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氮素对作物生长十分重要，因此，氮肥施用一直备受关注。研究表明，化肥在作物增产中贡献率达到 50% 以上[1]。但氮肥的不合理施用，不仅造成资源浪费，还严重威胁生态环境安全。国内外学者在氮肥利用率和环境风险等方面进行了大量研究，但主要侧重于肥料品种[2-4]和施肥方法[5-6]等外部因素，较少关注土壤无机氮供应形态、氮肥形态与作物氮形态喜好的耦合程度。作物对不同形态氮素的吸收存在明显偏向性[7]，作物通常更容易吸收利用在其起源土壤上占主导形态的无机氮[8-11]。理论上，通过调节作物喜好的氮素形态与供应氮形态之间的耦合程度就可以达到作物增产和氮肥增效的目的。
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马铃薯（Solanum tuberosum L .）是我国重要的粮食和经济作物，是继稻谷（Oryza sativa L .）、小麦（Triticum aestivum L .）和玉米（Zea mays L .） 之后的第四大粮食作物[12]。2020 年，我国 29 个省（直辖市、自治区）马铃薯种植面积已达到559.6 万 hm2[13]。马铃薯是典型的浅根系作物，氮素利用效率相对较低。因此，对于如何提高马铃薯氮肥利用率、减少氮素损失愈来愈受关注。已有大量研究表明，氮肥形态与马铃薯生长发育和块茎形成密切相关[14-20]。有研究认为马铃薯属于喜硝作物[14]，但也有学者认为在铵态氮供应下马铃薯产量显著高于硝态氮的供应[15-16]。还有研究认为，不同生育阶段的马铃薯对氮素形态的响应可能存在差异[20-21]。由此提出假设：（1）铵态氮有利于马铃薯产量的形成，因此铵态氮肥的效果要优于硝态氮肥；（2）铵态氮肥与硝化抑制剂配合施用会促进喜铵作物的生长。为了验证供应氮形态对马铃薯生长的调控作用，本文在田间试验条件下对比研究了氮肥形态、氮肥用量以及硝化抑制剂对马铃薯产量、养分累积和肥料利用率的影响，以期为氮肥减量增效技术措施的制订提供依据。
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1 材料与方法
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1.1 试验地概况
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试验于 2020 年 12 月—2021 年 4 月在福建省宁德市霞浦县沙江镇南屏村农富农场（26°80 ′N， 119°99′E）进行。该地区年均降水量 1500 mm，年均气温 19.3℃[22]，土壤类型为灰埭土，地势平坦开阔。试验前采集耕层土壤（0～20 cm）进行理化分析，土壤 pH 值为 5.83，土壤全氮含量 1.46 g/kg，有机质含量 25.77 g/kg，铵态氮含量 1.79 mg/kg，硝态氮含量 16.94 mg/kg。
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1.2 试验设计
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选择马铃薯（闽薯 4 号）作为供试作物，设置 10 个施肥处理，每个处理 3 次重复，各施肥处理如表1 所示。
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注：表中 DCD 表示硝化抑制剂双氰胺，用量为施氮量的 10%。
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各处理的磷、钾肥品种与用量相同，磷肥作基肥一次性施入，氮、钾肥 40% 作基肥，于播种当天施用，两次追肥各 30% 于齐苗期和现蕾期施用。肥源分别为：碳酸氢铵（N 17%）、硝酸钙（N 11.5%）、 过磷酸钙（P2O5 12%）、硫酸钾（K2O 50%）。本试验共 30 个小区，小区长 5 m、宽 3.6 m，面积 18 m2，每个小区间隔 0.5 m，采用单垄双行种植方式，株距为 22 cm，根据当地高产栽培措施实行田间管理。播种日期为 2020 年 12 月 29 日，第一次追肥时间为 2021 年 2 月 21 日（齐苗期），第二次追肥时间为 2021 年 3 月 10 日（现蕾期）。每次施肥前采集耕层土壤样品，分析其铵态氮和硝态氮的含量。于 2021 年 4 月 26 日（成熟期）收获，对每个小区马铃薯单独测产，同时采集作物地上部和地下部样品，计算总生物量，测定氮、磷、钾养分含量；同时采集耕层土壤 （0～20 cm）样品，分析其铵态氮和硝态氮的含量。
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1.3 样品处理
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根据土壤农化分析方法测定土壤理化性质和植株全氮、全磷、全钾含量[23]。植株样品经烘干（于 80～90℃下杀青 30 min 后，再于 60～70℃ 下烘干至恒重）研磨后，采用 H2SO4-H2O2 消煮法，植株全氮、全磷和全钾分别采用半微量凯氏定氮法、钒钼黄比色法和火焰光度法测定。土壤 pH 值用 1∶2.5 的土水比进行测定。土壤全氮以 K2SO4、CuSO4 和 Se 作为催化剂，采用凯氏定氮法进行测定。采用 2 mol/L KCl 浸提新鲜土壤样品、连续流动分析仪（Skalar，Breda， Netherlands）测定土壤 NH4+-N 和 NO3--N 含量。
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1.4 数据和统计分析
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计算公式如下：
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养分累积量 = ∑各部位干物质重 × 各部位养分含量；
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氮肥表观利用率（REN，%）=（施氮区氮养分累积量-不施氮区氮养分累积量）/ 施氮量 ×100；
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氮肥农学效率（AEN，kg/kg）=（施氮区经济产量-不施氮区经济产量）/ 施氮量；
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氮肥偏生产力（PEN，kg/kg）= 施氮区经济产量 / 施氮量；
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氮肥贡献率（%）=（施氮区总产量-不施氮区总产量）/ 施氮区总产量 ×100。
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采用 Excel2019、SPSS 13.0 和 Origin 8.5 对数据进行统计分析。使用单因素方差分析（One-way ANOVA）和 Duncan 检验来判断差异显著性。
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2 结果与分析
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2.1 不同处理对马铃薯农田土壤养分的影响
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本试验结果表明，硝化抑制剂双氰胺（DCD）具有明显的硝化抑制效果（表 2）。铵态氮肥配施 DCD 处理能有效提高土壤铵态氮含量和铵态氮占比，相较于 T1 和 T5 处理，T2 和 T6 处理土壤铵态氮含量分别显著提高了 50% 和 37%；相较于 T1、T3 和 T5 处理， T2、T4 和 T6 处理土壤铵态氮占比分别显著提高了 83、43 和 38 个百分点（表 2）。铵态氮肥配施 DCD 处理有降低土壤硝态氮含量的趋势，相较于 T1 处理， T2 处理的土壤硝态氮含量显著降低了 38%（表 2）。
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注：表中数据为不同时期土壤样品无机氮含量及铵态氮比例的平均值 ± 标准差（n=9），不同小写字母表示不同处理之间的显著性差异 （P<0.05）。
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2.2 不同处理对马铃薯产量和总生物量的影响
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图1和图2结果显示，与T0处理相比，施氮显著提高了马铃薯产量和总生物量。等氮量条件下，施用铵态氮肥（T1和T3）处理的大中薯产量（27.9～29.1 t/hm2） 显著高于硝态氮肥（T7和T8）处理（23.6～24.4 t/hm2）。施用铵态氮肥（T1、T2、T3、T4、T5 和 T6）处理的总生物量（7.9～8.9 t/hm2）显著高于施用硝态氮肥（T7、 T8 和 T9）处理（6.9～7.3 t/hm2）。与不加 DCD（T1、 T3 和 T5）处理相比，铵态氮肥配施 DCD（T2、T4 和 T6）具有提高马铃薯大中薯产量、薯块总产量和马铃薯总生物量的趋势，其中马铃薯薯块总产量分别提高了 5.3%、0.6% 和 2.8%，但处理间差异未达显著水平。相较于 T1 处理，施用 DCD 处理的马铃薯总生物量显著提高了 9.9%。不同硝态氮肥施用量处理（T7、T8 和 T9）对马铃薯大中薯产量、薯块总产量以及马铃薯总生物量均无显著影响。
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图1 不同处理对马铃薯产量的影响
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注：误差棒表示各处理平均值的标准误差（n=3），不同小写字母代表不同处理之间的差异显著性（P<0.05）。下同。
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图2 不同处理对马铃薯总生物量的影响
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2.3 不同处理对马铃薯养分累积的影响
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施氮显著提高了马铃薯薯块氮素含量（表3）。马铃薯氮素总累积量随铵态氮肥施用量的降低而减少（表3）。铵态氮肥配施 DCD 具有提高氮累积量的趋势，相较于 T1 处理，施用 DCD 处理氮累积量显著提高了 13%。不同硝态氮肥施用量（T7、T8 和 T9）处理对马铃薯氮累积量没有影响（表3）。
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注：表中数据为收获期马铃薯（薯块和茎叶）氮素含量及氮养分累积量的平均值 ± 标准差（n=3）。不同小写字母表示不同处理之间的显著性差异（P<0.05）。
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土壤铵态氮含量在 6.27～16.69 mg/kg 范围内，铵态氮含量与马铃薯薯块产量和总干物质累积量呈极显著正相关关系，与马铃薯氮素累积量呈极显著线性正相关关系（图3）；说明铵态氮可以促进马铃薯薯块产量和总干物质累积量的提高，氮素累积量也会随着铵态氮含量的提高而增加。
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2.4 不同处理对马铃薯氮肥利用效率的影响
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从氮肥表观利用率来看（图4a），相同施氮量条件下，铵态氮肥处理的氮肥利用率（25.4%～41.3%）显著高于硝态氮肥（16.5%～30.4%），这进一步反映马铃薯更喜好铵态氮的特征。100%、 75% 和 50% 铵态氮肥配施 DCD 处理（T2、T4 和 T6）比单施 100%、75% 和 50% 铵态氮肥处理 （T1、T3 和 T5）的氮肥利用率分别增加了 28、15 和 12 个百分点（图4a），表明施用 DCD 具有提高氮肥利用率的趋势，但由于重复间误差较大导致二者差异不显著。T6 处理（50% 铵态氮肥 +DCD）氮肥利用率最高，达 41.3%。
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图3 土壤铵态氮含量与马铃薯薯块产量、总干物质累积量、氮累积量的关系
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注：土壤铵态氮含量为不同时期土壤样品铵态氮含量平均值（n=3）。
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氮肥农学效率变化规律与氮肥利用率基本一致（图4 b）。相同氮素水平下，施用铵态氮肥处理的氮肥农学效率（8.0～14.3 kg/kg）高于硝态氮肥 （3.2～9.8 kg/kg）。100%、75% 和 50% 铵态氮肥配施 DCD（T2、T4 和 T6）处理氮肥农学效率略大于单施 100%、75% 和 50% 铵态氮肥（T1、T3 和 T5） 处理，但差异未达显著水平。
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从氮肥偏生产力（图4 c）来看，氮肥配施 DCD （T2、T4 和 T6）处理的氮肥偏生产力与单施氮肥（T1、 T3 和 T5）处理无显著差异。相同氮肥水平下，铵态氮肥处理的氮肥偏生产力显著高于硝态氮肥，氮肥减量显著提高氮肥偏生产力。T6 处理的氮肥偏生产力最高，为 58.1 kg/kg。相同施氮量条件下，铵态氮肥处理的氮肥贡献率大于硝态氮肥（图4 d），表明马铃薯更多地吸收铵态氮肥。DCD 处理有提高氮肥贡献率的趋势，相较于 T1 处理，施用 DCD 处理氮肥贡献率显著提高了 25 个百分点，而对于 T3 和 T5 处理，施用 DCD 处理的氮肥贡献率增幅分别为 8.0% 和 8.8%，但处理间差异未达显著水平。
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3 讨论
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3.1 氮肥形态耦合促进马铃薯生长
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尽管铵态氮和硝态氮均为植物可直接吸收利用的氮源，但不同植物对铵态氮和硝态氮的喜好程度却不尽相同，并且在植物的不同生长时期，对无机氮形态的喜好也有一定的差异[24]。许多研究表明，在相同氮素水平下，对于喜铵作物施铵态氮肥较硝态氮肥处理显著提高了作物产量[25-26]，而对于喜硝作物，施用硝态氮肥时作物产量明显高于施铵态氮肥处理[27]。本研究结果显示，在相同氮肥水平下，不同形态氮肥对马铃薯生长有显著影响，铵态氮肥对马铃薯产量、总干物质量、氮素积累和氮肥利用率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力以及氮肥贡献率的提高作用显著大于硝态氮肥，验证了马铃薯是喜铵作物。相关研究表明，氮肥形态对马铃薯的影响主要在于产量形成期，铵态氮主要分配到块茎和茎中，促进块茎形成和膨大，施用铵态氮肥可显著提高马铃薯块茎产量[15]。还有研究发现，铵态氮能有效提高淀粉合成酶活性，促进淀粉的合成与累积，对块茎淀粉的储存有正面效应[28]，本研究结果显示土壤铵态氮含量与马铃薯薯块产量、总干物质累积量和氮累积量呈显著正相关关系，表明铵态氮比硝态氮更能促进马铃薯生长，印证了马铃薯更适合施用铵态氮肥，当然对于氮素累积量并不是越高越好，因此还需要控制氮量。本研究结果表明，氮肥形态与作物氮喜好形态相耦合时，可以促进作物生长，这与其他学者的研究结果一致[26，29]。当然，作物生长情况通常与土壤环境和气候条件等紧密相关，不同形态氮肥会在农田土壤中互相转化，稳定存在于土壤中的无机氮形态最终取决于土壤氮转化特征[30]。Zhang 等[26]的研究表明，在酸性土壤中种植喜铵作物马铃薯时，与硝态氮肥处理相比，施用铵态氮肥显著提高了作物氮肥利用率，但在偏碱性土壤中种植马铃薯时，施用两种形态氮肥处理间的氮肥利用率并无显著差异。这主要是因为酸性土壤硝化作用不强，导致铵态氮在土壤中的停留时间更长，而碱性土中硝化速率较快，使得施入土壤的铵态氮易快速转变为硝态氮[31]。水稻同样为喜铵作物，与种植在偏碱性土壤相比，种植在酸性土壤上的水稻，施用铵态氮肥处理显著提高了氮肥利用率，而施用硝态氮肥处理的氮肥利用率在两种土壤中差异并不显著[25]，这也是由于在高 pH 条件下的强硝化作用降低了氮素供应形态与作物氮形态偏好的耦合程度。因此在实际农业生产氮肥管理中，提高作物氮素形态喜好与氮肥形态和土壤氮素转化特征以及气候条件等之间的耦合程度，可以显著提高氮肥利用率、减少氮肥用量、降低氮损失，达到减肥增效减排的目的[31]。本研究结果显示，不同硝态氮肥施用量处理对马铃薯产量无显著影响，说明马铃薯对硝态氮肥不敏感，进一步验证了氮肥形态耦合促进作物生长。
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图4 不同处理对马铃薯氮肥表观利用率、农学效率、偏生产力和氮肥贡献率的影响
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有学者在福建省酸性土壤中研究不同氮肥用量（N 0、75、150 和 300 kg/hm2）对冬作马铃薯产量的影响，结果表明，施氮量为 150 kg/hm2 时马铃薯产量最高[32]。本研究结果显示，氮肥减量至 50% （N 112.5 kg/hm2）时马铃薯的氮肥利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力最高，本研究局限在施氮量最低为 112.5 kg/hm2，因此该结果还有待进一步验证。有相关研究显示，马铃薯的氮肥农学效率最低为 24.5 kg/kg、氮肥偏生产力最低为 94.2 kg/kg[33]。还有一些研究结果表明马铃薯氮肥农学效率为 11.1～52.5 kg/kg，氮肥偏生产力为 56.8～143.9 kg/kg[34]。本研究结果表明，如果配施硝化抑制剂，马铃薯铵态氮肥农学效率 （15.5 kg/kg）和氮肥偏生产力（58.1 kg/kg）仍然偏低，这可能与马铃薯的品种[35]、土壤性质[36]和作物生长环境[37]等因素有关。
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3.2 土壤无机氮供应形态调节对马铃薯生长的影响
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马铃薯属于典型的浅根系作物，淋失是氮素损失主要途径，且本研究试验地处亚热带地区，在高温多雨的气候条件下，更容易发生硝态氮淋失造成肥料损失。因此，通过施用硝化抑制剂来调节土壤氮转化过程是提高氮素利用率的有效途径之一，其作用原理主要是通过抑制 NH4+ 氧化反应过程中起调控作用的氨单加氧酶（amoA）活性来延缓硝化过程，从而减少土壤氮素淋失[38]，硝化抑制剂 DCD 的施用可以减少氮损失，降低污染，提高植物养分利用效率和产量，从而达到提高经济效益的目的[39-40]。当然，硝化抑制剂对作物生长的影响与抑制剂的用量和品种、土壤环境以及作物对 NH4+、NO3- 的吸收情况等密切相关[41-42]。大量研究表明，酸性土壤上种植喜铵作物配合硝化抑制剂的应用，不但可以降低土壤中的硝酸盐淋溶和流失，而且可以促进作物对氮素的吸收和利用[43]，提高作物氮肥利用率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力以及氮肥贡献率[44]。本研究结果显示，氮肥配施 DCD 具有提高马铃薯产量、干物质量、氮素累积量的趋势，说明铵态氮在马铃薯产量形成中的作用要大于硝态氮。本研究中虽然土壤无机氮主导形态仍以硝态氮为主，但施用硝化抑制剂 DCD 降低了硝化作用，提高了土壤铵态氮的比例（表2），进而提高了无机氮供应形态与作物氮喜好形态的耦合程度，促进了马铃薯生长。
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本文通过 DCD 抑制土壤硝化过程，调节土壤无机氮供应形态，结果表明，土壤无机氮供应形态与作物氮形态喜好耦合程度会对作物氮肥利用率产生影响。然而，本研究局限于旱地园艺作物蔬菜的研究，在今后的研究中还需进一步加强土壤氮转化过程对氮肥增效减排的效应研究及构建不同作物类型的氮肥增效减排调控模式。
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4 结论
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氮肥形态耦合能够促进作物生长，相同氮肥水平下，与硝态氮肥相比，马铃薯更容易吸收利用铵态氮肥，施用铵态氮肥显著提高马铃薯（喜铵作物）产量和氮素累积量。抑制硝化过程，提高土壤铵态氮含量，有利于提高马铃薯产量，且具有提高氮肥利用率的趋势。因此，铵态氮肥配施硝化抑制剂可以作为马铃薯氮肥增效减排的主要措施之一。
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摘要
为明确氮素形态耦合及土壤氮转化过程调控措施对作物氮肥利用率的影响，在田间试验条件下研究了不同铵态氮肥用量（纯氮 225.0、168.8 和 112.5 kg/hm2 ）± 硝化抑制剂、不同硝态氮肥用量（纯氮 225.0、168.8 和 112.5 kg/hm2 ）对马铃薯生长的影响。研究结果显示，与施用硝态氮肥相比，铵态氮肥的施用显著提高了马铃薯的产量和氮素吸收量；随铵态氮肥用量的提高，马铃薯产量具有增加的趋势，而不同硝态氮肥用量处理对马铃薯薯块产量无显著影响；铵态氮肥配施双氰胺（DCD）可以有效提高土壤铵态氮含量，增加马铃薯薯块产量（特别是大中薯产量）。马铃薯产量与土壤铵态氮含量呈显著正相关关系，与硝态氮含量没有明显关系。研究结果说明氮素形态耦合能够促进作物生长、提高作物氮肥利用率，对氮肥减量增效具有重要的指导意义。
Abstract
In this study，a field experiment was conducted to investigate the effects of nitrogen（N）fertilizer forms and N transformation process regulation measures on potato yield，nutrient accumulation and N use efficiency（NUE）．The treatments were treated with different rates of ammonium fertilizer（AF，225.0，168.8 and 112.5 kg/hm2 ）± nitrification inhibitors（dicyandiamide，DCD），nitrate fertilizers（NF，225.0，168.8 and 112.5 kg/hm2 ）．The results showed that， compared with NF treatments，AF significantly improved potato yield and N uptake．The yield of potato was increased with the increasing of AF rates，but showed no change with NF rates．Compared with AF or NF，the combined of DCD with AF increased the yield of potato too．There was a significant positive correlation between potato yield and soil ammonium nitrogen content．The results of this study indicated that N form coupling could promote crop growth，which can provide basic theory for improving crop NUE and reduce N losses.