾＞磷＞氮[12,19-24,112,115]。本文对大量相关文献统计分析表明，当还田秸秆进入腐解停滞期，水稻、小麦和玉米秸秆氮的释放率平均为54.9%、51.4%和61.9%，磷释放率平均为60.9%、65.3%和73.0%，钾释放率平均为90.1%、93.3%和92.3%。秸秆中钾主要以离子态存在，研究发现秸秆浸泡2 d后，90%的钾就可释放出来[20]。而秸秆中氮素主要为难降解的结构性氮素，所以秸秆氮的释放率最低[1]。腐解菌剂的添加可以进一步提高秸秆氮和磷的释放率[1,47, 143]。

本研究表明，我国三大粮食作物秸秆还田养分当季归还量（化肥可替代量）年均值为294.0万t（N）、194.1万t（P2O5）和1 083.9万t（K2O），总量为1 572万t，其中72.7%当季归还量集中在长江中下游、华北和东北地区，且三大粮食作物中以玉米秸秆养分（N+P2O5+K2O）当季归还量最高，占当季养分总归还量的44.6%。水稻、小麦和玉米秸秆全部还田，其养分当季释放量相当于我国2018年农用氮肥（N）施用量（2 065.4万t）的14.2%，农用磷肥施用量（728.9万t）的26.6%，农用钾肥施用量为（590.3万t）的1.8倍（2019年中国统计年鉴）。秸秆还田不仅可替代部分化肥用量，同时由于其养分逐步释放特征，起到了缓释肥的效果。

3.4 秸秆还田替代化肥当量及肥效特征

我国秸秆综合利用主要包括肥料化、饲料化、燃料化、基料化、原料化利用。据统计，2015年我国秸秆利用量达到7.2亿t，资源综合利用率为80.1%，其中秸秆肥料化利用率为43.2%[4,144]。鉴于目前农田土壤化肥减施有机替代的生态需求，秸秆作为成本最低的有机肥源，其肥料化利用逐渐被加以重视[145]。本研究中以小麦生产为例，在小麦一年一作区、小麦玉米轮作区和稻麦轮作区，上季秸秆全量还田理论上可替代小麦生产季4.6—39.4 kg N·hm-2、7.8—28.9 kg P2O5·hm-2和65.3—145.1 kg K2O·hm-2的化肥投入量。以4元/kg N、7元/kg P2O5和8元/kg K2O肥料价格计算，可产生595—1 521元/hm2的肥料成本效应。

秸秆还田在减施化肥基础上，还可以改善土壤结构，提高土壤肥效[145]。YAN等[146]在华北地区基于10年水稻秸秆还田定位试验研究表明，秸秆还田可以显著提高土壤总有机碳和活性有机碳含量，并增加参与土壤碳循环微生物的相对丰度。赵士诚等[147]研究表明长期秸秆还田增加了土壤碳固持，并可增加酸解氨基酸态氮含量，降低铵态氮的晶格固定。但另一方面我们也必须意识到秸秆还田不当会产生一些负面影响，秸秆不能及时腐解会影响根系生长，产生病虫害以及与作物争夺氮素的问题[145,148]。周延辉等[149]通过文献数据对中国地区小麦产量与秸秆还田响应关系分析表明，稻秆还田量小于5 000 kg·hm-2、玉米秸秆还田小于 6 000 kg·hm-2时，小麦增产效果比较好。

4 结论

我国主要粮食作物秸秆资源丰富，2014—2018年三大粮食作物秸秆年均产量为65 386.6万t，其中水稻、小麦和玉米秸秆分别占32.3%、22.7%和45.0%，秸秆资源量的73.3%分布在我国华北、长江中下游和东北农区。我国三大粮食作物秸秆养分资源年均量为509.8万t（N）、284.7万t（P2O5）和1 183.0万t（K2O），秸秆还田当季养分释放量为294.0万t（N）、194.1万t（P2O5）和1 083.9万t（K2O）。在小麦生产区，前茬作物秸秆全量还田理论上可替代小麦生产季4.6—39.4 kg N·hm-2、7.8—28.9 kg P2O5·hm-2和65.3—145.1 kg K2O·hm-2的化肥投入量。秸秆还田对于补充土壤养分，减少化肥用量，提高土壤肥力具有重要意义。但由于我国不同农区气候及土壤条件相差较大，秸秆还田腐解养分释放效应不同，因此合理的秸秆还田量及还田方式需进一步做区域尺度上的定量研究，以推进我国农业绿色高效生产。

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Nutrient Resource Quantity from Main Grain Crop Straw Incorporation and Its Enlightenment on Chemical Fertilizer Reduction in Wheat Production in China

LI TingLiang1,2, WANG YuFeng1, WANG JiaHao1, LI Li1, XIE JunYu1, LI LiNa1, HUANG XiaoLei1, XIE YingHe1

(1College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi;2National Demonstration Center for Agricultural Resources and Environment Experimental Teaching, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi)

【】The objective of this study was to determine the quantity and distribution of crop straws from rice, wheat and maize production, and the contained nutrient resources in the main grain crops planting regions of China, so as to provide a scientific basis for straw fertilizer utilization and reasonable reduction of chemical fertilizer in agricultural production in China.【】Based on data/information fromand published literature, the amount of crop straws and the contained nutrient resources were estimated in rice, wheat and maize planting areas. The distribution of crop straws and the contained nutrient resources, the nutrient release of straw incorporation in next-stubble crops production, and chemical fertilizer proper reduction rate of wheat production were further analyzed in different agricultural regions of China.【】The results showed that the ratio of straw to grain of rice, wheat and maize in China was 1.01, 1.14 and 1.25 by estimation of literature data, respectively. The annual yield of straw of the three major grain crops in China was 653.866 million tons during 2014-2018, among which rice, wheat and maize accounted for 32.3%, 22.7% and 45.0%, respectively. The crop straws were mainly produced in North China, Middle and Lower Reaches of the Yangtze River and Northeast China, accounting for 73.3% of the total national crop straw yields. The rice straw (50.7%) was mainly distributed in Middle and Lower Reaches of Yangtze River, the wheat straw (59.0%) was mainly distributed in Northeast China, and the maize straw were mainly distributed in Northeast China (33.7%) and North China (30.4%). A large number of literature data statistics showed that the nitrogen (N) average content of rice, wheat and maize straw was 0.78%, 0.64% and 0.85%, the phosphorus (P2O5) average content was 0.42%, 0.27% and 0.53%, the potassium (K2O) average content was 2.31%, 1.53% and 1.59%, respectively, and the total nutrient content of straw (N+P2O5+K2O) was expressed as rice＞maize＞wheat. The nutrient resources of three major grain crops straw were 5.098 million tons of N, 2.847 million tons of P2O5, and 11.83 million tons of K2O. The distribution of total nutrient components in different agricultural areas was as follows: Middle and Lower Reaches of Yangtze River (26.0%)＞North China (25.4%)＞Northeast China (21.3%)＞Northwest China (11.1%)＞Southwest China (10.5%)＞Southeast China (5.6%). The release rates of nitrogen from rice, wheat and maize straw returning to the field were 54.9%, 51.4% and 61.9%, that of phosphorus were 60.9%, 65.3% and 73.0%, and that of potassium were 90.1%, 93.3% and 92.3%, respectively, which showed as potassium＞phosphorus＞nitrogen. The annual amount of nutrient returned to field from three major grain crops straw (the amount of substitution of chemical fertilizer) contained 2.940 million tons of N, 1.941 million tons of P2O5and 10.839 million tons of K2O, with a total amount of 15.72 million tons. Among them, the nutrient (N+P2O5+K2O) release from maize straw return in the next crop growing period was the highest, accounting for 44.6% of the total amount of annual nutrient return. Straw incorporation had high potential of chemical fertilizer substitution for wheat production in China. In wheat monoculture area, the total wheat straw returning to the field could substitute chemical fertilizers input rate of 4.6 kg N·hm-2, 7.8 kg P2O5·hm-2and 65.3 kg K2O·hm-2theoretically. In the wheat-maize rotation area, the total amount of maize straw returned to the field could substitute chemical fertilizers input rate of 39.4 kg N·hm-2, 28.9 kg P2O5·hm-2and 109.9 kg K2O·hm-2in the wheat production season theoretically. In the rice-wheat rotation area, the total amount of rice straw returned to the field could substitute chemical fertilizers input rate of 29.9 kg N·hm-2, 17.8 kg P2O5·hm-2and 145.1 kg K2O·hm-2in the wheat production season theoretically.【】The annual yield of rice, wheat and maize straw in China was 211.415 million tons, 148.431 million tons and 294.020 million tons, respectively, with a total of 653.866 million tons. The straws of three major grain crops could provide 2.940 million tons of N, 1.941 million tons of P2O5and 10.839 million tons of K2O annually under straw returning. More than 70% of straw and nutrients resources were distributed in North China, Middle and Lower Reaches of the Yangtze River and Northeast China. In the wheat production area, the total amount of straw returned from the previous crop could substitute chemical fertilizers input rate of 4.6 to 39.4 kg N·hm-2, 7.8 to 28.9 kg P2O5·hm-2and 65.3 to145.1 kg K2O·hm-2in theory.

straw yield; the amount of nutrient resources; chemical fertilizer reduction; wheat production