廣東省主要農作物秸稈養分資源量及替代化肥潛力

黃巧義，于俊紅，黃建鳳，黃旭，李蘋，付弘婷，唐拴虎，劉一鋒，徐培智*

1. 廣東省農業科學院農業資源與環境研究所/農業部南方植物營養與肥料重點實驗室/廣東省養分資源循環利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640；2. 廣東省農業環境與耕地質量保護中心，廣東 廣州 510500

化肥在中國糧食增產中發揮了重要作用，但近年來，中國農業生產對化肥依賴性過高，以致化肥用量逐年提高，有機類肥料施用量少（牛新勝等，2017；麻坤等，2018），導致了化肥利用效率下降，土壤酸化、板結、微生物多樣性降低、肥力下降等負面影響，甚至引起溫室氣體排放、水體富營養化等環境問題（Conley et al.，2009；Bai et al.，2020；李紅莉等，2010；魏文良等，2020）。在農業綠色發展大背景下，中國大力推行秸稈還田、測土配方施肥、機械化深施等化肥減量增效技術措施（付浩然等，2020）。農作物秸稈資源量大，且含有大量的有機質和養分元素，是寶貴的有機養分資源，在理論上可替代化學肥料，實現化肥減施（劉曉永等，2017；馬文奇等，2020）。大量研究表明，秸稈還田可減少化肥用量 10%—20%，并實現作物增產8.06%以上（付浩然等，2020；楊竣皓等，2020），還可顯著提高土壤有機質、養分含量，提高土壤pH值、改善土壤結構、豐富微生物多樣性，提高耕地土壤肥力，實現藏糧于地（高洪軍等，2015；解文艷等，2015；程文龍等，2019；房靜靜等，2020；侯云鵬等，2020；王昆昆等，2020；張鑫等，2020；王碧勝等，2021）。目前，中國正處于農業發展換擋提速增效關鍵時期，由過度依賴資源消耗向資源高效利用的綠色生態可持續發展轉變，提升秸稈養分資源化利用效率具有重要意義。

當前，中國秸稈資源利用效率偏低，丟棄、焚燒現象存在，不僅造成資源浪費，還污染環境，引發火災、危害人體健康（高利偉等，2009；徐奔奔等，2020）。監測發現，廣東省農作物秸稈露天焚燒發生點多，大氣污染物排放物量大（楊夏捷等，2018）。林日強等（2002）分析了廣東省 2002年的秸稈利用情況，約有 32.26%的秸稈被焚燒或丟棄，浪費的養分資源量相當于一個大型化肥廠的年產量。近幾年，廣東省大力推進秸稈綜合利用工作，秸稈綜合利用效率逐年提高，秸稈露天焚燒比例逐年下降（葉延瓊等，2019）。

摸清秸稈養分資源儲量、種類構成及區域分布是秸稈養分資源高效利用的前提。宋大利等（2018）研究表明，2015中國主要農作物秸稈資源量達7.19×108t，含有養分資源量為 625.6×104t N、197.9×104t P2O5、1159.5×104t K2O，可替代 38.4%氮肥、18.9%磷肥和85.5%鉀肥。廣東省地處亞熱帶季風氣候帶，甘蔗等亞熱帶作物種植面積較廣，不同主要農作物的秸稈養分資源量及化肥替代潛力尚缺乏系統性評估。本研究利用 2020年廣東省統計年鑒、廣東省農村統計年鑒數據及相關發表文獻資料，分析了廣東省 2019年主要農作物秸稈養分資源量、種類構成、區域分布情況及替代化肥潛力，以期為廣東省秸稈資源高效利用、化肥減施和農業綠色發展轉型提供理論依據。

1 研究方法和數據來源

1.1 研究對象

廣東省地處亞熱帶季風氣候區，年均氣溫 19—24 ℃，降水量 1300—2500 mm，日照 1500—2300 h。本文主要研究對象為廣東省4個大區域21個地級市的秸稈資源情況，其中珠三角地區包括廣州、深圳、佛山、東莞、中山、珠海、江門、肇慶、惠州；粵東地區包括汕頭、潮州、揭陽、汕尾；粵西地區，包括湛江、茂名、陽江、云浮；粵北地區包括韶關、清遠、河源、梅州。廣東省農作物類型多，2019年全省水稻（Oryza sativaL.）、玉米（Zea maysL.）、薯類（Dioscorea esculenta(Lour.)Burkill）、甘蔗（Saccharum officinarumL.）、花生（Arachis hypogaeaLinn.）和大豆（Glycine max(Linn.) Merr.）的播種面積分別為 179.4×104、12.0×104、20.2×104、17.0×104、34.1×104、3.3×104hm2，其中水稻、玉米、薯類和大豆總播種面積占全省糧食作物播種面積的99.5%，甘蔗和花生則是分別廣東省最主要的糖料作物和油料作物。因此，本研究選取以上6種主要農作物進行秸稈及其養分資源量分析。

1.2 研究方法

秸稈資源量核算方法。本文的秸稈資源產量采用大多數研究所采用的方法，即通過作物經濟產量與草谷比計算得到作物的秸稈資源產量（宋大利等，2018；程文龍等，2020；李勝男等，2020）。主要農作物秸稈產量（WS）的計算公式為：

式中：

WY——作物平均經濟產量；

SG——作物草谷比。

秸稈養分資源量核算方法。本文采用作物秸稈產量與秸稈的養分含量計算作物的秸稈養分資源量（柴如山等，2021）。主要農作物秸稈養分資源量（WN）的計算公式為：

式中：

NS——作物秸稈養分含量。

秸稈全量還田的有效養分資源量核算方法。本文采用秸稈養分資源量和秸稈當季養分釋放率計算秸稈全量還田的有效養分資源量（EN），其計算公式為：

式中：

PN——作物秸稈養分當季釋放率。

化肥替代潛力核算方法。本文采用作物推薦養分施用量與秸稈全量還田的有效養分資源量計算秸稈養分資源替代化肥的潛力（RS），其計算公式為：

式中：

NR——作物推薦養分施用量。

1.3 數據來源

本文中廣東省 21個地級市主要作物產量來源于《2020年廣東統計年鑒》和《2020年廣東省農村統計年鑒》。不同農作物的草谷比通過國內外大量相關文獻收集和整理所得（畢于運等，2009；熊娜等，2019；王亞靜等，2010），不同農作物秸稈的氮磷鉀養分含量參照全國農業技術推廣服務中心數據和發表的文獻資料（全國農業技術推廣服務中心，1999；高利偉等，2009），詳見表1。不同農作物秸稈養分當季釋放率參照公開發表的文獻資料（Alva et al.，2002；Zolahchi et al.，2012；羅文麗，2014；劉曉永，2018；程文龍等，2020），詳見表1。

表1 廣東省主要農作物的草谷比、秸稈養分質量分數（風干基）和養分當季釋放率Table 1 Ratio of straw to grain, nutrient contents in straws(air-dried base) and rate of in-season nutrient release from different crops straw

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010和R軟件對數據進行處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 廣東省主要農作物秸稈資源量

廣東省6種主要農作物總播種面積和總產量分別為 265.91×104hm2和 2780.42×104t，理論秸稈資源量為1951.00×104t（表2）。其中，水稻秸稈資源量為 1139.55萬 t，占全省主要農作物秸稈資源總量的 58.41%，為廣東省資源量最大的農作物秸稈；其次為甘蔗秸稈，其資源量為487.78×104t，占全省主要農作物秸稈資源總量的25.00%；花生是廣東省秸稈資源量第三大農作物，其秸稈資源量占全省主要農作物秸稈資源總量的9.19%；玉米、薯類和大豆的秸稈資源量小，僅占全省主要農作物秸稈資源總量的7.40%。

表2 廣東省主要農作物的播種面積、產量及秸稈資源量估算Table 2 Sown area, yields and theoretical straw resources of major crops in Guangdong Province

2.2 廣東省主要農作物秸稈資源空間分布

從表3可見，廣東省不同區域的秸稈資源量在0.70—584.92×104t之間，區域間差異顯著。粵西地區的秸稈資源最豐富，占全省主要農作物秸稈總產量的47.86%；其次是粵北地區，其秸稈資源產量占總產量的22.43%；珠三角和粵東地區的秸稈資源量較低，分別占總產量的19.33%和10.40%。從地市級的結果來看，湛江市的秸稈資源量最大，占全省主要農作物秸稈總產量的29.98%；其次為茂名市，占總產量的10.16%；肇慶市、梅州市、江門市、韶關市和清遠市的秸稈資源量也相對較大，均超過100×104t。

表3 廣東省不同地區主要農作物秸稈及其養分資源分布Table 3 Distribution of straws and their nutrients resources of crops in different regions of Guangdong Province

鑒于水稻、甘蔗和花生占廣東省農作物秸稈資源量的90%以上，本研究分別對這3種農作物秸稈的空間分布進行了分析。從圖1可見，水稻秸稈資源主要集中在茂名、湛江、肇慶、梅州和江門地區，其水稻秸稈資源量分別達到140.01、133.65、111.40、109.18和92.28×104t，分別占全省水稻秸稈資源總量的12.29%、11.73%、9.78%、9.58%和8.10%。甘蔗秸稈資源的集中度更高，主要集中在湛江地區，其甘蔗秸稈資源量為396.21×104t，占全省甘蔗秸稈資源總量的81.23%。不同地市級的花生秸稈資源在0.02—36.47×104t之間，差異較大，其中湛江市、茂名市和韶關市的花生秸稈資源量相對較大。

圖1 廣東省水稻、甘蔗和花生秸稈資源空間分布圖Figure 1 Spatial distribution of the straw resources of rice, sugarcane and peanut in Guangdong province

2.3 廣東省主要農作物秸稈氮磷鉀養分資源及空間分布

從表4可見，廣東省主要農作物秸稈氮、磷、鉀養分資源量分別為19.26×104、 4.51×104、33.51×104t。其中，水稻的秸稈氮、磷、鉀養分資源量最大，合計為30.01×104t，占全省秸稈養分資源總量的62.87%；其次為甘蔗的秸稈養分資源，氮、磷、鉀養分資源總量達10.49×104t，占全省秸稈養分資源總量的 18.31%；第三大秸稈養分資源是花生，為 6.61×104t，占全省秸稈養分資源總量的10.49%；玉米、薯類和大豆秸稈的氮磷鉀養分資源量相對較低。從圖2可見，湛江市的農作物秸稈氮、磷、鉀資源量最大，分別達 5.91×104、1.00×104、7.65×104t，占全省秸稈氮、磷、鉀資源總量的30.67%、22.11%、22.83%，并以甘蔗秸稈養分資源為主。茂名市的農作物秸稈氮、磷、鉀資源量分別為 1.95×104、0.49×104、3.69×104t，排全省第二，占全省秸稈氮、磷、鉀資源總量的10.14%、11.00%、11.03%，并以水稻秸稈養分資源為主。肇慶市、梅州市、江門市、韶關市、河源市、清遠市和揭陽市的農作物秸稈氮、磷、鉀資源量也相對較大，且均以水稻秸稈養分資源為主。

表4 廣東省主要農作物秸稈養分資源量及其在全部秸稈中的占比Table 4 Nutrients quantities of crop straw and their percentages in the whole straw yields in Guangdong Province

圖2 廣東省各個地級市主要農作物秸稈氮、磷、鉀養分資源量Figure 2 The nitrogen, phosphorus and potassium resources of crop straw in different cities of Guangdong province

2.4 廣東省不同類型秸稈養分資源替代化肥潛力分析

從表5可見，若將農作物秸稈全量還田，可為土壤帶入的有效養分資源量分別為：N 24.88—161.59 kg·hm?2、P2O55.25—18.46 kg·hm?2和 K2O 41.41—254.34 kg·hm?2，其中甘蔗秸稈帶入的單位面積有效氮、磷、鉀資源量均最大，水稻秸稈帶入的單位面積有效鉀資源量排第二，花生和薯類秸稈帶入的單位面積有效氮資源量僅次于甘蔗，水稻、玉米、薯類和大豆秸稈帶入的單位面積有效磷資源量基本相似，而花生秸稈帶入的單位面積有效磷養分資源量最低。不同作物秸稈輸入的有效氮資源量與氮肥推薦用量的占比在9.57%—49.91%之間，其中大豆秸稈輸入的有效氮資源量替代氮肥的潛力最大，達49.91%，其次為甘蔗和花生；不同作物秸稈輸入的有效磷資源量占磷肥推薦用量的5.47%—30.51%，其中水稻秸稈輸入的有效磷資源量替代磷肥的潛力最大，達30.51%，其次為甘蔗、玉米和大豆；不同作物秸稈輸入的有效鉀資源量占鉀肥推薦用量的12.55%—94.20%，其中甘蔗和水稻秸稈輸入的有效鉀資源量替代鉀肥的潛力最大，達94.20%和92.61%，其次為花生和玉米，而薯類秸稈的有效鉀資源量替代鉀肥的潛力最低，僅有12.55%。

表5 廣東省主要農作物推薦施肥量、秸稈有效養分量和直接還田率Table 5 Optimum fertilizer rates of different main crops, available nutrients from straw and ratio of direct straw returning from major crops to farmland in Guangdong province

廣東省主要農作物的秸稈還田利用率不同，其中水稻秸稈直接還田率最高，達80.57%，其次為甘蔗和花生秸稈。廣東省主要農作物秸稈實際還田的有效養分資源量分別為：N 14.31—104.61 kg·hm?2、P2O53.23—11.95 kg·hm?2和 K2O 22.76—164.66 kg·hm?2，其中每公頃甘蔗秸稈還田產生的氮、磷、鉀養分資源量均最大。水稻秸稈實際還田的氮、磷、鉀養分資源量分別占氮肥、磷肥、鉀肥推薦用量的13.37%、24.58%、74.61%，玉米為4.77%、7.66%、16.46%，薯類為 9.99%、4.45%、6.90%，甘蔗為26.15%、9.96%、60.99%，花生為22.82%、3.36%、30.07%，大豆為29.72%、7.58%、47.26%。在實際生產中，水稻秸稈還田替代鉀肥和磷肥的潛力較大，大豆秸稈還田替代氮肥的潛力較大，而玉米和薯類秸稈還田的養分量替代化肥的潛力則較小。

2.5 廣東省不同區域秸稈還田替代化肥的潛力分析

根據廣東省不同地市級的主要農作物種植面積和推薦施肥量，計算不同地區的氮、磷、鉀養分需求量；然后根據農作物秸稈有效養分資源量和養分需求量，計算不同地區農作物秸稈還田替代化肥的潛力，結果如圖3所示。湛江市的氮、磷和鉀肥需求量最大，分別達10.82×104t N、3.58×104t P2O5和8.56×104t K2O；其次是茂名，其氮、磷和鉀肥需求量分別為 4.86×104t N、1.71×104t P2O5和4.38×104t K2O；第三為肇慶市，其氮、磷和鉀肥需求量分別為 3.55×104t N、1.21× 104t P2O5和3.21×104t K2O；同時，江門市、梅州市、清遠市的氮肥需求量也在3.00×104t N以上，清遠市的磷肥需求量在1.00× 104t P2O5以上，梅州市、江門市、韶關市、清遠市和揭陽市的鉀肥需求量在2.00×104t K2O以上。

圖3 廣東省各個地級市主要農作物秸稈氮、磷、鉀養分需求量及秸稈替代氮肥潛力Figure 3 The nitrogen, phosphorus and potassium requirement of crop straw and how much could be substituted by straw in different cities of Guangdong province

從秸稈還田替代氮肥的潛力來看，湛江市和廣州市秸稈還田替代氮肥的潛力最大，分別達29.70%和28.66%；其次是韶關市、揭陽市、汕頭市和茂名市，秸稈還田替代氮肥的潛力分別為 23.14%、21.40%、21.38%和 20.43%；其余大部分地市級秸稈替代氮肥的潛力均為15.00%左右。秸稈還田替代磷肥的潛力相對較低，其中珠海市和梅州市秸稈還田替代磷肥的潛力最大，分別達25.98%和23.84%；其次是潮州市、河源市、云浮市、江門市和肇慶市，其秸稈替代磷肥的潛力分別為 21.93%、21.32%、20.92%、20.56%和 20.40%；其余地市級的磷肥替代潛力均低于20.00%，其中深圳市和東莞市更低至10.00%左右。不同地市級秸稈替代鉀肥的潛力差異較大，其中梅州市秸稈還田替代鉀肥的潛力最大，達78.44%；其次是湛江市、清遠市、廣州市、肇慶市、茂名市、惠州市和江門市，其鉀肥替代潛力均在70.00%以上；深圳市和東莞市秸稈還田替代鉀肥的潛力最低，僅為40.23%和33.33%。

3 討論

本文研究表明，廣東省主要農作物秸稈資源量達1951.00×104t，高于宋大利等（2018）估算的結果，這主要是由于本文增加了甘蔗作物秸稈；同時，本文結果也較黃繼川等（2017）估算的2008—2014年廣東省秸稈資源量高，這可能是由于種植水平提高，農作物秸稈產量增加。本文統計結果表明，廣東省秸稈資源概況有以下幾個特征：第一，廣東省秸稈資源種類集中度較高，以水稻和甘蔗秸稈為主，分別占全省秸稈資源總量的58.41%和25.00%。廣東省為中國雙季稻種植區域，水稻種植面積大，因此，水稻秸稈資源量大，該結果與華南地區其他省份（如廣西省和湖南省）的秸稈資源種類構成相同（熊娜等，2019；李勝男等，2020；李一等，2020）。廣東省是中國甘蔗主產區之一（吳多廣等，2017），種植面積為16.97×104hm?2，低于花生和薯類，但其單位面積秸稈產量遠高于花生和薯類（黃繼川等，2017），以致其秸稈總產量較高。第二，不同區域的秸稈資源量差異較大。其中粵西地區的秸稈資源量最豐富，并以湛江市和茂名市的秸稈資源量最大；而珠三角發達地區的秸稈資源量最低。這主要是由于粵西地區地勢相對其它地區平坦，耕地面積大。粵北地區雖然土地面積也很大，但大部分為山地，耕地面積相對較小。珠三角地區雖然地勢平坦，但由于經濟發展、開發利用擠壓耕地空間，以致其耕地農作物種植面積小，秸稈產量低。第三，不同農作物秸稈的區域分布特征不同。甘蔗秸稈主要集中于湛江市，花生秸稈主要集中在粵西和粵北地區。

本文通過分析得知，廣東省主要農作物秸稈的養分資源總量為57.28×104t，其中鉀資源量最大，其次是氮資源，磷資源最低，這主要是由于農作物秸稈本身的氮、磷、鉀含量特性決定（劉曉永等，2017；高利偉等，2009；李一等，2020；李廷亮等，2020）。秸稈產量占比最大的水稻秸稈鉀含量遠高于氮、磷含量；薯類和固氮類作物（花生和大豆）秸稈的氮含量較高，但其秸稈量遠遠低于水稻秸稈。因此，廣東省秸稈的總鉀養分資源量大于氮養分資源量。茂名市、韶關市和清遠市的花生種植面積較大，從而該地區的農作物秸稈氮資源量相對較高（劉曉永等，2017；宋大利等，2018）。本文通過分析得知，廣東省秸稈養分資源替代化肥的潛力為：N 21.69%、P2O518.61%、K2O 70.47%，低于宋大利等（2018）的估算結果，這主要由于本文秸稈替代化肥的潛力計算方法中考慮了秸稈養分有效性。秸稈養分有效性取決于秸稈還田后的腐解特征（代文才等，2017；李昌明等，2017），主要受秸稈本身性質、氣候、土壤和管理措施等因素影響（王金洲等，2016；馬想等，2019）。本文通過分析得知，廣東省不同農作物秸稈還田替代化肥的潛力不同，這主要是由于不同農作物的秸稈還田率和秸稈當季養分釋放率有關。實際生產上廣東省不同農作物秸稈還田率不同，其中水稻秸稈還田率最高，其次為甘蔗和花生秸稈，均高于劉曉永（2018）的統計結果。這主要是由于廣東省近年高度重視秸稈綜合利用工作，大力推動秸稈還田、秸稈離田“五料化”利用，廣東省秸稈綜合利用率逐年提高。劉曉永（2018）認為，農作物秸稈還田后的當季養分釋放率平均為 N 51.61%、P2O566.50%、K2O 85.82%。通過查閱公開發表的文獻資料，大部分農作物秸稈的鉀當季釋放率較接近，而氮、磷的當季釋放率差別較大。其中薯類秸稈的氮、磷養分當季釋放率高于其他作物秸稈，這可能是由于薯類秸稈纖維素和木質素含量偏低，碳氮比相對較低，還田后的分解礦化速率較高。另外，秸稈中尚未釋放出來的養分將大部分以有機態形式保存在土壤中，可提高土壤肥力水平，也能為后茬作物繼續提供養分（解文艷等，2015；程文龍等，2019；王昆昆等，2020；張鑫等，2020；王碧勝等，2021）。通過秸稈替代化肥措施，可降低廣東省農田化肥投入量，從而減少農業生產過程中氮、磷養分流失，有效控制農業面源污染。同時，秸稈含有大量有機質，推廣秸稈替代化肥技術可提高土壤有機碳含量，提升農田生態系統的固碳潛力。據估算，廣東省通過秸稈還田可使農田固碳潛力每年提高0.01 Tg C（韓冰等，2008）。但也有研究表明，秸稈還田導致農機作業難度加大、與作物爭奪氮營養、作物病蟲害加重等負面影響（王如芳等，2011；代文才等，2017；胡蓉等，2020）。因此，在推動秸稈還田的過程中，須進一步研發推廣配套的施肥、管理和栽培措施，避免秸稈還田負面效應的產生；同時，加大秸稈離田“飼料化”、“原料化”、“基質化”、“肥料化”、“燃料化”等多途徑利用方式，實現秸稈多元化利用。

4 結論

廣東省秸稈資源量為1951.00×104t，主要分布于粵西和粵北地區。其中，水稻和甘蔗秸稈產量最高，水稻秸稈在各個地市級均有分布，甘蔗秸稈則主要集中于湛江市，花生秸稈主要集中于粵西和粵北地區。廣東省秸稈養分資源量豐富，氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）養分資源總量分別達到19.26×104、4.51×104、33.51×104t，其中有效氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）養分資源總量分別達到10.02、2.94、28.47×104t，秸稈替代氮、磷、鉀肥料的潛力高達 21.69%、18.61%、70.47%，是實現化肥減施和農業綠色發展的可行途徑。實際生產中，水稻秸稈還田率最高，其次為甘蔗和花生秸稈，因此，水稻、甘蔗和花生秸稈替代化肥的可行性較高。