郝小雨

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086）

黑龍江省作為中國(guó)的農(nóng)業(yè)大省、糧食主產(chǎn)區(qū)，2020 年黑龍江省總耕地面積為2.155 億畝，糧食產(chǎn)量達(dá)到7 541 萬t，糧食產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)“十七連豐”，連續(xù)10年成為全國(guó)第一產(chǎn)糧大?。?］。然而，由于長(zhǎng)期高強(qiáng)度利用，不注重養(yǎng)地，導(dǎo)致土壤表層有機(jī)質(zhì)含量顯著下降，土壤耕作層變淺、犁底層變硬，土壤肥力下降和生態(tài)功能嚴(yán)重退化［2］。據(jù)測(cè)算，開墾前黑土有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)8%～10%，開墾20 年的黑土地有機(jī)質(zhì)含量下降1/3，開墾40 年的下降1/2 左右，開墾70 ～80 年下降2/3 左右，每10 年下降0.6 ～1.4 g/kg［3］。因此，保護(hù)黑土地是保障國(guó)家糧食安全、實(shí)施“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略的迫切需要?！稏|北黑土地保護(hù)規(guī)劃綱要（2017—2030 年）》指出，通過秸稈還田等有機(jī)物料投入的方式，是增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤理化性狀、持續(xù)提升耕地基礎(chǔ)地力、提高黑土地綜合生產(chǎn)能力的重要途徑，對(duì)節(jié)約資源、增加農(nóng)民收入、保護(hù)環(huán)境及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

近年來，隨著黑龍江省糧食產(chǎn)量的穩(wěn)步提升，作為農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物的秸稈數(shù)量也隨之增加，合理利用秸稈資源成為當(dāng)前亟需解決的問題。秸稈資源綜合利用的前提，是需要對(duì)秸稈資源進(jìn)行準(zhǔn)確估算。部分學(xué)者對(duì)黑龍江省主要農(nóng)作物秸稈及養(yǎng)分資源量進(jìn)行了相關(guān)研究。姚宗路等［4］指出，2007 年黑龍江省玉米、水稻、大豆秸稈的理論資源量為4 408 萬t，其中玉米為2 669 萬t，水稻為929 萬t，大豆為810 萬t。孫彬等［5］指出，2013 年農(nóng)作物秸稈量為6 100 萬t，其中玉米秸稈3 100 萬t，水稻秸稈2 400 萬t，大豆秸稈510 萬t。王金武等［6］指出，2015 年黑龍江省秸稈產(chǎn)量約占東北地區(qū)秸稈總產(chǎn)量50.5%，其中哈爾濱市、綏化市及農(nóng)墾系統(tǒng)秸稈產(chǎn)量約占全省的三分之二，玉米、水稻及大豆秸稈產(chǎn)量約占全省總量的93%。宋大利等［7］指出，2015 年黑龍江省秸稈養(yǎng)分資源總量最高（203.3 萬t），占全國(guó)秸稈養(yǎng)分資源總量的10.3%。前人主要集中于秸稈資源理論產(chǎn)量和理論養(yǎng)分量，并未關(guān)注秸稈還田后養(yǎng)分有效性。本研究在綜合以往學(xué)者研究結(jié)果基礎(chǔ)上，基于黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，充分考慮秸稈還田率、養(yǎng)分釋放率，分析了黑龍江省主要農(nóng)作物秸稈資源特征和肥料替代利用潛力，并提出相關(guān)建議，以期為黑龍江省秸稈資源合理利用及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

黑龍江省玉米(Zea mays)、水稻(Oryza sativa)、大豆(Glycine max)、小麥(Triticum aestivum) 這4種作物的總播種面積，占到黑龍江省作物播種面積的95%以上。農(nóng)作物播種面積、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)、化肥投入等參考1980—2019 年《黑龍江統(tǒng)計(jì)年鑒》《黑龍江墾區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》。作物草谷比和秸稈養(yǎng)分含量受作物品種、栽培管理措施和氣候條件等因素影響，差異較大，因此本研究在前人研究基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均［8-16］：玉米、水稻、大豆及小麥草谷比分別為1.23、0.98、1.44 和1.27；秸稈養(yǎng)分含量見表1。秸稈直接還田率和養(yǎng)分釋放率參考劉曉永［8］研究結(jié)果。

表1 不同作物秸稈養(yǎng)分含量Table 1 The nutrient contents in straws of different crops %

1.2 計(jì)算方法

作物秸稈產(chǎn)量= 作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量×草谷比

作物秸稈養(yǎng)分資源量= 作物秸稈產(chǎn)量×秸稈養(yǎng)分含量(%)

秸稈還田有效養(yǎng)分量= 秸稈養(yǎng)分資源量×秸稈直接還田率(%)×當(dāng)季養(yǎng)分釋放率(%)

秸稈養(yǎng)分替代率= 秸稈還田有效養(yǎng)分量/化肥施用量

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016 處理數(shù)據(jù)和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江省主要農(nóng)作物秸稈資源演變特征

黑龍江省主要農(nóng)作物秸稈資源量表現(xiàn)為前期緩、后期快的波動(dòng)上升趨勢(shì)（圖1），其中1980 年到2003 年上升較緩，2003 年到2015 年則快速上升，2015 年之后略有下降，2018 年秸稈資源量達(dá)到了8 523.0 萬t。玉米秸稈資源量表現(xiàn)為前期低、后期高的波動(dòng)上升趨勢(shì)，從1980 年的639.6 萬t 上升到2018 年的4 898.1 萬t，年均增加23.8%。水稻秸稈資源量總體呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢(shì)，從1980 年的78.0 萬t 上升到2018 年的2 631.8 萬t，年均增加116.9%。大豆秸稈資源量表現(xiàn)為波動(dòng)上升趨勢(shì)，從1980 年的317.5 萬t 上升到2018 年的947.2 萬t，年均增加7.1%。小麥秸稈資源量總體表現(xiàn)為逐步下降的趨勢(shì)，從1980 年的501.1 萬t 下降到2018 年的45.9 萬t，年均下降3.2%。主要作物秸稈資源量變化與作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量密切相關(guān)，而作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量主要受氣候條件、土壤環(huán)境、農(nóng)作物品種、栽培管理、肥料施用、病蟲害防治等因素影響。

圖1 黑龍江省不同作物秸稈資源量Fig.1 Straw resources of different crops in Heilongjiang Province

比較黑龍江省不同作物的秸稈資源量，以2018年為例，玉米秸稈資源量為4 種作物中最多的，占到總量的57.5%，其次為水稻占30.9%，大豆為11.1%，小麥為0.5%。

2.2 黑龍江省不同地區(qū)主要農(nóng)作物秸稈資源量

由表2 可知，玉米秸稈主要分布在黑龍江省南部和西部，總量達(dá)到3 368.8 萬t，占全省玉米秸稈總量的62.4%，其中玉米秸稈數(shù)量排名前3 的為哈爾濱市、齊齊哈爾市和綏化市，分別占全省總量的19.1%、18.3%和17.8%。水稻秸稈主要分布在黑龍江南部和東部，總量達(dá)到2 151.3 萬t，占全省總量的82.7%，其中水稻秸稈數(shù)量排名前3 的為農(nóng)墾總局、哈爾濱市和佳木斯市，分別占全省水稻秸稈總量的45.4%、20.3%和17.1%。大豆秸稈主要分布在黑龍江北部和西部，總量達(dá)到566.7 萬t，占全省總量的64.3%，其中大豆秸稈數(shù)量排名前3 的為農(nóng)墾總局、黑河市和齊齊哈爾市，分別占全省大豆秸稈總量的21.9%、21.0%和12.6%。小麥秸稈主要分布在黑龍江北部的黑河市，總量達(dá)到46.2 萬t，占全省總量的81.0%?？傮w來看，哈爾濱市、齊齊哈爾市、綏化市、佳木斯市和農(nóng)墾總局的4 種作物秸稈資源量最高，分別占全省總量的15.5%、14.3%、14.5%、8.5%和23.2%，總和為76.0%。

表2 黑龍江省不同地區(qū)主要農(nóng)作物秸稈資源分布特征（2018 年）Table 2 Distribution characteristics of main crop straw resources in different regions of Heilongjiang Province

2.3 黑龍江省主要農(nóng)作物秸稈養(yǎng)分資源量變化特征

觀察黑龍江省不同作物的秸稈養(yǎng)分資源量（圖2）：不同年份玉米、水稻、小麥的鉀（K2O）養(yǎng)分資源量總體上要高于氮（N）和磷（P2O5）的養(yǎng)分資源量；大豆的氮（N）養(yǎng)分資源量總體上要高于磷（P2O5）和鉀（K2O）的養(yǎng)分資源量。總體來看，黑龍江省作物秸稈鉀養(yǎng)分資源較為豐富。從圖2 還可看出，玉米、水稻、大豆的秸稈養(yǎng)分資源量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，小麥的秸稈養(yǎng)分資源量總體呈逐步下降趨勢(shì)。

2.4 黑龍江省秸稈養(yǎng)分替代化肥潛力分析

施用化肥對(duì)作物產(chǎn)量提升有較大貢獻(xiàn)，但不合理施肥會(huì)導(dǎo)致土壤酸化、環(huán)境污染，致使耕地質(zhì)量嚴(yán)重退化。通過秸稈還田釋放的養(yǎng)分來抵消一部分化學(xué)肥料，對(duì)于肥料減施增效和提升土壤地力具有現(xiàn)實(shí)意義。圖3 為2018 年黑龍江省不同作物秸稈還田后的有效養(yǎng)分量。玉米秸稈還田后，氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）有效養(yǎng)分量分別為10.4、4.5 和23.9 萬t，占到全省總量的37.7%、44.9%和30.9%。玉米秸稈還田后，氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）有效養(yǎng)分量分別為10.4、4.5 和23.9 萬t，占到全省總量的37.7%、44.9%和30.9%。大豆秸稈還田后的氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）有效養(yǎng)分量分別為6.9、1.3 和8.2 萬t，占到全省總量的25.0%、12.9%和10.5%。小麥秸稈還田后的氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）有效養(yǎng)分量相對(duì)較低，僅占全省總量的0.5%左右。以2018 年為例，如果這4 種作物秸稈全部還田，氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）有效養(yǎng)分資源量分別為27.6、10.0 和77.3萬t，總量達(dá)114.9 萬t，分別可替代24.8%的氮肥、13.0%的磷肥、135.7%的鉀肥，以及可替代全省化肥投入量（將2018 年復(fù)合肥的N∶P2O5∶K2O 按照 1∶1∶0.8 計(jì)入單質(zhì)肥）［8］的46.8%。

圖2 黑龍江省主要農(nóng)作物秸稈養(yǎng)分資源變化趨勢(shì)Fig.2 Change trend of nutrient resources of main crop straws in Heilongjiang Province

從區(qū)域分布情況來看（表3），化肥投入量較大的地區(qū)為農(nóng)墾總局、哈爾濱市、綏化市、齊齊哈爾市和佳木斯市，分別達(dá)到了57.2、43.4、34.3、28.1 和23.9 萬t。化肥可替代率最高的地區(qū)為雞西市、大興安嶺地區(qū)和伊春市，分別為100.3%、91.0%和79.9%，其它地區(qū)化肥可替代率在33.6%～63.3%之間，仍具有較大的提升潛力。誠(chéng)然，理想條件下黑龍江省秸稈全量還田具有較大的替代化肥潛力，但受氣候、農(nóng)機(jī)、土壤條件等因素影響，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈還田率和養(yǎng)分釋放率沒有那么高，還需通過優(yōu)化秸稈還田方式、調(diào)節(jié)土壤碳氮比、添加秸稈腐熟劑等方法進(jìn)一步提升秸稈養(yǎng)分釋放率［14］。

圖3 黑龍江省不同作物還田后的有效養(yǎng)分量（2018 年）Fig.3 Quantity of available nutrients of different crop straws in Heilongjiang Province

表3 黑龍江省不同地區(qū)化肥投入量和秸稈有效養(yǎng)分量（2018）Table 3 Fertilizer input and effective nutrient contents of straw in different regions of Heilongjiang Province

3 討論

近年來，隨著黑龍江省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)水平不斷上升, 黑龍江省秸稈資源量快速增長(zhǎng)，與此同時(shí)秸稈養(yǎng)分資源量也在逐步增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015—2017 年我國(guó)主要糧食作物秸稈年均產(chǎn)量為80 213 萬t，其中水稻、小麥和玉米秸稈年均產(chǎn)量分別為23 212、17 083 和39 918 萬t，黑龍江省3 大作物的秸稈產(chǎn)量達(dá)到8 784 萬t，占到全國(guó)總量的10.9%［18］，秸稈氮（N）和鉀（K2O）養(yǎng)分資源量分別為78.7 和145.1 萬t［18-19］。宋大利等［7］指出，2015 年黑龍江省主要農(nóng)作物（玉米、水稻、大豆、小麥、馬鈴薯、花生和油菜）秸稈產(chǎn)量達(dá)到了7 220 萬t，秸稈氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）養(yǎng)分量分別為67.8、22.0 和113.5 萬t。王金武等［6］的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，2015 年黑龍江省玉米、水稻、大豆秸稈總量為8 030 萬t。本研究中，2018 年黑龍江省玉米、水稻、大豆和小麥秸稈總量8 523 萬t，氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）有效養(yǎng)分資源量分別為27.6、10.0 和77.3 萬t。與上述結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，除了與作物草谷比和作物秸稈養(yǎng)分含量取值不同有關(guān)，也與本研究中引入的秸稈還田率和養(yǎng)分釋放率有關(guān)。本研究中為了避免參考單一文獻(xiàn)草谷比導(dǎo)致的統(tǒng)計(jì)誤差，在前人研究基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均。目前黑龍江省秸稈還田率還未達(dá)到100%，需考慮當(dāng)季作物的實(shí)際秸稈還田率。秸稈還田后當(dāng)季釋放的養(yǎng)分易于被作物吸收利用，也要關(guān)注不同作物的當(dāng)季養(yǎng)分釋放率。盡管不同的研究結(jié)果存在差異，但也說明黑龍江省農(nóng)作物秸稈養(yǎng)分資源量巨大，具有較強(qiáng)的利用潛力。

從黑龍江省區(qū)域分布來看，作物秸稈資源集中在哈爾濱市、齊齊哈爾市、綏化市、佳木斯市和農(nóng)墾總局，分別占全省總量的15.5%、14.3%、14.5%、8.5% 和23.2%，總和為76.0%。主要原因是這些地區(qū)是糧食主產(chǎn)區(qū)，秸稈資源較為豐富，具有較大的利用潛力。如果上述5 個(gè)區(qū)域玉米、水稻、大豆和小麥秸稈全部還田，有效養(yǎng)分量分別為20.0、17.8、17.8、14.2 和17.7 萬t，化肥可替代率分別為46.2%、63.3%、51.9%、59.6% 和31.0%?？梢姡@些區(qū)域的仍具有較大的化肥減施潛力。

黑龍江省秸稈綜合利用方式主要為肥料化、飼料化、能源化、基料化、原料化，其中肥料化為最主要的利用方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年黑龍江省秸稈肥料化利用量超過4 700 萬t［20］，但是秸稈還田后養(yǎng)分氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）數(shù)量和比例不是十分明確。本研究中，以2018 年為例，黑龍江省秸稈氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）有效養(yǎng)分資源量分別為27.6、10.0 和77.3 萬t，總量114.9 萬t，可替代全省化肥投入量的46.8%。如果以4 元/kg氮（N）、7 元/kg 磷（P2O5）和8 元/kg 鉀（K2O）肥料價(jià)格計(jì)算，每畝可節(jié)約肥料成本38.66 元。在節(jié)約成本的同時(shí)，秸稈還田對(duì)于改善土壤肥力狀況、促進(jìn)微生物活動(dòng)、保持作物持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、提升作物品質(zhì)等也有積極作用［21-23］。

4 結(jié)論

1980 年到2018 年黑龍江省主要農(nóng)作物秸稈資源量表現(xiàn)為前期緩、后期快的波動(dòng)上升趨勢(shì)，玉米秸稈和水稻秸稈占比較高。哈爾濱市、齊齊哈爾市、綏化市、佳木斯市和農(nóng)墾總局的秸稈資源量最高，占比達(dá)到七成以上。2018 年秸稈全部還田后的氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）有效養(yǎng)分資源量分別為27.6、10.0 和77.3 萬t，分別可替代24.8%的氮肥、13.0%的磷肥、135.7%的鉀肥。黑龍江省化肥可替代率最高的地區(qū)為雞西市、大興安嶺地區(qū)和伊春市，其它地區(qū)仍具有較大的提升潛力。可見，黑龍江省秸稈資源豐富，具有較強(qiáng)的化肥替代潛力，合理利用秸稈養(yǎng)分資源是實(shí)現(xiàn)黑龍江省肥料減施增效的重要途徑。