硫包膜尿素施用模式对稻茬冬小麦产量、氮肥利用率和效益的影响

马 泉 王梦尧 孙 全 李春燕 丁锦峰 朱 敏 郭文善 朱新开

(1扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/扬州大学小麦研究中心，江苏 扬州 225009；2粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏 扬州 225009)

在农业生产过程中，获得高产从而获得高效益是农民种植农作物的最主要动力，而产量潜力一方面受品种特性的影响，另一方面栽培措施尤其是氮肥的施用也是影响产量的最重要因素之一[1-2]。在过去几十年，氮肥尤其是尿素对作物产量的提升贡献巨大，但在尿素大量使用的同时，单位肥料增产率却随尿素用量的增加而下降，并造成了巨大的资源浪费和环境污染等问题[3-4]。如何在合理施用氮肥以获得高产和高效益的同时提高肥料利用率、减少氮素损失成为当前农业发展待解决的问题。缓控释肥料的发展和应用为减少农业氮素投入、提高氮肥利用率提供了思路，因其长效稳定的肥效、较好的增产效应、省时省工和减少环境污染等特点，已逐渐成为未来农业肥料发展的重要趋势[5-6]。硫包膜缓释肥因其成熟的制备工艺和较好的缓释效果，已成为当前国外市场应用最广泛的缓释肥料，而且硫元素本身也是重要的作物营养元素，其缓释材料实现了对环境负担的最小化，值得在我国大面积推广应用[7-8]。冬小麦是我国主要的粮食作物之一，研究硫包膜缓释肥在冬小麦上的应用效果对于推动硫包膜缓释肥的广泛应用、促进冬小麦种植增产增效、简化种植和耕作方式等方面都具有重要意义。

理想的硫包膜缓释肥可根据作物对养分的需求控制其养分释放模式，使养分释放与作物养分吸收基本同步，从而减少氮素损失，提高肥料利用率[9-10]。当前市场上推广应用的硫包膜缓释肥的养分控释期普遍在3 个月左右，氮素累积释放曲线呈倒“L”型，氮素释放率呈逐渐下降的趋势[10]，该养分释放特性可以使小麦生长过程避免树脂包膜缓释肥前期养分难释放以及脲醛缓释肥前期养分释放过快、后期供应不足等问题。硫包膜缓释肥一次基施在水稻和玉米等作物上的应用效果显著[7，11]，在冬小麦上的应用研究表明可获得稳产或小幅增产[12]，但由于冬小麦的生育期普遍在200 d 以上，且小麦在拔节至孕穗期对氮素营养的需求最为旺盛，缓释肥一次基施在生育前期能较好地供应养分需求，生育后期却不能保证养分的供应，难以实现最大化的增产效果[13-14]；且研究认为，在返青期追施包膜控释尿素，相比于一次基施有利于减少氮素向土壤下层移动，显著提高产量构成因素从而实现增产[15]。其次，昂贵的肥料成本农民普遍难以接受，增产和省工的效应能否弥补肥料成本的增加也是影响缓释肥大面积推广的重要因素。目前有研究以部分尿素和不同类型缓释肥配施[14，16-17]，以在保证肥效的同时尽可能降低肥料成本，但有关尿素和硫包膜缓释肥配合两次施用效果的研究还较少，能否获得产量和效益的最大化还值得进一步研究。本研究针对目前生产上存在的问题，以硫包膜尿素和普通尿素不同的肥料配比和施肥次数设计不同的施肥模式，研究等施氮量、不同施肥模式下小麦群体质量、产量构成因素、经济效益和氮肥利用率等方面的差异，探讨硫包膜尿素在冬小麦上的合理施肥模式及其增产增效机制，以期为硫包膜尿素在冬小麦高产高效栽培中的合理应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

田间小区试验于2017—2019年在扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室试验场进行。前茬作物为水稻，土质为沙壤土，2017—2018年小麦播种前耕层土壤有机质含量14.1 g·kg-1，碱解氮含量65.5 mg·kg-1，有效磷含量42.3 mg·kg-1，速效钾含量112.8 mg·kg-1；2018—2019年小麦播种前耕层土壤有机质含量14.2 g·kg-1，碱解氮含量74.2 mg·kg-1，有效磷含量47.6 mg·kg-1，速效钾含量102.0 mg·kg-1。供试氮肥品种为硫包膜尿素(SCU)和普通尿素(U)，其中硫包膜尿素含氮量35%，缓释期90～120 d，由汉枫缓释肥料(江苏) 有限公司提供；普通尿素含氮量46.3%。供试小麦品种为春性小麦扬麦23，由江苏里下河地区农业科学研究所提供。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，以生产中高产栽培推荐的常规尿素分次施肥模式为对照(CK)，设4 个硫包膜缓释肥施肥模式(M1～M4)，共5 个处理(表1)，每个处理重复3 次，每小区面积16.2 m2(2.7 m×6 m)。试验另设不施氮肥空白以计算氮效率。各处理纯氮用量均为225 kg·hm-2，基肥于播种前撒施，分蘖肥于4～5 叶期撒施，返青肥于2月下旬撒施，拔节肥于倒3 叶期(叶龄余数2.5)撒施，孕穗肥于倒1 叶期(叶龄余数1.2～0.8)撒施；所有处理磷、钾肥(P2O5、K2O)用量一致，均为112.5 kg·hm-2，于播种前撒施。两年度分别于11月3日和11月1日播种，小区播种机条播，基本苗统一为225×104株·hm-2，行距27 cm。其余田间管理措施同大田栽培。

表1 施肥模式设计方案Table 1 Fertilization patterns design scheme

1.3 测定项目与方法

1.3.1 硫包膜尿素养分释放速率 采用肥包埋置法[18]测定。称取2 g 左右硫包膜尿素，称重并记为M1，放入8 cm×10 cm 的孔径1 mm 的尼龙网袋中，与田间施肥同时埋入麦田，深度为5～10 cm。在埋袋后3、10、19、30、43、58、74、91 和110 d 取网袋，每次取3袋，取出肥料颗粒，清理干净表面附着的土壤，于40℃烘箱中烘干，称重并记为M2，采用H2SO4-H2O2靛酚蓝比色法[16]测定剩余氮含量。按照公式计算氮素累计释放率(a)[18]:

式中，β1 为埋置前缓释肥中的氮含量，β2 为埋置后且烘干至恒重后缓释肥的氮含量，M1、M2 分别为埋置前的肥料质量、埋置后并烘干至恒重后的肥料质量。

1.3.2 产量及其构成 于成熟期每小区连续取40～60 个穗，测定穗粒数；每小区选取1.08 m2测定穗数并收割测产；人工计数测定千粒重，重复3 次。测定籽粒含水率，产量和千粒重统一按13%含水率折算。

1.3.3 茎蘖动态、干物质积累动态、叶面积指数动态 于小麦各关键生育期(越冬期、拔节期、孕穗期、开花期和成熟期)在每小区取样20 株，调查茎蘖数、叶面积指数(leaf area index，LAI)，将样品分器官在烘箱内105℃杀青1 h，80℃烘干至恒重，测定干物质积累量，重复3 次。

1.3.4 花后旗叶SPAD 值和光合性能 分别于开花期和乳熟期，采用SPAD 502 叶绿素仪(SPECTRUM，美国)测定SPAD 值，采用便携式光合仪LI-6400 (LICOR，美国) 测定小麦旗叶净光合速率(net photosynthetic rate，Pn)，重复5 次。

1.3.5 植株氮素含量及氮效率 将1.3.2 中烘干的植株样品粉碎，植株全氮含量采用H2SO4-H2O2靛酚蓝比色法测定，相关氮效率公式如下[19]:

1.4 数据分析

根据公式计算小麦经济效益[20]:

小麦价格两年度分别按江苏2018、2019年上半年各地平均价格计算，肥料价格按市场价计算，其中小麦2 330.3 元·t-1(2017—2018)、2 276.9 元·t-1(2018—2019)，尿素2 100 元·t-1，硫包膜尿素3 200 元·t-1。其他成本投入主要包含磷钾肥、种子、农药、机械、人工(除追肥外)等，共计5 926 元·hm-2。

采用Excel 2010 进行数据统计、SigmaPlot10.0 绘图，用SPSS 19.0 进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 硫包膜尿素养分释放特征

硫包膜尿素在田间的实际氮素累计释放率呈倒“L”型，日平均氮素释放量呈逐渐降低的趋势。在前30 d 其日平均氮素释放量较多，30 d 后仍然有一定量的氮素养分能够持续释放，在110 d 左右氮素累计释放率达80%以上(图1)。

2.2 不同施肥模式下小麦产量及其构成因素分析

由表2可知，等施氮量条件下，不同施肥模式小麦产量及其构成存在差异，两年度硫包膜尿素一次基施模式(M1) 与CK 相比产量分别下降了1.30%和1.44%，差异不显著，即基本实现稳产；采用硫包膜尿素两次施用模式(M2～M4)的产量显著高于M1 和CK，两年间分别较CK 增产6.75%～14.09%和5.24%～9.96%，分别较M1 增产8.16%～15.60%和6.78%～11.56%，其中M3 两年产量均最高，分别为8 185.96和9 451.10 kg·hm-2，M2 和M4 以部分尿素代替硫包膜尿素也获得较高产量。在产量构成中，穗数和粒重是影响产量的主要因素，M1 和CK 的穗数在两年度均呈较低水平，千粒重两年度均显著低于两次施用模式(M2～M4)，施肥模式对结实粒数无显著影响(P2017-2018=0.153，P2018-2019=0.253)。表明在本试验条件下，硫包膜尿素一次性基施基本实现稳产，两次施用能有效提高穗数和粒重，尤其是M3 对穗数和粒重的促进效应最佳。

2.3 不同施肥模式下小麦经济效益分析

由表3可知，不同施肥模式下经济效益存在差异主要由产量、肥料成本以及追肥人工投入等因素造成。其中M1 虽然没有追肥人工成本，但因产量较低，且氮肥成本较高，最终净效益最低，两年度均比CK 低800 元·hm-2以上，但差异未达显著水平。M3 的产值和净效益均最高，两年度平均较CK 高1 415 元·hm-2左右，且与CK 相比减少了两次追肥成本。M2 和M4的产值没有实现最大化，但净效益与M3 差异不显著，且在一定程度上降低了氮肥成本，尤其是M4，两年度净效益与M3 相比降幅在1.50%以内，在适当控制肥料成本的同时可获得较高的净效益，农民更易接受，有利于推广。

表2 不同施肥模式下小麦产量及其构成因素Table 2 Grain yield and its components of wheat under different fertilization patterns

2.4 不同施肥模式对小麦群体质量的影响

2.4.1 茎蘖动态 不同施肥模式对小麦茎蘖动态的影响较大(表4)。两年度M1 在越冬和拔节期茎蘖数均高于其他处理，但在拔节期后下降迅速，最终茎蘖成穗率均最低，仅为40.41%和47.40%；M2 在拔节期茎蘖数最低，但在孕穗期下降幅度最小，开花和成熟期降幅较大，最终茎蘖成穗率低于CK 但差异不显著；M3和M4 的茎蘖动态表现最为平缓，并且由于在返青期追肥，促进拔节期分蘖增多，且在生育后期氮素供应充足，促进分蘖成穗，尤其是M3 的茎蘖数在拔节前低于M1，但后期下降缓慢，成熟期穗数最高，两年度较M1分别高5.46%和12.68%，茎蘖成穗率也较高，分别为44.54%和56.55%。表明硫包膜尿素一次基施氮素养分在前期过量供应，虽然促进分蘖发生，但后期由于氮素供应不足，无效分蘖增多，最终成穗率较低；而两次施肥模式则能够较好地协调小麦生长前后期的氮素养分需求，尤其是硫包膜尿素60%基施，40%返青期追施的施肥模式(M3)，既能保证生育前期分蘖的发生，又能以充足的养分保证后期分蘖成穗。

2.4.2 干物质积累动态 干物质积累量随生育进程的推进呈现持续上升的趋势，拔节前增长缓慢，拔节至开花期干物质积累速率最快，开花后干物质积累速率减缓(表5)。M1 在拔节前干物质积累量高于其他模式，但在后期尤其是开花后干物质积累显著低于两次施肥模式(M2～M4)，不利于产量的形成；两次施肥模式既保证了生育前期一定的干物质积累，又能促进生育后期干物质快速积累，更有利于获得高产。

不同施肥模式和氮素养分释放影响小麦各个生育阶段的物质积累(图2)。在播种至拔节期，M1 的日平均干物质积累最高；在拔节至孕穗期，M2 的日平均干物质积累最高，CK 和M4日平均干物质积累也较高；在孕穗至开花期，CK 和M3日平均干物质积累较高；开花后M3 的日平均物质积累量最高，两年度较M1 分别提高了20.12%和10.46%，最有利于籽粒充实灌浆；虽然CK 在成熟期的干物质积累量也较高，但其物质积累更多集中在拔节至开花期，而花后物质积累较低，影响籽粒获得更高产量。

表3 不同施肥模式下小麦经济效益Table 3 Economic benefit of wheat under different fertilization patterns /(元·hm-2)

表4 不同施肥模式下小麦茎蘖动态Table 4 Dynamics of stem number of wheat under different fertilization patterns

表5 不同施肥模式下小麦干物质积累动态Table 5 Dynamics of dry matter accumulation amount of wheat under different fertilization patterns /(kg·hm-2)

2.4.3 叶面积指数(LAI)动态 不同施肥模式和养分释放也影响小麦的叶面积指数和叶片衰老(图3)。越冬期和拔节期M1 由于氮素养分较多，LAI 最高，但孕穗期及以后均低于两次施肥模式(M2～M4)；M2～M4 的LAI 在生育后期高于M1 和CK，尤其在乳熟期，两年度分别较M1 提高40.14%～52.11%和9.93%～28.01%。结果表明，两次施肥模式更有利于延缓生育后期LAI 的下降，延缓叶片衰老，从而促进粒重形成。

2.5 不同施肥模式下小麦花后光合性能分析

由图4可知，不同施肥模式下小麦旗叶SPAD 值在花后呈下降趋势，M1 在开花期和乳熟期旗叶SPAD值均呈现较低水平，尤其是乳熟期较其他处理下降最为明显；M2、M3 和M4 旗叶SPAD 值在开花期和CK差异较小，至乳熟期明显高于CK，尤其是M3，在乳熟期SPAD 值最高，两年度分别较CK 提高7.22%和5.10%。不同施肥模式对小麦花后净光合速率影响的趋势和SPAD 值相似，M1 在开花期和乳熟期均呈现较低水平，M3 乳熟期净光合速率两年度分别较CK 提高19.85%和8.21%。结果表明，两次施肥模式能有效延缓乳熟期旗叶SPAD 值和净光合速率的下降，促进旗叶产生更多光合同化物以促进籽粒灌浆充实。

2.6 不同施肥模式下小麦氮素积累及氮肥利用率分析

由表6可知，成熟期小麦地上部氮素积累量表现为M1 最低，并且两年度和其他模式差异均达显著水平；M2 氮素积累量与CK 无显著差异；M3 和M4 均高于CK，其中M3 两年度氮素积累量分别较CK 提高了6.93%和3.44%。不同施肥模式对氮肥表观利用率的影响和氮素积累量趋势一致，M1 两年度均最低，分别为45.08%和41.89%，M2～M4 两年度氮肥表观利用率分别较M1 增加了7.79～10.89 和4.14～8.02 个百分点。两次施肥模式的氮素农学效率、生理效率和收获指数均高于一次施肥模式，平均增幅分别达17.09%～31.05%、3.16%～8.51%和4.17%～7.58%。结果表明两次施肥模式可有效增加地上部氮素积累并促进氮素向籽粒运转，从而有效提高氮肥利用率。

3 讨论

3.1 硫包膜尿素的养分释放特征及其对作物生长的影响

缓释肥的应用价值主要在于其养分缓慢持续释放的特征，能最大程度地减少氮素的损失，并且合理的氮素供应能够协调作物的营养生长和生殖生长，促进增产[21]。王琦等[22]研究认为，硫包膜缓释肥在轻度盐碱土中的养分释放曲线呈典型的倒“L”型。本研究条件下养分释放曲线趋势与之基本一致。硫包膜缓释肥在玉米上的研究表明，其养分释放基本满足玉米氮素吸收曲线，促进氮素吸收利用，进而实现增产[22]。郑文魁等[10]也认为硫包膜控释尿素的养分释放特征呈先快后慢的趋势，在田间条件下能满足小麦不同生育期对氮素的需求。目前市场上推广的硫包膜尿素养分释放期一般在3～4 个月以内，从缓释肥养分氮素释放与和小麦养分需求相匹配的角度来看，一次性基施难以满足小麦全生育期的生长需求。

表6 不同施肥模式下小麦氮素积累及氮肥利用率Table 6 N accumulation and N use efficiency of wheat under different fertilization patterns

3.2 硫包膜尿素不同施用模式的产量效应及调控机制

缓释肥的省时省工和增产效应受到了农民的青睐。目前关于不同类型缓释肥促进小麦增产已得到诸多研究证实，脲醛缓释肥基施可增产11.36%～13.67%[17]；树脂包膜和硫包膜尿素基施可增产10.4%～16.5%，且2 种缓释肥之间无显著差异[9]；控释尿素和普通尿素配合基施可增产7.3%以上，控释尿素和普通尿素减氮20%配施的产量和普通尿素产量相当[23]；苗期和返青期各追施一次60 d 包膜尿素的增产效果显著优于返青期追施普通尿素，可实现增产25.80%[15]。本研究结果表明，硫包膜尿素一次基施虽未实现增产，但与常规尿素分次施肥差异不显著；两次施肥模式均显著提升了产量，两年度增产幅度较常规尿素分次施肥分别达6.75%～14.09%和5.24%～9.96%，其中以硫包膜尿素60%基施，40%返青期追施的施肥模式(M3)增产效果最佳。

协调产量构成因素之间的矛盾是小麦获得高产的关键。不同的缓释肥施肥方式对产量构成因素的调控是产量差异形成的原因之一。夏伟光等[3]研究表明单施树脂包膜缓释肥可以促进结实粒数和千粒重增长，而树脂包膜尿素和普通尿素配施对结实粒数的促进效应最佳；也有研究认为包膜尿素和尿素配施有利于促进有效分蘖，并增加成穗数和结实粒数，从而实现增产[16，24]。本研究中，与两次施肥相比，硫包膜尿素一次基施表现出穗粒数无显著差异，但穗数和千粒重明显下降的趋势，出现该结果的原因在于后期养分供应不足，导致茎蘖成穗显著下降，并影响了籽粒灌浆充实；硫包膜尿素两次施肥对产量构成因素的影响表现为促进穗数和千粒重的增加，穗粒数与一次基施相比差异不显著。这与前人研究基本一致，缓释肥一基一追处理较全部基施可有效增加穗数，同时保证后期养分供应，促进粒重的增加[14，25]。

合理的群体结构是协调产量构成，实现增产的最主要途径。在小麦生育前期，充足的氮素供应能够促进小麦分蘖的发生；小麦生育中后期，适当的养分供应有利于减少分蘖死亡，提高茎蘖成穗率，增加花后物质积累，促进粒重增加[23]。小麦较高的花后干物质积累是产量形成的关键。缓释肥对于小麦群体结构的调控主要在于其氮素养分缓慢释放的同时减少了养分的流失，使更多养分更合理地供应小麦生长，在生长关键时期持续供应氮素养分，提高最大干物质增长速率，促进干物质的积累以提高产量[26-27]。本研究结果表明，硫包膜尿素一次基施由于前期养分供应充足，冬前分蘖发生较多，但后期茎蘖成穗率、干物质积累、LAI 均较低，影响籽粒产量的形成；两次施肥模式在前期控制无效分蘖少发生，在拔节后促进有效分蘖成穗，并且后期持续充足的养分供应可有效延缓叶片衰老，促进花后物质积累，有利于千粒重的提升。

小麦花后叶片较强的光合性能是花后物质积累和籽粒灌浆的主要动力。追肥对于小麦生长的意义在于后期保持叶片一定的氮素水平，有利于延缓叶片衰老，提高光合能力，延长光合作用时间，产生更多的光合同化物并向籽粒转运，促进籽粒灌浆充实，提升千粒重[23，28]。缓释氮肥和尿素相比一方面改善了氮素供应水平，更有利于维持叶片较高的叶绿素含量和净光合速率，延缓叶片衰老[5，29-30]；另一方面，氮素水平的提高有利于旗叶内氮代谢和碳代谢相关酶活性的提高，有效协调旗叶碳氮代谢，从而增加光合同化物的产生并促进其向籽粒的转运和积累[31-32]。另外，本研究中，两次施肥模式在花后尤其是乳熟期维持较高的LAI 和旗叶SPAD 值，有效延缓了花后叶片尤其是旗叶的衰老，进而保证旗叶在花后有较高的净光合速率，产生更多光合同化物，促进籽粒灌浆充实。

3.3 硫包膜尿素不同施用模式对氮肥利用率的影响

作物对氮素的吸收利用是生长发育的基础，也是其产量形成的基础。氮素的合理供应是追求作物高产，提高肥料利用率的重要措施。普通尿素养分释放迅速，一方面造成大量的损失，另一方面氮素大量累积在茎秆中，向籽粒转移减少，最终导致肥料利用率较低[33-34]。缓释氮肥相比于普通尿素可有效减少土壤径流氮素的流失，促进小麦氮素吸收，尤其是促使氮素适当后移，促进小麦花后氮素积累和转运，从而提高氮肥利用率[35-37]。本研究中，硫包膜尿素一次基施的氮素积累量、氮肥表观利用率均低于常规尿素分次施肥，氮素收获指数也处于较低水平表明后期氮素供应的缺乏影响了小麦对氮素的积累和氮素向籽粒的转运。硫包膜尿素60%基施，40%返青期追施的施肥模式两年度施氮素积累量和氮素收获指数分别平均较一次基增加了9.83%和7.58%，氮肥表观利用率平均增加5.51个百分点。表明硫包膜尿素两次施肥更能满足小麦在整个生育期对氮素的需求，既增加成熟期氮素积累总量，也促进氮素向籽粒的转运，从而有效提高氮肥利用率。

3.4 硫包膜尿素不同施用模式的经济效益评价

施用缓释肥经济效益的产生主要在于增产效应和追肥劳动成本的减少，二者带来的效益增长能否弥补肥料成本的增加是缓释肥推广应用的主要限制因素。前人研究认为缓释肥一次基施节约的劳动力成本和增产效益大于肥料成本的增加[14，38]。本研究结果表明，硫包膜尿素一次基施未能实现经济效益的提升，但其省时省工，无需追肥的特点在劳动力匮乏的条件下具有一定的应用价值。两次施肥模式相比较常规尿素分次施肥，均实现了经济效益的提升，两年度平均可增加755.76～1 415.92 元·hm-2，其中硫包膜尿素60%基施，40%返青期追施的施肥模式实现了经济效益的最大化，值得大面积推广应用；硫包膜尿素和尿素配合两次施用的施肥模式在经济效益上虽然略低，但以部分尿素代替缓释肥，实现了肥料成本和经济效益的协调，对于注重生产成本的农民来说也具有一定的推广价值。

4 结论

本研究结果表明，等施氮量条件下硫包膜尿素一次性基施能实现稳产，节省施肥次数，但经济效益未得到提升，对于大面积机械化种植或者缺乏劳动力地区种植仍具有一定的推广价值；60%基施、40%返青期追施的两次施肥模式有利于构建合理的群体结构，协调产量构成因素，延缓小麦后期衰老，并且促进氮素积累和向籽粒转移，相比于一次基施和普通尿素分次施肥，能够实现产量和产值的最大化，协调肥料成本和经济效益之间的矛盾，并且可提高氮肥利用率，从而实现增产增效，是稻茬小麦的推荐施用模式。