賈立國，石曉華，蘇亞拉其其格，秦永林，于靜，陳楊，樊明壽

我國春麥區(qū)小麥化肥有機替代潛力分析

賈立國1，石曉華1，蘇亞拉其其格2，秦永林1，于靜1，陳楊2，樊明壽1

（1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，呼和浩特 010019；2內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院，呼和浩特 010011）

【】明確我國春小麥養(yǎng)分管理的主要問題，因地制宜地提出不同?。▍^(qū)）春小麥化肥有機替代的技術途徑，為春小麥生產(chǎn)化肥零增長和可持續(xù)發(fā)展提供參考。通過農(nóng)戶實地調(diào)研與農(nóng)戶調(diào)研文獻資料收集的2 166組數(shù)據(jù)，比較分析不同省（區(qū)）春小麥養(yǎng)分管理存在的問題。通過國家統(tǒng)計局網(wǎng)站2018年公布的最新牲畜數(shù)量、春小麥播種面積和產(chǎn)量等數(shù)據(jù)，利用已發(fā)表文獻關于牲畜糞、秸稈和綠肥作物的養(yǎng)分含量，定量化分析春小麥主要?。▍^(qū)）的化肥有機替代潛力，結合氣候、土壤和有機資源現(xiàn)狀，提出適宜不同省（區(qū)）春小麥有機替代途徑。化學氮肥和磷肥施用過量、鉀肥和有機肥施用不足是我國春小麥養(yǎng)分管理存在的主要問題，其中尤以內(nèi)蒙古西部和寧夏黃灌區(qū)氮肥過量施用最為嚴重。春麥區(qū)大牲畜和羊的數(shù)量約占全國的1/3和1/2，牲畜糞提供的氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）養(yǎng)分量分別為238.6×104、57.6×104和141.0×104t·a-1，牲畜糞N、P2O5和K2O在春小麥上的有機替代潛力分別為78.2%、48.1%和43.1%。春麥區(qū)秸稈還田總量折合410.2×104t，單位面積麥田氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）可還田量分別為11.4、2.5和31.9 kg·hm-2，通過秸稈還田N、P2O5和K2O當季有機替代潛力分別為4.9%、3.3%和22.7%。通過綠肥進行春小麥有機替代，綠肥的養(yǎng)分如充分釋放完全可以滿足春小麥對氮、磷、鉀養(yǎng)分的需求。針對我國春小麥化肥過量和不合理施用的問題，可以通過牲畜糞肥、秸稈還田和種植綠肥三大有機替代途徑加以解決。其中，牲畜糞肥在春小麥上N、P2O5和K2O的有機替代潛力分別為78.2%、48.1%和43.1%；秸稈還田N、P2O5和K2O當季有機替代潛力分別為4.9%、3.3%和22.7%；綠肥的養(yǎng)分如充分釋放完全可以實現(xiàn)春小麥化肥氮、磷、鉀的有機替代。不同省區(qū)在選擇有機替代方式時應從資源、成本和技術等角度綜合考慮。

春小麥；有機替代；秸稈還田；綠肥

0 引言

【研究意義】春小麥主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、青海、黑龍江、寧夏六大?。▍^(qū)），另外在天津、河北和西藏有小面積的種植，春小麥種植區(qū)氣溫普遍較低，生產(chǎn)季節(jié)短，以一年一熟為主[1]。因生育期較短，單產(chǎn)水平普遍低于冬小麥，但是春小麥在區(qū)域和國家糧食生產(chǎn)中占有非常重要的地位。農(nóng)戶為了增加春小麥產(chǎn)量，不斷增加化肥的投入，特別是內(nèi)蒙古西部和寧夏的引黃灌區(qū)小麥生產(chǎn)上氮肥投入嚴重過量，而鉀肥及有機肥投入又普遍偏低，致使產(chǎn)量和肥料利用效率較低[2-5]。內(nèi)蒙古東部和黑龍江旱作春小麥區(qū)化肥投入量不高，但是土壤腐殖層逐年變薄，土壤有機質(zhì)含量大幅減少、小麥肥料利用率低等問題正威脅著當?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[6]。實現(xiàn)春小麥化肥減施增效關系到整個北方地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，符合生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展的國家戰(zhàn)略。【前人研究進展】有機肥替代化肥是實現(xiàn)化肥用量零增長的重要途徑，實現(xiàn)的方式主要包括施用畜禽糞便、秸稈還田和種植綠肥等[7-9]。在春小麥上進行有機替代的研究表明，以腐熟的羊糞為有機肥鉀替代化肥鉀的比例在30%—60%時，可實現(xiàn)小麥產(chǎn)量和鉀肥利用效率的協(xié)同提升[10]。在冬小麥上的長期定位試驗結果表明，發(fā)酵有機肥和秸稈還田部分替代化學氮均能顯著提升小麥產(chǎn)量和水分利用效率，其中發(fā)酵有機肥的效果最好，10年平均產(chǎn)量較單施化肥增加25.4%[11]。連續(xù)18年的長期定位試驗結果表明，作物秸稈長期直接施用在土壤培肥方面與腐熟有機肥效果基本相同，均對土壤理化性質(zhì)有很大的改善，同時可提高作物產(chǎn)量[8]。化肥氮的有機氮替代率受土壤本身有機碳含量影響，長期施用有機肥可顯著提高土壤有機碳含量，在黑土土壤有機碳含量達到約25 g·kg-1時，有機肥對化肥的替代率可近95%[12]。但是，絕大多數(shù)土壤在有機碳含量不是太高的條件下，化學氮肥有機替代比例50%—70%較為適宜，比例太高會導致產(chǎn)量和肥效的降低[10,12-13]。合理種植綠肥可以提高后茬麥田土壤有益菌群落數(shù)量，改善土壤物理結構，轉(zhuǎn)化土壤難溶性養(yǎng)分，增加土壤肥力，在河套灌區(qū)植田菁、草木樨等綠肥還可降低鹽堿危害[14-15]。【本研究切入點】鑒于北方春麥區(qū)在保障區(qū)域和國家糧食安全方面的重要作用，同時響應化肥零增長、生態(tài)優(yōu)先綠色發(fā)展等國家戰(zhàn)略，針對目前春小麥生產(chǎn)過程中化肥過量和不合理利用的問題，探討有機肥部分替代化肥在春小麥綠色生產(chǎn)中的技術途徑，依據(jù)不同春小麥省區(qū)氣候、土壤、資源現(xiàn)狀及栽培模式尋求適宜的有機替代模式?！緮M解決的關鍵問題】在明確春小麥生產(chǎn)中化肥施用的現(xiàn)狀和問題的基礎上，通過對牲畜糞肥、秸稈還田和綠肥資源的定量化分析，并結合不同春麥省區(qū)氣候、土壤及生產(chǎn)條件等進行綜合考量，提出適宜于不同省區(qū)春小麥化肥有機替代的技術途徑，旨在實現(xiàn)春小麥生產(chǎn)化肥零增長和綠色可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

內(nèi)蒙古東部和西部農(nóng)戶春小麥產(chǎn)量和施肥量數(shù)據(jù)通過實地調(diào)研獲取，調(diào)研年份為2018年，調(diào)研的方式以實地面訪的形式進行。東部調(diào)研的區(qū)域主要為呼倫貝爾市，分別在海拉爾、牙克石和額爾古納選擇10—15個農(nóng)場進行問卷調(diào)查；西部調(diào)研的區(qū)域為巴彥淖爾市，分別在臨河區(qū)、五原縣、杭錦后旗和烏拉特前旗進行問卷調(diào)查，每縣（區(qū)）選擇代表性鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）3—4個，每鄉(xiāng)鎮(zhèn)3—5個村，每村隨機選3個以上春小麥種植農(nóng)戶為調(diào)查對象。新疆、寧夏、甘肅和青海農(nóng)戶小麥產(chǎn)量及施肥量數(shù)據(jù)通過最新發(fā)表的文獻獲得[2-5]，其中新疆的數(shù)據(jù)分滴灌和漫灌方式分別進行數(shù)據(jù)整理和分析。

春麥區(qū)各省份的大牲畜和羊的數(shù)量、春小麥種植面積和產(chǎn)量（內(nèi)蒙古產(chǎn)量數(shù)據(jù)除外）等數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局2018年（最新）數(shù)據(jù)，其中大牲畜和羊的數(shù)量為2018年底頭（只）數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

小麥養(yǎng)分利用效率通過肥料偏生產(chǎn)力表示，具體計算方法如下：

氮（磷、鉀）肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=施氮（磷、鉀）區(qū)產(chǎn)量/施氮（磷、鉀）量；

牲畜糞排泄量（鮮基）及其養(yǎng)分含量估算方法如下：

TM=∑（Na×C1）

式中，TM表示某省區(qū)大牲畜和羊糞排泄總量（萬噸/年，鮮基）；Na表示某種牲畜年底數(shù)量（萬頭或萬只）；C1為牲畜排泄量系數(shù)（噸/年），其中牛和駱駝為10.1，馬為5.9，驢和騾為5.0，羊為0.87[16]。

TN=∑（Nm×C2）

式中，TN為牲畜糞N、P2O5或K2O養(yǎng)分總量（萬噸/年）；Nm表示某種牲畜年排泄糞量（萬噸/年，鮮基）；C2為牲畜糞養(yǎng)分含量（占鮮基%），具體含量參照劉曉永等[16]的參數(shù)進行計算，其中駱駝和牛糞氮（純N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）鮮基含量均按照0.38%、0.10%和0.24%折算。

小麥秸稈還田量及其養(yǎng)分含量采用國際上通用的草谷比1.1來估算，小麥秸稈直接還田率按照46.0%計算，燃燒還田率按照13.9%計算，秸稈氮磷鉀養(yǎng)分還田量按下列方法估算[17]：

TN（TP, TK）=Y×R×Nc（Pc, Kc）

式中，TN、TP、TK分別為秸稈氮、磷、鉀資源量，其中Y 為小麥經(jīng)濟產(chǎn)量，R為草谷比，Nc、Pc、Kc分別為秸稈N、P2O5、K2O含量，分別按照0.54%、0.09%和1.16%折算[17]。

秸稈還田化肥有機替代潛力根據(jù)秸稈還田當季養(yǎng)分釋放率估算：

PN（PP, PK）= TN（TP, TK）×C3

式中，PN、PP、PK分別為秸稈氮、磷、鉀有機替代潛力（量），C3表示秸稈氮、磷、鉀當季釋放率[17]。

綠肥作物的養(yǎng)分含量來源于文獻報道[18-20]。

2 結果

2.1 春小麥主要產(chǎn)區(qū)施肥現(xiàn)狀

2.1.1 各省區(qū)農(nóng)戶施肥量 通過文獻收集和實際生產(chǎn)調(diào)研，對我國主要春麥省區(qū)的農(nóng)戶春小麥氮、磷、鉀施用量進行匯總。分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古西部、寧夏、新疆部分區(qū)域的漫灌春小麥氮肥和磷肥的施入量較高，平均為311.7和193.9 kg·hm-2；新疆的滴灌春小麥氮肥和磷肥的施入量平均為211.1和189.5 kg·hm-2，施肥量低于而產(chǎn)量高于漫灌模式；甘肅、青海、內(nèi)蒙古東部和黑龍江春小麥主要是旱作，氮肥和磷肥的施入量平均為144.2和117.5 kg·hm-2。鉀肥的施用量普遍較低，寧夏漫灌區(qū)最高（33.4 kg·hm-2），內(nèi)蒙古西部漫灌區(qū)最低，只有7.5 kg·hm-2，春麥區(qū)鉀肥平均施入量為19.1 kg·hm-2（表1）。

根據(jù)區(qū)域測土配方施肥推薦指標，東北春小麥區(qū)化肥基本不存在過量施用問題；西北地區(qū)農(nóng)戶春小麥氮、磷肥施用普遍過量，而鉀肥投入嚴重不足。其中，寧夏和內(nèi)蒙古西部黃灌區(qū)春小麥過量和不合理施肥最為突出，寧夏黃灌區(qū)平均86.4%的種植戶氮肥投入過量，44.6%的磷肥施用過量，83.3%的鉀肥投入嚴重不足[3]；我們的調(diào)研結果表明，內(nèi)蒙古黃灌區(qū)平均97.4%的春小麥種植戶氮肥投入過量，84.2%的磷肥施用過量，調(diào)研的所有農(nóng)戶幾乎沒有施用鉀肥的習慣。

2.1.2 養(yǎng)分利用效率分析 肥料偏生產(chǎn)力與施肥量

的趨勢相反，各春小麥省區(qū)均表現(xiàn)為氮肥和磷肥偏生產(chǎn)力較低、鉀肥偏生產(chǎn)力較高（表2）。滴灌和旱作模式下氮肥和磷肥偏生產(chǎn)力總體高于漫灌模式，漫灌條件下鉀肥偏生產(chǎn)力最高（寧夏除外）。

2.2 春麥區(qū)有機肥資源及其區(qū)域分布

2.2.1 春麥區(qū)主要牲畜數(shù)量及全國占比 牲畜糞便是農(nóng)田有機肥的主要來源，大牲畜（包括牛、馬、驢、騾和駱駝）和羊在北方地區(qū)占比較大，是性畜有機肥資源的主要來源。2018年春麥區(qū)各省份主要牲畜的數(shù)量見表3，其中春麥區(qū)牛和騾的數(shù)量約占全國約1/3，馬和驢的數(shù)量占到全國約1/2，而駱駝100%都集中在春麥區(qū)各省份，春麥區(qū)大牲畜總計約占全國1/3；春麥區(qū)羊的數(shù)量占到全國的49.4%，約占全國的一半。從各省份的分布來看，各主要牲畜主要集中在內(nèi)蒙古和新疆（表3）。

表1 我國不同地區(qū)春小麥產(chǎn)量及化肥施用量

表中各字母縮寫表示如下：WI，Western Inner Mongolia；EI, Eastern Inner Mongolia；NX, Ningxia；XJ, Xinjiang；GS, Gansu；QH, Qinghai. 內(nèi)蒙古西部和東部的數(shù)據(jù)來自于農(nóng)戶調(diào)研；寧夏的數(shù)據(jù)參考文獻[3]；新疆的數(shù)據(jù)參考文獻[2]；甘肅的數(shù)據(jù)參考文獻[4]；青海的數(shù)據(jù)參考文獻[5]

Region names in the table are abbreviated as follows: WI, Western Inner Mongolia; EI, Eastern Inner Mongolia; NX, Ningxia; XJ, Xinjiang; GS, Gansu; QH, Qinghai. The data in WI and EI were from farmer interview; The data in NX referred as literature [3]; The data in XJ referred as literature [2]; The data in GS referred as literature [4]; The data in QH referred as literature [5]

表2 我國不同地區(qū)春小麥化肥偏生產(chǎn)力

表3 我國春麥區(qū)主要牲畜數(shù)量（萬頭(只)）

表中各字母縮寫表示如下：IM, Inner Mongolia；HLJ, Heilongjiang. 數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局2018年數(shù)據(jù)Data source from the National Bureau of Statistics of China in 2018

2.2.2 春麥區(qū)主要牲畜糞養(yǎng)分供應量 基于上述各春麥區(qū)主要牲畜數(shù)量，估算了各省份牲畜糞排泄量及氮、磷、鉀養(yǎng)分年度累積量（表4）。不同牲畜糞氮（純N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）養(yǎng)分含量參照劉曉永[16-17]的參數(shù)進行計算，春麥區(qū)牲畜糞總的排泄量及養(yǎng)分累積量如表4，各省份間的分布與牲畜數(shù)量規(guī)律一致，表現(xiàn)為內(nèi)蒙古最多，寧夏最少。

2.2.3 可利用養(yǎng)分量及其分布 因各省份春小麥種植面積及占比不同，可用于春小麥的牲畜糞養(yǎng)分量亦有很大差異。為了分析牲畜糞在春小麥上的有機替代潛力，基于有機糞肥在糧食作物總種植面積平均分配的原則，折算了各省份可用于春小麥的牲畜糞養(yǎng)分總量和單位面積可供應量（表5）。按照百公斤籽粒養(yǎng)分需求量折算春小麥省區(qū)N、P2O5和K2O需求量，則牲畜糞N、P2O5和K2O的有機替代潛力分別為78.2%、48.1%和43.1%。分析表明，青海不論是可用于春小麥的牲畜糞養(yǎng)分總量還是單位面積可供應量均最多，具有最大的牲畜糞有機替代潛力，其次是寧夏，黑龍江省最小。

表4 我國春小麥區(qū)牲畜糞排泄量及其養(yǎng)分累積量（鮮基，萬噸/年）

表5 我國各省份春小麥可用牲畜糞養(yǎng)分量

1)春小麥播種面積來源于國家統(tǒng)計局2018年數(shù)據(jù)1)Data source of spring wheat planting area from the National Bureau of Statistics of China in 2018

2.3 春麥區(qū)小麥秸稈資源及其區(qū)域分布

2.3.1 秸稈及其養(yǎng)分資源 通過2018年各省份春小麥產(chǎn)量，按照谷草比1.1折算秸稈量[17]，秸稈量表現(xiàn)為內(nèi)蒙古和新疆最多，寧夏最少。進一步折算了各省春小麥秸稈氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）累積量，各省份秸稈養(yǎng)分量的大小順序同秸稈量，春麥區(qū)氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）總量分別為3.7×104、0.6×104和7.9×104t（表6）。

表6 我國各省份春小麥秸稈及其養(yǎng)分資源量

春小麥產(chǎn)量來源于國家統(tǒng)計局2018年數(shù)據(jù) Data source of spring wheat yield from the National Bureau of Statistics of China in 2018

2.3.2 秸稈及其養(yǎng)分還田量 小麥的還田途徑主要包括直接還田、燃燒還田和作為牲畜飼料過腹還田，過腹還田與牲畜糞便不易分開，在已經(jīng)考慮牲畜糞肥資源的條件下，本研究不考慮秸稈過腹還田部分。春麥區(qū)秸稈還田總量折合410.2×104t，單位面積還田量在1 977.9—3 622.9 kg·hm-2，平均為2 746.3 kg·hm-2。按照秸稈直接還田氮磷鉀養(yǎng)分100%歸田，燃燒還田氮素0、磷鉀100%歸田計算，春麥區(qū)單位面積麥田氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）平均還田量分別為11.4、2.5和31.9 kg·hm-2，各省份的差異具體見表7。

表7 我國各省份春小麥秸稈及其養(yǎng)分還田量

2.3.3 秸稈還田化肥有機替代潛力 根據(jù)小麥秸稈還田當季養(yǎng)分釋放率估算了化肥有機替代潛力，氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）的養(yǎng)分當季釋放率分別按照50.11%、62.01%和89.05%進行折算[17]。結果表明，鉀肥的可替代量最大、氮肥次之、磷肥最少。通過秸稈還田N、P2O5和K2O當季有機替代潛力分別為4.9%、3.3%和22.7%，新疆和內(nèi)蒙古總的養(yǎng)分可替代量最大，而單位面積各養(yǎng)分的可替代量表現(xiàn)為甘肅最高（表8）。

2.4 春麥區(qū)綠肥資源及其區(qū)域分布

2.4.1 適宜春麥區(qū)的主要綠肥作物及養(yǎng)分含量 適合于我國北方春麥區(qū)的主要綠肥作物包括箭筈豌豆（）、毛苕子（），草木樨（）、沙打旺（）、小冠花（）、田菁（）、飼用油菜（）、黑麥草（）、紫花苜蓿（）等。各綠肥作物的氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）養(yǎng)分含量見表9，氮素和磷素含量各作物間差別不大，分別占鮮重的0.5%—0.7%和0.1%—0.2%之間，鉀素含量各作物間差異較大，田菁最低（0.18%），小冠花最高（1.22%）[18]。

表8 我國各省份春小麥秸稈還田化肥有機替代潛力

表9 我國春麥區(qū)主要綠肥作物及養(yǎng)分含量

2.4.2 綠肥利用方式及替代潛力 綜合春麥區(qū)綠肥利用的文獻報道，我國春小麥生產(chǎn)中綠肥的種植方式主要包括麥收前（間）套種綠肥和麥后復種綠肥，具體的種植方式又包括單作和混作[21]。綠肥的生物量主要分布在30—60 t·hm-2，也有超過100 t·hm-2的報道，根據(jù)養(yǎng)分含量折算的可還田的氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）養(yǎng)分量見表10。根據(jù)春小麥的養(yǎng)分需求量（按照每生產(chǎn)100 kg籽粒吸收N、P2O5和K2O分別為2.8、1.1和3.0 kg計算）[22]，按照目前產(chǎn)量水平計算單位面積小麥需氮量為92.5—152.4 kg·hm-2，需磷量（P2O5）為36.2—59.9 kg·hm-2，需鉀量（K2O）為99.1—163.3 kg·hm-2，如果還田綠肥的養(yǎng)分能夠充分釋放，完全可以滿足小麥對氮、磷、鉀養(yǎng)分的需求。

3 討論

3.1 春小麥分布區(qū)域化肥施用現(xiàn)狀與問題

我國春麥區(qū)東西跨度較大，各春麥省區(qū)氣候、土壤特征和栽培模式有很大差異，適宜的施肥量也有較大的不同。但是，不同區(qū)域生產(chǎn)單位重量小麥籽粒的養(yǎng)分需求量是相對穩(wěn)定的，與土壤養(yǎng)分供給相結合可以初步判斷適宜的施肥量。研究表明，每生產(chǎn)100 kg小麥籽粒需要氮肥（純N）、磷肥（P2O5）和鉀肥（K2O）用量分別為2.8、1.1和3.0 kg[22]。內(nèi)蒙古西部、寧夏和新疆灌溉（包括漫灌和滴灌）春小麥平均產(chǎn)量為5 602 kg·hm-2，折合N、P2O5和K2O需要量為156、62和168 kg·hm-2；內(nèi)蒙古東部、甘肅和青海旱作小麥平均產(chǎn)量為3 911 kg·hm-2，折合N、P2O5和K2O需要量為110、43和117 kg·hm-2。另據(jù)吳良全等[23]報道，我國小麥氮肥推薦用量平均為169 kg N·hm-2，磷肥推薦用量平均為77 kg P2O5·hm-2，鉀肥推薦用量平均為50 kg K2O·hm-2。分析各春麥省區(qū)施肥量發(fā)現(xiàn)，氮肥磷肥過量施用、鉀肥施用不足是我國春小麥化肥施用的普遍問題。

表10 我國春麥區(qū)主要綠肥作物生物量及養(yǎng)分量

氮肥過量施用的問題在灌溉春小麥上尤為突出。從區(qū)域分布來看，除內(nèi)蒙古東部和黑龍江旱作春小麥外，其他春麥省區(qū)均存在化肥過量施用，而鉀肥施用不足的情況。氮肥的過量施用導致肥料利用效率普遍較低，特別是在內(nèi)蒙古西部和寧夏漫灌春小麥上尤為明顯，均低于適宜的氮肥偏生產(chǎn)力（40—70 kg·kg-1）范圍[24]。滴灌春小麥肥料利用效率較高主要歸功于高效的水分管理技術，而旱作春小麥肥效較高的原因主要是相對較少的化肥投入量，這在內(nèi)蒙古東部旱作區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯。鉀肥的投入量普遍較低是導致鉀肥偏生產(chǎn)力較高的主要原因。

3.2 春小麥區(qū)化肥有機替代潛力分析

我國春小麥所在省區(qū)具有豐富的牲畜糞便資源，大牲畜（包括牛、馬、驢、騾和駱駝）和羊在春麥地區(qū)占比較大，約1/3大牲畜和1/2的羊集中在春小麥省區(qū)，數(shù)量龐大的牲畜產(chǎn)生的糞便為區(qū)域春小麥化肥有機替代提供了物質(zhì)基礎?？紤]到春麥區(qū)大牲畜和羊主要以放養(yǎng)為主，尿液中的養(yǎng)分大多難以收集利用，因此只估算了主要牲畜糞的排泄量及養(yǎng)分累積量。然后，根據(jù)各?。▍^(qū)）春小麥占糧食作物的比例進一步估算了單位面積春小麥可分配的牲畜糞及其養(yǎng)分量。研究發(fā)現(xiàn)，單位面積的牲畜糞可為春小麥供應N、P2O5和K2O量分別為91.2、22.0和53.9 kg·hm-2，根據(jù)百公斤籽粒養(yǎng)分需求量折算六大春小麥省區(qū)N、P2O5和K2O需求量分別為116.7、45.8和125.0 kg·hm-2，牲畜糞N、P2O5和K2O的有機替代潛力分別為78.2%、48.1%和43.1%。

秸稈中含有大量的氮、磷、鉀等作物必需元素和有機質(zhì)，還田后在土壤微生物作用下腐解可釋放養(yǎng)分、改善土壤結構、提高土壤質(zhì)量，是重要的有機肥資源[25-26]。在充分考慮春小麥谷草比、秸稈直接還田和燃燒還田養(yǎng)分損失的基礎上，六大春小麥省區(qū)通過秸稈還田可積累的N、P2O5和K2O量分別為11.4、2.5和31.9 kg·hm-2。根據(jù)劉曉永等[16]研究提出的秸稈各養(yǎng)分當季釋放率，春麥區(qū)單位面積N、P2O5和K2O秸稈還田量分別為5.7、1.5和28.4 kg·hm-2，通過秸稈還田N、P2O5和K2O當季有機替代潛力分別為4.9%、3.3%和22.7%，如果長期進行秸稈還田一些養(yǎng)分會在后作季釋放出來，長期來看有機替代的潛力更高。近期的研究表明，在秸稈全量還田的情況下，我國小麥秸稈還田當季化學氮肥可替代總量23.4 kg·hm-2，在考慮還田比例和養(yǎng)分當季釋放后，我們的研究結果與柴如山等[27]基本一致。

麥收前（間）套種綠肥和麥后復種綠肥是春小麥化肥有機替代的重要途徑，綠肥不僅可以調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分、增強土壤水分蓄納，而且在減少養(yǎng)分無效損失、增加農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性發(fā)面發(fā)揮積極效應[21]。適合春麥區(qū)種植的綠肥種類很多但不同省區(qū)有所差異，主要包括箭筈豌豆、毛苕子、草木樨、沙打旺、小冠花、田菁、飼用油菜、黑麥草、紫花苜蓿等。根據(jù)綠肥作物生物量和養(yǎng)分含量估算養(yǎng)分還田量[18-20]，結果表明如果還田綠肥的養(yǎng)分能夠充分釋放，完全可以滿足春小麥對氮、磷、鉀養(yǎng)分的需求。

3.3 春麥區(qū)化肥適宜有機替代技術分析及展望

內(nèi)蒙古東部和黑龍江春小麥產(chǎn)區(qū)基本不存在化肥過量施用問題，但是近年來土壤有機質(zhì)含量下降嚴重，有機替代技術是實現(xiàn)黑土地保護國家戰(zhàn)略的重要途徑[6]。當?shù)貦C械化、規(guī)?；潭雀?，小麥生產(chǎn)中也具有秸稈還田的習慣，需要繼續(xù)保留這一農(nóng)藝技術途徑。在此基礎上，基于內(nèi)蒙古東部區(qū)充足的牲畜糞便沒有得到有效利用的現(xiàn)狀，牲畜糞肥部分替代化肥應作為未來春小麥有機替代需考慮的主要技術途徑。黑龍江單位面積春小麥牲畜糞養(yǎng)分供應量較少，可考慮通過休閑或輪作綠肥的途徑進行有機替代。

內(nèi)蒙古西部和寧夏黃灌區(qū)是化肥過量施用最嚴重的春小麥產(chǎn)區(qū)，特別是氮肥的過量施用現(xiàn)象嚴重且普遍。鑒于當?shù)責o霜期長、熱量資源充足的氣候特點，以及具有黃河水灌溉的優(yōu)勢，翻壓的秸稈和綠肥能夠充分腐解，可以進行秸稈還田和綠肥翻壓相結合的有機替代模式。通過選擇箭筈豌豆、毛苕子等豆科綠肥作物，延長氮肥的釋放時間，大幅度減少化學氮肥的施用量；選擇黑麥草等深根系的禾本科綠肥作物，可以吸收因過量施氮淋溶到深層土壤的氮素，減少環(huán)境風險，實現(xiàn)氮素的高效利用。另外，寧夏短期內(nèi)應大力發(fā)展秸稈還田和綠肥種植相結合的模式，長期來看應利用單位面積春小麥牲畜糞養(yǎng)分供應充足的優(yōu)勢，在技術和經(jīng)濟適宜的條件下發(fā)展牲畜糞有機替代模式。

新疆、青海和甘肅光熱資源充足、牲畜糞肥資源豐富，具有進行春小麥化肥有機替代的地理和資源優(yōu)勢，在有機替代途徑方面有更多的選擇。利用光熱資源總體充足及無霜期長的優(yōu)勢，可以選擇麥后復種或間套作綠肥作物，同時根據(jù)秸稈生物量和土壤腐熟能力進行適度還田。另外，由于該區(qū)域地理跨度較大，可能存在糞肥資源與小麥產(chǎn)區(qū)距離較遠、運輸成本較高的問題。因此，這三個省區(qū)在秸稈還田和合理種植綠肥的基礎上，采取就近取材的原則盡可能增加牲畜糞肥的施用，實現(xiàn)區(qū)域春小麥化肥減施增效的目的。

在化肥有機替代的過程中，合理的化肥配施對于春小麥增產(chǎn)增效非常關鍵?；瘜W氮肥適宜有機替代率的研究相對較多，考慮到秸稈還田養(yǎng)分釋放的累積效應，長期來看應該在20%左右，牲畜糞收集還存在成本高等技術壁壘，按照我們估算量一半計算約為40%，而綠肥種植范圍還不是很大，具有很大的應用潛力；西部麥區(qū)有機質(zhì)普遍不高，替代比例太高作物會減產(chǎn)，肥料利用效率也會降低，綜合考量替代比例50%—70%較為適宜[10,12-13]。但是，由于不同春麥省區(qū)氣候和土壤理化性狀差異較大，有機養(yǎng)分進入土壤當季釋放能力不同，適宜的替代比例還需要因地制宜的進一步研究。

4 結論

化學氮、磷肥施用過量，鉀肥和有機肥施用不足是我國春小麥養(yǎng)分管理的主要問題。有機替代技術是實現(xiàn)我國春小麥化肥減施增效的重要手段，主要包括牲畜糞肥替代、秸稈還田和種植綠肥等途徑。其中，牲畜糞N、P2O5和K2O在春小麥上的有機替代潛力分別為78.2%、48.1%和43.1%；秸稈還田N、P2O5和K2O當季有機替代潛力分別為4.9%、3.3%和22.7%；綠肥的養(yǎng)分如充分釋放完全可以實現(xiàn)春小麥化肥氮、磷、鉀的有機替代。不同區(qū)域應從資源、成本和技術等角度綜合考慮適宜的有機替代方式。

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Potential Analysis of Organic Fertilizer Substitution for Chemical Fertilizer in Spring Wheat Regions of China

JIA LiGuo1, SHI XiaoHua1, SUYALA Qiqige2, QIN YongLin1, YU Jing1, CHEN Yang2, FAN MingShou1

(1College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019;2College of Grassland and Resource Environment, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010011)

【】The objective of this study was to clarify the major problems of nutrition management in spring wheat production and to raise the suitable way on the organic fertilizer substitution for chemical fertilizer in different provinces and regions of China, so as to provide reference for Zero Growth Action of Chemical Fertilizers and sustainable development in spring wheat production regions. 【】A total of 2 166 survey data were collected from farmer interview and related literature retrieval, based on which the major problems were analyzed in different spring wheat regions of China. The data in 2018 of major livestock numbers, planting area and yield of spring wheat were downloaded from the National Bureau of Statistics of China. The nutritional contents of livestock manure, wheat straw and green manure plants were checked from published literatures, then the potential of organic fertilizer substitution for chemical fertilizer in different spring wheat regions was qualified. Comprehensive considered the climate, soils and the status of organic resources, the suitable ways of organic fertilizer substitution were suggested in different spring wheat regions. 【】Overuse of chemical nitrogen and phosphorus fertilizer but the deficiency of potassium and organic fertilizer dressing was the major problem of nutrition management in spring wheat. Especially, it was especially serious on nitrogen overuse in western Inner Mongolia and Ningxia irrigated spring wheat. The number of large livestock and sheep in spring wheat region was accounted for about 1/3 and 1/2 of that in China, respectively. The nutrient amount of N, P2O5and K2O from livestock manure was 238.6×104, 57.6×104and 141.0×104t per year respectively, accordingly the potential of organic fertilizer from livestock manure substitution for chemical fertilizer was 78.2%, 48.1% and 43.1% for spring wheat, respectively. The total amount of straw returning to farmland in spring wheat region was 410.2×104t per year. Available N, P2O5and K2O in straw was 11.4, 2.5 and 31.9 kg·hm-2returning to farmland, accordingly in-season potential of organic fertilizer from wheat straw substitution for chemical fertilizer was 4.9%, 3.3% and 22.7%, respectively for spring wheat. Green manure plants returning to farmland was enough for meeting the nutrient requirement of spring wheat if the nutrients could release to soil completely. 【】Based on the problems of overuse and unreasonable application of chemical fertilizer in spring wheat in China, three ways of organic fertilizer substitution including livestock manure, straw returning and green manure can be selected for resolving. By application of livestock manure the substitution potential for chemical fertilizer was 78.2%, 48.1% and 43.1%, respectively.The in-season substitution potential of organic fertilizer was 4.9%, 3.3% and 22.7%, respectively. Green manure, as organic fertilizer substitution, was sufficient for nutrient requirement of spring wheat if the nutrients could release to soil completely. The suitable way of organic fertilizer substitution should consider local resource, input and technology comprehensively.

spring wheat; organic fertilizer substitution; straw returning; green manure

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.23.011

2020-06-05；

2020-08-19

國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0200407）、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技成果轉(zhuǎn)化專項（2019CG030）、內(nèi)蒙古科技創(chuàng)新引導項目（KCBJ2018010）

賈立國，E-mail：nndjialiguo@163.com。通信作者樊明壽，E-mail：fmswh@126.com

（責任編輯 李云霞）