植物营养与肥料学报   2018, Vol. 24  Issue (1): 1-21 
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引用本文    doi:  http://dx.doi.org/10.11674/zwyf.17348
宋大利, 侯胜鹏, 王秀斌, 梁国庆, 周卫. 中国秸秆养分资源数量及替代化肥潜力[J]. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(1): 1-21.
SONG Da-li, HOU Sheng-peng, WANG Xiu-bin, LIANG Guo-qing, ZHOU Wei. Nutrient resource quantity of crop straw and its potential of substituting[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(1): 1-21.
中国秸秆养分资源数量及替代化肥潜力
宋大利, 侯胜鹏 , 王秀斌, 梁国庆, 周卫    
中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081
收稿日期：2017-09-05; 接受日期：2017-10-31
基金项目：国家重点研发计划课题（2016YFD0200109）；现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-01-23）；国家自然科学基金项目（31772392）资助。
作者简介：宋大利 E-mail：songdalisdl@163.com;
候胜鹏 E-mail：13873128448@163.com;
周卫 E-mail：wzhou@caas.ac.cn
通信作者：候胜鹏（1976—），男，湖南安仁人，博士，主要从事作物高效施肥方面的研究。E-mail：13873128448@163.com；
周卫 E-mail：wzhou@caas.ac.cn
摘要: 【目的】 弄清中国秸秆资源数量及其养分资源量，旨在为充分利用秸秆资源、提高肥料利用率、实现化肥施用零增长和保障国家粮食安全提供科学依据。【方法】 本研究以中国主要农作物水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、花生和油菜为研究对象，通过查阅中国统计数据和公开发表的文献资料对2015年中国主要农作物秸秆数量及其养分资源量进行估算，同时对各地区不同作物最佳施肥量进行统计，分析秸秆不同比例还田下氮、磷、钾输入量分别占化肥用量百分比。【结果】 2015年中国主要农作物秸秆资源量为71878.53万t，所含的氮 (N)、磷 (P2O5)、钾 (K2O) 养分资源总量分别达到625.6、197.9、1159.5万t。秸秆养分资源量以水稻、小麦和玉米三大粮食作物最大，分别占养分资源总量的33.1%、14.5%和34.2%，其他作物以油菜秸秆养分数量最高，占7.6%。作物秸秆养分数量中以玉米氮和磷养分数量最高，分别占单质养分总量的37.4%(N) 和41.5% (P2O5)；钾养分数量以水稻最高，占36.9% (K2O)。秸秆总量华北和长江中下游地区较多，分别占全国总量的26.4%和26.2%。秸秆养分资源总量最高的为黑龙江省，其次为河南和山东，分别占全国秸秆养分资源总量的10.3%、9.5%和6.8%。中国2015年主要农作物播种面积为1.2亿hm2，产量为6.3亿t，作物理论N、P2O5和K2O需求量分别为1445.9、546.4、1652.3万t。如果将秸秆全量还田，带入农田的平均养分量可高达N 54.4 kg/hm2、P2O515.5 kg/hm2和K2O 88.1 kg /hm2，相当于化肥用量的38.4% (N)、18.9% (P2O5) 和85.5% (K2O)。【结论】 中国农作物秸秆数量及其养分资源量巨大，依据地域秸秆特点，充分合理利用秸秆养分资源，是实现化肥减施增效的重要途径。
关键词: 秸秆产量     秸秆养分资源量     化肥减施    
Nutrient resource quantity of crop straw and its potential of substituting
SONG Da-li, HOU Sheng-peng , WANG Xiu-bin, LIANG Guo-qing, ZHOU Wei    
Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Ministry of Agriculture Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Beijing 100081, China
Abstract: 【Objectives】 The paperis aimed to find out the quantity of straws and assess their potentials as nutrient resources in China, which is of great significance for making full use of straw resources, improving fertilizer use efficiency, achieving zero growth of chemical fertilizers and ensuring national food security. 【Methods】 Rice, wheat, maize, soybean, potato, peanut and rapeseed were chosen as the research objects. Based on agricultural statistics and published literatures, the amount of crop straws and the contained nutrient resources were estimated in 2015. The optimum fertilizer application rates of different crops in different regions were analyzed, and the proper percents of straw nutrient were proposed for the substitution of chemical nutrients through returning to field in China. 【Results】 In 2015, the amount of the main crop straws in China was 718.7853 million tons, containing 6.256 million tons of N, 1.979 million tons of P2O5 and 11.595 million tons of K2O, respectively. The largest straw nutrient resources were from rice, wheat and maize, accounting for 33.1%, 14.5% and 34.2% of the total nutrient resources. Of the other straws, rapeseeds contained the largest nutrient amount, which was accounted for 7.6% of the total resources. The highest straw mass was produced in North China Plain and the Middle-lower reaches of Changjiang River, accounting for 26.4% and 26.2% of the whole yields across China, respectively. The total nutrient amounts were the highest in the straws of Heilongjiang Province, followed by those of Henan and Shandong Provinces, accounting for 10.3%, 9.5% and 6.8%, respectively. In 2015 in China, the main crops sown area was 120 million hectares, the economic yield was 630 million tons, which demand theoretically N, P2O5and K2O inputs of 15, 6 and 17 million tons, respectively. In case of the total straws be returned to fields, the nutirents brought to fields would be as much as N 54.4 kg/hm2, P2O515.5 kg/hm2and K2O 88.1 kg/hm2, which were accounted for 38.4%, 18.9% and 85.5% of the chemical fertilizers, respectively. 【Conclusions】 The crop straw quantities and the contained nutrient resources are tremendous in China, showing regional characteristics in straw sources and amount. Exploring and making full use of straw nutrient resources will provide an effective and environmental friendly resolution for realizing zero chemical fertilizer increase and improving efficiency of agricultural production.
Key words: straw yield     nutrient     chemical fertilizer reduction    

农作物秸秆是农业生产中主要的产物之一，也是主要的农业废弃物，其含有丰富的氮、磷、钾大量元素以及中微量元素，同时含有纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质和糖类等有机能源[1]。在农业生产过程中，秸秆是一种重要的生物质资源，秸秆还田作为一种保护性耕作措施，能培肥土壤[2]、降低土壤容重[3]、改善土壤结构[3–4]、增加土壤养分速效量[5]、促进作物增产[6]，还可通过增加土壤有机碳的直接输入实现固碳，维持土壤有机质平衡[7]，促进土壤养分循环，同时秸秆还田与化肥配施可以减少10%～20%氮、磷、钾化肥用量[8]。王振忠等[9]研究表明，与单施化肥处理相比，秸秆与化肥配施土壤生产力提高了19.5%，当季氮肥利用率提高了13.2%，稻、麦分别增产6.2%和3.7%。秸秆配施氮磷钾肥同时可减少土壤养分流失，徐泰平等[10]研究了冬小麦-夏玉米轮作区秸秆还田对紫色土坡耕地养分流失的影响，结果表明，与单施化肥相比，氮磷钾肥与秸秆配施能减少泥沙量和地表径流量，增加渗漏径流量，并显著减少氮、磷的流失，减幅达到60%～76%。研究认为，秸秆还田的持续时间越长，越能体现其对土壤理化性状的改善作用[11]。

中国具有丰富的生物质资源，农业每年产生各类农作物秸秆约为7亿t，其中水稻、小麦和玉米等大宗农作物秸秆在5亿t左右[12]。由于缺乏切实可行的处理与利用技术，每年焚烧掉的秸秆超过2亿t，其损失的氮、磷、钾相当于全国化肥总产量的 60%左右[13]。这不仅造成秸秆资源的巨大浪费，还导致了严重的环境污染[14–15]。而秸秆资源数量的估算是秸秆资源能够综合利用的基础。已有学者采用不同的方法对其进行研究，方放等[16]研究得出2012年京津冀地区农作物秸秆资源总产量为5406.9 万t，秸秆中氮、磷、钾养分资源总量分别达到3.7万t、7.4万t、1.0万t。包建财等[17]估算了2009年西部七省区 (甘肃、新疆、内蒙古、青海、宁夏、陕西和西藏) 农作物秸秆资源理论数量达到0.882亿t，秸秆养分资源量为237万t，其中氮、磷和钾三种养分的总量分别为86.3万t、26.5万t和124万t。戴志刚等[18]估算了2009年全国主要农作物秸秆产量约6.64亿t，折合纯N 600.80万t、P2O5 92.56万t、K2O 940.86万t。可见，我国不但秸秆资源丰富，而且氮磷钾养分资源数量巨大。

虽然我国对秸秆资源相关研究较多，但多数学者是对秸秆利用状况的研究[19–23]，并且大多集中在区域尺度[16, 22–24]，或者单一的某种、某类作物[20, 22, 25–27]。在国家尺度上对秸秆资源的分析鲜有报道，而且秸秆养分资源数量对化肥减施的影响未见研究。因此，本文利用2016年国家统计数据和对已发表资料的统计，探讨和分析了中国秸秆资源数量及其养分资源量，以期为中国秸秆资源的高效利用提供理论依据。

1 研究方法与数据来源 1.1 研究对象与区域划分

本文主要研究对象为中国大陆31个省、市、自治区，不包括香港、澳门、台湾和南海群岛。将中国分为六大农区[28]：东北地区，包括黑龙江、吉林和辽宁 3省；华北地区，包括北京、天津、河北、河南、山东、山西6省 (市)；长江中下游地区，包括上海、江苏、浙江、安徽、湖北、湖南、江西 7 省 (市)；西北地区，包括内蒙古、陕西、宁夏、甘肃、青海、新疆 6 省 (自治区)；西南地区，包括重庆、四川、贵州、云南、西藏 5 省 (市、自治区)；东南地区，包括福建、广东、广西、海南 4 省 (自治区)。研究的作物有水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、花生和油菜。

1.2 种植制度划分

根据相关研究资料[29–31]和2015年各种作物种植面积，将中国划分为双季稻种植区，包括海南、广西、广东、福建、江西、湖南和浙江7省 (自治区)；稻麦轮作区包括上海、安徽、湖北和江苏4个省 (市)；小麦玉米轮作区包括河南、山东、山西、河北、天津、北京、陕西、宁夏、甘肃和新疆10个省 (市、自治区)；水稻/玉米单作区包括重庆、四川、贵州、云南、辽宁、吉林和黑龙江7个省 (市)；小麦单作区包括青海和西藏2个省 (自治区)；玉米单作区为内蒙古自治区。

1.3 秸秆养分资源数量核算方法

中国历史上对作物秸秆养分资源产量没有专门的统计，本文参考国际上比较通用的和大多数研究所采用的方法，即通过作物经济产量与秸秆资源数量的关系 (草谷比) 计算得到秸秆产量 (Wj)，根据其养分含量计算养分资源量。计算公式如下：

${{W}}i = \mathop \sum \limits_{j = 1}^7 Yij \times Rj　\quad\quad\quad\quad\quad$
${W{\rm N}}\left({\rm{N}} \right) = {{Wj}} \times {{N}}j\quad\quad\quad\quad\,\,\,$
${W{\rm P}}\left({{{\rm{P}}_2}{{\rm{O}}_5}} \right) = {{Wj}} \times {{P}}j \times 2.29\,\,$
${W{\rm K}}\left({{{\rm{K}}_2}{\rm{O}}} \right) = {{Wj}} \times {{K}}j \times 1.2\,\,\,\,\,$

式中：Wi—第i个省市自治区农作物秸秆资源数量；Yij—第i个省市自治区的第j种农作物的产量；Rj—第j种农作物的草谷比；WN—秸秆氮素 (N) 养分资源量；Wj—第j种农作物秸秆资源数量；Nj—第j种农作物秸秆氮素养分含量；WP—秸秆磷素 (P2O5) 养分资源量；Pj—第j种农作物秸秆磷素养分含量；2.29—单质磷折算为五氧化二磷 (P2O5) 的系数；WK—秸秆钾素 (K2O) 养分资源量；Kj—第j种农作物秸秆钾素养分含量；1.2—单质钾折算为氧化钾 (K2O) 的系数。i=1, 2, 3, ……, 31，j=1, 2, 3, 4, 5, 6。

本文涉及的农作物产量和种植面积均来自于《中国统计年鉴2016》和《中国农村统计年鉴2016》。农作物秸秆数量计算中的草谷比通过国内外大量相关文献收集和整理所得，秸秆中氮磷钾养分含量参照全国农业技术推广服务中心数据 (表1)[32]。

表1 不同作物的草谷比和秸秆养分含量(风干基) Table 1 The ratio of grain to straw and the nutrient contents in straws (air-dried base)

不同作物生长所需化学养分量是根据不同作物养分需求系数与产量乘积所得 (表2)。

表2 作物单位经济产量所需吸收的养分数量 (kg/t) Table 2 Nutrient requirement for unit economic yields of different crops
2 结果与分析 2.1 中国主要农作物秸秆资源数量

本研究估算2015年中国主要农作物秸秆资源量为71878.53万t (表3)，其中秸秆数量仍以水稻、小麦和玉米三大粮食作物最大，分别占到总量的29.0% (水稻)、19.9% (小麦) 和37.5% (玉米)，其他作物秸秆资源量仅占13.6%。从秸秆养分资源量看，三大粮食作物养分资源数量分别占总养分量的33.1% (水稻)、14.5% (小麦) 和34.2% (玉米)，其他作物以油菜秸秆养分数量最高，占7.6%。秸秆养分总量中钾养分数量最高，其次分别为氮和磷，分别占总养分量的58.5% (K2O)、31.5% (N) 和10.0% (P2O5)。作物秸秆养分数量中以玉米氮和磷养分数量最高，分别占单质养分总量的37.4% (N) 和41.5% (P2O5)；钾养分数量以水稻最高，占36.9% (K2O)。

2.2 主要农作物秸秆资源分布

从不同地区秸秆及其养分资源分布来看，2015年中国31个省市自治区的秸秆及其养分资源分布各地区差异较大 (表4)，华北和长江中下游地区秸秆总量较多，分别占全国总量的26.4%和26.2%，其中秸秆数量前3的省份是河南、黑龙江和山东，分别占全国秸秆总量的10.7%、10.0%和7.9%。秸秆养分资源总量最高的为黑龙江省，其次为河南和山东，分别占全国秸秆养分资源总量的10.3%、9.5%和6.8%。从各省的秸秆数量看，大于3000万t的省 (市、自治区) 11个，2000万t～3000万t的省 (市、自治区) 2个，1000万t～2000万t的省 (市、自治区) 9个，100万t～1000万t的省 (市、自治区) 7个，低于100万t的省 (市、自治区) 仅2个。

表3 2015年中国不同作物秸秆所含养分资源量及其在全部秸秆中的占比 Table 3 Crop straw yield, contained nutrient quantities and their percentages in the whole straw yileds in China in 2015
表4 2015年中国不同地区秸秆养分资源分布 Table 4 Distribution of straw nutrient resources in different regions of China in 2015
2.3 主要农作物化学养分需求量

中国2015年主要农作物产量为6.3亿t，包括水稻、小麦、玉米、大豆、马铃薯、花生和油菜，种植面积1.2亿hm2，作物理论N、P2O5和K2O需求量分别为1500万t、600万t、1700万t，需求比例为1∶0.4∶1.2(N∶P2O5∶K2O)(表5)。在生产中三大粮食作物仍占据主要地位，其中作物产量和种植面积以玉米最高，其次为水稻和小麦，而对N、P2O5和K2O需求量玉米远高于其他作物，其需求量分别占总量的40.1% (N)、40.3% (P2O5) 和37.8% (K2O)，小麦对氮的需求量略高于水稻，水稻对P2O5和K2O的需求量高于小麦。在本研究的作物中产量和种植面积最低的分别为大豆和花生，马铃薯对N、P2O5和K2O需求量最低，其次为花生和大豆。

表5 2015年中国主要作物产量、种植面积及养分需求量 Table 5 Yields, area and nutrient requirement of major crops of China in 2015
2.4 秸秆还田养分资源量

秸秆作为农业生产中重要的副产物，含有丰富的养分。由表6可以看出，若将秸秆全量还田平均相当于N 54.4 kg/hm2、P2O515.5 kg/hm2和K2O 88.1 kg/hm2施入农田土壤中，其中三大粮食作物 (水稻、小麦和玉米) 秸秆全量还田其N、P2O5、K2O施入量分别为56.9、18.8和141.8 kg/hm2 (水稻)，36.6、9.7和72.7 kg/hm2 (小麦)，61.5、21.6和94.8 kg/hm2 (玉米)，本研究的主要农作物秸秆中分别以花生秸秆中氮，玉米秸秆中磷和水稻秸秆中钾养分量最高。从目前研究的不同作物最佳施肥量看，N、P2O5和K2O平均施用量分别为157.3、83.2和107.3 kg/hm2，施用比例为1∶0.5∶0.7 (N∶P2O5∶K2O)。

表6 不同作物秸秆养分量和最佳施肥量(kg/hm2) Table 6 The amounts of straw nutrients and optimum fertilizer rates
2.5 不同比例秸秆还田可替代化肥养分的潜力

按目前研究的不同作物最佳施肥量计算，秸秆全量还田N、P2O5、K2O输入量平均分别占化肥用量的38.4% (N)、18.9% (P2O5) 和85.5% (K2O)(表7)。三大粮食作物 (水稻、小麦和玉米) 对氮肥需求量最大，秸秆全部还田氮的输入量分别占其化肥氮施用量的31.6% (水稻)、22.5% (小麦) 和28.8% (玉米)；大豆和花生作为固氮作物，其每公顷秸秆中氮的数量占化肥施用量的62.6% (大豆) 和71.1% (花生)。分析秸秆中养分磷发现，其养分还田占化肥施用量百分比不同作物之间变化较小，其百分比介于10.2%～27.7%之间。而秸秆还田钾的输入量较高，其中2/3油菜秸秆还田钾的输入与其化肥钾的用量相近，水稻、小麦和玉米秸秆全量还田钾的输入量分别占相应化肥用量的129.0%、84.0%和91.9%。

表7 不同比例的秸秆还田带来的养分可替代化肥养分施用量的百分比 (%) Table 7 Percentage of chemical nutrients substituted by the straw nutrient from different straw returning ratio
2.6 不同种植制度下秸秆养分资源量

从不同种植制度下不同地区秸秆养分量分布来看，同一作物秸秆同一养分量差异较大 (表8)，水稻秸秆中氮和钾均以长江中下游地区稻麦轮作制度下最高 (N 69.1 kg/hm2、K2O 172.0 kg/hm2)，最低是东南地区双季稻中的晚稻 (N 45.1 kg/hm2、K2O 112.3 kg/hm2)；小麦秸秆中氮和钾均以华北地区小麦玉米轮作制度下最高，西北地区小麦玉米轮作制度下最低，平均高出49.2%；玉米秸秆中氮和钾均以东北地区水稻和玉米单作制度下最高，西南地区水稻和玉米单作制度下最低，平均高出27.6%。从研究的不同作物最佳施肥量看，氮肥施用量以玉米最高，其次为小麦；磷肥施用量以小麦最高，其次为玉米；钾肥施用量以水稻最高，其次为玉米。

表8 不同种植制度下作物最佳施肥量及秸秆养分资源量 (kg/hm2) Table 8 Optimum fertilizer rates and straw nutrient under different cropping systems
2.7 不同种植制度下秸秆还田替代化肥养分的潜力

秸秆还田是秸秆资源综合利用的主要形式，同时也是减少作物施肥量的重要途径。由表9可以看出，理论上在双季稻种植区，早稻秸秆全量还田平均可以替代晚稻29.8% (N)、27.8% (P2O5) 和85.8% (K2O) 的化学养分施用量，晚稻秸秆全量还田平均可以替代早稻32.8% (N)、27.1% (P2O5) 和102.7% (K2O) 的化学养分施用量。在冬小麦夏玉米轮作区，小麦秸秆全量还田平均可以替代夏玉米14.8% (N)、11.8% (P2O5) 和74.2% (K2O) 的化学养分施用量，夏玉米2/3秸秆还田基本完全替代冬小麦化肥钾的施用量，全量还田可以替代35.6% (N) 和22.8% (P2O5) 冬小麦化学养分施用量。在水稻、玉米单作区，水稻2/3秸秆还田基本完全替代下季水稻化肥钾的施用量，全量还田可以替代38.1% (N) 和33.9% (P2O5) 下季水稻化学养分施用量，玉米秸秆全量还田可以替代31.4% (N) 和26.2% (P2O5) 下季玉米化学养分施用量，完全替代化学钾施用量。在稻麦轮作区，水稻2/3秸秆还田可完全替代小麦化肥钾的施用量，全量还田可以替代34.0% (N) 和34.7% (P2O5) 小麦化学养分施用量，小麦秸秆全量还田可以替代水稻19.7% (N)、12.0% (P2O5) 和54.2% (K2O) 的化学养分施用量。

表9 秸秆不同还田比例替代下季作物化肥施用量百分比 (%) Table 9 Percentage of straw nutrients for returning to field substituted for chemical fertilizers in next crops
2.8 长期秸秆还田对土壤养分的影响

长期不同养分管理研究对土壤质量提升和维持其可持续生产力有重要理论意义。本研究收集了部分地区已公开发表的长期定位试验结果 (> 10年，表10)，结果发现，不同耕作制度下长期秸秆还田均可增加土壤中有机碳、全氮、碱解氮和全钾含量，其含量NPK+S处理较NPK平均增加19.1% (SOC)、18.1% (TN)、22.6% (AN) 和5.6% (TK)，部分地区长期定位试验结果NPK+S处理土壤有效磷、全磷、速效钾和土壤pH低于NPK处理，但其平均含量NPK+S处理高于NPK处理，分别高出27.4% (AP)、6.4% (TP)、24.6% (AK) 和0.2% (pH)。因此，长期秸秆与化肥的配合施用对土壤养分含量提高和质量改善均有积极作用。

表10 长期秸秆还田对土壤肥力的影响 Table 10 Effects of long-term straw return on soil fertility
3 讨论 3.1 加强秸秆养分资源利用

中国作为农业大国，随着农业综合生产水平的持续提高，秸秆总产量总体呈不断增长趋势，1990年中国秸秆总产量不到7亿t [39]，到2000年农作物秸秆总产量达7.5亿t [167]。已有研究对中国各年份秸秆资源数量进行了估算，但结果存在一定的偏差。毕于运等[39]研究认为2005年中国秸秆资源总量估算为8.41亿t，谢光辉等[168]估算为8.42亿t，王亚静等[169]认为是6.86亿t，曹国良等[170]估算中国2005年主要农作物秸秆量为6亿t，朱建春等[171]通过估算认为是6.34亿t，汪海波等[172]计算所得的结果为7.45亿t，张培栋等[33]的研究结果为 7.29亿t；高利伟等[36]估算得出2006年全国秸秆资源总量为7.62亿t，朱建春等[171]估算为6.52亿t，崔明等[173]的研究结果为4.33亿t，谢光辉等[174]的估算结果为6.54亿t，朱建春等[171]估算结果为秸秆总量达6.98亿t；王舒娟等[175]估算2012年我国秸秆理论资源总量为8.63亿t；本研究估算2015年中国主要农作物秸秆资源量为7.19亿t。结果的差异主要由于不同研究者获取统计数据来源有差异，对作物秸秆的界定不一致导致研究对象或范围不一致，以及秸秆系数的选取问题均导致了结果的差异[172]，同时受作物生长环境、播种面积、估算精度等因素的影响，中国秸秆资源量估算结果同样存在年际差异和年内差异[21]。虽然这些研究结果存在一定差异，但均证明了中国农作物秸秆资源量巨大，具有很大的利用潜力。若需准确系统地获得可比性较强的估算结果，应对不同地区秸秆系数和养分含量进行测定分析，然后通过科学统一的估算方法得到中国秸秆资源量的最佳估算值。

农作物秸秆是农业生产中主要的产物之一，也是主要的农业废弃物，其含有丰富的氮、磷、钾大量元素以及中微量元素[1]，对其进行肥料化、能源化和饲料化等一系列资源化利用，在促进农业的可持续发展和维护生态平衡方面起到重要作用。高祥照等[176]估算2000年中国秸秆资源总量达5.54亿t，其中含N、P2O5、K2O分别为493.9万t、156.7万t、982.5万t，总养分为1633.2万t；戴志刚等[18]对2009年全国农作物秸秆总产量的估算值为6.46亿t，其中N 600.80万t、P2O5 92.56万t、K2O 940.86万t；本研究估算2015年中国主要农作物秸秆的N、P2O5、K2O养分资源总量分别达到625.6万t、197.9万t、1159.5万t。各年的气候条件的差异，作物的生物产量和养分吸收量会存在差别，秸秆养分资源量也会不同，以及随着施肥措施日益完善，作物对养分的奢侈吸收，生产技术条件的进步，更多的秸秆资源可能被收集，秸秆养分资源量可能随之增加[21]。因此，秸秆养分资源量的利用不但可以降低环境污染，同时能够实现农田化肥减施，提高秸秆养分资源利用率。

目前秸秆资源主要以工业原料、畜牧饲料、造肥还田和农村生活能源等方式被利用 (表11)。近年来，由于国家对农作物秸秆利用的补贴以及政策的引导，秸秆综合利用成效显著，2015年全国可收集秸秆资源量为9.0亿t，利用量为7.2亿t，秸秆综合利用率为80.1%。从利用途径看，秸秆作为肥料利用量为3.9亿t，占可收集资源量的43.2%；作为饲料利用量1.7亿t，占可收集资源量的18.8%；作为基料利用量为0.4亿t，占可收集资源量的4.0%；燃料量为1.0亿t，占可收集资源量的11.4%；作为原料利用量为0.2亿t，占可收集资源量的2.7%。虽然中国农作物秸秆综合利用率在提高，但秸秆养分资源可利用空间依然很大。秸秆还田作为秸秆资源利用方式，加大开发新型秸秆分解技术，将秸秆养分资源充分利用是实现化肥施用零增长行动和维持粮食稳产增产的潜在重要措施之一。

表11 中国秸秆资源利用变化 (%) Table 11 Changes in utilization of straw resources in China
3.2 加强秸秆还田关键技术研究

随着中国化肥用量的增加，厩肥、绿肥和生活有机肥量的大幅度降低，秸秆已成为培肥土壤的重要有机肥源[177–178]。秸秆种类不同，其养分含量也有差别，有研究表明油料作物和豆科作物秸秆粗蛋白及粗脂肪含量高于粮食作物[179]，过腹还田不适用于饲用价值不高的粮食作物秸秆[180]。中国秸秆还田的研究主要是北方小麦和玉米，南方主要是在水稻和小麦上。中国秸秆资源总量前三分别为长江中下游、华北和东北地区，这也是我国三大粮食作物的主产区，其资源量占到了27.9%、23.0%和19.0%，这些地区多为双季稻、稻麦轮作和冬小麦/夏玉米轮作区，作物种植茬口紧，秸秆还田量大，对机械要求较高，加速秸秆的腐解和养分释放是迫切需要解决的问题。

农田土壤中秸秆腐解伴随氮磷钾养分的释放是重要的生物地球化学过程，也是秸秆还田替代化肥养分的基础[181]。秸秆还田后总的腐解特征为前期快，后期较慢[182]，秸秆的C/N比值在一定程度上影响秸秆腐解的速度，一般认为秸秆还田后C/N比调至25～30∶1即可满足分解过程中微生物对氮素的需要[183]。秸秆的含碳量较高，其中三大粮食作物秸秆的C/N比为50～70∶1，豆科植物和油料作物C/N比较低，一般为10～20∶1 [182, 184–186]。李昌明等[181]利用寒温带–暖温带–中亚热带的黑土、潮土、红壤互置试验平台，研究了小麦、玉米秸秆在3年腐解过程中的养分释放过程和影响因素，得出秸秆中养分释放速率的大小顺序为K > P > N；秸秆中氮素和磷素在寒温带以及在红壤和潮土中表现为先富集再释放特征，在暖温带、中亚热带以及黑土中表现为直接释放特征；秸秆中钾素均表现为直接快速释放特征，腐解0.5年平均释放率达89.5%。前期气候和土壤条件主导了氮磷的释放，在腐解后期 (2～3年) 土壤生物因素可能起了主导作用。马琳等[187]研究认为玉米秸秆腐解速度比小麦秸秆快，添加氮素可加快秸秆腐解和养分的释放。戴志刚等[188]利用盆栽试验研究了水稻土水稻秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆在淹水培养下养分释放特征，结果表明，经过124天的培养，水稻秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆的累积腐解率分别为49.2%、52.2%和49.8%。秸秆中养分释放速率均表现为K > P > C > N，释放量表现为C > K > N > P，水稻秸秆、小麦秸秆、油菜秸秆的碳释放率分别为7.5%、66.6%、52.5%，氮分别为42.0%、49.3%、57.8%，磷分别为68.3%、59.9%、67.3%，钾在培养12天后释放率均达到98.0%。可见，秸秆种类、土壤、气候和植被等因素均直接或间接影响秸秆的腐解和养分的释放。

秸秆还田可为作物生长提供养分，并提高土壤有机质含量和改善土壤理化形状，其与化肥配施可提高农田养分循环利用效率及肥料利用率[189]。秸秆还田存在腐解速率慢、养分释放延迟的问题[190]。丁文成等[191]利用盆栽试验研究了小麦–玉米–玉米轮作下潮土中15N标记的玉米秸秆中氮的有效性，结果表明15N标记玉米秸秆对当季冬小麦吸收氮的贡献平均为6.2%～14.2%，其当季回收率为7.1%～10.3%；第一茬和第二茬玉米对残留秸秆氮的回收率为3.8%～5.5%和 2.3%～3.2%，种植3季后约56%～69%的15N标记玉米秸秆氮残留在土壤中，损失 17%～26%，施氮肥越多秸秆氮的损失越多。单鹤翔等[192]的盆栽试验结果指出，氮肥用量为150和300 kg/hm2时冬小麦籽粒氮素来源于成熟玉米秸秆的比例为7%～10%，玉米秸秆氮素的当季回收率达到22.8%～33.1%。Laberge等[193]的田间微区试验表明，16.5年后生长2个月的大麦仍可回收到1.7%的残留豌豆秸秆氮。秸秆养分损失率低，大部分以有机态残留在土壤中，养分在土壤中累积[194]，而化学养分易被植物吸收，损失率大[195]。因此，在秸秆长期还田下不仅需要考虑当季作物对秸秆养分的吸收，还需考虑秸秆养分的后效问题，而目前有关不同作物秸秆在不同土壤中养分有效性及其后效的相关研究较少。

秸秆还田是现代农业实践中的一项重要举措，研究表明，2/3左右秸秆还田可以有效改善土壤质量、缓解土壤养分流失、提高土壤供肥水平和土壤微生物活性[196]，相对无秸秆还田可以增产5%～30%[197–202]，同时可以减少10%～20%氮、磷、钾化肥用量，同时处理有机废弃物 6 250～22 500 kg/hm2[8]。秸秆还田后应该调整钾肥的施用时期与施用量，减少苗期基肥的施用量，增加追肥的用量，使作物整个生长期内钾素较为充裕；但是由于秸秆中氮、磷含量较低，释放速度相对较慢，秸秆还田腐解初期易产生微生物与作物竞争营养元素的现象，因此秸秆还田配施一定量的氮、磷肥是有必要的[188]。因此，在秸秆还田中需综合考虑秸秆种类、土壤、气候和植被等因素，了解秸秆养分释放规律及其有效性，以完善秸秆还田技术。

4 结论

目前中国作物秸秆数量及其养分资源量依然巨大，2015年中国主要农作物秸秆资源量为71878.53万t，其中氮 (N)、磷 (P2O5)、钾 (K2O) 养分资源总量分别达到625.6万t、197.9万t、1159.5万t，秸秆养分还田是实现化肥减施增效的有效措施，具有广阔的应用前景。三大粮食作物秸秆产量仍然是秸秆资源主要组成部分，但其碳氮比比其他作物大，不利于微生物分解，而且做饲料适口性差。因此，改善秸秆还田方式及还田量，提高秸秆养分资源利用率是急需解决的问题，以提高秸秆资源充分利用，实现化肥施用零增长和保障国家粮食安全。

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