硫包膜缓释肥运筹方式对强筋小麦氮素积累转运、产量和品质的影响

马 泉，蒋文月#，张新钵，李福建，李天兵，李春燕，丁锦峰，朱 敏，郭文善，朱新开，3*

（1．江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学小麦研究中心，江苏 扬州 225009；2．汉枫缓释肥料（江苏）有限公司，江苏 姜堰 225510；3．教育部农业与农产品安全国际合作联合实验室，江苏 扬州 225009）

小麦是我国主要的粮食作物之一，实现小麦高产高效优质生产在保障国家粮食安全中起着重要作用［1］。施用氮肥是提高小麦产量及品质的主要措施，氮肥用量和运筹对调节小麦群体结构、促进物质积累和提高产量具有重要作用［2］。根据小麦的需氮规律，通过合理施氮调控土壤氮素供应可以促进小麦植株对氮素的吸收和积累，提高营养器官氮素向籽粒的转运，并显著提高氮素利用效率，是保证小麦籽粒氮素积累和提高产量的重要栽培措施［3-4］。小麦籽粒蛋白质含量和产量既受花前贮存的碳、氮物质调控，又受开花后植株的氮积累转运能力和光合生产能力的影响［5-6］。小麦开花至成熟是氮素吸收和分配的关键时期，开花后营养器官的氮素转运是籽粒氮素积累和籽粒蛋白质形成的主要贡献因子［7］，对小麦籽粒的蛋白质质量和加工品质等均有明显的调控作用［8-9］。因此，协调小麦生育期氮素供应，是促进小麦氮素积累转运，保障小麦高产优质生产的重要途径。但在实际生产中，常规氮肥不合理的施用往往导致氮素难以被作物高效利用，易通过氨挥发、径流、淋溶和反硝化作用等多种方式损失［10-12］，不仅导致资源浪费和肥料利用率下降，还造成土壤酸化、水体富营养化和温室气体排放加剧等严重的环境污染问题［13］。

缓释肥由于具有省时省工、养分长效释放，且与作物吸收同步等特点，成为现代农业减少施肥劳动力投入、提高肥料利用率和提升作物增产潜力的重要途径之一［14］。与普通尿素相比，缓释尿素一方面能减少氮素淋失，改善土壤供氮能力，提高氮素利用率；另一方面氮素供应易符合作物需肥规律，能协调群体结构，促进物质积累，从而增加作物产量和氮素积累［15-16］。冬小麦受生育期长度和养分需求特性的限制，一次性施用缓释肥的实际效果目前还存在较大争议，缓释肥一次基施难以保证小麦全生育期的氮素养分供应，限制了小麦的增产潜力［17-18］。当前市场上推广的缓释肥养分控释期多为30～180 d，控释期较短的缓释肥养分释放难以满足小麦生长需求，而180 d以上控释期的缓释肥存在肥效不稳定和养分释放速率与小麦养分需求不匹配等局限性。根据我们前期的研究结果，控释期为90～120 d的缓释肥全量或与尿素掺混两次施用，是目前农业条件下冬小麦高产高效生产的缓释肥合理施用模式［19-20］。但相关研究主要集中在缓释肥两次施用对小麦群体动态、物质积累和产量等方面的影响，尚未分析缓释肥两次施用对强筋小麦氮素积累转运和品质的调控效应。本试验以硫包膜缓释肥和普通尿素为材料，根据节本、省工、增产、增效和提质等目标设计不同的施肥模式，研究不同施肥模式下强筋小麦的氮素积累转运、产量和蛋白质品质和加工品质等方面的差异，探讨硫包膜缓释肥在强筋小麦上增产增效优质的施肥模式及其调控机制，为硫包膜缓释肥在强筋小麦高产高效优质生产中的合理应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况与供试材料

田间试验于2019年11月～2020年5月在江苏省海安县周宝进家庭农场（32°40′N，120°33′E）进行。试验地土壤质地为砂壤土，耕层（0～20 cm）土壤有机质含量32.32 g·kg-1，全氮含量1.45 g·kg-1，碱解氮含量116.34 mg·kg-1，有效磷含量23.63 mg·kg-1，速效钾含量133.76 mg·kg-1。前茬为水稻，秸秆全量还田。供试小麦品种为强筋小麦农麦88，属春性中熟品种。供试氮肥分别为硫包膜缓释肥（SCU，N-P2O5-K2O=26-12-12，养分控释期为3～4个月，汉枫缓释肥料［江苏］有限公司生产）和普通尿素（U，N 46.3%，市场购买）。试验配施的磷、钾肥分别为过磷酸钙（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%），市场购买。

1.2 试验设计

采用单因素设计，以硫包膜缓释肥（SCU）和尿素（U）共设计6个施肥模式，模式设计及施肥方案详见表1。另设不施氮空白用以计算氮效率。CK和M1～M3模 式 中 氮 用 量 为270 kg·hm-2，M4和M5模式氮用量229.5 kg·hm-2。各模式下磷（P2O5）、钾（K2O）肥用量均为124.6 kg·hm-2，除硫包膜缓释肥中所含磷、钾外，不足部分采用过磷酸钙和氯化钾补至同一水平，全部基施。2019年11月2日播种，机条播，行距25 cm，播种量统一为150 kg·hm-2，基本苗为240×104株·hm-2，生育期田间管理按当地高产大田进行，每个处理面积1000 m2。

表1 施肥模式设计及氮肥用量

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成

小麦成熟期每个处理连续取50穗，计数每穗粒数；选取3个长势均匀的1 m2样方，计数穗数并人工收割脱粒，自然晾晒后称重计产；在测产的籽粒中计数测定千粒重，以含水率13%折算小麦产量和千粒重。

1.3.2 氮素积累和转运

小麦开花期和成熟期每个处理分别取代表性植株20株，分器官置于烘箱105℃杀青1 h，80℃烘干至恒重，测定干物质积累量；采用凯氏定氮法测定各器官氮含量，并计算植株地上部氮素积累转运相关指标［21］以及氮效率相关指标［22］。

花后氮素转运量（kg·hm-2）=开花期营养器官氮素积累量-成熟期营养器官氮素积累量

花后氮素转运率（%）=花后氮素转运量/开花期植株氮素积累量×100

花后转运氮贡献率（%）=花后氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100

花后氮素积累量（kg·hm-2）=成熟期植株氮素积累量-开花期植株氮素积累量

花后积累氮贡献率（%）=花后植株氮素积累量/成熟期籽粒氮素积累量×100

氮肥表观利用率（%）=（施氮区地上部氮积累量-不施氮区地上部氮积累量）/施氮量×100

氮肥农学利用率（kg·kg-1）=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量

氮肥生理利用率（kg·kg-1）=（施氮区产量-不施氮区产量）/（施氮区地上部氮积累量-不施氮区地上部氮积累量）

1.3.3 品质指标

籽粒收获后采用HGT01000型容重仪测定籽粒容重；采用JYDB100X40硬度仪测定籽粒的硬度；采用Quadrumat Junior磨粉机磨粉并计算出粉率；采用凯氏定氮法测定籽粒全氮含量，按系数5.7折算蛋白质含量；采用JJJM54S型面筋测定仪测定籽粒湿面筋含量；采用SDS常量法测定籽粒沉降值；采用Farino Graph-E型粉质仪测定面团粉质指标；采用Brabender 86003302型拉伸仪测定小麦拉伸特性。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2010进行数据整理和绘图；采用DPS 7.05进行统计分析，检验处理间的差异显著性（P＜0.05）；采用Origin 2021进行相关性检验并作图。

2 结果与分析

2.1 缓释肥不同施肥模式下小麦产量差异分析

由表2可以看出，施肥模式对小麦产量及构成均有显著或极显著的影响，以M3模式增产幅度最大。不同模式比较，M1模式下产量最低，与CK相比降幅达7.10%；M2和M3模式采用两次施肥方式，与CK相比均实现增产，增幅分别为3.22%和7.01%；在2个减氮模式中，M4模式较CK减产3.15%，M5模式增产2.44%。与CK相比，M2、M3和M5模式均提高了小麦穗数，但差异未达显著水平；M1模式下小麦穗数和千粒重均最低，但每穗粒数最高；与CK相比，M3模式在穗数和千粒重方面表现优势，且每穗粒数无显著差异；2个减氮处理M4和M5模式下穗数和千粒重均高于M1模式，但每穗粒数最低，与M1模式差异显著。

表2 缓释肥施肥模式对小麦籽粒产量的影响

相关分析表明，穗数和千粒重与产量均呈极显著正相关关系，每穗粒数与产量呈负相关关系，但未达显著水平（表3）。通径分析表明，本试验条件下，穗数、每穗粒数和千粒重对产量的直接通径系数分别为0.552、0.090和0.491，间接通径系数分别为0.405、-0.314和0.483，表明在不同施肥模式下，穗数和千粒重是产量形成的主要贡献因子。

表3 缓释肥不同施肥模式下小麦产量及其构成因素的通径分析

2.2 缓释肥不同施肥模式下小麦氮素积累和转运差异分析

由图1可以看出，M2和M3模式成熟期地上部氮素积累量显著高于CK，增幅分别为7.03%和10.62%；M1模式成熟期地上部氮素积累量和CK相比降低了3.10%，但差异不显著；2个减氮处理M4和M5模式的成熟期地上部氮素积累量与CK也无显著差异。M2和M3模式的籽粒氮素积累量呈最高水平，并显著高于其它模式；CK、M1、M4、M5模式之间籽粒氮素积累量无显著差异。

图1 缓释肥施肥模式对小麦成熟期植株地上部和籽粒氮素积累量的影响

CK花后氮素转运量和转运率均最高，但与M1、M2和M3模式差异未达显著。M2和M3模式花后氮素积累量显著高于CK和M1模式，并显著提高花后氮素累积对籽粒的贡献率，其中M3模式贡献率最高，为33.49%。2个减氮处理M4和M5模式的花后氮素转运量及其对籽粒的贡献率（M4与CK差异未达到显著水平外）显著低于CK，花后氮素积累量与对应的未减氮模式相比呈下降趋势，但显著高于CK，对籽粒的贡献率也显著提高（表4）。

表4 缓释肥施肥模式对小麦氮素积累及转运特征的影响

2.3 缓释肥不同施肥模式下小麦氮效率差异分析

不同施肥模式极显著地影响小麦氮肥表观利用率（表5），其中M1模式氮肥表观利用率最低，但与CK无显著差异；M2和M3模式氮肥表观利用率显著高于CK和M1模式，与CK相比分别增加5.67和8.56个百分点；减氮15%条件下M4和M5模式氮肥表观利用率和对应的未减氮模式相比均呈上升趋势，但差异未达显著水平，与CK相比分别增加8.15和10.74个百分点，差异均达显著水平。M1模式的氮肥农学利用率和生理利用率均最低，但与CK差异未达显著水平；M2、M3和M5模式的氮肥农学利用率和生理利用率均显著高于M1模式；M4模式氮肥农学利用率表现出高于CK的趋势，但氮肥生理利用率显著低于CK。

表5 缓释肥施肥模式对小麦氮效率的影响

2.4 缓释肥不同施肥模式下小麦品质指标差异分析

施肥模式对所有测定的品质指标的影响均达显著或极显著水平（表6）。在蛋白质质量方面，CK的蛋白质含量和湿面筋含量均最高，但与M3模式无显著差异；M1模式下蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值均呈最低水平；减氮处理M5模式的蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值均低于CK，但显著高于M1模式。在加工品质指标方面，CK和M3模式下的吸水率（除CK小于M2外）、面团形成时间、稳定时间、拉伸面积、延展性和最大拉伸阻力均呈最高水平，且相互之间无显著差异；M2模式面团形成时间、稳定时间和拉伸面积与M3模式无显著差异，但延展性和最大拉伸阻力显著低于M3模式；M1模式除拉伸面积和弱化度外，其余各项加工品质指标均表现出最低水平。在磨粉品质方面，与M1模式相比，CK与M3模式降低了小麦容重和硬度，但显著提高了小麦出粉率；M4和M5模式与对应未减氮模式相比硬度呈上升趋势，但容重和出粉率呈下降趋势，且出粉率差异显著。

表6 缓释肥施肥模式对小麦品质指标的影响

小麦品质指标的相关性分析表明，蛋白质含量与8项指标（湿面筋含量、沉降值、面团形成时间、稳定时间、延展性、最大拉伸阻力、弱化度和硬度）呈显著或极显著相关关系（图2）；湿面筋含量与10项指标（蛋白质含量、沉降值、吸水率、面团形成时间、稳定时间、延展性、最大拉伸阻力、弱化度、硬度和出粉率）呈显著或极显著相关关系；面团稳定时间与10项指标（蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、吸水率、面团形成时间、拉伸面积、延展性、最大拉伸阻力、弱化度和硬度）呈显著或极显著相关关系；所有品质指标中，只有容重与蛋白质含量、湿面筋含量和面团稳定时间无显著相关性，且变异系数（1.07%）较小，受施肥模式的调控较弱。以上表明，蛋白质含量、湿面筋含量和面团稳定时间作为强筋小麦的主要品质指标，可以作为衡量缓释肥施肥模式下小麦品质的综合评价指标。

图2 缓释肥不同施肥模式下小麦品质指标的相关性分析

3 讨论

3.1 缓释肥施肥模式对强筋小麦氮素积累转运的调控

在小麦生长发育过程中，适量施氮是实现高产高效的重要保障，合理的氮肥运筹有利于协调小麦各时期的氮素吸收，增加小麦的氮素积累和籽粒产量［23］。李欣欣等［24］指出，施氮可增强小麦的吸氮强度，增加植株氮素转运量，但氮素转运效率以及转运氮素对籽粒氮的贡献率随施氮量的增加呈下降的趋势，且氮肥利用率随施氮量增加而递减。花后营养器官氮素的转移对籽粒产量和蛋白质含量有显著的调控效应［25］。氮肥适度后移，有利于增加植株开花期和成熟期氮含量、花后氮素转运量和花后氮素积累量，促进营养器官氮素向籽粒的转运和花后积累氮素对籽粒氮素的贡献，提高氮肥的吸收与利用［9］。与单施尿素相比，施用缓释尿素可协调作物生育前后期氮素供应，增加植株地上部氮素积累量和籽粒氮素积累量［14］。缓释肥两次施用，通过氮素适当后移，促进了小麦花后氮素积累和转运，从而提高成熟期氮素积累和氮素收获指数［20］。本研究中，基施缓释肥+追施缓释肥或尿素的两次施肥模式与对照相比，由于花后氮素供应充足，促进了强筋小麦花后氮素积累，显著提高了花后累积氮素对籽粒的贡献率，成熟期地上部和籽粒氮素积累量也显著提升；花后氮素转运量和转运率较对照呈降低的趋势，但差异未达显著水平。2个减氮15%的模式（M4和M5）与未减氮模式相比，地上部氮素积累量和籽粒氮素积累量呈下降趋势，但与对照无显著差异。缓释肥一次基施模式与基施缓释肥+追施缓释肥或尿素的两次施肥模式相比，花后氮素转运量和转运率无显著差异，但由于后期氮素供应不足，花后氮素积累量显著下降，花后累积氮素对籽粒的贡献率显著下降，仅为22.34%。

氮肥表观利用率和农学利用率是反映作物对土壤中肥料吸收与利用效应的重要指标，氮肥用量及运筹对肥料利用率均有显著影响［14］。缓释肥由于氮素缓慢释放，大大减少了土壤中的氨挥发和氮素淋溶损失，保证了作物生育期内的土壤氮素供应，从而促进了作物对氮素的吸收利用［26］。冯爱青等［27］研究认为，与普通尿素相比，包膜尿素一方面增加了土壤无机氮含量，减少了氮素损失，另一方面提高了土壤酶活性，改善土壤生物化学环境，促进了小麦的养分吸收能力，从而实现产量和肥料利用率的提升。本研究表明，基施缓释肥+追施缓释肥或尿素的两次施肥模式，氮肥表观利用率和农学利用率均显著高于对照和缓释肥一次基施模式，表明2次施肥模式有利于协调小麦生育前后期的氮素供应，在保障花后氮素转运的同时促进花后氮素积累，有利于延缓小麦后期衰老，提高籽粒产量、籽粒氮素积累和氮肥利用率［28-29］。

3.2 缓释肥施肥模式对强筋小麦产量和品质的调控

氮肥的合理供应是协调单位面积穗数、每穗粒数和粒重之间关系，实现增产增收的重要途径。小麦生育前期，充足的氮素有利于形成壮苗，促进分蘖发生；小麦拔节期，氮素供应促进分蘖成穗，提高小穗分化强度，增加穗粒数；小麦生育中后期，维持一定的氮素水平有利于延缓植株衰老，增加光合产物积累，促进粒重增长［3］。马富亮等［30］认为，包膜尿素基施和普通尿素相比，能有效控制氮素释放，促进小麦生长发育，同时单位面积穗数、每穗粒数和千粒重均有不同程度地提升。也有研究指出，缓释氮肥与尿素掺混两次施用，有利于氮素释放后移，满足小麦生育中后期氮素需求，促进小麦的氮素吸收和积累，显著提高小麦成穗数，较尿素分施可增产10%以上［14］。本研究表明，穗数和粒重与产量均极显著相关，是籽粒产量的主要贡献因子。缓释肥一次基施不利于穗数和千粒重的形成，导致产量显著低于对照；缓释肥两次施用模式通过增加穗数和千粒重获得增产，较对照增产7.01%。缓释肥一次基施在前期养分供应充足，但生育中后期存在养分缺乏情况，影响分蘖成穗和后期籽粒灌浆，而缓释肥两次施用有利于协调生育前后期氮素需求矛盾，实现穗数和粒重的协同提升，证实了前人［19-20］的研究结论。本研究还表明，2个减氮模式的产量和对照无显著差异，均实现基本稳产，其中减氮15%条件下缓释肥采用基施60%N+返青期追施40%N的模式有明显的减氮增效优势，其生态效应可能更加明显，也是生产中可以采用的一种施肥模式。

小麦生育期内的氮素供应不仅影响籽粒产量的形成，对小麦蛋白质质量和加工品质均有显著的调控效应［8］。高振贤等［31］研究指出，籽粒氮素含量是决定蛋白质产量的物质基础，氮素供应不足，会延长营养物质在植株内部运转的时间，造成蛋白质含量下降。追氮比例和追氮时期是调控籽粒氮素浓度，影响强筋小麦蛋白质含量和湿面筋含量的重要途径［9］。朱新开等［32］认为，适当增加氮肥用量和氮肥后移可明显改善不同类型专用小麦的加工品质，提高其面团形成时间和稳定时间，降低弱化度。杨兵兵等［33］研究认为，在施氮0～300 kg·hm-2范围内，小麦面粉面团的形成时间和稳定时间随施氮量减少呈下降趋势；而聂胜委等［34］认为，氮肥减量10%～20%施用，小麦湿面筋含量、面团形成时间和稳定时间等指标略有下降，但对品质影响较小；减氮30%后，各项品质指标显著下降。本研究结果表明，对照处理由于孕穗期追施尿素，有利于植株中后期的氮素吸收与转运，蛋白质含量、湿面筋含量和沉降值均呈最高水平；缓释肥两次施用模式由于后期氮素供应相对也比较充足，在促进籽粒氮素积累增加的同时也改善了籽粒蛋白质质量，蛋白质含量和湿面筋含量均与对照无显著差异。缓释肥2次施用模式与对照的吸水率、面团形成时间、稳定时间、拉伸面积、延展性和最大拉伸阻力均呈最高水平且互相无显著差异，与缓释肥一次基施相比显著降低了容重和硬度，提高了出粉率，表明这2种施肥方式均有利于强筋小麦加工品质和磨粉品质的提升。缓释肥减氮15%两次施用模式的籽粒蛋白质质量和加工品质各项指标中除弱化度外，其它指标和对应的未减氮模式相比均呈下降趋势，但均优于缓释肥一次基施模式，表明缓释肥减氮15%两次施用，强筋小麦在获得稳产的同时在一定程度上能保持品质的基本稳定。赵广才等［35］认为，强筋小麦的品质指标对氮素调节具有显著的响应，并提出在小麦品质指标检测中，为节省人力物力，应挑选相关性强的指标进行检测，如蛋白质含量、面团稳定时间等主要品质指标。本研究观点与之一致，认为在众多品质指标中，蛋白质含量、湿面筋含量、面团稳定时间与其它指标有密切的相关性，可以作为缓释肥施用模式下强筋小麦品质的综合评价指标。

4 结论

缓释肥不同运筹的氮素供应对强筋小麦的氮素积累转运、产量和品质均有显著的调控效应。（1）缓释肥一次基施由于后期氮素供应不足，粒重和产量均呈最低水平，且不利于蛋白质品质和加工品质的形成。（2）硫包膜缓释肥60%N基施+40%N返青期追施的模式，在保障花后氮素转运量和转运率的同时，增加花后氮素积累及其贡献率，促进氮效率和产量的提升，同时维持较高的籽粒蛋白质含量和湿面筋含量，且面团形成时间、稳定时间和延展性等加工品质与尿素4次分施相比均未显著下降，是强筋小麦省工、高产、高效、优质的施肥方式；且在减氮15%条件下和缓释肥一次基施相比，仍具有产量和品质的优势。（3）60%N硫包膜缓释肥基施+40%N尿素拔节期追施的模式，和尿素4次施用相比增产了3.22%，氮肥表观利用率提升了8.56%，虽然品质指标有所下降，但和全量缓释肥两次施用相比，协调了肥料成本和产量之间的矛盾，可提高农民对肥料成本的接受程度，在生产上也有一定的推广价值。