作物秸秆是一种重要的生物资源，据估算，中国每年的秸秆资源总量已达8×108 t左右，秸秆中富含多种营养元素，仅2006年中国作物秸秆中N、P和K养分含量就分别达776×104、249×104 t和1 342×104 t^{[1, 2]}。秸秆还田具有归还N、P、K等养分，部分替代化肥用量，改善土壤理化性状，提高农田养分的利用效率，增加作物产量等诸多作用^{[3, 4, 5, 6, 7, 8]}，掌握秸秆还田量及其养分归还量对于作物养分管理具有重要意义。作物秸秆养分含量受作物类型、区域生态特点以及施肥习惯等多种因素的影响，大豆秸中N含量可达13~19 g·kg^-1，稻、麦及玉米三大作物秸秆N含量一般在5.0~10.2 g·kg^-1，小麦秸秆P与K含量分别为0.4~2.9 g·kg^-1和6.0~22.3 g·kg^-1，玉米秸秆P与K含量分别为2.1~4.0 g·kg^-1和9.0~22.8 g·kg^-1，水稻秸秆P与K含量分别为1.0~4.0 g·kg^-1和8.5~36.1 g·kg^{-1 [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]}。上述研究仅显示了某种作物秸秆总体的平均养分含量，且同一作物不同地区的研究者得出的结果相差较大。作物秸秆中不同器官或不同层次的干物质积累与养分含量也有明显不同，王丽芳等^[16]研究表明，大穗型小麦成熟期秸秆氮在不同器官的分配比例为穗草（穗轴+颖壳）占29.5%，茎鞘占45%，旗叶和倒2叶占20%，余叶占5.5%。李雁鸣等^[17]研究显示，小麦成熟时秸秆中N含量以叶片与穗轴颖壳最高，P含量以叶片中为最高，而K含量则以叶鞘与茎秆为最高。有研究认为小麦不同层次的秸秆干物质量占秸秆总量的比例也有明显的梯度^[18]，同时作物体内的养分还存在冠层分布不均的现象，其中氮素含量表现为从冠层上部向下部逐渐减少，有明显的垂直梯度^{[19, 20]}。

作物的叶、茎、鞘及其养分是非均匀地分布在植株整个空间，因而收割时残茬干物质及其养分必然与留茬高度呈非线性关系。另外由于作物秸秆过量还田或处理不当，往往给后茬作物生长带来负面影响^{[21, 22, 23, 24, 25]}，生产上许多地区在收割时通过控制不同留茬高度实现秸秆残茬还田，其他部分秸秆收集后作为其他用途。因此留茬高度决定了秸秆还田量，也同时决定了秸秆养分的归还状况，但单纯通过秸秆还田量还难以对生产上不同留茬高度下秸秆养分还田量进行较好的估算。目前通过模拟不同留茬高度研究相应秸秆还田比例有所报道^[26]，但对相应还田秸秆的养分归还量的研究却鲜见报道。本文通过对江苏省小麦穗轴颖壳和整株秸秆进行分层测定其干物质量与养分含量，为科学评估江苏省不同留茬高度条件下秸秆还田量及其养分归还量提供依据，同时对于指导后茬作物乃至隔茬作物的精量施肥、减少养分流失风险以及稳定并提高作物产量也具有重要的意义。

试验于2013年5月底6月初分别在江苏省淮南麦区（高邮市、姜堰市、扬中市和金坛市）和淮北麦区（东海县、宿城区、铜山区、新沂市、淮阴区）采集当地代表性小麦品种，淮南麦区采集宁麦13、宁麦17、扬麦18、扬辐麦4号、镇麦9号、镇麦10号、生选6号、苏麦188、华麦5号等9个春性品种，淮北麦区采集淮麦20、淮麦26、淮麦28、徐麦30、徐麦31、连麦6号、明麦1号、华麦4号、苏徐1号、保麦2号、保麦1018、济麦22、烟农19、周麦21、周麦26、鲁原502等16个半冬性品种。

试验材料来源于当地稻麦科技综合展示基地品种展示区，每个小麦品种随机选择1个田块，每个田块面积不少于0.33 hm²。每个品种采集15个样点。

在小麦收割前2~3 d取样，利用“S”型取样法每个品种在田间随机取5个点，每点取样面积为1 m²，将小麦连根挖起。取样后将小麦植株根部冲洗干净，然后剪去根部，并剪下穗部，单独置入尼龙网袋。使用铡刀从小麦植株基部向上依次截取4段长度为5 cm的秸秆，剩余部分为第5段（以下分别用0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm、15~20 cm和>20 cm表示5段秸秆），分别装入尼龙网袋并移入实验室，60 ℃烘干至恒质量，再对样品进行称重。对穗部进行进一步脱粒，分别称量籽粒和穗轴颖壳质量。以此计算不同留茬高度秸秆还田比例。

基于种植面积、田间施肥策略及其他管理措施基本一致的原则，选择3个代表性春性品种（宁麦13、扬麦18和扬辐麦4号）和3个代表性半冬性品种（淮麦20、徐麦30和济麦22）分别测定不同部位（0~5、5~10、10~15、15~20、>20 cm和穗轴颖壳）秸秆的氮（N）、磷（P₂O₅）、钾（K₂O）的养分含量。混匀后粉碎，过2 mm筛备用。植株样品用H₂SO₄-H₂O₂消解后，氮含量采用半微量凯氏定氮法测定，磷含量用钼锑抗比色法测定，钾含量用火焰光度计法测定^[27]。

本文中计算江苏省2013年各地区小麦秸秆养分归还量时，各地区小麦籽粒总产来源于《江苏省农村统计年鉴》（2014）^[28]，半冬性小麦草谷比按1.38，春性小麦草谷比按1.07计算^[29]。其中徐州、连云港、宿迁为半冬性小麦种植区，扬州、泰州、南通、南京、镇江、常州、无锡、苏州为春性小麦种植区，淮安市与盐城市都属于沿淮区，该区淮河以北以半冬性小麦为主，淮河以南以春性品种为主，本研究将两市半冬性小麦与春性小麦产量大体各占本市小麦总产的一半进行计算，其中淮安（1）为半冬性品种，淮安（2）为春性品种，盐城（1）为半冬性品种，盐城（2）为春性品种。

文中小麦秸秆指除根系和籽粒外的小麦植株剩余部分，包括小麦的茎、鞘、叶片和穗轴颖壳；小麦籽粒与秸秆均烘干至恒重，计算不同部位秸秆干质量占秸秆总干质量的比例，以秸秆干基测定秸秆相关养分含量。秸秆全量还田指小麦机械收获时，不管留茬高度多少，秸秆都粉碎还田，凡注明留茬高度时，秸秆除了留茬部分与穗轴颖壳还田外，其他部分秸秆都作为收集他用考虑。

采用Excel 2003对原始数据按重复次数进行算术平均，同时求算各处理的标准差。采用SPSS 20软件进行处理间差异显著性分析。

明确小麦秸秆垂直空间分布规律对于较为准确地估算不同留茬高度下小麦秸秆还田量是十分必要的。表 1显示，两种生态类型小麦品种同一部位秸秆量占自身植株秸秆总量的比例存在显著差异，在由基部向上的4个区间段（0~5、5~10、10~15 cm和15~20 cm）半冬性品种都显著高于春性品种，而在20 cm以上部位则相反，两类品种的穗轴颖壳占秸秆量的比例没有显著差异。该结果表明，在田间联合收割机作业条件下，如果考虑秸秆收集打捆作为他用，残茬和小麦穗轴颖壳一般都被当成还田秸秆，那么在留茬高度分别为5、10、15 cm和20 cm时，春性小麦秸秆还田比例将依次为30.8%、38.4%、45.5%和52.5%，半冬性小麦秸秆还田比例将依次为31.2%、39.5%、47.3%和54.9%。无论春性品种还是半冬性品种，留茬高度达20 cm时，秸秆还田量都将超过秸秆总量的一半。

表 1 不同类型小麦品种秸秆垂直分布比例 Table 1 Straw proportion of differernt parts of plant in different ecological wheat varieties

表选项

对2种类型小麦秸秆养分的分层测试结果显示（图 1），在同一空间层次上，春性品种的秸秆N与P含量高于半冬性品种（除穗轴颖壳部位P含量表现为半冬性品种略高于春性品种外），而秸秆K含量低于半冬性品种，2种类型小麦品种不同部位秸秆的养分含量都有一定的规律性。

图 1 2种类型小麦秸秆不同部位N、P、K含量变化 Figure 1 The changes in nutrient contents of N, P and K at different layers of two eco-types wheat straw

图选项

春性小麦品种秸秆N与P含量都呈现出从基部向顶部依次递减的趋势，而秸秆K含量则表现为从基部向顶部依次增加的趋势。0~15 cm秸秆N与P含量显著高于20 cm以上部位的秸秆（含穗轴与颖壳），而秸秆K含量表现为0~15 cm部位显著低于20 cm以上部位（含穗轴与颖壳），15~20 cm秸秆大体相当于一个过渡层次。

半冬性小麦品种秸秆养分含量的变化与春性品种略有不同。从基部向上秸秆N含量在各部位秸秆间未表现出显著差异，基部略高于其他各部位；秸秆P含量从基部向上呈“U”型变化，其中秸秆P含量在0~5 cm与穗轴颖壳两个部位间没有差异，但两者显著高于秸秆其他部位，表现为两端高而中间低的特征。秸秆K含量从基部往上依次增加的趋势，且0~5 cm部位秸秆K含量显著低于其他部位秸秆。

表 2 显示，春性小麦整株秸秆（全量还田）N、P、K含量平均依次为6.21、0.68 g·kg^-1和15.28 g·kg^-1，而半冬性小麦整株秸秆N、P、K含量平均依次为7.87、0.91 g·kg^-1和12.43 g·kg^-1。假设小麦秸秆除留茬与穗轴颖壳还田外，其余秸秆将被收集离田作为他用，则在当机械收割时留茬高度相同（或秸秆全量还田）时，春性品种每单位还田秸秆量所归还的N、P量都低于于半冬性品种，而秸秆K归还量则高于半冬性品种。这就表明，在留茬10~20 cm且秸秆还田量大致相同的情况下，半冬性品种小麦种植区与春性品种小麦种植区相比，秸秆N归还量要高23.4%~26.9%，秸秆P归还量则要高16.7%~30.8%，秸秆K归还量要低20.4%~25.9%。因此在两种类型小麦种植区后茬作物施肥策略上应有所不同。

表 2 不同留茬高度下还田秸秆养分累积归还量 Table 2 Nutrient-returning amount of wheat straw with different stubble heights

(g·kg-1)

表选项

由表 3可以看出，江苏省2013年小麦秸秆总量（干质量）为1 427.3×10⁴ t，苏南各市皆不足40×10⁴ t，苏北以徐州和盐城最高，都超过了200×10⁴ t。江苏省麦秸N、P与K总量分别为10.20×10⁴、1.16×10⁴ t和19.52×10⁴ t ，各地区麦秸养分总量高低与麦秸总量高低分布一致。如果收割时留茬高度为15 cm，其他秸秆收集离田，考虑到机械收割条件下小麦穗轴与颖壳难以收集性，结合单位质量小麦秸秆还田其养分归还量（表 3），则江苏省小麦秸秆N、P和K养分归还农田总量将分别为4.90×10⁴、0.56×10⁴、8.47×10⁴ t。可见，江苏省不但小麦秸秆资源量较丰富，其蕴含的N、P和K养分也很可观。

表 3 江苏省小麦秸秆不同还田方式秸秆养分归还量（2013 年） Table 3 Nutrient-returning amount of wheat straw relative to straw-returning pattern(year 2013)

表选项

作物养分在植株体内的分配格局受作物生长驱动，同时也是对外界环境条件的一种适应^[30]。许多研究显示，作物冠层生物量和养分含量具有一定的垂直分布梯度，并受到作物品种、肥水条件、密度、生育时期等因素的较大影响^{[31, 32, 33, 34, 35]}。李迪秦等^[36]研究显示，水稻群体各个高度层干物质积累量呈自下而上逐渐降低的趋势，这与本文秸秆干质量的分布比例特征相一致。但石祖梁等^[18]对春性小麦宁麦9号的研究却显示，从基部往上0~15、15~30、30~45 cm，45 cm以上以及穗轴颖壳5个层次的秸秆干物质量分别占秸秆总量的比例依次为12.4%、16.9%、21.0%、26.2%和23.5%，表现为由下而上逐步增加的趋势。本研究中半冬性与春性小麦品种在基部向上20 cm的较短区间内，秸秆干物质量呈现出由下往上逐步减少的趋势，可能与研究所涉的秸秆层次不同有关。

作物不同器官养分积累状况不同^{[16, 17]}，分布在植株不同部位的相同器官，其养分含量也有所不同^{[18, 31]}。有研究显示，叶片氮素含量在作物冠层具有显著的分布梯度，表现为自上而下逐步递减^{[18, 19, 31]}，而关于磷素与钾素在作物垂直空间上的分布特征鲜见报道。由于作物秸秆养分分布的不均衡性，因此难以估算不同留茬高度下秸秆养分还田量。本文采用了“分层切段法”，即根据生产上作物机械收获可能的留茬高度，把作物植株分成若干个高度层次，测定各个层次上的N、P、K养分含量，获得不同留茬高度下秸秆的可能还田量及其不同养分归还量。结果显示，春性小麦品种秸秆N与P含量均表现出从冠层向下递增的趋势，半冬性小麦秸秆N含量在各层次间变化比较平缓，而秸秆P含量表现为从冠层往下呈“U”型变化特征，2种类型小麦秸秆K含量都表现为由冠层往下逐步减少的趋势。钾在秸秆内形成的垂直梯度可能主要与生育后期大量钾素通过韧皮部由地上部向根部回流，同时通过根系“外排”有关^[37]。总之，作物秸秆养分还田量随着留茬高度增加而增加，以K归还量最多，N次之，P最少。

《江苏省农作物秸秆综合利用规划（2010—2015年）》（苏政办发^[2009]133号）显示，江苏省小麦秸秆量为1 015.6×104 t，也有文献认为1 367.5×104 t ^[38]。本研究认为江苏省2013年小麦秸秆总量（干物质）有1 427.3×104 t，比以往的估算量要多。这可能与近年来小麦产量的逐步提高以及种植面积也有所增加有关。按照文献[39]的数据，麦秸中N、P和K含量分别按照6.5、1.8、12.6 g·kg^-1进行估算，江苏省小麦秸秆资源N、P和K养分总量分别为9.28×104、2.57×104、17.98×104 t，而本研究将江苏省小麦分为半冬性与春性2类品种，其秸秆N、P和K含量并不一致，其中P平均含量都不到传统测量值一半，从而导致对全省秸秆养分总量的估算存在较大差异。本研究表明江苏省小麦秸秆N、P和K总量分别为10.20×104、1.16×104 t和19.52×104 t，分别比传统估算值高9.9%、低54.9%、高8.6%，尤以秸秆P总量的估算差别最大，可能与品种类型、栽培管理措施及检测方法等多方面因素不同有关。

对秸秆养分还田量的估算，以往多以秸秆平均养分含量乘以秸秆还田量得到，由于秸秆养分存在分层现象，这种估算显然不够科学。本研究的分层切段养分测定法可以较好地解决不同留茬高度下秸秆养分归还量估算问题。

关于还田秸秆养分释放规律有较多的研究^{[6, 12, 13, 40]}，但对该养分去向研究的报道并不多见^[41]，加强该方面研究对于秸秆全量还田后优化施肥、减少养分流失风险以及促进土壤可持续生产能力提高等都具有重要意义。

（1）在相同空间层次上，春性品种秸秆的N与P含量高于半冬性品种，而秸秆的K含量低于半冬性品种；春性小麦品种秸秆N与P含量都呈现出从基部向顶部依次递减的趋势，半冬性小麦品种各个层次秸秆N含量变化比较平缓，P含量呈两端高中间低的“U”型变化特征，2类品种秸秆K含量都表现为从基部向顶部依次增加的趋势。

（2）在留茬10～20 cm且秸秆还田量大致相同的情况下，半冬性品种秸秆N与P归还量明显高于春性品种，而秸秆K归还量明显低于春性品种。因此，江苏省不同地区麦秸还田后作物养分管理策略应有所不同。

（3）江苏省小麦秸秆N、P、K总量分别为10.20×10⁴、1.16×10⁴ t和19.52×10⁴ t，在留茬高度为15 cm时，小麦秸秆N、P、K养分大田归还量分别为4.90×10⁴、0.56×10⁴ t和8.47×10⁴ t。