柴如山，王擎運(yùn)，葉新新，江 波，趙 強(qiáng)，王 強(qiáng)，章力干，郜紅建*

（1.農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥230036；2.安徽省廬江縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽 廬江231500）

我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源豐富[1-2]，秸稈中含有大量的有機(jī)物質(zhì)和較豐富的養(yǎng)分元素，是一種重要的有機(jī)肥料資源[3-4]。在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈還田被大力提倡，近年來(lái)秸稈直接還田量持續(xù)增加，2010—2015 年我國(guó)秸稈直接還田率為61%[2]，還田方式主要是機(jī)械粉碎直接還田[5]。長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，秸稈還田可以提高土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量[6]、降低土壤容重和改善土壤結(jié)構(gòu)[7-8]。利用Meta 分析的研究結(jié)果顯示，秸稈還田可以增加作物產(chǎn)量[9-10]；而且秸稈還田的增產(chǎn)效應(yīng)會(huì)隨還田時(shí)間的延長(zhǎng)而增加[11]。同時(shí)，秸稈還田還能在一定程度上實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分替代，從而降低農(nóng)田化肥用量[12-15]。在陜西楊凌地區(qū)進(jìn)行的5年定位試驗(yàn)的結(jié)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(chǎn)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(chǎn)效果，同時(shí)顯著提高了小麥及玉米的氮肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)利用效率[12]。在江西省開(kāi)展的6 年雙季稻稻草還田定位試驗(yàn)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(shí)顯著提高了早稻產(chǎn)量并能保證晚稻產(chǎn)量，而且顯著增加了早稻和晚稻的氮肥農(nóng)學(xué)效率、回收率和偏生產(chǎn)力[13-14]。在吉林國(guó)家黑土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地進(jìn)行的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)（1990—2012 年）顯示，等氮量投入條件下，秸稈還田替代32%化學(xué)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(chǎn)量沒(méi)有顯著差異[15]。秸稈還田是實(shí)現(xiàn)化學(xué)氮肥替代和減量的重要途徑，有助于減輕化學(xué)氮肥施用產(chǎn)生的不良環(huán)境影響[16-17]。

對(duì)我國(guó)主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量及還田替代化學(xué)氮肥潛力進(jìn)行評(píng)估是秸稈還田條件下化學(xué)氮肥減施的基礎(chǔ)。高利偉等[18]基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和農(nóng)戶調(diào)研數(shù)據(jù)分析得出2006 年我國(guó)水稻、小麥和玉米秸稈產(chǎn)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(wàn)、75 萬(wàn)t 和268 萬(wàn)t。劉曉永等[2]利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料估算出2010—2015年期間我國(guó)秸稈資源年產(chǎn)量為9.0億t，其中谷類作物秸稈占70%；全國(guó)秸稈氮養(yǎng)分資源總量為947 萬(wàn)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(jié)果顯示，2015 年我國(guó)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(wàn)、88 萬(wàn)t 和234 萬(wàn)t，三大糧食作物秸稈在全量還田條件下帶入農(nóng)田的氮養(yǎng)分量分別為57、37 kg·hm-2和62 kg·hm-2。目前對(duì)我國(guó)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(chǎn)生量和秸稈養(yǎng)分資源量估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在近期的研究中，對(duì)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(guò)文獻(xiàn)收集和整理所得的全國(guó)平均值，劉曉永等[2]則是基于相關(guān)資料得出我國(guó)不同區(qū)域的作物草谷比。國(guó)家發(fā)展改革委辦公廳和原農(nóng)業(yè)部辦公廳在2015 年發(fā)布的《關(guān)于開(kāi)展農(nóng)作物秸稈綜合利用規(guī)劃終期評(píng)估的通知》中給出了我國(guó)不同農(nóng)區(qū)（東北、華北、長(zhǎng)江中下游、西北、西南和南方農(nóng)區(qū)）主要農(nóng)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(duì)我國(guó)主要農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量和秸稈氮養(yǎng)分資源量進(jìn)行重新估算。另外，要實(shí)現(xiàn)秸稈還田化學(xué)氮肥替代潛力的準(zhǔn)確評(píng)估，還必須要考慮秸稈氮養(yǎng)分的當(dāng)季釋放率[2]。因此，本研究以我國(guó)三大糧食作物為研究對(duì)象，基于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》中2013—2017 年我國(guó)各省份主要糧食作物的年播種面積及產(chǎn)量，利用文獻(xiàn)調(diào)研得出的相關(guān)參數(shù)，在省級(jí)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(dāng)季釋放量，以期為不同農(nóng)區(qū)主要糧食作物秸稈還田條件下的農(nóng)田化學(xué)氮肥減施提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究方法

本文研究區(qū)域?yàn)槲覈?guó)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(guó)三大作物播種面積的96.8%、96.0% 和98.3%。根據(jù)《關(guān)于開(kāi)展農(nóng)作物秸稈綜合利用規(guī)劃終期評(píng)估的通知》中對(duì)我國(guó)農(nóng)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(nóng)區(qū)：東北農(nóng)區(qū)（遼寧、吉林、黑龍江）、華北農(nóng)區(qū)（河北、山西、內(nèi)蒙古、山東、河南）、長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)（江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南）、西北農(nóng)區(qū)（陜西、甘肅、寧夏、新疆）、西南農(nóng)區(qū)（重慶、四川、貴州、云南）和南方農(nóng)區(qū)（福建、廣東、廣西）。

采用草谷比法對(duì)我國(guó)各省份主要糧食作物秸稈產(chǎn)生量進(jìn)行估算。

各省份作物秸稈產(chǎn)生量的計(jì)算公式為：

式中：WS為作物秸稈產(chǎn)生量；WP為作物產(chǎn)量；SG為作物草谷比。

各省份作物秸稈氮養(yǎng)分資源量的計(jì)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(dāng)季化學(xué)氮肥可替代量的計(jì)算公式為：

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

各省份單位耕地面積作物秸稈還田當(dāng)季化學(xué)氮肥可替代量的計(jì)算公式為：

式中：ARN為單位耕地面積作物秸稈還田當(dāng)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(lái)源

本研究中各省份主要糧食作物的年播種面積和產(chǎn)量來(lái)自國(guó)家統(tǒng)計(jì)局編制的《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》[21]。為避免主要糧食作物播種面積和產(chǎn)量年際間的波動(dòng)，本研究基于2013—2017 年的省級(jí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)三大糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量及秸稈還田當(dāng)季的化學(xué)氮肥替代潛力進(jìn)行估算。三大糧食作物的草谷比來(lái)自《關(guān)于開(kāi)展農(nóng)作物秸稈綜合利用規(guī)劃終期評(píng)估的通知》中的我國(guó)不同農(nóng)區(qū)主要農(nóng)作物草谷比數(shù)據(jù)[20]（表1）。原農(nóng)業(yè)部對(duì)我國(guó)多個(gè)省份大樣本秸稈進(jìn)行養(yǎng)分測(cè)定的結(jié)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(guò)文獻(xiàn)總結(jié)得出還田條件下水稻、小麥和玉米秸稈中氮養(yǎng)分的當(dāng)季釋放率分別為47.2%、50.1%和54.0 %。

表1 我國(guó)不同農(nóng)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(jié)果與分析

2.1 我國(guó)主要糧食作物秸稈資源量及分布

2013—2017 年我國(guó)主要糧食作物秸稈年均產(chǎn)量為7.8 億t，其中水稻、小麥和玉米秸稈年產(chǎn)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(chǎn)量的29.3%、21.3%和49.4%。圖1為我國(guó)各省份的作物秸稈年產(chǎn)量?？梢?jiàn)，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(chǎn)量分別為3375 萬(wàn)、2610 萬(wàn)、2460 萬(wàn)、2279 萬(wàn)、2262 萬(wàn)t 和1860 萬(wàn)t，這些省份的水稻秸稈產(chǎn)量占全國(guó)水稻秸稈總產(chǎn)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(chǎn)量分別為4617 萬(wàn)、3127 萬(wàn)、1978 萬(wàn)、1927 萬(wàn)t 和1615 萬(wàn)t，這些省份的小麥秸稈產(chǎn)量占全國(guó)小麥秸稈總產(chǎn)量的79.5%；黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、山東、河南、河北和遼寧玉米秸稈產(chǎn)量較高，分別為6300 萬(wàn)、5356 萬(wàn)、3856 萬(wàn)、3714 萬(wàn)、3217 萬(wàn)、3057 萬(wàn)t和2750 萬(wàn)t，這些省份的玉米秸稈產(chǎn)量占全國(guó)玉米秸稈總產(chǎn)量的65.9%。三大糧食作物秸稈總資源量位于全國(guó)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(chǎn)量占全國(guó)三大糧食作物秸稈總產(chǎn)量的56.3%。

我國(guó)不同農(nóng)區(qū)的主要糧食作物秸稈產(chǎn)量見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)的水稻秸稈年產(chǎn)量較大，占全國(guó)水稻秸稈總產(chǎn)量的57.7%；東北、西南和南方農(nóng)區(qū)的水稻秸稈產(chǎn)量基本相當(dāng)，分別占全國(guó)水稻秸稈總產(chǎn)量的14.5%、13.4%和12.3%。小麥秸稈主要分布于華北農(nóng)區(qū)，其次為長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)，分別占全國(guó)小麥秸稈總產(chǎn)量的61.4%和25.0%。玉米秸稈則集中分布于華北和東北農(nóng)區(qū)，分別占全國(guó)玉米秸稈總產(chǎn)量的39.9%和37.2%。

2.2 我國(guó)主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量及分布

2013—2017 年，我國(guó)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(wàn)、108.5萬(wàn)t和356.0萬(wàn)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(guó)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(guó)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(chǎn)量較高的省份為黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、山東、河南、河北和遼寧，分別占全國(guó)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(guó)范圍來(lái)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(nèi)蒙古，分別占全國(guó)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(guó)不同省份主要糧食作物秸稈產(chǎn)量Figure 1 Straw yields of main grain crops in different provinces of China

表2 我國(guó)不同農(nóng)區(qū)主要糧食作物秸稈產(chǎn)量（104 t）Table 2 Straw yields of main grain crops in different agricultural regions of China（104 t）

圖2 為我國(guó)不同區(qū)域主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源。從圖2 可見(jiàn)，水稻秸稈氮養(yǎng)分資源主要分布在長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)（120.9 萬(wàn)t），其次為東北農(nóng)區(qū)（30.4萬(wàn)t）、西南農(nóng)區(qū)（28.1 萬(wàn)t）和南方農(nóng)區(qū)（25.7 萬(wàn)t）。小麥秸稈氮養(yǎng)分資源集中分布在華北農(nóng)區(qū)（66.6 萬(wàn)t）和長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)（27.1 萬(wàn)t），這兩個(gè)農(nóng)區(qū)的小麥秸稈氮養(yǎng)分資源量占全國(guó)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(nóng)區(qū)（142.1 萬(wàn)t）和東北農(nóng)區(qū)（132.5 萬(wàn)t），這兩個(gè)農(nóng)區(qū)的玉米秸稈氮養(yǎng)分資源量占全國(guó)玉米秸稈氮養(yǎng)分資源總量的77.1%；西北、西南和長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)的玉米秸稈氮養(yǎng)分資源量基本相當(dāng)，分別為28.5萬(wàn)、26.2萬(wàn)t和23.5 萬(wàn)t，這三個(gè)農(nóng)區(qū)的玉米秸稈氮養(yǎng)分資源量占全國(guó)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(nóng)區(qū)（213.0 萬(wàn)t）、長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)（171.5 萬(wàn)t）和東北農(nóng)區(qū)（162.9 萬(wàn)t），分別占全國(guó)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(guó)不同省份主要糧食作物秸稈還田當(dāng)季化學(xué)氮肥替代潛力

圖2 我國(guó)不同農(nóng)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(guó)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(guó)各省份主要糧食作物秸稈還田的化學(xué)氮肥可替代量見(jiàn)圖3。可見(jiàn)，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(xué)氮肥可替代總量較大，分別為14.5 萬(wàn)、11.2 萬(wàn)、10.6 萬(wàn)、9.8 萬(wàn)、9.7萬(wàn)t 和8.0 萬(wàn)t；小麥秸稈還田化學(xué)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(wàn)、10.2 萬(wàn)、6.4 萬(wàn)、6.3 萬(wàn)t 和5.3 萬(wàn)t；黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、山東、河南、河北和遼寧這些省份玉米秸稈還田的化學(xué)氮肥可替代總量較大，分別為31.3萬(wàn)、26.6萬(wàn)、19.2萬(wàn)、18.5萬(wàn)、16.0萬(wàn)、15.2萬(wàn)t和13.7萬(wàn)t。主要糧食作物秸稈還田的化學(xué)氮肥可替代總量位于全國(guó)前列的省份有黑龍江、河南、吉林、山東、河北、內(nèi)蒙古、安徽和江蘇，分別為41.1 萬(wàn)、33.1 萬(wàn)、29.2 萬(wàn)、28.6 萬(wàn)、21.5 萬(wàn)、19.9 萬(wàn)、19.4 萬(wàn)t 和18.4 萬(wàn)t。從全國(guó)范圍內(nèi)來(lái)看，水稻、小麥和玉米秸稈還田的化學(xué)氮肥可替代總量分別為98.8萬(wàn)、54.3萬(wàn)t和192.3萬(wàn)t。

從表4 可以看出，在我國(guó)水稻主要種植區(qū)域，水稻秸稈還田當(dāng)季的化學(xué)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(dāng)季化學(xué)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(guó)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(xué)氮肥可替代量相對(duì)較小，為25.3～26.0 kg·hm-2，占全國(guó)水稻總播種面積的19.1%。在我國(guó)小麥主要種植區(qū)域，小麥秸稈還田當(dāng)季的化學(xué)氮肥可替代量為8.6～27.4 kg·hm-2。小麥秸稈還田化學(xué)氮肥可替代量相對(duì)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(guó)小麥總播種面積的75.6%；而內(nèi)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(xué)氮肥可替代量較小，為12.5～17.2 kg·hm-2，占全國(guó)小麥總播種面積的22.6%；云南省小麥秸稈還田的化學(xué)氮肥可替代量最低，僅為8.6 kg·hm-2。在我國(guó)玉米主要種植區(qū)域，玉米秸稈還田當(dāng)季的化學(xué)氮肥可替代量為26.7～70.7 kg·hm-2。玉米秸稈還田，化學(xué)氮肥可替代量較大的省份有吉林、遼寧、內(nèi)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(dāng)季化學(xué)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(guó)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(xué)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(guó)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(xué)氮肥可替代量相對(duì)較小，為26.7～35.9 kg·hm-2，占全國(guó)玉米總播種面積的16.2%。水稻秸稈還田，我國(guó)長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)的化學(xué)氮肥可替代量較大，為37.9 kg·hm-2；華北、東北和西南農(nóng)區(qū)水稻秸稈還田的化學(xué)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(nóng)區(qū)的稍低，為26.4 kg·hm-2。華北和長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)小麥秸稈還田的化學(xué)氮肥可替代量相對(duì)較大，分別為25.9 kg·hm-2和23.3 kg·hm-2；西南農(nóng)區(qū)的較低，為13.7 kg·hm-2。玉米秸稈還田，東北農(nóng)區(qū)的化學(xué)氮肥可替代量最大，為61.1 kg·hm-2；西南和南方農(nóng)區(qū)的化學(xué)氮肥可替代量相對(duì)較小，分別為32.6 kg·hm-2和29.9 kg·hm-2。從全國(guó)范圍看，水稻、小麥和玉米秸稈還田當(dāng)季的化學(xué)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(guó)不同省份主要糧食作物秸稈還田的化學(xué)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(guó)不同省份和農(nóng)區(qū)主要糧食作物秸稈還田的化學(xué)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(duì)我國(guó)秸稈數(shù)量進(jìn)行估算的相關(guān)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(chǎn)生量和秸稈養(yǎng)分資源量估算結(jié)果的關(guān)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(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量等因素的影響[23]。畢于運(yùn)等[19]在對(duì)我國(guó)秸稈產(chǎn)生量進(jìn)行估算的過(guò)程中，采用的是牛若峰和劉天福主編的《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)手冊(cè)（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(guó)水稻、小麥和玉米秸稈產(chǎn)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(guān)文獻(xiàn)得出我國(guó)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(duì)2006年全國(guó)作物秸稈資源量進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示我國(guó)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(yùn)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(duì)我國(guó)主要農(nóng)作物秸稈資源量進(jìn)行估算時(shí)通過(guò)文獻(xiàn)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(guó)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(yùn)等[19]的研究結(jié)果相比，小麥和玉米秸稈產(chǎn)量有較大幅度的增長(zhǎng)。劉曉永等[2]基于文獻(xiàn)資料等得到我國(guó)不同區(qū)域作物的草谷比：水稻主產(chǎn)區(qū)長(zhǎng)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(chǎn)區(qū)華北、長(zhǎng)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(duì)偏低；玉米主產(chǎn)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(duì)較低。劉曉永等[2]的研究結(jié)果顯示，2010—2015 年間我國(guó)秸稈資源年產(chǎn)量為9.0億t，其中谷類作物秸稈占70%。本研究采用文獻(xiàn)[20]的數(shù)據(jù)，其中長(zhǎng)江中下游農(nóng)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(nóng)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(zhǎng)江中下游和西北農(nóng)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(yùn)等[19]采用的小麥草谷比1.1，而與劉曉永等[2]通過(guò)文獻(xiàn)總結(jié)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(nóng)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(yùn)等[19]在研究中采用的玉米草谷比。本研究結(jié)果表明，2013—2017年我國(guó)三大糧食作物水稻、小麥和玉米秸稈年均產(chǎn)量分別為2.3 億、1.7 億t 和3.9 億t，與宋大利等[1]對(duì)2015年我國(guó)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(shí)需要考慮秸稈的氮養(yǎng)分含量，相關(guān)研究多是參考全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心編著的《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分志》和《中國(guó)有機(jī)肥料資源》。高利偉等[18]和劉曉燕等[24]采用的是《中國(guó)有機(jī)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(duì)我國(guó)主要農(nóng)作物秸稈氮養(yǎng)分資源量進(jìn)行估算的研究中利用的是《中國(guó)有機(jī)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?guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分志》中給出的主要糧食作物秸稈氮含量比《中國(guó)有機(jī)肥料資源》中的要高。劉曉永等[2]在參考《中國(guó)有機(jī)肥料養(yǎng)分志》和《中國(guó)有機(jī)肥料資源》的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)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(duì)我國(guó)三大糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量及還田替代化學(xué)氮肥潛力進(jìn)行評(píng)估的過(guò)程中采用的是《中國(guó)有機(jī)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(guò)文獻(xiàn)總結(jié)得出的水稻、小麥和玉米秸稈還田條件下氮養(yǎng)分當(dāng)季釋放率。高利偉等[18]對(duì)2006 年全國(guó)作物秸稈養(yǎng)分資源數(shù)量進(jìn)行估算的結(jié)果顯示，我國(guó)水稻、小麥和玉米秸稈氮養(yǎng)分資源量分別為166 萬(wàn)、75 萬(wàn)t 和268 萬(wàn)t。宋大利等[1]的研究結(jié)果表明，2015 年我國(guó)水稻、小麥和玉米秸稈氮養(yǎng)分資源量分別為172 萬(wàn)、88 萬(wàn)t 和234 萬(wàn)t，水稻、小麥和玉米秸稈在全量還田條件下帶入農(nóng)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(jié)果表明，2013—2017 年我國(guó)水稻、小麥和玉米秸稈年均氮養(yǎng)分資源量分別為209 萬(wàn)、108 萬(wàn)t 和356 萬(wàn)t；在考慮還田秸稈氮養(yǎng)分當(dāng)季釋放率的情況下，秸稈全量還田下我國(guó)水稻、小麥和玉米秸稈還田當(dāng)季化學(xué)氮肥可替代量分別為99 萬(wàn)、54 萬(wàn)t 和192 萬(wàn)t，單位耕地面積化學(xué)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(zhǔn)確地評(píng)估我國(guó)不同農(nóng)區(qū)主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源量，應(yīng)系統(tǒng)地對(duì)各農(nóng)區(qū)的秸稈氮養(yǎng)分含量進(jìn)行分析。馬想等[25]在黑土、潮土和紅壤上開(kāi)展的小麥和玉米秸稈腐解試驗(yàn)表明，秸稈腐解主要由氣候、土壤和物料性質(zhì)協(xié)同驅(qū)動(dòng)，主控秸稈腐解的單因子是氣候條件。我國(guó)各農(nóng)區(qū)的水熱條件和土壤類型不同，這會(huì)導(dǎo)致還田秸稈的腐解速度和秸稈氮養(yǎng)分當(dāng)季釋放率存在差異。另外，還田秸稈中氮養(yǎng)分當(dāng)季釋放量與秸稈還田下化學(xué)氮肥可替代量之間的關(guān)系還需要進(jìn)一步探究。本文的研究結(jié)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(xué)氮肥施用提供參考。

定位試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，秸稈還田在保證作物產(chǎn)量的前提下可以替代部分化學(xué)氮肥，同時(shí)有利于提高氮肥利用效率[12-15]。我國(guó)主要糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源集中分布在華北、長(zhǎng)江中下游和東北農(nóng)區(qū)，分別占全國(guó)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(nóng)區(qū)是我國(guó)玉米和小麥主產(chǎn)區(qū)，長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)是水稻和小麥主產(chǎn)區(qū)，東北農(nóng)區(qū)是玉米和水稻主產(chǎn)區(qū)，而且在《關(guān)于開(kāi)展農(nóng)作物秸稈綜合利用規(guī)劃終期評(píng)估的通知》[20]中這些農(nóng)區(qū)的作物草谷比相對(duì)較高，所以秸稈氮養(yǎng)分資源主要分布在這些農(nóng)區(qū)。在作物產(chǎn)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(chǎn)量較高的省份為黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、山東、河南、河北和遼寧。從單位耕地面積秸稈還田當(dāng)季的化學(xué)氮肥可替代量來(lái)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(dāng)季化學(xué)氮肥可替代量較大；小麥秸稈還田化學(xué)氮肥可替代量相對(duì)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(xué)氮肥可替代量較大的省份有吉林、遼寧、內(nèi)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(jí)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(dāng)季化學(xué)氮肥可替代量，江蘇、湖北和安徽水稻秸稈還田的化學(xué)氮肥替代潛力較大；小麥秸稈還田化學(xué)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(xué)氮肥替代潛力較大的省份有黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、山東、河南、河北和遼寧。在這些地區(qū)，需要進(jìn)一步提高秸稈還田率，并完善秸稈還田技術(shù)，充分發(fā)揮秸稈氮養(yǎng)分的化學(xué)氮肥替代作用。同時(shí)，還田秸稈腐解過(guò)程對(duì)土壤氮有效性的影響也是在實(shí)際生產(chǎn)中需要注意的一個(gè)問(wèn)題。在江西雙季稻上進(jìn)行的兩年田間試驗(yàn)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(xué)氮肥處理下，雙季稻全生育期內(nèi)土壤堿解氮和硝態(tài)氮含量高于單施化肥處理，同時(shí)水稻各生育期兩個(gè)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(kāi)展的5 年定位試驗(yàn)結(jié)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(xué)氮肥處理提高了土壤堿解氮含量[12]。在吉林國(guó)家黑土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地進(jìn)行的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)（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(xué)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(wú)機(jī)氮含量沒(méi)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(huì)形成更多的木質(zhì)素殘余物，其芳環(huán)上的酚羥基會(huì)固定土壤中的有效態(tài)氮形成苯酰胺，使土壤無(wú)機(jī)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(jī)質(zhì)中酚基、羥基、羧基、芳香碳和酰胺含量，促進(jìn)了土壤中有機(jī)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(huì)與作物競(jìng)爭(zhēng)無(wú)機(jī)態(tài)氮[30]。對(duì)于秸稈還田在作物生育前期可能導(dǎo)致的土壤氮有效性下降問(wèn)題，可以通過(guò)改進(jìn)施氮運(yùn)籌（提高氮肥基肥比例）[31]以及調(diào)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(yīng)、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(jìn)行的兩年田間定位試驗(yàn)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(shí)行秸稈還田時(shí)需結(jié)合土壤因子及當(dāng)?shù)厮疅釛l件來(lái)確定秸稈還田時(shí)間。王秋菊等[36]認(rèn)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(yīng)針對(duì)我國(guó)不同農(nóng)區(qū)的氣候條件、土壤類型和種植制度進(jìn)一步開(kāi)展秸稈還田替代化學(xué)氮肥試驗(yàn)，明確各農(nóng)區(qū)主要糧食作物秸稈還田的化學(xué)氮肥可替代率。并根據(jù)各農(nóng)區(qū)的具體情況有針對(duì)性地加強(qiáng)農(nóng)田管理，提高還田秸稈氮養(yǎng)分當(dāng)季釋放率，以實(shí)現(xiàn)秸稈氮養(yǎng)分資源的高效利用和化學(xué)氮肥減量以及土壤肥力提升。

4 結(jié)論

（1）目前我國(guó)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(guó)水稻、小麥和玉米秸稈年均產(chǎn)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(wàn)、108 萬(wàn)t 和356 萬(wàn)t。三大糧食作物秸稈氮養(yǎng)分資源主要來(lái)自玉米和水稻秸稈，小麥秸稈氮養(yǎng)分資源占比相對(duì)較小。

（2）水稻秸稈氮養(yǎng)分資源主要分布在長(zhǎng)江中下游農(nóng)區(qū)，小麥秸稈氮養(yǎng)分資源主要分布在華北農(nóng)區(qū)，玉米秸稈氮養(yǎng)分資源集中分布于華北和東北農(nóng)區(qū)。這些農(nóng)區(qū)主要糧食作物秸稈還田的化學(xué)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(xué)氮肥可替代量較大；單位耕地面積小麥秸稈還田化學(xué)氮肥可替代量相對(duì)較大的省份有河南、河北、山東、安徽、江蘇和新疆；吉林、遼寧、內(nèi)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(xué)氮肥可替代量較大。

（4）秸稈全量還田下我國(guó)水稻、小麥和玉米秸稈還田當(dāng)季化學(xué)氮肥可替代總量分別為99萬(wàn)、54萬(wàn)t和192 萬(wàn)t，單位耕地面積化學(xué)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(xué)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(xué)氮肥替代潛力相對(duì)較小。

致謝：

本文部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于已發(fā)表的文獻(xiàn)，在此對(duì)文獻(xiàn)作者表示衷心感謝！