刘淑军，李冬初，黄晶，曲潇林，马常宝，王慧颖，于子坤，张璐，韩天富，柳开楼，申哲，张会民

近30年来我国小麦和玉米秸秆资源时空变化特征及还田减肥潜力

1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2中国农业科学院衡阳红壤实验站/湖南祁阳农田生态系统国家野外科学观测研究站，湖南祁阳 426182；3农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100125；4江西省红壤及种质资源研究所/农业农村部酸化土改良与利用重点实验室，南昌 330046

【目的】我国拥有丰富的小麦和玉米秸秆资源，明晰我国小麦、玉米秸秆产量和养分资源量及还田减肥潜力的时空变化特征，可为推进秸秆资源利用和化肥减施提供决策依据。【方法】以农业农村部1988－2019年在全国小麦玉米区的土壤长期监测数据为基础，分析我国各地区不同年份的小麦玉米秸秆和养分资源量及还田减肥潜力。【结果】2010s全国小麦和玉米秸秆年均量分别达到1.62×108和4.23×108t，比1990s增加0.16×108和2.04×108t；秸秆NPK总养分资源年均量分别达到278.19×104和901.08×104t，比1990s增加27.97×104和434.82×104t，均以华北增量最高。30年来全国小麦秸秆及养分资源呈先降后增的趋势，玉米呈增长趋势。第一阶段（1990s—2000s）和第二阶段（2000s—2010s）小麦秸秆资源年变化速率分别为-42.47×104和205.10×104t·a-1，N、P和K的养分资源年变化速率分别为-0.26×104、-0.03×104、-0.44×104t·a-1和1.27×104、0.14×104、2.11×104t·a-1；第一阶段和第二阶段玉米秸秆资源年变化速率分别为397.82×104和1643.60×104t·a-1，N、P和K的养分资源年变化速率分别为3.46×104、0.56×104、4.46×104t·a-1和14.30×104、2.30×104、18.41×104t·a-1。80%以上的小麦秸秆及其养分资源分布在华北和长江中下游，以华北最高（0.93×108t，NPK 160.31×104t），西南最低（0.09×108t，NPK 16.05×104t）；70%左右的玉米秸秆及其养分资源分布在东北和华北，以东北最高（1.39×108t，NPK 296.96×104t），长江中下游最低（0.21×108t，NPK 44.40×104t）。全国小麦秸秆还田的N、P和K养分单位面积年均当季释放量分别为21.1、3.0和62.3 kg·hm-2，以华北最高，西南最低；玉米秸秆还田的N、P和K养分单位面积年均当季释放量分别为48.6、10.6和97.7 kg·hm-2，以西北最高，西南最低。近30年来，全国单位面积小麦和玉米秸秆还田的养分年均当季释放量持续稳定增加，小麦秸秆还田的N、P、K养分相当于化肥年均施用量的比例分别为9.13%—10.82%、4.26%—6.43%、88.02%—111.86%，玉米秸秆分别为22.99%—24.37%、16.04%—28.67%、150.29%—181.42%。【结论】我国小麦和玉米秸秆还田可满足作物生长的钾素需求，可减少约10%—20%氮肥、5%—20%磷肥的施用，充分利用秸秆资源，是实现化肥减施增效的重要保障。

秸秆资源；小麦；玉米；时空变化；化肥减量；中国

0 引言

【研究意义】中国粮食总产量位居全球第一位，秸秆作为粮食作物的副产物，其资源量丰富[1]。大量的秸秆资源只有利用起来才能体现其价值，秸秆资源的利用方式主要包括肥料化、饲料化、能源化、基料化及原料化，其中秸秆肥料化是最主要的利用方式[2-3]。秸秆中含有较丰富的氮、磷、钾等养分元素，直接还田可提升作物产量、培肥土壤、提高养分利用效率等[4-7]，有利于化肥减量增效[8]。科学统计分析我国秸秆产量、养分资源量和还田减肥潜力，对提高秸秆资源利用效率和实现农业化肥减施具有重要意义。【前人研究进展】据估算，2015年底，全国农作物秸秆资源总量达到10.4亿t，小麦和玉米作为主要粮食作物，其秸秆资源量分别占秸秆总资源量的17.2%和40.1%[9]。而秸秆由于存储困难、养分释放慢等原因限制了其综合利用，大量秸秆被焚烧[10-11]，露天焚烧排放不仅带来了空气污染问题，还造成了资源浪费和农业碳库的损失[12–14]。因此，针对秸秆利用存在的问题，近年来，国家和各省市相继出台了各类秸秆利用规划，规划的制定和具体的实施均需以较准确的秸秆资源估算量为基础。秸秆资源量估算以间接估算法为主，如资源密度指数、草谷比法、作物收获指数法和模型计算法等[15-19]，其中以草谷比法最为常见，草谷比的取值直接影响秸秆资源估算量的准确性，作物品种和区域的差异性均会导致草谷比不同，车莉[20]统计以往相关研究的结果表明，小麦草谷比的取值范围为0.67—2.70，玉米草谷比的取值范围为0.55—2.37。大多数研究在估算秸秆资源量时对于草谷比均采用农业相关部门的推荐值，与文献研究结果相比，推荐值与各地实际草谷比相差较大[21]。霍丽丽等[22]2018年实测的玉米草谷比为0.84，而统计相关文献得到的玉米草谷比为1.84，为实测值的2.2倍，从而使得玉米秸秆资源估算量相差了2.56×108t。【本研究切入点】秸秆及其养分资源估算结果的准确性关系到秸秆资源高效利用政策的制定和还田减肥潜力的科学评估，而基于实测作物秸秆产量计算我国小麦和玉米秸秆产量和养分资源量的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究以农业农村部近30年来（1988—2019年）在全国主要小麦玉米区长期定点监测的小麦和玉米秸秆产量数据为基础，准确测算小麦和玉米秸秆及其养分资源量，以期为不同地区小麦玉米秸秆还田下化肥减量增效以及各地区制定秸秆资源利用政策提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 区域划分

本研究以农业农村部全国小麦玉米区土壤监测数据库为基础。东北地区仅有黑龙江2年的小麦数据，长江中下游地区的浙江、西北地区的内蒙古和陕西缺少1990s的小麦数据，西北地区的陕西缺少1990s的玉米数据，因此相应的监测点未纳入本研究。本研究将全国432个小麦区监测点划分为四大区域，665个玉米区监测点划分为五大区域（表1）。

表1 本研究区域划分

MLRYR: Middle and lower reaches of Yangtze River; SW: Southwest China; NW: Northwest China; NC: North China; NE: Northeast China

1.2 数据分析

小麦、玉米秸秆资源量计算公式为[23]：

小麦、玉米秸秆养分资源量的计算公式为[23]：

式中，W为作物秸秆养分资源量（t）；N为作物秸秆养分含量（%）。

单位面积作物秸秆还田下的养分当季释放量的计算公式为[24]：

式中，A为单位面积作物秸秆还田下的养分当季释放量（kg·hm-2）；R为作物秸秆还田养分当季释放率（%）。

小麦和玉米秸秆资源量年变化速率和N、P、K养分总量的年变化速率计算公式分别为：

1.3 数据来源和处理

本研究中各省市和自治区的作物播种面积（1988—2019年）来自《中国农业年鉴》（1989—2020年）[25]，作物秸秆氮（N）、磷（P）、钾（K）养分含量来自全国农业技术推广服务中心数据[26]，其中小麦秸秆为0.62%、0.07%、1.03%，玉米秸秆为0.87%、0.14%、1.12%。小麦秸秆还田的氮（N）、磷（P）、钾（K）养分当季释放率为50.1%、62.0%、89.1%，玉米秸秆为54.0%、73.0%、84.4%[11]。各区域的小麦和玉米的单产、播种面积以及施肥量见表2。

表2 各区域小麦和玉米的单产、播种面积以及施肥量

由于年际间变化的影响，本研究分别以1988－1999、2000—2009、2010—2019年的均值表示1990s、2000s、2010s的数据。全国和各区域作物秸秆资源和养分资源量的标准误差参照刘淑军等[27]的计算方法。用Microsoft Excel计算，Origin2022进行绘图和拟合。

2 结果

2.1 小麦和玉米秸秆资源量时空分布

30年（1988－2019年）来全国的小麦、玉米秸秆年均资源总量为5.28×108t，其中小麦为1.57×108t，玉米为3.71×108t。小麦秸秆资源主要分布在华北、长江中下游，占全国小麦秸秆资源总量的83.9%（图1），以华北最高，占全国小麦秸秆资源量的59.4%，其次为长江中下游，占比为24.5%，西南最低，占比为5.9%。玉米秸秆资源空间分布和小麦有所区别，主要分布在东北和华北，占全国玉米秸秆资源总量的68.9%，以东北最高，占全国玉米秸秆资源量的37.6%，其次为华北，占比为31.4%，长江中下游最低，占比为5.6%。

图1 不同区域小麦和玉米秸秆资源量

全国小麦秸秆年均资源量从1990s的1.45×108t略微下降到2000s的1.41×108t，之后回升到2010s的1.62×108t，呈先降后增的趋势，2010s比1990s增长了11.18%；全国玉米秸秆年均资源量从1990s的2.19×108t逐渐增加到2000s的2.59×108t，再继续增加到2010s的4.23×108t，呈持续增长趋势，2010s比1990s增长了93.26%。各区域之间比较，小麦秸秆以长江中下游的增幅最高，从1990s的0.30×108t增长到2010s的0.42×108t，增长了40.22%，其次为华北，增幅为18.96%，而西北和西南呈下降趋势。玉米秸秆以西北的增幅最高，从1990s的0.21×108t增长到2010s的0.75×108t，增长了250.88%，其次为长江中下游、华北、西南、东北，增幅分别为168.72%、95.79%、82.41%、53.53%（图2）。

将1988—2019年期间作物秸秆年均资源量的年变化速率分为两个阶段进行计算（表3），第一阶段为1990s—2000s，第二阶段为2000s—2010s。全国小麦秸秆资源量年变化速率第一阶段为-42.47×104t·a-1，各区域从大到小依次为长江中下游、华北、西北、西南；全国小麦秸秆资源量年变化速率第二阶段为205.10×104t·a-1，各区域从大到小依次为华北、长江中下游、西北、西南。全国玉米秸秆资源量年变化速率第一阶段为397.82×104t·a-1，各区域从大到小依次为华北、西北、西南、长江中下游、东北；全国玉米秸秆资源量年变化速率第二阶段为1 643.60×104t·a-1，各区域从大到小依次为东北、华北、西北、长江中下游、西南。

表3 各区域小麦和玉米秸秆资源量的年变化速率

图2 不同区域小麦和玉米秸秆资源量时序变化

2.2 小麦和玉米秸秆养分资源时空变化

30年来全国的小麦、玉米秸秆NPK总养分年均量为1 060.12×104t，其中小麦秸秆为269.88×104t，玉米秸秆为790.24×104t。长江中下游、西南、西北、华北的小麦秸秆NPK总养分量分别为66.10×104、16.05×104、27.42×104、160.31×104t，玉米秸秆分别为44.40×104、64.69×104、136.29×104、247.89×104t，东北的玉米秸秆NPK总养分量为296.96×104t。小麦秸秆养分资源主要分布在长江中下游和华北，分别占全国总量的24.5%、58.4%，玉米秸秆养分资源主要分布在东北、华北和西北，分别占全国总量的37.6%、31.4%和17.2%（图3）。

图3 不同区域小麦和玉米秸秆养分量

由表4可知，1990s、2000s、2010s全国小麦秸秆NPK总养分年均量分别为250.22×104、242.91×104、278.19×104t，玉米秸秆分别为466.26×104、550.99×104、901.08×104t，小麦秸秆NPK总养分年均量随年份的延长呈先降低后增长的趋势，玉米秸秆随年份的延长稳定增长。从时间变化来看，小麦和玉米秸秆NPK总养分年均量2010s比1990s分别增加27.97×104t和434.82×104t。其中，与1990s相比，2010s小麦秸秆NPK总养分量以华北的增量最高，为27.15×104t，其次为长江中下游，增量为20.56×104t，而西南和西北呈下降趋势，玉米秸秆NPK总养分量以华北的增量最高，为136.87×104t，依次为东北、西北、西南、长江中下游，增量分别为115.65×104、114.62×104、34.69×104、32.99×104t。

表4 不同区域小麦和玉米秸秆养分资源年均量时序变化

由表5可见，全国小麦秸秆N、P、K养分年变化速率第一阶段（1990s—2000s）分别为-0.26×104、-0.03×104、-0.44×104t·a-1，各区域从大到小依次为长江中下游、华北、西北、西南；全国小麦秸秆N、P、K养分年变化速率第二阶段（2000s—2010s）分别为1.27×104、0.14×104、2.11×104t·a-1，各区域从大到小依次为华北、长江中下游、西北、西南。全国玉米秸秆N、P、K养分年变化速率第一阶段分别为3.46×104、0.56×104、4.46×104t·a-1，各区域从大到小依次为华北、西北、西南、长江中下游、东北；全国玉米秸秆N、P、K养分年变化速率第二阶段分别为14.30×104、2.30×104、18.41×104t·a-1，各区域从大到小依次为东北、华北、西北、长江中下游、西南。

2.3 小麦和玉米秸秆还田减肥潜力

图4可见，30年来全国小麦秸秆还田的N、P、K养分年均当季释放量分别为21.1、3.0、62.3 kg·hm-2，玉米秸秆分别为48.6、10.6、97.7 kg·hm-2，钾当季释放量高于氮、磷。各区域之间比较，单位耕地面积小麦秸秆还田减肥潜力以华北最高，N、P、K养分当季释放量分别为23.2、3.2、68.4 kg·hm-2，其次为西北（N、P、K养分当季释放量分别为21.9、3.1、64.5 kg·hm-2），西南最低（N、P、K养分当季释放量分别为12.1、1.7、35.7 kg·hm-2）。单位耕地面积玉米秸秆还田减肥潜力以西北最高，N、P、K养分当季释放量分别为60.3、13.1、121.4 kg·hm-2，其次为东北（N、P、K养分当季释放量分别为57.7、12.6、116.1 kg·hm-2），西南最低（N、P、K养分当季释放量分别为33.5、7.3、67.3 kg·hm-2）。

表5 各区域小麦和玉米秸秆N、P、K养分总量的年变化速率

各阶段全国小麦秸秆还田N、P、K养分当季释放量变幅分别为17.2—22.4、2.4—3.1、50.8—66.0 kg·hm-2，玉米秸秆还田N、P、K养分当季释放量变幅分别为38.9—50.8、8.5—11.1、78.3—102.2 kg·hm-2（表6）。从时间变化来看，2010s小麦秸秆还田的N、P、K养分当季释放量比1990s分别增加了5.2、0.7、15.2 kg·hm-2，玉米相应分别增加了11.9、2.6、24.0 kg·hm-2。4个区域的小麦秸秆还田N、P、K养分当季释放量均呈持续稳定增加，其中，华北的增量最高，2010s的N、P、K养分当季释放量比1990s增加了5.3、0.8、15.8 kg·hm-2，其次为长江中下游，相应分别增加了4.4、0.6、13.1 kg·hm-2，西南最低，相应分别增加了0.4、0.1、1.1 kg·hm-2。玉米秸秆则是除东北以外，其他4个区域的N、P、K养分当季释放量均呈持续稳定增加，其中，西北的增量最高，2010s的N、P、K养分当季释放量比1990s增加了23.4、5.1、47.2 kg·hm-2，其次为长江中下游，相应分别增加了15.0、3.3、30.1 kg·hm-2，东北呈下降趋势，2010s的N、P、K养分当季释放量比1990s下降了6.4、1.4、13.0 kg·hm-2。

图中不同的小写字母表示差异显著（P＜0.05）。方框中的实线代表中位数，□代表平均值。·代表异常值。方框上下两条线分别代表75%和25%的置信区间。方框外上下两条短线分别代表95%和5%的置信区间

30年来全国小麦秸秆的P、K当季释放量和玉米秸秆的P当季释放量占化肥施用量（各点位小麦、玉米化肥年均施用量）的比例均逐年增加，而小麦秸秆的N当季释放量和玉米秸秆的N、K当季释放量占化肥施用量的比例呈先升后降的趋势。两种作物秸秆还田以K当季释放量占化肥施用量的比例最高，其中小麦为88.02%—111.86%，玉米为150.29%—181.42%；其次为N，小麦为9.13%—10.82%，玉米为22.99%—24.37%；P最低，小麦为4.26%—6.43%，玉米为16.04%—28.67%。

表6 不同区域小麦和玉米秸秆还田的养分当季释放量时序变化

3 讨论

3.1 小麦玉米秸秆资源时空变化及还田减肥潜力的影响因素

近年来我国主要粮食作物的秸秆产量呈增长趋势，毕于运[28]估算1977年我国小麦和玉米秸秆资源量分别为0.53×108和0.54×108t，到2008年达到1.46×108和1.83×108t，30年间增长了1.75倍和2.39倍。本研究中1988—2019年期间，我国玉米秸秆量及总养分量呈增长趋势，增幅均为93.26%，而小麦秸秆量及总养分量表现为先降后增，30年来均增长了11.18%，在2010s我国的秸秆资源和养分资源量出现大幅度提升，全国小麦秸秆和养分资源年变化速率第二阶段（2000s—2010s）比第一阶段（1990s—2000s）均增长了582.88%，玉米秸秆则均增长了313.15%。

作物播种面积是影响作物秸秆产量和养分资源变化的主要因素之一。《中国农业年鉴》[25]的统计数据表明，1990s、2000s、2010s全国的小麦播种面积分别为2.50×107、2.15×107、2.25×107hm2，呈先降后增的趋势，30年间总体降低了9.97%，各阶段的变化趋势为第一阶段小麦播种面积降低了14.12%，而2010s的小麦播种面积比2000s提高了4.83%；1990s、2000s、2010s全国的玉米播种面积分别为2.27×107、2.60×107、3.97×107hm2，呈持续增长趋势，30年间增长了74.37%，各阶段的变化趋势为第一阶段玉米播种面积提高了14.51%，2010s的玉米播种面积比2000s提高了52.28%。前人研究表明，1998—2004年全国小麦的播种面积呈显著下降的趋势，从2005年至今下降趋势减缓，最近几年基本稳定在2.33×107hm2左右[29]，1978—2014年玉米的播种面积呈上升趋势，特别是2003年以来，玉米播种面积一直呈现快速增长趋势[30]，和本文的结果相似。因此，30年间小麦和玉米播种面积的变化差异影响秸秆及其养分资源的变化趋势[31]。

单产也是影响作物秸秆产量和养分资源变化的主要因素之一。据研究1949—2014年我国小麦单产整体上呈明显的增长趋势[32]，1981—2010年我国玉米单产总体上也呈增长趋势[33]。在本研究中1990s、2000s、2010s全国的小麦单产分别为5 536.7、6 439.4、7 195.0 kg·hm-2，玉米单产分别为8 276.5、9 682.2、10 808.8 kg·hm-2，均呈增长趋势。2010s小麦和玉米播种面积的提升以及小麦玉米单产的持续增长，使得我国的秸秆资源和养分资源量在2010s出现大幅度的提升。作物产量的变化趋势也影响各区域秸秆及其养分资源的年变化速率，1988—2019年期间，各区域不同阶段的小麦秸秆及其养分资源年变化速率以长江中下游和华北较高，玉米以华北和东北较高，西南地区的小麦玉米秸秆量及其养分量年变化速率均较低。徐志宇等[29]的研究结果表明，近30年来长江中下游和华北地区的小麦产量显著上升，东北与华北作为我国玉米主产区，产量表现为稳定增加，西南地区的小麦和玉米产量则表现为不同程度的下降趋势。

秸秆还田可培肥土壤并释放矿质养分，改善土壤结构，提高作物产量[34]。相关研究表明，秸秆还田能提高小麦产量，相比单施化肥的处理，秸秆还田配施化肥处理小麦产量增加约3.51%[35]。秸秆还田是培肥土壤的有效途径，直接还田能减少化肥用量。本研究表明，1988—2019年期间，我国的单位面积小麦和玉米秸秆还田的养分当季释放量均持续稳定增加，相较于1990s，2010s的小麦秸秆N、P、K养分年均当季释放量分别增加了5.2、0.7、15.2 kg·hm-2，玉米秸秆则相应增加了11.9、2.6、24.0 kg·hm-2，而仅有小麦秸秆P、K和玉米秸秆P的当季释放量占化肥施用量的比例逐步增加，小麦秸秆N和玉米秸秆N、K当季释放量呈先升后降趋势，期间N、P、K化肥施用量的不同变化趋势是导致该结果的可能原因，1990s、2000s、2010s小麦的N、P、K化肥年均施用量分别为：188.4、184.8、222.7 kg·hm-2；56.5、52.8、48.6 kg·hm-2；57.7、57.3、59.0 kg·hm-2，玉米的N、P、K化肥年均施用量分别为：163.8、186.8、221.0 kg·hm-2；52.7、43.7、38.6 kg·hm-2；52.1、50.5、59.4 kg·hm-2。近30年小麦和玉米的化学磷肥施用量呈持续下降趋势，化学氮、钾肥大体呈上升趋势，以氮肥的上升幅度较大，2010s小麦的化学氮肥年均施用量比1990s增长了18.20%，玉米增长了34.95%。李红莉等[36]调查了2008和2001年我国主要粮食作物化肥施用情况，2008年与2001年相比，小麦、玉米的氮肥施用量分别增加12.3%、37.3%，小麦的磷肥施用量减少13.5%，玉米增加8.8%，小麦和玉米的钾肥施用量增加16.1%和30.8%，该结果和本文的结论基本一致。

作物秸秆中的K含量高于N、P养分[26]，还田后可保障土壤钾素供应。本研究中30年来全国小麦和玉米秸秆还田的年均钾养分（K）当季释放量为50.8— 66.0和78.3—102.2 kg·hm-2，通过施用化肥投入的年均钾素量（K）为57.7—59.0和50.5—59.4 kg·hm-2，秸秆还田带入的钾素量为每年施钾量的0.88—1.12倍和1.50—1.81倍，玉米秸秆还田的K养分当季释放量高于小麦。柴如山等[37]计算了我国主要粮食作物秸秆还田替代钾肥潜力，全国单位面积小麦和玉米秸秆还田当季可提供钾养分量（K）分别为68.7、103.7 kg·hm-2。周延辉等[38]整合分析了不同的秸秆种类与还田量对小麦增产效果的影响，结果表明小麦秸秆还田效果一般，玉米秸秆半量还田（6 000 kg·hm-2）增产幅度最大。因此作物秸秆还田时应根据作物品种制定适宜秸秆还田量，配合化肥合理减量[39]，以达到秸秆还田的肥料化利用潜力最大化。

3.2 秸秆还田配套措施的优化

我国拥有丰富的小麦和玉米秸秆资源，富含大量养分资源。宋大利等[23]统计了2015年我国主要农作物秸秆资源量，其中小麦和玉米的NPK总养分资源量分别为244.7×104、571.1×104t，占总养分资源量的14.5%和34.2%，小麦秸秆全量还田后可减少22.5%氮肥、12.2%磷肥和84.0%钾肥用量，玉米秸秆全量还田可减少28.8%氮肥、26.0%磷肥和91.9%钾肥用量。秸秆作为含碳丰富的有机肥，施入土壤后会激发微生物迅速增长，前期可能会与作物竞争无机态氮，在作物生长前期导致土壤氮有效性下降[40]。对于该问题的出现，可通过施氮解决。胡雅杰等[41]研究发现秸秆还田后在不增加氮肥用量的条件下，通过适当提高基肥比例，可提高氮素积累量和氮肥利用效率。也可通过调节秸秆和氮肥的施入C/N解决[42]。据研究秸秆C/N在25—30﹕1时，不补充氮肥也能满足土壤微生物对氮素的需求[43]，但小麦玉米等作物的秸秆C/N均高于该值，如不施用氮肥，秸秆还田后将产生土壤微生物对氮素的固持[44]。因此秸秆还田时需补施合理的氮肥用量，使秸秆C/N达到一定的数值，满足作物生长对氮素的需求。

秸秆作为成本低的有机肥源，可满足农田土壤化肥减施有机替代的生态需求。但秸秆还田也存在许多不足，如秸秆中的病原菌和虫卵，在一定条件下会加重田间的病虫害[45]。有研究发现秸秆还田量大的玉米田二点委夜蛾幼虫量大，并增加了土壤中病原菌数量[46]，也会提高小麦赤霉病病穗率和病情指数[47]。秸秆还田量过大导致土壤中C/N过高，氮素被土壤固持，影响作物吸收氮素，导致作物产量下降。高晓梅等[48]研究发现当秸秆还田量从0增加到0.75 kg·m-2，玉米籽粒产量随秸秆量还田增加持续上升，继续增加秸秆还田量，玉米产量呈下降趋势。冷明珠等[49]的研究结果表明，小麦籽粒产量在秸秆全量还田时显著降低，低于1/3和1/2量秸秆还田下的产量。且秸秆还田后会影响作物出苗[50]，加之短期内秸秆还田增产效果不明显等，各种因素在一定程度上影响了秸秆还田的普及推广和还田率的提高。针对以上现存问题，需优化秸秆还田技术。秸秆粉碎还田、健康秸秆还田且充分腐解等均能有效缓解秸秆还田后的病虫草害[51]；增加土壤翻耕深度与次数可以减少作物出苗不良的现象[52]；随着还田年限的增加，秸秆还田的增产效应会随之显著提高[53-54]。

近年来在国家政策的鼓励下，随着秸秆还田技术的优化及推广，我国秸秆综合利用效率有了显著的提高，秸秆还田养分量持续增加。据宋大利等[23]统计，2015年全国可收集秸秆资源量达到9.0亿t，秸秆综合利用率为80.1%，其中秸秆肥料利用率从2006—2007年的24.3%增长到2015年的43.2%。虽然我国农作物秸秆综合利用率在提高，但秸秆养分资源可利用空间依然很大，今后应继续深入推进秸秆养分资源利用，优化秸秆还田技术，实现减肥增效、推动农业绿色发展。

4 结论

4.1 近30年来我国小麦秸秆及其养分资源年均量随年份呈先降后增的趋势，玉米秸秆随年份呈增长趋势。2010s全国小麦秸秆资源量和NPK总养分量年均分别为1.62×108和278.19×104t，比1990s均增加11.18%，全国玉米秸秆资源量和NPK总养分量年均分别为4.23×108和901.08×104t，比1990s均增加93.26%。

4.2 近30年来全国单位面积小麦和玉米秸秆还田的养分年均当季释放量持续稳定增加。全国小麦和玉米秸秆还田的N、P、K养分年均当季释放量分别为21.1和48.6、3.0和10.6、62.3和97.7 kg·hm-2，小麦秸秆还田的N、P、K养分相当于化肥年均施用量的比例分别为9.13%—10.82%、4.26%—6.43%和88.02%— 111.86%，玉米秸秆分别为22.99%—24.37%、16.04%—28.67%和150.29%—181.42%。

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Spatial-Temporal Variation Characteristics of Wheat and Maize Stalk Resources and Chemical Fertilizer Reduction Potential of Returning to Farmland in Recent 30 Years in China

LIU ShuJun1,2, LI DongChu1,2, HUANG Jing1, 2, QU XiaoLin3, MA ChangBao3, WANG HuiYing3, YU ZiKun3, ZHANG Lu1,2, HAN TianFu1, LIU KaiLou4, SHEN Zhe1, ZHANG HuiMin1,2

1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2Red Soil Experimental Station of Chinese Academy of Agricultural Sciences in Hengyang/National Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang, Hunan, Qiyang 426182, Hunan;3Cultivated Land Quality Monitoring and Protection Center, Ministry of Agricultural and Rural Affairs, Beijing 100125; 4Jiangxi Institute of Red Soil and Germplasm Resources/Key Laboratory of Acidified Soil Amelioration and Utilization, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Nanchang 330046

【Objective】China has rich wheat and maize stalk resources. It is necessary to clarify the spatial-temporal characteristics of the wheat and maize stalk resources, the corresponding nutrient resources and chemical fertilizer reduction potential through stalk incorporation, which can provide decision basis for promoting the utilization of stalk resources and reducing chemical fertilizer application. 【Method】Based on the soil long-term monitoring data of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs in wheat and maize planting areas of China from 1988 to 2019, this study analyzed the amount of wheat and maize stalk and its nutrient resources and fertilizer reduction potential through stalk incorporation in different years in each region of China. 【Result】The annual average amount of wheat and maize stalk resources reached 1.62×108t and 4.23×108t, respectively in 2010s, which were increased by 0.16×108t and 2.04×108t compared with 1990s, respectively. The annual average amount of wheat and maize stalk NPK resources reached 278.19×104t and 901.08×104t, respectively, which were increased by 27.97×104t and 434.82×104t compared with 1990s, respectively. Both of them increased most in North China (NC). The annual average amount of wheat stalk resources and NPK resources decreased first and then increased with planting years, while maize increased. In the first stage (1990s to 2000s) and the second stage (2000s to 2010s), the annual variation rate (AVR) of wheat stalk resources were -42.47×104t·a-1and 205.10×104t·a-1, and the AVR of nutrient resources were -0.26×104t·a-1of N, -0.03×104t·a-1of P, -0.44×104t·a-1of K and 1.27×104t·a-1of N, 0.14×104t·a-1of P, and 2.11×104t·a-1of K, respectively. In the first stage and the second stage, the AVR of maize stalk resources were 397.82×104t·a-1and 1 643.60×104t·a-1, and the AVR of nutrient resources were 3.46×104t·a-1of N, 0.56×104t·a-1of P, 4.46×104t·a-1of K and 14.30×104t·a-1of N, 2.30×104t·a-1of P, and 18.41×104t·a-1of K, respectively. There were more than 80% of wheat stalk and its nutrient resources distributed in NC and Middle and lower reaches of Yangtze River (MLRYR), with the highest in NC (0.93×108t, 160.31×104t of NPK), and the lowest in Southwest China (SW) (0.09×108t, 16.05×104t of NPK). About 70% of maize stalk and its nutrient resources were distributed in Northeast China (NE) and NC, with the highest in NE (1.39×108t, 296.96×104t of NPK), and the lowest in MLRYR (0.21×108t, 44.40×104t of NPK). The annual average nutrient-release amount of wheat stalk incorporation per unit area were 21.1 kg·hm-2of N, 3.0 kg·hm-2of P and 62.3 kg·hm-2of K in China, with the highest in NC, and the lowest in SW. The annual average nutrient-release amount of maize stalk incorporation per unit area were 48.6 kg·hm-2of N, 10.6 kg·hm-2of P and 97.7 kg·hm-2of K in China, with the highest in Northwest China (NW), and the lowest in SW. The annual average nutrient-release amount of wheat and maize stalk incorporation per unit area increased continually during 1988-2019. The proportion of wheat stalk returning nutrients to the annual chemical fertilizer application were 9.13%-10.82%, 4.26%-6.43% and 88.02%-111.86%, respectively, and that of maize stalk were 22.99%-24.37%, 16.04%-28.67% and 150.29%-171.95%, respectively. 【Conclusion】In general, using wheat and maize stalk properly could satisfy the basic potassium requirement for crop production and reduce the application of about 10%-20% nitrogen fertilizer and 5%-20% phosphorus fertilizer. Making full use of stalk resources was an important guarantee for reducing fertilizer application and increasing efficiency.

stalk resources; wheat; maize; temporal and spatial variation; chemical fertilizer reduction; China

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.16.008

2022-09-07；

2022-11-03

国家重点研发计划课题（2016YFD0300901）、现代农业产业技术体系建设专项（CARS-01-88）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（Y2022LM25，GY2022-13-5，G2022-02-2，G2022-02-3，G2022-02-10）、湖南省自然科学基金（2022JJ30648）、国家绿肥产业技术体系（CARS-22-Z09）

刘淑军，E-mail：liushujun@caas.cn。通信作者张会民，E-mail：zhanghuimin@caas.cn

（责任编辑 李云霞）