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我国主要粮食作物秸秆钾养分资源量及还田替代钾肥潜力

柴如山 安之冬 马超 王擎运 章力干 郜红建

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我国主要粮食作物秸秆钾养分资源量及还田替代钾肥潜力

    作者简介: 柴如山 E-mail:rschai@ahau.edu.cn;
    通讯作者: 郜红建, E-mail:hjgao@ahau.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0300901,2016YFD0200107);国家自然科学基金项目(31700452)。

Potassium resource quantity of main grain crop straw and potential for straw incorporation to substitute potassium fertilizer in China

    Corresponding author: GAO Hong-jian, E-mail:hjgao@ahau.edu.cn
  • 摘要:   【目的】  粮食作物秸秆中钾养分含量及其还田后的当季释放率均较高,调查我国主要粮食作物秸秆钾养分资源量,为秸秆还田条件下农田钾素养分管理提供科学依据。  【方法】  基于最新统计数据和文献资料,采用草谷比法估算了我国不同省份和农区主要粮食作物秸秆的钾养分资源量,及其在还田条件下的钾肥替代潜力。  【结果】  2015—2017年在我国主要粮食作物种植区域,水稻、小麦和玉米秸秆的年均产量分别为23212万t、17083万t和39918万t,三大粮食作物秸秆主要分布于华北、长江中下游和东北农区,分别占全国总量的33.6%、25.4%和22.8%。水稻、小麦和玉米秸秆可以提供的年均钾养分资源量分别为529万t、216万t和568万t,长江中下游、华北和东北农区三大粮食作物秸秆钾养分资源量居于全国前列,分别占全国总量的30.4%、28.2%和22.0%。各省单位耕地面积水稻秸秆还田当季可提供的钾养分量均较高,为K2O 115.0~209.5 kg/hm2。小麦秸秆还田替代钾肥潜力较大的省份有河南、河北、山东、安徽和江苏,占全国小麦总播种面积的71.1%,钾肥替代潜力为K2O 82.3~97.1 kg/hm2。对玉米秸秆还田来说,其钾肥替代潜力为K2O 67.2~170.7 kg/hm2。从全国范围来看,单位耕地面积水稻、小麦和玉米秸秆还田当季可提供钾养分量分别为 K2O 152.6、82.4和124.4 kg/hm2  【结论】  我国水稻、小麦和玉米秸秆还田当季可提供的钾养分量分别为K2O 449万t、193万t和479万t。我国单位耕地面积水稻、小麦和玉米秸秆还田当季的钾肥替代潜力分别为K2O 152.6、82.4和124.4 kg/hm2,充分利用秸秆资源,可基本满足我国粮食作物生产的钾素需求,维持土壤钾素平衡。
  • 图 1  我国不同农区水稻、小麦和玉米秸秆产量

    Figure 1.  Straw yields of rice, wheat and maize in different agricultural regions of China

    表 1  我国不同农区水稻、小麦和玉米草谷比[25]

    Table 1.  Straw/grain ratios of rice, wheat and maize in different agricultural regions of China

    农区
    Agricultural region
    水稻
    Rice
    小麦
    Wheat
    玉米
    Maize
    东北Northeast China0.971.86
    华北North China0.931.341.73
    长江中下游
    Middle and Lower Reaches of
    Yangtze River
    1.281.382.05
    西北Northwest China1.231.52
    西南Southwest China1.001.311.29
    南方South China1.061.32
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    表 2  我国不同省份水稻、小麦和玉米秸秆产量 (× 104 t)

    Table 2.  Straw yields of rice, wheat and maize in different provinces of China

    农区Agricultural region省份Province水稻Rice小麦Wheat玉米Maize
    东北Northeast China辽宁Liaoning444 ± 312888 ± 385
    吉林Jilin637 ± 265511 ± 464
    黑龙江Heilongjiang2352 ± 3336432 ± 553
    华北North China河北Hebei1953 ± 543148 ± 331
    山西Shanxi347 ± 311574 ± 104
    内蒙古Inner Mongolia231 ± 213972 ± 317
    山东Shandong3210 ± 1163909 ± 604
    河南Henan483 ± 284767 ± 1733327 ± 381
    长江中下游
    Middle and Lower Reaches of Yangtze River
    江苏Jiangsu2465 ± 391651 ± 124550 ± 91
    浙江Zhejiang690 ± 105
    安徽Anhui1924 ± 1642043 ± 1971072 ± 160
    江西Jiangxi2631 ± 79
    湖北Hubei2317 ± 150587 ± 5674 ± 62
    湖南Hunan3408 ± 91394 ± 12
    西北Northwest China陕西Shaanxi537 ± 33831 ± 6
    甘肃Gansu336 ± 9869 ± 14
    宁夏Ningxia333 ± 10
    新疆Xinjiang834 ± 711096 ± 70
    西南Southwest China重庆Chongqing501 ± 13334 ± 8
    四川Sichuan1528 ± 47477 ± 1281130 ± 216
    贵州Guizhou432 ± 16469 ± 87
    云南Yunnan620 ± 79111 ± 121039 ± 120
    南方South China福建Fujian477 ± 53
    广东Guangdong1138 ± 25
    广西Guangxi1164 ± 72366 ± 6
    注(Note):表中数据为平均值 ± 标准差 Data are shown as mean ± SD.
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    表 3  我国不同省份水稻、小麦和玉米秸秆钾养分资源量 (× 104 t K2O)

    Table 3.  Straw potassium resource quantities of rice, wheat and maize in different provinces of China

    农区Agricultural region省份Province水稻Rice小麦Wheat玉米Maize
    东北Northeast China辽宁Liaoning10.1 ± 0.741.1 ± 5.5
    吉林Jilin14.5 ± 0.678.4 ± 6.6
    黑龙江Heilongjiang53.6 ± 7.691.5 ± 7.9
    华北North China河北Hebei24.7 ± 0.744.8 ± 4.7
    山西Shanxi4.4 ± 0.422.4 ± 1.5
    内蒙古Inner Mongolia2.9 ± 0.356.5 ± 4.5
    山东Shandong40.6 ± 1.555.6 ± 8.6
    河南Henan11.0 ± 0.660.3 ± 2.247.3 ± 5.4
    长江中下游
    Middle and Lower Reaches of Yangtze River
    江苏Jiangsu56.1 ± 0.920.9 ± 1.67.8 ± 1.3
    浙江Zhejiang15.7 ± 2.4
    安徽Anhui43.8 ± 3.725.9 ± 2.515.2 ± 2.3
    江西Jiangxi59.9 ± 1.8
    湖北Hubei52.8 ± 3.47.4 ± 0.19.6 ± 0.9
    湖南Hunan77.6 ± 2.15.6 ± 0.2
    西北Northwest China陕西Shaanxi6.8 ± 0.411.8 ± 0.1
    甘肃Gansu4.2 ± 0.112.4 ± 0.2
    宁夏Ningxia4.7 ± 0.1
    新疆Xinjiang10.6 ± 0.915.6 ± 1.0
    西南Southwest China重庆Chongqing11.4 ± 0.34.8 ± 0.1
    四川Sichuan34.8 ± 1.16.0 ± 1.616.1 ± 3.1
    贵州Guizhou9.8 ± 0.46.7 ± 1.2
    云南Yunnan14.1 ± 1.81.4 ± 0.214.8 ± 1.7
    南方South China福建Fujian10.9 ± 1.2
    广东Guangdong25.9 ± 0.6
    广西Guangxi26.5 ± 1.65.2 ± 0.1
    注(Note):表中数据为平均值 ± 标准差 Data are shown as mean ± SD.
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    表 4  我国不同农区水稻、小麦和玉米秸秆钾养分资源量及其占比

    Table 4.  Straw potassium resource quantities of rice, wheat and maize in different agricultural regions of China

    农区
    Agricultural region
    水稻秸秆Rice straw小麦秸秆Wheat straw玉米秸秆Maize straw
    钾资源量
    Quantity of K2O
    (× 104 t)
    占比
    Percentage
    (%)
    钾资源量
    Quantity of K2O
    (× 104 t)
    占比
    Percentage
    (%)
    钾资源量
    Quantity of K2O
    (× 104 t)
    占比
    Percentage
    (%)
    东北Northeast China78.2 ± 7.514.8210.9 ± 18.137.2
    华北North China11.0 ± 0.6 2.1133.0 ± 4.2 61.5226.5 ± 24.239.9
    长江中下游
    Middle and Lower Reaches of Yangtze River
    306.0 ± 7.9 57.954.2 ± 4.125.138.2 ± 4.56.7
    西北Northwest China21.6 ± 1.310.044.5 ± 1.27.8
    西南Southwest China70.2 ± 2.913.3 7.4 ± 1.8 3.442.3 ± 5.97.4
    南方South China63.3 ± 3.412.0 5.2 ± 0.10.9
    注(Note):表中数据为平均值 ± 标准差 Data are shown as mean ± SD.
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    表 5  我国不同省份和农区单位耕地面积水稻、小麦和玉米秸秆还田的钾肥替代潜力 (K2O kg/hm2)

    Table 5.  Potassium substitution potential through rice, wheat and maize straw incorporation in different provinces and agricultural regions of China

    农区Agricultural region省份Province水稻Rice小麦Wheat玉米Maize
    东北Northeast China辽宁Liaoning161.1 ± 0.5141.0 ± 10.0
    吉林Jilin156.2 ± 1.0170.7 ± 5.1
    黑龙江Heilongjiang132.4 ± 1.4136.9 ± 3.7
    加权平均Weight average139.6 ± 0.6148.7 ± 4.8
    华北North China河北Hebei94.3 ± 1.3113.4 ± 6.3
    山西Shanxi61.6 ± 1.0110.9 ± 3.6
    内蒙古Inner Mongolia42.7 ± 0.5138.4 ± 1.2
    山东Shandong92.7 ± 0.5135.4 ± 2.5
    河南Henan145.5 ± 3.597.1 ± 1.1112.4 ± 2.9
    加权平均Weight average145.5 ± 3.591.0 ± 0.7123.3 ± 2.3
    长江中下游
    Middle and Lower Reaches of Yangtze River
    江苏Jiangsu209.5 ± 1.382.3 ± 2.4137.0 ± 7.3
    浙江Zhejiang177.0 ± 2.8
    安徽Anhui157.1 ± 4.389.4 ± 1.3132.6 ± 5.1
    江西Jiangxi150.2 ± 0.0
    湖北Hubei201.0 ± 4.159.2 ± 1.4113.3 ± 5.0
    湖南Hunan158.9 ± 1.2133.4 ± 0.6
    加权平均Weight average171.4 ± 1.581.0 ± 1.4128.0 ± 3.6
    西北Northwest China陕西Shaanxi58.0 ± 0.985.5 ± 1.3
    甘肃Gansu48.8 ± 0.2102.4 ± 1.4
    宁夏Ningxia132.7 ± 4.6
    新疆Xinjiang77.1 ± 1.5136.0 ± 2.2
    加权平均Weight average63.3 ± 0.7108.7 ± 0.4
    西南Southwest China重庆Chongqing142.6 ± 0.386.4 ± 1.0
    四川Sichuan151.4 ± 0.656.4 ± 0.487.0 ± 2.2
    贵州Guizhou122.3 ± 2.467.2 ± 1.2
    云南Yunnan115.0 ± 2.631.1 ± 0.577.9 ± 2.0
    加权平均Weight average136.7 ± 1.748.8 ± 0.580.0 ± 1.7
    南方South China福建Fujian126.6 ± 1.4
    广东Guangdong118.3 ± 0.4
    广西Guangxi117.5 ± 1.572.2 ± 0.7
    加权平均Weight average119.3 ± 0.372.2 ± 0.7
    注(Note):数据为平均值 ± 标准差 Data are shown as mean ± SD.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-18
  • 网络出版日期:  2020-03-27
  • 刊出日期:  2020-02-01

我国主要粮食作物秸秆钾养分资源量及还田替代钾肥潜力

    作者简介:柴如山 E-mail:rschai@ahau.edu.cn
    通讯作者: 郜红建, hjgao@ahau.edu.cn
  • 农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室/安徽农业大学资源与环境学院,安徽合肥 230036
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFD0300901,2016YFD0200107);国家自然科学基金项目(31700452)。
  • 摘要:   【目的】  粮食作物秸秆中钾养分含量及其还田后的当季释放率均较高,调查我国主要粮食作物秸秆钾养分资源量,为秸秆还田条件下农田钾素养分管理提供科学依据。  【方法】  基于最新统计数据和文献资料,采用草谷比法估算了我国不同省份和农区主要粮食作物秸秆的钾养分资源量,及其在还田条件下的钾肥替代潜力。  【结果】  2015—2017年在我国主要粮食作物种植区域,水稻、小麦和玉米秸秆的年均产量分别为23212万t、17083万t和39918万t,三大粮食作物秸秆主要分布于华北、长江中下游和东北农区,分别占全国总量的33.6%、25.4%和22.8%。水稻、小麦和玉米秸秆可以提供的年均钾养分资源量分别为529万t、216万t和568万t,长江中下游、华北和东北农区三大粮食作物秸秆钾养分资源量居于全国前列,分别占全国总量的30.4%、28.2%和22.0%。各省单位耕地面积水稻秸秆还田当季可提供的钾养分量均较高,为K2O 115.0~209.5 kg/hm2。小麦秸秆还田替代钾肥潜力较大的省份有河南、河北、山东、安徽和江苏,占全国小麦总播种面积的71.1%,钾肥替代潜力为K2O 82.3~97.1 kg/hm2。对玉米秸秆还田来说,其钾肥替代潜力为K2O 67.2~170.7 kg/hm2。从全国范围来看,单位耕地面积水稻、小麦和玉米秸秆还田当季可提供钾养分量分别为 K2O 152.6、82.4和124.4 kg/hm2  【结论】  我国水稻、小麦和玉米秸秆还田当季可提供的钾养分量分别为K2O 449万t、193万t和479万t。我国单位耕地面积水稻、小麦和玉米秸秆还田当季的钾肥替代潜力分别为K2O 152.6、82.4和124.4 kg/hm2,充分利用秸秆资源,可基本满足我国粮食作物生产的钾素需求,维持土壤钾素平衡。

    English Abstract

    • 作物秸秆是一种重要的有机肥资源,秸秆还田之后,可为土壤输入有机物质和养分元素,并对土壤养分循环过程产生重要影响[1-5]。杨帆等[6]运用数值化理论对分布在我国南方地区的94个秸秆还田试验的综合评价结果表明,秸秆还田可有效提高土壤肥力和作物产量。陈轩敬等[7]运用内梅罗指数法,对国家紫色土肥力与肥料效益监测基地长期定位试验数据 (20年) 进行分析,结果显示长期秸秆还田配施化肥是培肥土壤并实现作物高产的最佳措施。杨志臣等[8]利用18年定位试验比较了秸秆还田和传统腐熟有机物对土壤理化性质、养分状况及作物产量的影响,结果表明两种施肥方式的土壤培肥效果基本相同。基于整合分析方法的研究结果显示,秸秆还田能够增加小麦和水稻产量[9-10]。而且秸秆还田在一定条件下还能提高农产品的品质,如可增加稻米蛋白质含量,降低稻米的垩白米率、垩白度,并有利于稻米食味品质的改善[11-12]。因此,在施用化学肥料的基础上,推广秸秆还田,可以有效提高农田土壤肥力,有助于实现农业的可持续发展。

      与其他养分元素相比,秸秆中的钾含量相对较高,据全国农业技术推广服务中心对我国11个省份大样本秸秆的养分测定,水稻、小麦和玉米秸秆中的钾含量分别为18.9、10.5和11.8 g/kg[13]。而且在还田条件下,水稻和玉米秸秆中钾素的当季释放率为85%左右,小麦秸秆中钾素的当季释放率可以达到90%[14]。在我国的农业生产中,作物秸秆是一种重要的钾素来源。谭德水等[15-16]分析了河北潮土、山西褐土和青海栗钙土上13年秸秆还田对耕层土壤钾素状况的影响,发现氮磷肥配合秸秆还田处理与只施用氮磷肥处理相比,不同程度地提高了0—20 cm土层水溶性钾、非特殊吸附钾和非交换性钾的含量,降低了土壤中矿物钾的比例。河北潮土区小麦–玉米轮作长期定位试验 (19年) 的结果表明,秸秆还田显著增加了耕层土壤 (0—20 cm) 的速效钾和缓效钾含量,增强了土壤的供钾能力,有助于缓解土壤钾素的亏缺状况[17]。在我国河北、山东、宁夏和青海等地区进行的5年定位试验表明,秸秆还田能明显增加作物的吸钾量[18]。李继福等[19]在湖北省水稻–冬油菜轮作区进行的3年定位试验表明,在土壤供钾能力较强的田块上,秸秆还田配合钾肥施用能显著增加冬油菜的钾吸收量和产量,在连续秸秆还田条件下,水稻季和冬油菜季可以分别减少钾肥用量42.2%和31.2%并能维持产量水平。长期定位试验的研究结果表明,水稻秸秆还田提供的钾与化学钾肥具有相同的营养功效,秸秆还田在一定程度上可以部分替代化学钾肥的施用[20-21]。徐洋等[22]利用农业农村部339个国家级基层肥料信息网点调查数据,对我国种植业化肥施用状况进行统计分析,结果表明2016年我国种植业的钾肥 (K2O) 消费量为1454.4万t。李书田等[23]的研究结果显示,我国作物秸秆还田每年可提供636.1万t有效钾素 (K2O),占有机肥资源 (包括畜禽粪肥、作物秸秆和人粪尿) 还田可提供的有效钾素总量的50.0%左右。从全国范围来看,目前我国农业生产中钾素养分投入不足,农田整体钾平衡状况表现为亏缺[23-24]。秸秆还田对于补充土壤钾库、维持土壤钾素平衡以及减少化学钾肥投入具有重要的意义。

      本研究基于我国各省份主要粮食作物的年播种面积及产量,并根据国家发展改革委办公厅和原农业部办公厅2015年发布的《关于开展农作物秸秆综合利用规划终期评估的通知》中我国不同农区主要粮食作物草谷比[25]及文献调研得到的相关参数,利用草谷比法估算了主要粮食作物秸秆钾养分资源量及其还田替代钾肥的潜力,以期为秸秆还田条件下的钾肥合理配置与农田钾养分管理提供科学依据和参考。

      • 本研究区域为我国三大粮食作物主要种植省份。水稻的研究范围为辽宁、吉林、黑龙江、河南、江苏、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重庆、四川、贵州、云南、福建、广东和广西。小麦的研究范围为河北、山西、内蒙古、山东、河南、江苏、安徽、湖北、陕西、甘肃、新疆、四川和云南。玉米的研究范围为辽宁、吉林、黑龙江、河北、山西、内蒙古、山东、河南、江苏、安徽、湖北、湖南、陕西、甘肃、宁夏、新疆、重庆、四川、贵州、云南和广西。2017年水稻、小麦、玉米主要种植地区的播种面积分别占全国水稻、小麦、玉米播种面积的96.9%、96.5%和98.8%。根据国家发展改革委办公厅和原农业部办公厅发布的《关于开展农作物秸秆综合利用规划终期评估的通知》[25],本研究将三大粮食作物的主要种植地区划分为如下农区:东北农区 (辽宁、吉林和黑龙江),华北农区 (河北、山西、内蒙古、山东和河南),长江中下游农区 (江苏、浙江、安徽、江西、湖北和湖南),西北农区 (陕西、甘肃、宁夏和新疆),西南农区 (重庆、四川、贵州和云南) 及南方农区 (福建、广东和广西)。

      • 本研究中的秸秆是指田间秸秆,即收获作物主要农产品之后田间剩余的副产品[26]。目前国内学者多是利用作物产量和相应的草谷比计算我国秸秆资源量[1, 14, 27-29]。草谷比指农作物秸秆产生量与经济产量的比值[26]。对于水稻、小麦和玉米来说,《中国统计年鉴》中的产量即是经济产量。采用国内通用的草谷比法来估算我国各省份主要粮食作物秸秆产生量,计算公式为:

        $ {W_S} = {W_P} \times {S_G} $

        式中:WS—作物秸秆产生量;WP—作物经济产量;SG—作物草谷比。

        为避免年际间的波动,基于2015—2017年《中国统计年鉴》中各省份水稻、小麦和玉米的产量数据,根据草谷比计算出各省份主要粮食作物的秸秆产生量。

        各省份主要粮食作物秸秆钾养分资源量的计算公式为:

        $ {W_{K_{2}O}} = {W_S} \times {K_S} \times {\rm{ }}94/78 $

        式中:${W_{K_{2}O}} $—作物秸秆钾素 (K2O) 资源量;KS—作物秸秆钾 (K) 含量;94/78—将单质钾 (K) 折算为氧化钾 (K2O) 的系数。

        各省份单位耕地面积主要粮食作物秸秆还田替代钾肥潜力的计算公式为:

        $ {A_{K_{2}O}} = {W_{K_{2}O}}/A \times {R_K} $

        式中:${A_{K_{2}O}} $—单位耕地面积主要粮食作物秸秆还田的钾肥替代潜力;A—主要粮食作物的播种面积;RK—还田条件下秸秆钾养分当季释放率。

      • 主要种植省份水稻、小麦和玉米的年播种面积和产量来自国家统计局编制的《中国统计年鉴》[30]。为更准确地评估我国各省份主要粮食作物秸秆资源量,本研究采用国家发展改革委办公厅和原农业部办公厅2015年发布的《关于开展农作物秸秆综合利用规划终期评估的通知》中我国不同农区主要粮食作物草谷比[25](表1)。《中国有机肥料养分志》中对我国11个省份大样本秸秆的养分测定结果显示,水稻、小麦和玉米秸秆的钾 (K) 含量分别为1.89% (n = 474)、1.05% (n = 266) 和1.18% (n = 275)[13]。本研究对我国主要粮食作物秸秆钾养分资源量的估算参照《中国有机肥料养分志》中的作物秸秆钾含量数据。水稻、小麦和玉米秸秆还田的钾养分当季释放率分别为84.9%、89.1%和84.4%[14]

        表 1  我国不同农区水稻、小麦和玉米草谷比[25]

        Table 1.  Straw/grain ratios of rice, wheat and maize in different agricultural regions of China

        农区
        Agricultural region
        水稻
        Rice
        小麦
        Wheat
        玉米
        Maize
        东北Northeast China0.971.86
        华北North China0.931.341.73
        长江中下游
        Middle and Lower Reaches of
        Yangtze River
        1.281.382.05
        西北Northwest China1.231.52
        西南Southwest China1.001.311.29
        南方South China1.061.32
      • 2015—2017年我国主要粮食作物秸秆年均产量为80213万t,其中水稻、小麦和玉米秸秆年均产量分别为23212万t、17083万t和39918万t,产量最大的是玉米秸秆,占三大粮食作物秸秆总产量的49.8%,其次为水稻秸秆和小麦秸秆,所占比例分别为28.9%和21.3%。从我国不同省份的作物秸秆年产量 (表2)来看,水稻秸秆主要分布在湖南、江西、江苏、黑龙江、湖北和安徽,分别占全国水稻秸秆总资源量的14.7%、11.3%、10.6%、10.1%、10.0%和8.3%;小麦秸秆主要分布在河南、山东、安徽、河北和江苏,分别占全国小麦秸秆总产量的27.9%、18.8%、12.0%、11.4%和9.7%;玉米秸秆主要分布在黑龙江、吉林、内蒙古、山东、河南、河北和辽宁,分别占全国玉米秸秆总资源量的16.1%、13.8%、10.0%、9.8%、8.3%、7.9%和7.2%。三大粮食作物秸秆总产量位于全国前列的省份有黑龙江 (8784万t)、河南 (8577万t)、山东 (7119万t)、吉林 (6148万t)、河北 (5101万t)、安徽 (5039万t)、江苏 (4665万t) 和内蒙古 (4203万t),这些省份的主要粮食作物秸秆总产量占全国总产量的61.9%。从我国不同农区的作物秸秆资源量来看,水稻秸秆主要分布于长江中下游农区,占全国水稻秸秆总产量的57.9%,其次为东北 (14.8%)、西南 (13.3%) 和南方农区 (12.0%)(图1)。小麦秸秆主要分布于华北农区,所占比例为61.5%,长江中下游、西北和西南农区的小麦秸秆资源量分别占全国小麦秸秆资源总量的25.1%、10.0%和3.4%。玉米秸秆主要分布于华北和东北农区,所占比例分别为39.9%和37.2%。水稻、小麦和玉米秸秆总产量居于全国前列的为华北、长江中下游和东北农区,各农区的三大粮食作物秸秆总产量分别为26922万t、20405万t和18265万t,分别占全国总量的33.6%、25.4%和22.8%。

        图  1  我国不同农区水稻、小麦和玉米秸秆产量

        Figure 1.  Straw yields of rice, wheat and maize in different agricultural regions of China

        表 2  我国不同省份水稻、小麦和玉米秸秆产量 (× 104 t)

        Table 2.  Straw yields of rice, wheat and maize in different provinces of China

        农区Agricultural region省份Province水稻Rice小麦Wheat玉米Maize
        东北Northeast China辽宁Liaoning444 ± 312888 ± 385
        吉林Jilin637 ± 265511 ± 464
        黑龙江Heilongjiang2352 ± 3336432 ± 553
        华北North China河北Hebei1953 ± 543148 ± 331
        山西Shanxi347 ± 311574 ± 104
        内蒙古Inner Mongolia231 ± 213972 ± 317
        山东Shandong3210 ± 1163909 ± 604
        河南Henan483 ± 284767 ± 1733327 ± 381
        长江中下游
        Middle and Lower Reaches of Yangtze River
        江苏Jiangsu2465 ± 391651 ± 124550 ± 91
        浙江Zhejiang690 ± 105
        安徽Anhui1924 ± 1642043 ± 1971072 ± 160
        江西Jiangxi2631 ± 79
        湖北Hubei2317 ± 150587 ± 5674 ± 62
        湖南Hunan3408 ± 91394 ± 12
        西北Northwest China陕西Shaanxi537 ± 33831 ± 6
        甘肃Gansu336 ± 9869 ± 14
        宁夏Ningxia333 ± 10
        新疆Xinjiang834 ± 711096 ± 70
        西南Southwest China重庆Chongqing501 ± 13334 ± 8
        四川Sichuan1528 ± 47477 ± 1281130 ± 216
        贵州Guizhou432 ± 16469 ± 87
        云南Yunnan620 ± 79111 ± 121039 ± 120
        南方South China福建Fujian477 ± 53
        广东Guangdong1138 ± 25
        广西Guangxi1164 ± 72366 ± 6
        注(Note):表中数据为平均值 ± 标准差 Data are shown as mean ± SD.
      • 我国主要粮食作物秸秆钾养分年均产量为1313万t,来自水稻、小麦和玉米秸秆的钾养分资源量分别为529万t、216万t和568万t(表3),若按照水稻、小麦和玉米秸秆还田的钾养分当季释放率分别为84.9%、89.1%和84.4%[14],则我国水稻、小麦和玉米秸秆还田当季可提供的钾养分量分别为449万t、193万t和479万t。从表3中可以看出,和单一作物秸秆在不同省份间的分布规律一致,水稻秸秆钾养分资源主要分布在湖南、江西、江苏、黑龙江、湖北和安徽,这些省份的水稻秸秆钾养分总量占全国水稻秸秆钾养分资源总量的65.0%;小麦秸秆钾养分资源主要分布在河南、山东、安徽、河北和江苏,占全国小麦秸秆钾养分总量的79.8%;玉米秸秆钾养分资源主要分布在黑龙江、吉林、内蒙古、山东、河南、河北和辽宁,这些省份的玉米秸秆钾养分资源总量占全国玉米秸秆钾养分总量的73.1%。由于水稻、小麦和玉米秸秆的钾含量存在差异,在省级尺度上,三大粮食作物秸秆钾养分总资源量与秸秆总量在全国范围内的分布规律存在差异。三大粮食作物秸秆钾养分资源总量位于全国前列的省份为黑龙江、河南、山东、吉林、安徽、江苏和湖南,分别占全国总量的11.1%、9.0%、7.3%、7.1%、6.5%、6.5%和6.3%。从各省份的主要粮食作物秸秆钾养分总量来看,大于110万t的为黑龙江和河南,80万~100万t的省份有5个 (山东、吉林、安徽、江苏和湖南),50万~70万t的省份有6个 (湖北、河北、江西、内蒙古、四川和辽宁),10万~35万t的省份有11个 (广西、云南、山西、新疆、广东、陕西、甘肃、贵州、重庆、浙江和福建),低于10万t的为宁夏。三大粮食作物秸秆钾养分资源主要分布于长江中下游、华北和东北农区,各农区的主要粮食作物秸秆钾养分总量分别为398万t、371万t和289万t,占全国总量的30.4%、28.2%和22.0% (表4)。

        表 3  我国不同省份水稻、小麦和玉米秸秆钾养分资源量 (× 104 t K2O)

        Table 3.  Straw potassium resource quantities of rice, wheat and maize in different provinces of China

        农区Agricultural region省份Province水稻Rice小麦Wheat玉米Maize
        东北Northeast China辽宁Liaoning10.1 ± 0.741.1 ± 5.5
        吉林Jilin14.5 ± 0.678.4 ± 6.6
        黑龙江Heilongjiang53.6 ± 7.691.5 ± 7.9
        华北North China河北Hebei24.7 ± 0.744.8 ± 4.7
        山西Shanxi4.4 ± 0.422.4 ± 1.5
        内蒙古Inner Mongolia2.9 ± 0.356.5 ± 4.5
        山东Shandong40.6 ± 1.555.6 ± 8.6
        河南Henan11.0 ± 0.660.3 ± 2.247.3 ± 5.4
        长江中下游
        Middle and Lower Reaches of Yangtze River
        江苏Jiangsu56.1 ± 0.920.9 ± 1.67.8 ± 1.3
        浙江Zhejiang15.7 ± 2.4
        安徽Anhui43.8 ± 3.725.9 ± 2.515.2 ± 2.3
        江西Jiangxi59.9 ± 1.8
        湖北Hubei52.8 ± 3.47.4 ± 0.19.6 ± 0.9
        湖南Hunan77.6 ± 2.15.6 ± 0.2
        西北Northwest China陕西Shaanxi6.8 ± 0.411.8 ± 0.1
        甘肃Gansu4.2 ± 0.112.4 ± 0.2
        宁夏Ningxia4.7 ± 0.1
        新疆Xinjiang10.6 ± 0.915.6 ± 1.0
        西南Southwest China重庆Chongqing11.4 ± 0.34.8 ± 0.1
        四川Sichuan34.8 ± 1.16.0 ± 1.616.1 ± 3.1
        贵州Guizhou9.8 ± 0.46.7 ± 1.2
        云南Yunnan14.1 ± 1.81.4 ± 0.214.8 ± 1.7
        南方South China福建Fujian10.9 ± 1.2
        广东Guangdong25.9 ± 0.6
        广西Guangxi26.5 ± 1.65.2 ± 0.1
        注(Note):表中数据为平均值 ± 标准差 Data are shown as mean ± SD.

        表 4  我国不同农区水稻、小麦和玉米秸秆钾养分资源量及其占比

        Table 4.  Straw potassium resource quantities of rice, wheat and maize in different agricultural regions of China

        农区
        Agricultural region
        水稻秸秆Rice straw小麦秸秆Wheat straw玉米秸秆Maize straw
        钾资源量
        Quantity of K2O
        (× 104 t)
        占比
        Percentage
        (%)
        钾资源量
        Quantity of K2O
        (× 104 t)
        占比
        Percentage
        (%)
        钾资源量
        Quantity of K2O
        (× 104 t)
        占比
        Percentage
        (%)
        东北Northeast China78.2 ± 7.514.8210.9 ± 18.137.2
        华北North China11.0 ± 0.6 2.1133.0 ± 4.2 61.5226.5 ± 24.239.9
        长江中下游
        Middle and Lower Reaches of Yangtze River
        306.0 ± 7.9 57.954.2 ± 4.125.138.2 ± 4.56.7
        西北Northwest China21.6 ± 1.310.044.5 ± 1.27.8
        西南Southwest China70.2 ± 2.913.3 7.4 ± 1.8 3.442.3 ± 5.97.4
        南方South China63.3 ± 3.412.0 5.2 ± 0.10.9
        注(Note):表中数据为平均值 ± 标准差 Data are shown as mean ± SD.
      • 表5中可以看出,在我国水稻主要种植区域,单位耕地面积水稻秸秆还田当季可提供的钾养分量居于前列的为江苏、湖北和浙江,远高于其他省份。单位耕地面积水稻秸秆还田替代钾肥潜力为K2O 150.2~161.1 kg/hm2的省份为辽宁、湖南、安徽、吉林、四川和江西,这些省份的水稻总播种面积占全国水稻总播种面积的44.8%;河南、重庆和黑龙江单位耕地面积水稻秸秆还田替代钾肥潜力为K2O 132.4~145.5 kg/hm2,这些省份的水稻总播种面积占全国水稻总播种面积的16.2%;单位耕地面积水稻秸秆还田替代钾肥潜力为K2O 115.0~126.6 kg/hm2的区域占全国水稻总播种面积的21.2%,包括福建、贵州、广东、广西和云南。在我国小麦主要种植区域,小麦秸秆还田替代钾肥潜力较大的省份有河南、河北、山东、安徽和江苏,为K2O 82.3~97.1 kg/hm2,占全国小麦总播种面积的71.1%;替代钾肥潜力为K2O 42.7~77.1 kg/hm2的省份有新疆、山西、湖北、陕西、四川、甘肃和内蒙古,面积占比为27.2%;云南省小麦秸秆还田替代钾肥的潜力相对较小。对玉米秸秆还田来说,替代钾肥潜力最大的省份为吉林、辽宁、内蒙古、江苏、黑龙江、新疆、山东、湖南、宁夏和安徽,这些省份单位耕地面积玉米秸秆还田当季可提供的钾养分量为K2O 132.6~170.7 kg/hm2,玉米总播种面积占全国玉米总播种面积的46.9%;河北、湖北、河南、山西和甘肃玉米秸秆还田替代钾肥的潜力为K2O 102.4~113.4 kg/hm2,占全国玉米总播种面积的26.8%;单位耕地面积玉米秸秆还田替代钾肥潜力为K2O 67.2~87.0 kg/hm2的区域占全国玉米总播种面积的16.2%,包括四川、重庆、陕西、云南、广西和贵州。从我国不同农区主要粮食作物秸秆还田替代钾肥的潜力来看,不同农区水稻秸秆还田当季可提供的钾养分量均较高,替代潜力最大的是长江中下游农区;小麦秸秆还田替代钾肥潜力最大的是华北农区,其次为长江中下游和西北农区,西南农区小麦秸秆还田替代钾肥的潜力最小;玉米秸秆还田替代钾肥潜力最大的是东北农区,其次为长江中下游和华北农区,西南农区的替代潜力相对较小。总的来看,水稻秸秆还田替代钾肥的潜力较大,其次为玉米和小麦秸秆,单位耕地面积水稻、小麦和玉米秸秆还田当季可提供钾养分量的加权平均值分别为K2O 152.6、82.4和124.4 kg/hm2

        表 5  我国不同省份和农区单位耕地面积水稻、小麦和玉米秸秆还田的钾肥替代潜力 (K2O kg/hm2)

        Table 5.  Potassium substitution potential through rice, wheat and maize straw incorporation in different provinces and agricultural regions of China

        农区Agricultural region省份Province水稻Rice小麦Wheat玉米Maize
        东北Northeast China辽宁Liaoning161.1 ± 0.5141.0 ± 10.0
        吉林Jilin156.2 ± 1.0170.7 ± 5.1
        黑龙江Heilongjiang132.4 ± 1.4136.9 ± 3.7
        加权平均Weight average139.6 ± 0.6148.7 ± 4.8
        华北North China河北Hebei94.3 ± 1.3113.4 ± 6.3
        山西Shanxi61.6 ± 1.0110.9 ± 3.6
        内蒙古Inner Mongolia42.7 ± 0.5138.4 ± 1.2
        山东Shandong92.7 ± 0.5135.4 ± 2.5
        河南Henan145.5 ± 3.597.1 ± 1.1112.4 ± 2.9
        加权平均Weight average145.5 ± 3.591.0 ± 0.7123.3 ± 2.3
        长江中下游
        Middle and Lower Reaches of Yangtze River
        江苏Jiangsu209.5 ± 1.382.3 ± 2.4137.0 ± 7.3
        浙江Zhejiang177.0 ± 2.8
        安徽Anhui157.1 ± 4.389.4 ± 1.3132.6 ± 5.1
        江西Jiangxi150.2 ± 0.0
        湖北Hubei201.0 ± 4.159.2 ± 1.4113.3 ± 5.0
        湖南Hunan158.9 ± 1.2133.4 ± 0.6
        加权平均Weight average171.4 ± 1.581.0 ± 1.4128.0 ± 3.6
        西北Northwest China陕西Shaanxi58.0 ± 0.985.5 ± 1.3
        甘肃Gansu48.8 ± 0.2102.4 ± 1.4
        宁夏Ningxia132.7 ± 4.6
        新疆Xinjiang77.1 ± 1.5136.0 ± 2.2
        加权平均Weight average63.3 ± 0.7108.7 ± 0.4
        西南Southwest China重庆Chongqing142.6 ± 0.386.4 ± 1.0
        四川Sichuan151.4 ± 0.656.4 ± 0.487.0 ± 2.2
        贵州Guizhou122.3 ± 2.467.2 ± 1.2
        云南Yunnan115.0 ± 2.631.1 ± 0.577.9 ± 2.0
        加权平均Weight average136.7 ± 1.748.8 ± 0.580.0 ± 1.7
        南方South China福建Fujian126.6 ± 1.4
        广东Guangdong118.3 ± 0.4
        广西Guangxi117.5 ± 1.572.2 ± 0.7
        加权平均Weight average119.3 ± 0.372.2 ± 0.7
        注(Note):数据为平均值 ± 标准差 Data are shown as mean ± SD.
      • 本研究估算了我国水稻、小麦和玉米主要种植省份秸秆还田替代钾肥的潜力,可以为各省份秸秆还田条件下的农田钾养分管理提供参考。对于作物秸秆产生量的估算来说,目前国内通用的方法是草谷比法,在作物秸秆资源量的计算过程中,草谷比的选择较为关键。高利伟等[28]通过文献调研得出我国水稻、小麦和玉米的草谷比分别为1.0、1.1和2.0。毕于运等[27]在对我国秸秆资源数量进行估算的过程中,采用了牛若峰和刘天福主编的《农业技术经济手册 (修订本)》中不同粮食作物的草谷比 (水稻0.9、小麦1.1和玉米1.2)。宋大利等[1]在对我国秸秆资源量进行统计的过程中通过文献分析得出水稻、小麦和玉米的草谷比分别为1.0、1.1和1.2。不同作物的草谷比存在较大差异,同类作物的草谷比取值也受到自然条件、作物品种以及作物的生物产量和经济产量等因素的影响[26]。刘晓永等[14]基于相关文献资料计算出我国不同区域各种作物的草谷比:东北、长江中下游、西南和东南地区水稻的草谷比分别为0.91、1.08、0.95和0.93;华北、长江中下游和西北地区小麦的草谷比分别为1.34、1.39和1.10;东北、华北、西北和西南地区玉米的草谷比分别为1.11、1.23、1.29和1.28。本研究采用国家发展改革委办公厅和原农业部办公厅2015年发布的《关于开展农作物秸秆综合利用规划终期评估的通知》中我国不同农区的主要粮食作物草谷比,这在一定程度上可以更为准确地评估我国不同省份秸秆资源量。原农业部在对我国11个省份有机肥料资源进行调研的基础上,出版了《中国有机肥料资源》和《中国有机肥料养分志》。在对我国作物秸秆养分资源数量进行估算的研究中,宋大利等[1]采用的是《中国有机肥料资源》中的秸秆养分含量参数,高利伟等[28]和本研究选取的是《中国有机肥料养分志》中的相关数据。刘晓永等[14]基于《中国有机肥料养分志》、《中国有机肥料资源》和文献资料用加权均值得到的水稻、小麦和玉米秸秆钾含量低于《中国有机肥料养分志》中的相关数据。

        长期定位试验和多个试验点的研究结果表明,秸秆还田是培肥土壤的有效途径[6-8]。大量研究结果显示,秸秆还田能够增加作物产量[9-10],而且秸秆还田的增产效应随还田时间的延长而增加[31]。同时,秸秆还田在一定条件下还有助于稻米品质的改善[11-12]。从长期来看,秸秆还田对实现农业可持续发展具有重要意义。作物秸秆中的钾含量较高[13],秸秆在还田条件下可以作为一种重要的钾素来源。在中性紫色水稻土和第四纪红土红壤发育的水稻土上进行的长期定位试验表明,水稻秸秆还田携入的钾与化学钾肥具有相同的营养功效[20-21]。秸秆还田可以替代一部分化学钾肥的施用[32-33],有利于土壤钾素养分的收支平衡,缓解土壤钾素亏缺状况[34-39],实现农业生态系统中钾素养分的循环利用。在湖北省不同供钾水平稻田上进行的秸秆还田试验表明,在钾肥推荐用量为K2O 75 kg/hm2、小麦秸秆还田量为4500 kg/hm2的条件下,水稻季高钾土壤 (速效钾含量 > 150 mg/kg) 和中钾土壤 (速效钾含量为100~150 mg/kg) 上秸秆还田分别可以替代49.1%和20.0%的钾肥[40]。在江西省进贤县第四纪红色粘土发育的水稻土上进行的6年水稻秸秆还田定位试验显示,在试验初始土壤速效钾含量为98 mg/kg、钾素养分总投入量为K2O 150 kg/hm2的条件下,水稻秸秆还田可替代50.0%的钾肥[41]。在安徽省庐江县进行的小麦秸秆还田下钾肥减量试验表明,在速效钾含量为137 mg/kg的土壤条件下,与常规施钾处理 (K2O 135 kg/hm2) 相比,小麦秸秆还田 (6000 kg/hm2) 基础上钾肥减量30%对水稻产量的影响不显著[42]。作物秸秆在还田条件下对土壤钾素的补充有着十分重要的意义。秸秆的腐解过程受到物料性质 (木质素与氮素含量之比) 和气候因子 (年均温和干燥指数等) 的显著影响[43]。我国不同农区主要粮食作物秸秆的腐解速率和钾养分释放速率可能会存在一定的差异。针对我国不同农区的土壤条件和种植制度,今后应进一步开展秸秆还田替代钾肥效果的田间试验,并对其进行综合评价,为秸秆还田条件下钾肥的合理施用提供依据,充分发挥作物秸秆还田的钾肥替代作用,缓解土壤钾素亏缺,维持土壤钾素平衡。

      • 我国主要粮食作物种植区域秸秆产量巨大,2015—2017年期间三大粮食作物秸秆年均产量为80213万t,水稻、小麦和玉米秸秆所占比例分别为28.9%、21.3%和49.8%,三大粮食作物秸秆集中分布于华北、长江中下游和东北农区。我国水稻、小麦和玉米秸秆还田当季可提供的钾养分量分别为449万t、193万t和479万t。不同省份水稻秸秆还田替代钾肥的潜力均较大,可达K2O 115.0~209.5 kg/hm2。小麦秸秆还田替代钾肥潜力较大的省份有河南、河北、山东、安徽和江苏,K2O替代潜力为82.3~97.1 kg/hm2。玉米秸秆还田替代钾肥潜力为K2O 67.2~170.7 kg/hm2。我国单位耕地面积水稻、小麦和玉米秸秆还田当季可提供的钾养分量分别为K2O 152.6、82.4和124.4 kg/hm2,主要粮食作物秸秆还田可以部分替代化学钾肥的施用,对于补充土壤钾库和维持土壤钾素收支平衡具有重要意义。

        致谢:本文部分数据来源于已发表文献,在此对文献作者表示衷心感谢!

    参考文献 (43)

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