我國主要糧食作物秸稈還田替代化學氮肥潛力

柴如山，王擎運，葉新新，江 波，趙 強，王 強，章力干，郜紅建*

（1.農田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，合肥230036；2.安徽省廬江縣農業(yè)技術推廣中心，安徽 廬江231500）

我國農作物秸稈資源豐富[1-2]，秸稈中含有大量的有機物質和較豐富的養(yǎng)分元素，是一種重要的有機肥料資源[3-4]。在我國農業(yè)生產中秸稈還田被大力提倡，近年來秸稈直接還田量持續(xù)增加，2010—2015 年我國秸稈直接還田率為61%[2]，還田方式主要是機械粉碎直接還田[5]。長期定位試驗的研究結果表明，秸稈還田可以提高土壤有機碳和養(yǎng)分含量[6]、降低土壤容重和改善土壤結構[7-8]。利用Meta 分析的研究結果顯示，秸稈還田可以增加作物產量[9-10]；而且秸稈還田的增產效應會隨還田時間的延長而增加[11]。同時，秸稈還田還能在一定程度上實現(xiàn)養(yǎng)分替代，從而降低農田化肥用量[12-15]。在陜西楊凌地區(qū)進行的5年定位試驗的結果表明，與常規(guī)施氮處理相比，減量施氮20%處理降低了小麥和玉米產量，而小麥玉米秸稈翻壓還田減量施氮20%處理表現(xiàn)出明顯的增產效果，同時顯著提高了小麥及玉米的氮肥偏生產力和農學利用效率[12]。在江西省開展的6 年雙季稻稻草還田定位試驗表明，水稻秸稈全量還田在早稻和晚稻上分別可替代30%和27%的化肥氮肥，同時顯著提高了早稻產量并能保證晚稻產量，而且顯著增加了早稻和晚稻的氮肥農學效率、回收率和偏生產力[13-14]。在吉林國家黑土肥力與肥料效益監(jiān)測基地進行的長期定位試驗（1990—2012 年）顯示，等氮量投入條件下，秸稈還田替代32%化學氮肥配施氮磷鉀化肥處理與單施氮磷鉀化肥處理下的春玉米產量沒有顯著差異[15]。秸稈還田是實現(xiàn)化學氮肥替代和減量的重要途徑，有助于減輕化學氮肥施用產生的不良環(huán)境影響[16-17]。

對我國主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量及還田替代化學氮肥潛力進行評估是秸稈還田條件下化學氮肥減施的基礎。高利偉等[18]基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)和農戶調研數(shù)據(jù)分析得出2006 年我國水稻、小麥和玉米秸稈產量分別為1.8億、1.1億t和2.9億t，三大作物秸稈氮養(yǎng)分資源量分別為166 萬、75 萬t 和268 萬t。劉曉永等[2]利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)和文獻資料估算出2010—2015年期間我國秸稈資源年產量為9.0億t，其中谷類作物秸稈占70%；全國秸稈氮養(yǎng)分資源總量為947 萬t，單位耕地面積秸稈氮養(yǎng)分量為70 kg·hm-2。宋大利等[1]的研究結果顯示，2015 年我國水稻、小麥和玉米秸稈資源量分別為2.1億、1.4億t和2.7億t，所含氮養(yǎng)分資源量分別為172 萬、88 萬t 和234 萬t，三大糧食作物秸稈在全量還田條件下帶入農田的氮養(yǎng)分量分別為57、37 kg·hm-2和62 kg·hm-2。目前對我國秸稈資源量的估算采用的多是草谷比法[1-2，18-19]，草谷比的選擇在很大程度上影響著秸稈產生量和秸稈養(yǎng)分資源量估算結果的準確性。在近期的研究中，對于秸稈草谷比的取值，宋大利等[1]和高利偉等[18]在研究中采用的是通過文獻收集和整理所得的全國平均值，劉曉永等[2]則是基于相關資料得出我國不同區(qū)域的作物草谷比。國家發(fā)展改革委辦公廳和原農業(yè)部辦公廳在2015 年發(fā)布的《關于開展農作物秸稈綜合利用規(guī)劃終期評估的通知》中給出了我國不同農區(qū)（東北、華北、長江中下游、西北、西南和南方農區(qū)）主要農作物草谷比數(shù)據(jù)[20]，這與以往研究中采用的作物草谷比有較大的差別，有必要對我國主要農作物秸稈產生量和秸稈氮養(yǎng)分資源量進行重新估算。另外，要實現(xiàn)秸稈還田化學氮肥替代潛力的準確評估，還必須要考慮秸稈氮養(yǎng)分的當季釋放率[2]。因此，本研究以我國三大糧食作物為研究對象，基于《中國統(tǒng)計年鑒》中2013—2017 年我國各省份主要糧食作物的年播種面積及產量，利用文獻調研得出的相關參數(shù)，在省級尺度上估算了水稻、小麥和玉米秸稈氮養(yǎng)分資源量及其在還田條件下單位耕地面積氮養(yǎng)分當季釋放量，以期為不同農區(qū)主要糧食作物秸稈還田條件下的農田化學氮肥減施提供科學依據(jù)和參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

本文研究區(qū)域為我國三大糧食作物水稻、小麥和玉米的主要種植省份。2013—2017 年間，本研究所選擇的水稻、小麥和玉米主要種植省份的播種面積分別占全國三大作物播種面積的96.8%、96.0% 和98.3%。根據(jù)《關于開展農作物秸稈綜合利用規(guī)劃終期評估的通知》中對我國農區(qū)的劃分情況[20]，本研究將三大糧食作物的主要種植省份劃分為六大農區(qū)：東北農區(qū)（遼寧、吉林、黑龍江）、華北農區(qū)（河北、山西、內蒙古、山東、河南）、長江中下游農區(qū)（江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南）、西北農區(qū)（陜西、甘肅、寧夏、新疆）、西南農區(qū)（重慶、四川、貴州、云南）和南方農區(qū)（福建、廣東、廣西）。

采用草谷比法對我國各省份主要糧食作物秸稈產生量進行估算。

各省份作物秸稈產生量的計算公式為：

式中：WS為作物秸稈產生量；WP為作物產量；SG為作物草谷比。

各省份作物秸稈氮養(yǎng)分資源量的計算公式為：

式中：WN為作物秸稈氮養(yǎng)分資源量；NS為作物秸稈氮養(yǎng)分含量。

各省份作物秸稈還田當季化學氮肥可替代量的計算公式為：

式中：WRN為作物秸稈還田當季可提供的氮養(yǎng)分資源量；RN為秸稈還田氮養(yǎng)分當季釋放率。

各省份單位耕地面積作物秸稈還田當季化學氮肥可替代量的計算公式為：

式中：ARN為單位耕地面積作物秸稈還田當季可提供的氮養(yǎng)分資源量；A為作物的播種面積。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中各省份主要糧食作物的年播種面積和產量來自國家統(tǒng)計局編制的《中國統(tǒng)計年鑒》[21]。為避免主要糧食作物播種面積和產量年際間的波動，本研究基于2013—2017 年的省級統(tǒng)計數(shù)據(jù)對我國三大糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量及秸稈還田當季的化學氮肥替代潛力進行估算。三大糧食作物的草谷比來自《關于開展農作物秸稈綜合利用規(guī)劃終期評估的通知》中的我國不同農區(qū)主要農作物草谷比數(shù)據(jù)[20]（表1）。原農業(yè)部對我國多個省份大樣本秸稈進行養(yǎng)分測定的結果顯示，水稻、小麥和玉米秸稈氮含量分別為9.1、6.5 g·kg-1和9.2 g·kg-1[3]。劉曉永等[2]通過文獻總結得出還田條件下水稻、小麥和玉米秸稈中氮養(yǎng)分的當季釋放率分別為47.2%、50.1%和54.0 %。

表1 我國不同農區(qū)主要糧食作物草谷比Table 1 Straw∕grain ratios of main grain crops in different agricultural regions of China

2 結果與分析

2.1 我國主要糧食作物秸稈資源量及分布

2013—2017 年我國主要糧食作物秸稈年均產量為7.8 億t，其中水稻、小麥和玉米秸稈年產量分別為2.3 億、1.7 億t 和3.9 億t，占三大糧食作物秸稈總產量的29.3%、21.3%和49.4%。圖1為我國各省份的作物秸稈年產量。可見，水稻秸稈主要分布在湖南、江西、江蘇、黑龍江、湖北和安徽，其年產量分別為3375 萬、2610 萬、2460 萬、2279 萬、2262 萬t 和1860 萬t，這些省份的水稻秸稈產量占全國水稻秸稈總產量的64.5%；小麥秸稈主要分布在河南、山東、安徽、河北和江蘇，其年產量分別為4617 萬、3127 萬、1978 萬、1927 萬t 和1615 萬t，這些省份的小麥秸稈產量占全國小麥秸稈總產量的79.5%；黑龍江、吉林、內蒙古、山東、河南、河北和遼寧玉米秸稈產量較高，分別為6300 萬、5356 萬、3856 萬、3714 萬、3217 萬、3057 萬t和2750 萬t，這些省份的玉米秸稈產量占全國玉米秸稈總產量的65.9%。三大糧食作物秸稈總資源量位于全國前列的省份有黑龍江、河南、山東、吉林、河北、安徽和江蘇，這些省份的主要糧食作物秸稈產量占全國三大糧食作物秸稈總產量的56.3%。

我國不同農區(qū)的主要糧食作物秸稈產量見表2?？梢姡L江中下游農區(qū)的水稻秸稈年產量較大，占全國水稻秸稈總產量的57.7%；東北、西南和南方農區(qū)的水稻秸稈產量基本相當，分別占全國水稻秸稈總產量的14.5%、13.4%和12.3%。小麥秸稈主要分布于華北農區(qū)，其次為長江中下游農區(qū)，分別占全國小麥秸稈總產量的61.4%和25.0%。玉米秸稈則集中分布于華北和東北農區(qū)，分別占全國玉米秸稈總產量的39.9%和37.2%。

2.2 我國主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量及分布

2013—2017 年，我國水稻、小麥和玉米秸稈的年均氮養(yǎng)分資源量分別為209.4萬、108.5萬t和356.0萬t。從表3可以看出，水稻秸稈氮養(yǎng)分資源量較高的省份有湖南、江西、江蘇、黑龍江、湖北和安徽，分別占全國水稻秸稈氮養(yǎng)分資源總量的14.7%、11.3%、10.7%、9.9%、9.8%和8.1%；小麥秸稈氮養(yǎng)分資源主要分布在河南、山東、安徽、河北和江蘇，分別占全國小麥秸稈氮養(yǎng)分總量的27.7%、18.7%、11.9%、11.5%和9.7%；玉米秸稈氮養(yǎng)分產量較高的省份為黑龍江、吉林、內蒙古、山東、河南、河北和遼寧，分別占全國玉米秸稈氮養(yǎng)分資源總量的16.3%、13.8%、10.0%、9.6%、8.3%、7.9%和7.1%。從全國范圍來看，主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源總量位于前列的省份為黑龍江、河南、吉林、山東、河北、安徽、江蘇和內蒙古，分別占全國三大糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源總量的11.7%、9.5%、8.1%、8.1%、6.0%、5.8%、5.6%和5.5%。

圖1 我國不同省份主要糧食作物秸稈產量Figure 1 Straw yields of main grain crops in different provinces of China

表2 我國不同農區(qū)主要糧食作物秸稈產量（104 t）Table 2 Straw yields of main grain crops in different agricultural regions of China（104 t）

圖2 為我國不同區(qū)域主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源。從圖2 可見，水稻秸稈氮養(yǎng)分資源主要分布在長江中下游農區(qū)（120.9 萬t），其次為東北農區(qū)（30.4萬t）、西南農區(qū)（28.1 萬t）和南方農區(qū)（25.7 萬t）。小麥秸稈氮養(yǎng)分資源集中分布在華北農區(qū)（66.6 萬t）和長江中下游農區(qū)（27.1 萬t），這兩個農區(qū)的小麥秸稈氮養(yǎng)分資源量占全國小麥秸稈氮養(yǎng)分資源總量的86.4%。玉米秸稈氮養(yǎng)分資源主要分布于華北農區(qū)（142.1 萬t）和東北農區(qū)（132.5 萬t），這兩個農區(qū)的玉米秸稈氮養(yǎng)分資源量占全國玉米秸稈氮養(yǎng)分資源總量的77.1%；西北、西南和長江中下游農區(qū)的玉米秸稈氮養(yǎng)分資源量基本相當，分別為28.5萬、26.2萬t和23.5 萬t，這三個農區(qū)的玉米秸稈氮養(yǎng)分資源量占全國玉米秸稈氮養(yǎng)分資源總量的21.9%。主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源總量居于前列的為華北農區(qū)（213.0 萬t）、長江中下游農區(qū)（171.5 萬t）和東北農區(qū)（162.9 萬t），分別占全國三大糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源總量的31.6%、25.4%和24.2%。

2.3 我國不同省份主要糧食作物秸稈還田當季化學氮肥替代潛力

圖2 我國不同農區(qū)主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量Figure 2 Straw nitrogen resource quantities of main grain crops in different agricultural regions of China

表3 我國不同省份主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量（104 t）Table 3 Straw nitrogen resource quantities of main grain crops in different provinces of China（104 t）

我國各省份主要糧食作物秸稈還田的化學氮肥可替代量見圖3?？梢?，湖南、江西、江蘇、黑龍江、湖北和安徽這些省份水稻秸稈還田的化學氮肥可替代總量較大，分別為14.5 萬、11.2 萬、10.6 萬、9.8 萬、9.7萬t 和8.0 萬t；小麥秸稈還田化學氮肥替代量較大的省份有河南、山東、安徽、河北和江蘇，其可替代總量分別為15.0 萬、10.2 萬、6.4 萬、6.3 萬t 和5.3 萬t；黑龍江、吉林、內蒙古、山東、河南、河北和遼寧這些省份玉米秸稈還田的化學氮肥可替代總量較大，分別為31.3萬、26.6萬、19.2萬、18.5萬、16.0萬、15.2萬t和13.7萬t。主要糧食作物秸稈還田的化學氮肥可替代總量位于全國前列的省份有黑龍江、河南、吉林、山東、河北、內蒙古、安徽和江蘇，分別為41.1 萬、33.1 萬、29.2 萬、28.6 萬、21.5 萬、19.9 萬、19.4 萬t 和18.4 萬t。從全國范圍內來看，水稻、小麥和玉米秸稈還田的化學氮肥可替代總量分別為98.8萬、54.3萬t和192.3萬t。

從表4 可以看出，在我國水稻主要種植區(qū)域，水稻秸稈還田當季的化學氮肥可替代量為25.3～46.5 kg·hm-2，其中江蘇、湖北、浙江、湖南、遼寧和安徽這些省份水稻秸稈還田當季化學氮肥可替代量較大，為34.6～46.5 kg·hm-2，其水稻總播種面積占全國水稻總播種面積的41.7%；云南、貴州、廣東和廣西這些省份水稻秸稈還田的化學氮肥可替代量相對較小，為25.3～26.0 kg·hm-2，占全國水稻總播種面積的19.1%。在我國小麥主要種植區(qū)域，小麥秸稈還田當季的化學氮肥可替代量為8.6～27.4 kg·hm-2。小麥秸稈還田化學氮肥可替代量相對較大的省份有河南、河北、山東、安徽、江蘇和新疆，為22.2～27.4 kg·hm-2，占全國小麥總播種面積的75.6%；而內蒙古、甘肅、四川、陜西、山西和湖北這些省份小麥秸稈還田的化學氮肥可替代量較小，為12.5～17.2 kg·hm-2，占全國小麥總播種面積的22.6%；云南省小麥秸稈還田的化學氮肥可替代量最低，僅為8.6 kg·hm-2。在我國玉米主要種植區(qū)域，玉米秸稈還田當季的化學氮肥可替代量為26.7～70.7 kg·hm-2。玉米秸稈還田，化學氮肥可替代量較大的省份有吉林、遼寧、內蒙古、寧夏、黑龍江、山東、江蘇、新疆、湖南和安徽，其玉米秸稈還田當季化學氮肥可替代量為54.3～70.7 kg·hm-2，這些省份的玉米總播種面積占全國玉米總播種面積的57.0%；湖北、山西、河北、河南和甘肅這些省份玉米秸稈還田的化學氮肥可替代量為42.8～47.1 kg·hm-2，其玉米總播種面積占全國玉米總播種面積的26.8%；貴州、廣西、云南、重慶、四川和陜西這些省份玉米秸稈還田的化學氮肥可替代量相對較小，為26.7～35.9 kg·hm-2，占全國玉米總播種面積的16.2%。水稻秸稈還田，我國長江中下游農區(qū)的化學氮肥可替代量較大，為37.9 kg·hm-2；華北、東北和西南農區(qū)水稻秸稈還田的化學氮肥可替代量相差不大，分別為31.9、30.7 kg·hm-2和30.0 kg·hm-2；南方農區(qū)的稍低，為26.4 kg·hm-2。華北和長江中下游農區(qū)小麥秸稈還田的化學氮肥可替代量相對較大，分別為25.9 kg·hm-2和23.3 kg·hm-2；西南農區(qū)的較低，為13.7 kg·hm-2。玉米秸稈還田，東北農區(qū)的化學氮肥可替代量最大，為61.1 kg·hm-2；西南和南方農區(qū)的化學氮肥可替代量相對較小，分別為32.6 kg·hm-2和29.9 kg·hm-2。從全國范圍看，水稻、小麥和玉米秸稈還田當季的化學氮肥可替代量分別為33.6、23.4 kg·hm-2和51.2 kg·hm-2。

3 討論

圖3 我國不同省份主要糧食作物秸稈還田的化學氮肥可替代量Figure 3 The amounts of synthetic N substituted by main grain crop straw incorporation in different provinces of China

表4 我國不同省份和農區(qū)主要糧食作物秸稈還田的化學氮肥可替代量（kg·hm-2）Table 4 The amounts of synthetic N substituted by main grain crop straw incorporation in different provinces and agricultural regions of China（kg·hm-2）

目前對我國秸稈數(shù)量進行估算的相關研究采用的均是草谷比法[1-2，18-19，22]。草谷比的取值是影響秸稈產生量和秸稈養(yǎng)分資源量估算結果的關鍵因素。作物的草谷比取值受到自然條件、作物品種以及作物的生物產量和經濟產量等因素的影響[23]。畢于運等[19]在對我國秸稈產生量進行估算的過程中，采用的是牛若峰和劉天福主編的《農業(yè)技術經濟手冊（修訂本）》中主要糧食作物的草谷比（水稻0.9、小麥1.1、玉米1.2），得出2005 年全國水稻、小麥和玉米秸稈產量分別為2.1 億、1.1 億t 和1.7 億t。高利偉等[18]參考相關文獻得出我國水稻、小麥和玉米的草谷比分別為1.0、1.1和2.0，并基于此對2006年全國作物秸稈資源量進行評估，結果顯示我國水稻、小麥和玉米秸稈數(shù)量分別為1.8 億、1.1 億t 和2.9 億t。畢于運等[19]和高利偉等[18]在研究中采用的小麥草谷比均為1.1，兩者使用的水稻草谷比較為接近，而玉米的草谷比差別較大，分別為1.2和2.0。宋大利等[1]在對我國主要農作物秸稈資源量進行估算時通過文獻整理得出水稻、小麥和玉米的草谷比分別為1.0、1.1 和1.2，估算得出2015 年我國水稻、小麥和玉米秸稈資源量分別為2.1億、1.4 億t 和2.7 億t，與畢于運等[19]的研究結果相比，小麥和玉米秸稈產量有較大幅度的增長。劉曉永等[2]基于文獻資料等得到我國不同區(qū)域作物的草谷比：水稻主產區(qū)長江中下游地區(qū)的水稻草谷比為1.08，高于東北（0.91）、西南（0.95）和東南地區(qū)（0.93）；小麥主產區(qū)華北、長江中下游和西北地區(qū)小麥的草谷比分別為1.34、1.39 和1.10，其中西北地區(qū)的小麥草谷比相對偏低；玉米主產區(qū)華北、東北、西北和西南地區(qū)玉米的草谷比分別為1.23、1.11、1.29 和1.28，其中東北地區(qū)的玉米草谷比相對較低。劉曉永等[2]的研究結果顯示，2010—2015 年間我國秸稈資源年產量為9.0億t，其中谷類作物秸稈占70%。本研究采用文獻[20]的數(shù)據(jù)，其中長江中下游農區(qū)的水稻草谷比為1.28，高于以往研究，東北、西南和南方農區(qū)的水稻草谷比相差不大，分別為0.97、1.00 和1.06；華北、長江中下游和西北農區(qū)的小麥草谷比分別為1.34、1.38 和1.23，高于宋大利等[1]、高利偉等[18]和畢于運等[19]采用的小麥草谷比1.1，而與劉曉永等[2]通過文獻總結所得到的分區(qū)小麥草谷比較為接近；華北、東北、西北和西南農區(qū)玉米的草谷比分別為1.73、1.86、1.52 和1.29，高于宋大利等[1]、劉曉永等[2]以及畢于運等[19]在研究中采用的玉米草谷比。本研究結果表明，2013—2017年我國三大糧食作物水稻、小麥和玉米秸稈年均產量分別為2.3 億、1.7 億t 和3.9 億t，與宋大利等[1]對2015年我國水稻、小麥和玉米秸稈資源估算量相比，分別高出10.5%、16.5%和43.5%。

在分析秸稈氮養(yǎng)分資源量時需要考慮秸稈的氮養(yǎng)分含量，相關研究多是參考全國農業(yè)技術推廣服務中心編著的《中國有機肥料養(yǎng)分志》和《中國有機肥料資源》。高利偉等[18]和劉曉燕等[24]采用的是《中國有機肥料養(yǎng)分志》中水稻、小麥和玉米秸稈的氮含量，分別為9.1、6.5 g·kg-1和9.2 g·kg-1。宋大利等[1]在對我國主要農作物秸稈氮養(yǎng)分資源量進行估算的研究中利用的是《中國有機肥料資源》中的秸稈氮養(yǎng)分含量參數(shù)：水稻秸稈8.3 g·kg-1、小麥秸稈6.2 g·kg-1、玉米秸稈8.7 g·kg-1?！吨袊袡C肥料養(yǎng)分志》中給出的主要糧食作物秸稈氮含量比《中國有機肥料資源》中的要高。劉曉永等[2]在參考《中國有機肥料養(yǎng)分志》和《中國有機肥料資源》的基礎上，結合文獻調研得出的水稻、小麥和玉米秸稈氮含量分別為8.2、5.4 g·kg-1和8.9 g·kg-1。本研究在對我國三大糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量及還田替代化學氮肥潛力進行評估的過程中采用的是《中國有機肥料養(yǎng)分志》中的秸稈氮含量參數(shù)以及劉曉永等[2]通過文獻總結得出的水稻、小麥和玉米秸稈還田條件下氮養(yǎng)分當季釋放率。高利偉等[18]對2006 年全國作物秸稈養(yǎng)分資源數(shù)量進行估算的結果顯示，我國水稻、小麥和玉米秸稈氮養(yǎng)分資源量分別為166 萬、75 萬t 和268 萬t。宋大利等[1]的研究結果表明，2015 年我國水稻、小麥和玉米秸稈氮養(yǎng)分資源量分別為172 萬、88 萬t 和234 萬t，水稻、小麥和玉米秸稈在全量還田條件下帶入農田的氮養(yǎng)分量分別為57、37 kg·hm-2和62 kg·hm-2。本研究的估算結果表明，2013—2017 年我國水稻、小麥和玉米秸稈年均氮養(yǎng)分資源量分別為209 萬、108 萬t 和356 萬t；在考慮還田秸稈氮養(yǎng)分當季釋放率的情況下，秸稈全量還田下我國水稻、小麥和玉米秸稈還田當季化學氮肥可替代量分別為99 萬、54 萬t 和192 萬t，單位耕地面積化學氮肥可替代量分別為33.6、23.4 kg·hm-2和51.2 kg·hm-2。若需更為準確地評估我國不同農區(qū)主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量，應系統(tǒng)地對各農區(qū)的秸稈氮養(yǎng)分含量進行分析。馬想等[25]在黑土、潮土和紅壤上開展的小麥和玉米秸稈腐解試驗表明，秸稈腐解主要由氣候、土壤和物料性質協(xié)同驅動，主控秸稈腐解的單因子是氣候條件。我國各農區(qū)的水熱條件和土壤類型不同，這會導致還田秸稈的腐解速度和秸稈氮養(yǎng)分當季釋放率存在差異。另外，還田秸稈中氮養(yǎng)分當季釋放量與秸稈還田下化學氮肥可替代量之間的關系還需要進一步探究。本文的研究結果只能在一定程度上為各省份主要糧食作物秸稈還田下的化學氮肥施用提供參考。

定位試驗的研究結果表明，秸稈還田在保證作物產量的前提下可以替代部分化學氮肥，同時有利于提高氮肥利用效率[12-15]。我國主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源集中分布在華北、長江中下游和東北農區(qū)，分別占全國三大糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源總量的31.6%、25.4%和24.2%。華北農區(qū)是我國玉米和小麥主產區(qū)，長江中下游農區(qū)是水稻和小麥主產區(qū)，東北農區(qū)是玉米和水稻主產區(qū)，而且在《關于開展農作物秸稈綜合利用規(guī)劃終期評估的通知》[20]中這些農區(qū)的作物草谷比相對較高，所以秸稈氮養(yǎng)分資源主要分布在這些農區(qū)。在作物產量較大的省份，秸稈氮養(yǎng)分資源也較為豐富，如水稻秸稈氮養(yǎng)分資源主要分布在湖南、江西、江蘇、黑龍江、湖北和安徽等省份；小麥秸稈氮養(yǎng)分資源集中分布在河南、山東、安徽、河北和江蘇等省份；玉米秸稈氮養(yǎng)分產量較高的省份為黑龍江、吉林、內蒙古、山東、河南、河北和遼寧。從單位耕地面積秸稈還田當季的化學氮肥可替代量來看，江蘇、湖北、浙江、湖南、遼寧和安徽這些省份水稻秸稈還田當季化學氮肥可替代量較大；小麥秸稈還田化學氮肥可替代量相對較大的省份有河南、河北、山東、安徽、江蘇和新疆；玉米秸稈還田化學氮肥可替代量較大的省份有吉林、遼寧、內蒙古、寧夏、黑龍江、山東、江蘇、新疆、湖南、安徽、湖北、山西、河北和河南。在省級尺度上，綜合考慮作物秸稈氮養(yǎng)分資源總量和單位耕地面積秸稈還田當季化學氮肥可替代量，江蘇、湖北和安徽水稻秸稈還田的化學氮肥替代潛力較大；小麥秸稈還田化學氮肥替代潛力較大的省份有河南、山東、安徽、河北和江蘇；玉米秸稈還田化學氮肥替代潛力較大的省份有黑龍江、吉林、內蒙古、山東、河南、河北和遼寧。在這些地區(qū)，需要進一步提高秸稈還田率，并完善秸稈還田技術，充分發(fā)揮秸稈氮養(yǎng)分的化學氮肥替代作用。同時，還田秸稈腐解過程對土壤氮有效性的影響也是在實際生產中需要注意的一個問題。在江西雙季稻上進行的兩年田間試驗表明，在氮磷鉀養(yǎng)分等量投入條件下，水稻秸稈全量還田在早稻和晚稻季分別替代30%和23%化學氮肥處理下，雙季稻全生育期內土壤堿解氮和硝態(tài)氮含量高于單施化肥處理，同時水稻各生育期兩個處理的土壤銨態(tài)氮含量相差不大[26]。在陜西楊凌地區(qū)開展的5 年定位試驗結果表明，在氮養(yǎng)分等量施用情況下，小麥玉米秸稈翻壓還田減量施氮20%處理較單施化學氮肥處理提高了土壤堿解氮含量[12]。在吉林國家黑土肥力與肥料效益監(jiān)測基地進行的長期定位試驗（1990—2012年）顯示，等氮量投入條件下，玉米各生育期秸稈還田替代32%的化學氮肥配施氮磷鉀化肥處理與單施氮磷鉀化肥處理下的土壤無機氮含量沒有顯著差異[15]。也有研究發(fā)現(xiàn)，作物秸稈在淹水條件下腐解會形成更多的木質素殘余物，其芳環(huán)上的酚羥基會固定土壤中的有效態(tài)氮形成苯酰胺，使土壤無機態(tài)氮含量下降[27]。在旱地土壤上秸稈還田也提高了土壤有機質中酚基、羥基、羧基、芳香碳和酰胺含量，促進了土壤中有機氮的形成，從而使土壤氮有效性下降[28-29]。此外，秸稈還田條件下微生物在前期可能會與作物競爭無機態(tài)氮[30]。對于秸稈還田在作物生育前期可能導致的土壤氮有效性下降問題，可以通過改進施氮運籌（提高氮肥基肥比例）[31]以及調節(jié)秸稈和氮肥的施入碳氮比[32-33]得到解決。影響還田作物秸稈腐解及其養(yǎng)分釋放的因素較多，包括秸稈還田方式、外源氮素供應、外施腐熟劑以及秸稈還田后的土壤環(huán)境條件等[34]。田平等[35]在東北棕壤土區(qū)進行的兩年田間定位試驗表明，玉米秸稈還田后150 d 在旋耕還田和翻耕還田兩種還田方式下的秸稈腐解率分別為78.0%和65.9%，氮釋放率分別為53.5%和38.8%，玉米秸稈旋耕還田方式更適合此地區(qū)。馬想等[25]建議各地區(qū)在實行秸稈還田時需結合土壤因子及當?shù)厮疅釛l件來確定秸稈還田時間。王秋菊等[36]認為秸稈還田條件下的減氮要考慮到土壤的具體特性。今后應針對我國不同農區(qū)的氣候條件、土壤類型和種植制度進一步開展秸稈還田替代化學氮肥試驗，明確各農區(qū)主要糧食作物秸稈還田的化學氮肥可替代率。并根據(jù)各農區(qū)的具體情況有針對性地加強農田管理，提高還田秸稈氮養(yǎng)分當季釋放率，以實現(xiàn)秸稈氮養(yǎng)分資源的高效利用和化學氮肥減量以及土壤肥力提升。

4 結論

（1）目前我國主要糧食作物秸稈數(shù)量及其氮養(yǎng)分資源量巨大，2013—2017 年我國水稻、小麥和玉米秸稈年均產量分別為2.3億、1.7億t和3.9億t，所含氮養(yǎng)分資源量分別為209 萬、108 萬t 和356 萬t。三大糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源主要來自玉米和水稻秸稈，小麥秸稈氮養(yǎng)分資源占比相對較小。

（2）水稻秸稈氮養(yǎng)分資源主要分布在長江中下游農區(qū)，小麥秸稈氮養(yǎng)分資源主要分布在華北農區(qū)，玉米秸稈氮養(yǎng)分資源集中分布于華北和東北農區(qū)。這些農區(qū)主要糧食作物秸稈還田的化學氮肥可替代總量較大。

（3）江蘇、湖北、浙江、湖南、遼寧和安徽這些省份單位耕地面積水稻秸稈還田化學氮肥可替代量較大；單位耕地面積小麥秸稈還田化學氮肥可替代量相對較大的省份有河南、河北、山東、安徽、江蘇和新疆；吉林、遼寧、內蒙古、寧夏、黑龍江、山東、江蘇、新疆、湖南和安徽這些省份單位耕地面積玉米秸稈還田化學氮肥可替代量較大。

（4）秸稈全量還田下我國水稻、小麥和玉米秸稈還田當季化學氮肥可替代總量分別為99萬、54萬t和192 萬t，單位耕地面積化學氮肥可替代量分別為33.6、23.4 kg·hm-2和51.2 kg·hm-2。玉米秸稈還田的化學氮肥替代潛力最大，其次為水稻秸稈還田，小麥秸稈還田的化學氮肥替代潛力相對較小。

致謝：

本文部分數(shù)據(jù)來源于已發(fā)表的文獻，在此對文獻作者表示衷心感謝！