在马铃薯上堆叠和交错施用氮肥（4R氮肥管理技术）：氮素利用效率

《Soil Science Society of America Journal》：Stacking and intersecting nitrogen 4Rs on potato: Nitrogen use efficiency

　　摘要

营养管理的4R原则是一套农艺指南，旨在平衡主要作物系统的经济、社会和环境效益。本研究的目的是评估2020年和2023年在爱达荷州Grace附近进行的田间试验中，单独应用和组合应用4R管理措施对“Russet Burbank”马铃薯（Solanum tuberosum L.）氮利用效率（NUE）的影响。氮肥处理包括两种来源（尿素或聚合物包膜尿素[PCU]）的所有组合、两种用量（推荐用量的82%或100%），以及两种施用时间和方式（全部在出苗时施用或84%在出苗时施用加上16%的追肥）。总体而言，马铃薯对氮的需求体现在植物生物量和氮浓度上。与一次性全量施用尿素相比，分次施用氮肥在四个氮利用效率指标上有所提高。在所测定的16个氮利用效率指标中，任何一种4R处理方式之间均未观察到差异。聚合物包膜尿素处理方式的内部效率显著高于未包膜尿素处理方式。分次施用氮肥在氮利用效率指标上并未显示出比一次性施用更好的效果。这些数据进一步证实了4R原则的有效性，并表明在某些情况下，组合应用这些方法可能并非必要。

1 引言

氮是植物生长所需的大量营养元素（Hopkins等人，2020年；Pilbeam，2015年）。植物利用氮作为氨基酸、生物碱和叶绿素的组成部分，需要足够的氮才能实现最佳生长（Geary等人，2015年；Pilbeam，2015年）。植物可利用氮的不足通常会导致光合作用和其他植物过程的减弱，从而影响生长；而氮过量则可能对作物产量和/或品质产生负面影响（Geary等人，2015年；Pilbeam，2015年）。因此，氮是农业系统中需要特别优化的关键营养元素之一（Hopkins，2020年；Pilbeam，2015年）。氮利用效率（NUE）通常指的是相对于施用于作物的氮量而言所获得的产量或生物量（Bock，1984年）。可以通过农艺、经济和/或环境角度来评估作物系统的氮利用效率（Bohman等人，2021年）。因此，存在多种氮利用效率的定义和衡量标准（Tiwari等人，2018年）。根据实际需求确定合适的氮利用效率指标对于指导营养管理实践非常重要。商业马铃薯（Solanum tuberosum L.）种植系统中的氮利用效率尤为重要，因为该作物种植面积庞大且效率相对较低。在全球范围内，马铃薯的产值和种植面积仅低于三种谷物作物，但在蔬菜作物中其产值和种植面积最大（Hopkins & Hansen，2019年）。由于马铃薯是国际上的主要作物，全球范围内对其施肥的环境影响巨大。特别是在马铃薯种植过程中，氮向环境的流失量可能非常高。马铃薯是一种维护成本较高的作物，需要相对大量的养分输入（Hopkins等人，2020年；Wilson等人，2009年）。当氮肥以硝酸盐（NO3）的形式施用或转化时，由于其负电荷特性，在土壤中具有高度溶解性和移动性。此外，马铃薯的根系通常比谷物作物更浅且密度更低（Fixen & Bruulsema，2014年；Hopkins & Hansen，2019年）。因此，当硝酸盐移动到根系无法到达的深度时，氮就会流失到环境中。马铃薯的高需水量会加剧这一现象，导致硝酸盐在土壤中的淋溶增加，从而降低氮的吸收效率（Hopkins等人，2014年，2020年；Moorby，1978年）。此外，土壤饱和状态还会增加N2O的排放（LeMonte等人，2016年，2018年；Signor & Cerri，2013年）。以铵态氮（NH4）形式施用的肥料也容易发生氨挥发，这也是氮流失的另一个重要途径（Sommer等人，2004年）。营养管理的4R原则是一套旨在平衡作物系统农艺、环境、社会和经济效益的指导方针。具体来说，这些原则包括在正确的时间、正确的地点以正确的用量施用正确的肥料来源，以满足植物的营养需求，提高氮利用效率，并保持或增加作物产量（Johnston & Bruulsema，2014年）。鉴于现有的多种肥料管理和产品，确定哪些实践或实践组合最有利于提高氮利用效率是非常有帮助的。每个4R原则都已被广泛研究（参见Stapley，2024年的综述）。在大多数关于马铃薯的4R研究中，通常只测试一两个4R因素，从未同时测试所有四个因素。在专注于4R中正确来源因素的研究中，传统肥料（如尿素）常与高效肥料（如聚合物包膜尿素[PCU]）进行比较，后者是一种旨在控制氮颗粒在土壤中释放速率的商业肥料。一些基础研究比较了仅含氮的PCU与含有其他营养元素的氮源（如硫酸铵[AS]（Bero等人，2014年）、硝酸钙铵[Ziadi等人，2011年]和磷酸铵[Shoji等人，2001年）的效果，但未考虑PCU处理中额外营养元素的平衡问题。这导致了混淆变量，因为仅含氮的PCU与传统含多种营养元素的氮源进行了比较，从而无法确定观察到的差异是由氮释放机制还是营养不平衡引起的。

2 材料与方法

2.1 试验地点信息

试验地点位于美国爱达荷州Grace附近的半干旱地区（北纬42° 35′ 29.4″，西经111° 45′ 45.6″，海拔1687米）。该研究在一个商业马铃薯和小麦（Triticum aestivum L.）生产田进行，采用马铃薯-小麦-小麦的种植模式。试验田的土壤为Ririe-Rexburg复合粉壤土（混合型、活性强、钙质Haxploxeroll类型），由冲积黄土形成（Soil Survey Staff，2019年）。该田已连续耕种数十年，具有良好的土壤特性（见表S1）。除了降水量较少外，试验地块还采用了中心支轴灌溉系统（见图S1–S2）。有关更多试验地点和田间管理信息，请参阅Stapley（2024年）。

2.2 处理措施

本研究包括肥料来源、用量和/或施用时间的处理组合，采用完全因子随机条带设计（见表1）。肥料来源处理包括在出苗前施用未包膜尿素或高效肥料PCU（43-0-0；Environmentally Smart Nitrogen [ESN]，Nutrien Ag Solutions, Inc.）。用量处理包括减少用量或全量用量（2020年为推荐用量的84%，2023年为79%）。全量用量基于Hopkins等人（2020年）的研究数据。施用时间处理包括全部在出苗前施用，或在出苗前（84%的总用量）和生长期间（16%的总用量）分次施用。所有出苗前施用的肥料均通过传统耕作方法混入土壤。全量尿素的分次施用方式代表了种植者的标准做法。在本研究中，将4R原则中的时间和施用因素结合在一起，因为这种组合更准确地反映了生产者的实际种植和施肥方式。

2.3 测量方法

每年进行的测量包括天气、土壤中的硝酸盐氮（NO3–N）含量、冠层氮浓度、健康状况（标准化植被指数）和生物量，以及作物产量和品质。除了本文讨论的氮利用效率外，我们还研究了块茎产量、品质和经济效益（Stapley，2024年）。2020年5月9日和2023年5月11日采集了基线土壤样本，检测硝酸盐氮（NO3–N）和铵态氮（NH4-N）含量。样本从六个重复区中的四个随机点采集。使用手持式凿岩机将土壤探针插入土壤剖面中采集土壤芯样（AMS, Inc.）。每个采样点采集四个1.2米深的土壤芯样，并将其分成0.3米的段。样本密封在塑料袋中，放置在保温容器中并运输到杨百翰大学。所有土壤和植物组织样本在分析前均需在强制通风烤箱中干燥。硝酸盐氮的结果用于确定每个季节的氮用量。2020年8月28日和2023年8月30日（收获前），从每个处理区采集了整株植物样本。这些植物样本被分离成叶片、茎和块茎部分，分别进行烘干并称重以获得干重。这些样本还被研磨并通过高温燃烧和色谱法（vario EL Cube，Elementar Americas Inc.）分析总氮和碳（C）含量。每个处理的氮利用效率根据表2中的公式进行计算。由于阴性对照处理（施用量为0公斤氮/公顷）未施用氮，因此某些指标无法计算。块茎产量、植物生物量、各部分的总氮含量和土壤氮含量均用于评估单独应用和组合应用4R措施的效果。

2.3 测量结果

每年测量的指标包括天气、土壤中的硝酸盐氮（NO3–N）含量、冠层氮浓度、健康状况（标准化植被指数）和生物量，以及作物产量和品质。除了氮利用效率外，我们还研究了块茎产量、品质和经济效益（Stapley，2024年）。2020年5月9日和2023年5月11日采集了基线土壤样本，检测硝酸盐氮（NO3–N）和铵态氮（NH4-N）含量。土壤样本从六个重复区中的四个随机点采集。使用手持式凿岩机将土壤探针插入土壤剖面中采集土壤芯样。在每个采样点采集四个1.2米深的土壤芯样，并分成0.3米的段。样本密封在塑料袋中，放置在保温容器中并运输到杨百翰大学。所有土壤和植物组织样本在分析前均需在强制通风烤箱中干燥。硝酸盐氮的结果用于确定每个季节的氮用量。2020年8月28日和2023年8月30日（收获前），从每个处理区采集了整株植物样本，这些样本被分离成叶片、茎和块茎部分。每个部分均进行烘干并称重以获得干重。这些样本还被研磨并通过高温燃烧和色谱法分析总氮和碳（C）含量。每个处理的氮利用效率根据表2中的公式进行计算。由于阴性对照处理未施用氮（0公斤氮/公顷），因此某些指标无法计算。块茎产量、植物生物量、各部分的总氮含量和土壤氮含量均用于评估单独应用和组合应用4R措施的效果。名称
缩写
方程式
单位

系统效率（System Efficiency，SE）
块茎氮吸收量/施用氮量（%）

产量效率（农学效率，Agronomic Efficiency，AE）
块茎产量增加量/施用氮量（Δ产量/kg氮）

氮利用效率（部分因子生产力，Nitrogen Use Efficiency，PFP）
块茎产量/施用氮量（kg产量/kg氮）

表观氮回收率（Recovery Efficiency，RE）
植物氮吸收增加量/施用氮量（Δ氮/kg氮）

生理效率（Physiological Efficiency，PE）
块茎产量增加量/总植物氮吸收增加量（Δ产量/kg氮）

氮利用效率（内部效率，Internal Efficiency，IE）
块茎产量/总植物氮量（kg产量/kg氮）

植物氮吸收效率（Plant Nitrogen Absorption Efficiency，PUE）
总植物氮量/施用氮量（kg氮/kg氮）

块茎氮收获指数（Tuber Nitrogen Harvest Index，HI）
块茎氮/总植物氮量（kg氮/kg氮）

块茎氮利用量（Tuber Nitrogen Use，TNU）
块茎产量/块茎氮量（kg产量/kg氮）

营养生长氮利用量（Vegetative Nitrogen Use，BPEveg）
营养生物量/总植物氮量（kg/kg氮）

生产效率（Production Efficiency，PRE）
总植物氮量/块茎产量（kg氮/kg产量）

植物氮利用量（Plant Nitrogen Use，PNU）
总植物生物量/总植物氮量（kg/kg氮）

总生产效率（Total Production Efficiency，TPE）
总植物生物量/施用氮量（kg/kg氮）

植物产量效率（Plant Yield Efficiency，PYE）
总植物生物量增加量/施用氮量（Δ产量/kg氮）

氮吸收效率1（Nitrogen Uptake Efficiency 1，NUpE1）
块茎氮/（施用氮量 + 土壤残留氮（NO3 + NH4）（kg氮/ha）

氮吸收效率2（Nitrogen Uptake Efficiency 2，NUpE2）
块茎氮/（施用氮量 + 土壤总氮）（kg氮/ha）

2020年8月28日和2023年8月30日，在每个处理区的3×3.4米区域内手工收集了16个块茎样本（收获前），最终收获于2020年9月25日和2023年9月25日。使用Double L 851风行机和Spudnik 5140收割机进行收割，并配备了Greentronics产量监测器（Double M Equipment & Sales）和Trimble FMX监测器（Valley Implement）。块茎根据US标准分为1级、2级、畸形和小型类别（USDA，2011），并称重以确定各自的产量。统计分析采用ANOVA方法，并使用Tukey Kramer检验进行均值分离（JMP Statistical Discovery）。最初使用JMP（SAS Institute Inc.）的混合模型分析数据。在研究中，固定变量包括肥料来源、施用量和施用时间。当方差估计为负值或不显著时，移除了实验设计中的随机效应。根据需要，对来源、施用量和时间变量及其交互作用进行了Tukey-Kramer或Student's t检验的均值分离。

**3 结果**

3.1 氮的吸收与分配

两年中，收获前所有植物部位的氮吸收结果均显著，2023年的块茎氮吸收除外（表3）。主要观察到的效果是施肥增加了所有植物部位的氮吸收，尽管负对照组与各个施肥处理组之间的差异并不总是显著的。此外，2020年低施用量处理的块茎和总氮吸收量显著高于正对照组。除了施肥外，其他正交比较均未显示出显著结果。

**表3.** 在爱达荷州东南部粉壤土中进行的氮肥试验中，收获前块茎、茎和根的氮吸收量（每公顷总氮量）。

| 处理编号 | 2020年 | 2023年 | 2020年 | 2023年 | 2020年 | 2023年 | 2020年 | 2023年 | 2020年 | 2023年 |
|---------|-------|-------|-------|-------|-------|-------|-------|-------|-------|-------|-------|
| 1 | 负对照组 | 128c | 131b | 95c | 85a | 30b | 37b | 2.5b | 8.7b |
| 2 | 正对照组 | 212bc | 292ab | 133bc | 110a | 74ab | 166ab | 5.4a | 16.9ab |
| 3 | 来源（S） | 292abc | 320ab | 202ab | 163a | 84ab | 141ab | 5.3ab | 16.2ab |
| 4 | 施用量（R） | 379a | 382a | 246a | 164a | 125a | 195a | 7.5a | 23.3a |
| 5 | 施用时间（T） | 337ab | 265ab | 222ab | 114a | 109a | 135ab | 6.4a | 16.0ab |
| 6 | S × R | 267abc | 317ab | 186abc | 170a | 76ab | 135ab | 5.9a | 12.2b |
| 7 | S × T | 313ab | 236ab | 211ab | 99a | 96a | 123ab | 6.1a | 12.9b |
| 8 | R × T | 322ab | 208ab | 217ab | 98a | 99a | 98ab | 6.5a | 11.8b |
| 9 | S × R × T | 312ab | 387ab | 214ab | 178a | 91ab | 192ab | 6.6a | 17.4ab |

**注：** 处理间的均值分离用字母表示，相同字母的处理组之间无显著差异。缩写：ns表示无显著性。
a. 所有“S”处理组（3、6、7、9）的平均值减去所有其他施肥处理组（2、4、5、8）。
b. 所有“R”处理组（4、6、8、9）的平均值减去所有其他施肥处理组（2、3、5、7）。
c. 所有“T”处理组（5、7、8、9）的平均值减去所有其他施肥处理组（2、3、4、6）。
d. 所有施肥处理组（2至9）的平均值减去未施肥对照组（1）。
* 和 ** 表示在0.05和0.01概率水平上具有显著差异。收获前所有植物部位的氮浓度均显著不同，主要差异在于施肥处理组与未施肥对照组（表4）。平均而言，施肥显著增加了两年中所有植物部位的氮浓度（p < 0.0001）。2020年，所有单个处理组的氮浓度均显著高于负对照组；而在2023年，某些施肥处理组的块茎、叶片和根部的氮浓度与负对照组相似。此外，2020年的正对照组在茎/叶和根部的氮含量显著高于S × R × T（低施用量）和S × R（低施用量）处理组。来源和施用量的正交比较在2020年的叶片、茎和根部具有显著性，其中低施用量和PCU施用量分别降低了氮含量（图1）。

**表4.** 在爱达荷州东南部粉壤土中进行的氮肥试验中，收获前块茎、叶片、茎和根部的氮浓度（%）。

**图1.** 2020年氮肥试验中“Russet Burbank”马铃薯叶片、茎和根部的氮浓度，比较了两种氮源（聚合物包膜尿素[PCU]和未包膜尿素）、两种施用时间（出苗前和分次施用）和两种施用量（全量[235 kg N/ha]和减少量[185 kg N/ha]与未施肥对照组。相同字母的处理组之间无显著差异。混合模型分析显示，任何植物部位的4R参数交互作用均不显著（表S2）。对于正交比较，施用时间处理也不显著，但来源对所有植物部位和施用量对根和茎/叶（以及叶片）具有显著性（p < 0.10）。PCU来源导致除块茎外所有植物部位的氮浓度显著降低。不出所料，低施用量导致除块茎外所有植物部位的氮浓度降低。由于所有处理组的碳浓度无显著差异（表S3），因此碳氮比差异较大（表5）。2020年收获前所有植物部位的碳氮比中，负对照组的碳氮比显著高于其他处理组，在某些情况下是其他处理组的两倍以上（p < 0.0001）。2023年叶片和茎/叶的碳氮比趋势相同，尽管某些处理组的块茎和根部的碳氮比与负对照组相似。对于正交比较，PCU来源在2020年的叶片和根部也导致碳氮比高于尿素处理组。同样，低施用量导致叶片和茎/叶的碳氮比高于全量施用量。

**表5.** 2020年和2023年在爱达荷州东南部粉壤土中进行的氮肥试验中，收获前马铃薯植物部位的碳氮比。来源、施用量和施用时间的交互作用对叶片和整个植物的生物量有显著影响，其中在出苗前施用较低剂量的尿素比全剂量尿素以及在出苗前施用较低剂量的PCU（多元素肥料）能产生更多的生物量（表S4）。2023年的结果不显著，只有在茎和总生物量方面，施肥处理与未施肥处理之间存在显著差异。表6显示了2020年和2023年在爱达荷州东南部沙质壤土中进行的一项氮肥试验中，马铃薯植株各部分的干生物量（收获前）数据。总生物量（克/株）。

| 处理编号 | 处理 | 2020年 | 2023年 |
|---------|------|------|------|
| 1 | 对照组 | - | - |
| 2 | 正对照组 | 64b | 150a |
| 3 | 来源（S） | 84ab | 142a |
| 4 | 施用量（R） | 120a | 164a |
| 5 | 施用时间（T） | 94ab | 118a |
| 6 | S × R | 80ab | 125a |
| 7 | S × T | 90ab | 123a |
| 8 | R × T | 91ab | 128a |
| 9 | S × R × T | 95ab | 157a |
| ... | ... | ... | ... |

p值：
0.0231
0.1109
0.0121
0.7506
0.0799
0.0419
0.0250
0.1549

正交比较结果显示：
- 来源（S）之间无显著差异。
- 施用量（R）之间无显著差异。
- 施用时间/位置（T）之间无显著差异。
- 施肥处理与未施肥对照组之间存在显著差异。

3.2 氮素效率
在任何氮素利用效率（NUE）指标中，无论是单独还是组合的4R处理之间均无显著差异（表7-8）。对于大多数涉及未施肥对照组的NUE指标，负对照组比大多数或所有施肥处理都更高效。正对照组在某些指标上表现出最低效率，但并不总是与施肥的4R处理有显著差异。

氮素效率分析表明：
- 在2020年和2023年进行的氮肥试验中，未施肥对照组在氮素利用效率方面显著优于所有施肥处理。
- 在美国爱达荷州东南部沙质壤土的田地里，正对照组在多个氮素利用效率指标上表现最低，尽管其与施肥的4R处理之间的差异并不总是显著的。

氮素利用效率数据表明：
- 在某些指标上，较低剂量的氮肥施用比全剂量氮肥施用能显著提高效率。
- 在某些指标上，负对照组比施肥处理更高效。
- 正对照组在氮素利用效率方面通常最低，但处理之间的差异并不总是显著的。

讨论：
马铃薯作物对氮肥施肥有响应，这从氮素吸收、氮浓度、碳氮比和干生物量的测量结果中可以看出（表3-6）。额外的产量、质量和经济指标也支持了氮素响应的存在（Stapley, 2024）。两年中，无论是单独还是组合的4R处理，在氮和碳浓度、碳氮比、干生物量和大多数植物部位的氮素吸收方面均无显著差异。对于某些氮素利用效率公式，较低剂量的氮肥施用比全剂量氮肥施用能显著提高效率。在可以将负对照组纳入均值比较的某些氮素利用效率指标中，负对照组比施肥处理更高效。对于大多数指标，正对照组具有最低的效率值，但处理之间的差异并不总是显著的。令人惊讶的是，在所有植物部位的氮素吸收方面，施肥处理之间的差异很小。2020年，较低剂量的氮肥施用在块茎和总氮吸收方面显著高于正对照组，而其他年份所有处理在所有植物部位上相似。虽然施肥显著增加了几乎所有植物部位的氮素吸收，但来源、施用量和施用时间的正交比较并无显著差异。Ghosh等人（2019）发现不同氮源对块茎氮吸收没有影响，而所有施肥处理的氮素吸收均显著高于对照组。Wilson等人（2010）也发现施肥处理相对于负对照组有显著的氮素吸收增加，且对氮肥施用时间的不同没有响应。相比之下，其他研究发现在使用PCU作为氮源时，植物的氮素吸收更高（Cambouris等人，2016；Shoji等人，2001）。尽管PCU在生长季节显著降低了大多数植物部位的氮浓度，但块茎中的氮含量未受影响（表5）。Wen等人（2021）也观察到PCU处理下的叶片总氮含量低于传统氮源。在正交比较中，PCU处理下的叶片和根部的碳氮比也有所增加，尽管其他指标未显示PCU和尿素之间的显著差异，表明PCU作为植物养分来源表现良好。整个植物样本的干生物量结果显示，负对照组的整体生长受到抑制。对于叶片、茎和整个植物的干生物量，施肥处理的正交比较显示施肥植物产生了更多的生物量。Bero等人（2014）和Zvomuya等人（2003）也观察到了同样的效果。除了较低剂量的氮肥处理外，所有施肥处理在统计上相似，该处理在根、叶片和总生物量方面产生了显著更多的生物量。正对照组中根部的生物量显著低于较低剂量的氮肥处理，这表明高剂量的氮可能会牺牲根部的生长。在所有16个氮素利用效率指标中，无论是单独还是组合的4R处理之间均无显著差异（表7-8）。Gao等人（2018）的研究结果类似，其中堆叠来源和施用时间的处理在两个氮素利用效率指标上无显著差异。然而，4R处理与正对照组和负对照组之间通常存在显著差异。正对照组由于施用了高剂量的氮，其效率通常较低，这并未体现在植物生物量、氮素吸收或产量的显著增加上。这导致正对照组的系统效率（SE）、部分因子生产力（PFP）、回收效率（RE）、植物氮吸收效率（PUE）、总生产效率（TPE）和氮素吸收效率（NUpE1）较低。然而，在包含阴性对照的分析中，阳性对照与其他施肥处理之间的差异通常并不显著。例外情况是TPE、PFP和NUpE2，其中低剂量处理的氮吸收率显著高于阳性对照，这是由于低剂量处理中块茎的氮吸收量意外地高。另一方面，低剂量处理的植物在所有植物部位和总生物量方面的氮浓度与阳性对照统计上相似，但总生物量显著大于阳性对照。结合较低的氮施用量，这导致四种配方中的氮利用效率（NUE）值显著高于阳性对照。其他研究也观察到了同样的效应，发现低氮剂量处理下的氮效率（Ziadi等人，2011年）、氮回报（RE）（Zvomuya和Rosen，2002年；Zvomuya等人，2003年）、NUpE1（Kleinkopf等人，1981年）、PFP（Bero等人，2014年）和氮利用效率（PUE）值都较高（Tyler等人，1983年）。然而，这些结果与其他研究的结果也存在矛盾，那些研究认为氮剂量对氮利用效率（PUE）（Zebarth等人，2004年）、氮回报（RE）（Clément等人，2021年）和氮效率（AE）（Bero等人，2014年）没有影响。这些结果支持了“收益递减法则”的概念，即氮利用效率随着氮剂量的增加而降低。在高氮剂量下氮利用效率的下降表明，植物可能无法吸收所有施用的氮，或者在高剂量下氮从土壤中流失（Fageria和Baligar，2005年）。阴性对照处理的氮效率（IE）和植物氮利用量（PNU）显著高于所有施肥处理。这主要是由于阴性对照中的块茎氮和总植物氮含量显著低于其他所有处理。在其他研究中也观察到了施肥处理与未施肥处理之间氮吸收量的差异（Bélanger等人，2002年；Clément等人，2021年）。较高的氮效率值表明，尽管总植物氮含量较低，阴性对照仍产生了相对较高的块茎产量。Errebhi等人（1999年）也观察到未施肥对照的氮利用效率值高于施肥处理。对于大多数氮利用效率指标，尿素（PCU）和传统氮源（如硝酸铵[AN] + AS）之间没有显著差异。唯一的例外是氮效率（IE），它随着尿素施用量的增加而显著提高，这可能是由于尿素处理下叶片、茎和根的总氮含量显著低于尿素处理。另一项研究的结果也类似，该研究发现尿素和传统氮源在PFP、氮效率（AE）、氮利用效率（PUE）和氮效率（SE）方面没有显著差异（Bero等人，2014年）。其他研究发现尿素和硝酸铵相比，尿素处理下的氮回报（RE）有所增加，但本研究中未观察到这种效应（Chen和Hutchinson，2008年；Shoji等人，2001年）。对于16个氮利用效率指标中的任何一个，单次施用和分次施用之间也没有显著差异。Zebarth等人（2004年）也报告了氮利用效率（PUE）、氮利用量（PNU）、收获指数（TPE）和氮回报（RE）在单次施用和分次施用之间没有差异，Shaw（2015年）也报告了氮回报（RE）没有差异。某些处理之间在许多氮利用效率测量指标上没有显著差异，这可能归因于有利于土壤中氮保留的环境条件。高降水量和高灌溉量可能导致氮通过土壤淋失，远离目标根区。爱达荷州东南部的半干旱环境以及种植者采用的模范灌溉措施可能减少了由于淋失造成的氮损失。2020年和2023年的生长季节，降水量和灌溉量分别为508毫米和706毫米（图S1和S2）。此外，通常不存在反硝化作用所需的厌氧条件。这些因素可以解释为什么许多氮利用效率指标之间的差异不大。从环境角度来看，这些结果表明，在本研究的条件下，减少氮的施用量总体上可以提高氮利用效率，而氮的来源和施用时间对氮利用效率的影响很小。然而，减少肥料用量也可能对作物产量和经济结果产生负面影响。似乎能够平衡氮利用效率、氮吸收量、作物产量和质量的最佳处理是S × R处理（即以较低剂量施用尿素），或者是以较低剂量施用尿素并配合一次性全面施肥的处理。这种处理结合了尿素的环境效益和减少用量及一次性施肥带来的成本节约，从而形成了一种既能保护农民经济利益又能提高作物系统可持续性的管理方法。

**5 结论**

大多数植物部分的氮吸收和浓度以及对生物量的影响都显示出对施肥的显著响应，尽管单个4R处理和组合4R处理之间没有差异。单个4R处理和组合4R处理在16个氮利用效率指标方面也没有显著差异。无论肥料来源和施用时间如何，低剂量处理通常比全剂量处理在块茎产量、植物氮吸收量和相对于施用氮量的植被生物量方面更有效。肥料来源和施用时间对氮利用效率的影响很小或没有影响。基于这些发现，我们推荐S × R处理（即以较低剂量施用尿素）来实现4R目标，即在平衡作物系统的环境、社会和经济成果方面取得平衡。这些结果表明，通过减少肥料用量可以提高氮利用效率，而且4R实践在维持或提高氮利用效率方面比种植者的标准做法更为成功。

**作者贡献**

Samuel H. Stapley：正式分析；调查；项目管理；可视化；撰写——初稿。
Fabián G. Fernández：正式分析；撰写——审阅和编辑。
Matt A. Yost：概念化；资金获取；项目管理；监督；撰写——审阅和编辑。
Neil C. Hansen：概念化；资金获取；调查；监督；撰写——审阅和编辑。
Ryan C. Christensen：调查；资源协调。
Bryan G. Hopkins：概念化；正式分析；资金获取；调查；项目管理；监督；撰写——审阅和编辑。

**致谢**

本研究由国际植物营养研究所（2019-USA-4RS01）资助。BKR Farms（设备和供应）和Nutrien Ag Solutions, Inc.（供应）提供了研究支持。