氮是作物生长和产量形成最重要的营养元素之一，同时也是全球生态系统物质循环的重要组成部分^[1-2]。土壤中氮含量和存在的形态受多种因素影响，如土壤类型、气候变化、人类活动和植被覆盖等^[3]。土壤中的氮分为无机氮和有机氮，而有机氮是土壤氮素存在的主要形态，占土壤氮库的90%以上，主要存在于土壤有机质和未完全分解的动植物残体中^[4]。有机氮是土壤肥力的重要组成部分，又是影响土壤活性氮和供氮能力的主要因素之一，在土壤有效供氮能力和氮素的转化循环中扮演重要角色，同时也是土壤矿质氮的源和库，对植物生长发育和土壤生态系统的稳定性都有着重要的影响^[5-9]。土壤可溶性有机氮（soluble organic nitrogen，SON）和土壤微生物生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）是土壤活性氮库中重要的组分，两者均参与土壤氮素循环、调控和供应，同时也是土壤铵态氮、硝态氮以及SON氮库相互转化的驱动因素^[10-11]。

施肥是补充土壤氮库，提高土壤供氮能力的重要措施，农田有机肥的施用是提升土壤有机氮含量和肥力的重要手段，与化肥相比，有机肥对改善土壤质量有较好的效果^[12]。有机肥和控释肥部分替代化学氮肥在提高土壤肥力、优化氮素供应、提升作物产量及氮肥利用效率等方面展现出显著优势。高鹏等^[13]研究表明，有机肥替代化肥比例越高，SON和MBN含量的提升越明显，尤其对土壤长期氮素供应能力具有积极作用。李超^[14]进一步指出，有机肥替代化学氮肥能够增强马铃薯块茎膨大期的氮素供应能力，同时减少氮素表观损失和盈余量，优化了土壤氮素平衡。李泽碧等^[15]验证了控释氮肥的增效作用，结果表明其可显著提高作物干物质积累量、产量及氮肥利用效率，为构建高效施肥模式提供了技术支撑。冯朋博等^[16]则通过普通尿素与缓释尿素配施，揭示了肥料氮素释放与作物需氮动态的匹配性，为实现作物绿色高产高效提供了路径。吕真真等^[17]通过长期定位试验发现，有机无机肥配施能显著提升土壤有机碳、全氮及矿质氮含量，其中高比例有机肥（70%）处理在培肥土壤方面表现突出。上述研究充分证明，有机肥与控释肥在减少化肥用量、改善土壤氮素库及提升作物增产潜力方面具有重要作用，同时，不同类型肥料的组合及替代比例的优化也为精准施肥策略的制定提供了丰富的理论依据。

内蒙古阴山北麓是典型的农牧交错区，该地区昼夜温差大、气候冷凉，非常适宜马铃薯的种植和生长，目前已成为内蒙古重要的马铃薯主产区。然而，长期以来该地区马铃薯种植过程中存在施肥结构不合理、肥料施用过量以及水肥利用效率低下等问题。过量追求高产不仅导致肥料资源的浪费和生产成本的增加，还加剧了土壤退化和氮素流失等环境问题，威胁到区域农业的生态安全和马铃薯产业的可持续发展。陈杨等^[18]在阴山北麓地区通过调查1122个农户发现，氮肥的投入量在13.5~384.8 kg/hm²，磷肥在0.0~203.5 kg/hm²，钾肥在0.0~97.0 kg/hm²，最高值是最低值的数百倍，肥料的施用存在不合理现象。因此，如何优化肥料施用模式，提高肥料利用效率，同时实现作物增产与环境保护的双赢，是阴山北麓地区马铃薯种植亟需解决的关键问题。

尽管前人研究已表明有机肥和控释肥部分替代化学氮肥能显著提升土壤肥力、氮素供应能力和作物产量，但替代比例的优化机制尚不清晰且研究多局限于表层土壤，对深层氮库动态的研究较少。针对上述问题，本研究通过设置多种肥料替代化学氮肥组合，全面分析其对土壤不同形态氮素、深层氮素储量及氮肥利用效率的影响，同时聚焦内蒙古阴山北麓这一典型农牧交错区的土壤和作物特性，系统探讨优化替代比例对提升土壤综合肥力和作物产量的作用，旨在为区域内科学施肥提供理论依据，实现马铃薯种植的高效、绿色和可持续发展。

试验在内蒙古自治区农牧业科学院武川旱作试验站进行（41°05′38″ N，111°27′07″ E），试验区为干旱半干旱气候，降水集中于7-8月，年均降水量为349.32 mm，年蒸发量达1850 mm，年均气温2.60 ℃，无霜期90~110 d，地形以缓坡丘陵为主，土壤类型为砂质栗钙土。2022年4-10月降水量为103.90 mm，2023年4-10月降水量为250.10 mm。试验田土壤基础理化性状为：有机质18.95 g/kg、有效磷15.99 mg/kg、全氮1.09 g/kg、速效钾130.46 mg/kg、碱解氮115.29 mg/kg、pH 7.94。

供试马铃薯品种为华颂7号。供试肥料为尿素（N 46.0%）、过磷酸钙（P₂O₅ 16.0%）、硫酸钾（K₂O 50.0%）、缓释尿素（N 44.5%，释放周期90 d）、水溶肥（含N 14.0%、P₂O₅ 0.7%、K₂O24.0%）、生物有机肥（N、P、K>6%，有机质>30%）以及有机肥腐熟羊粪（有机质23.8%、N0.6%、P₂O₅ 0.5%、K₂O 0.3%）。

试验采用随机区组设计，共设置7个处理（表1），小区面积为40 m²（5 m×8 m），每个处理重复3次。采用大垄双行种植，起垄宽度40 cm，垄高25 cm，种植密度为53 000株/hm²。小区采用人工起埂，化肥和有机肥按小区面积折算称量，均匀撒在起埂处，起埂后以穴播方式播种。分别于2022年5月1日播种、10月2日收获，2023年5月2日播种、10月5日收获。全生育期采用滴管方式灌水3次，分别于2022年6月15日、7月20日、8月23日灌溉3次，2023年6月10日、7月25日、8月21日灌溉3次，其他田间管理措施与当地农户一致。

于2022年10月2日和2023年10月5日马铃薯收获后采集耕层（0~20、20~40和40~60 cm）土壤样品，每小区采用“S形”7点采样法，采集样品后剔除石块和其他杂物，混合均匀，将采集的土壤样品放入自封袋中，带回实验室保存测定；采用浓硫酸消煮半微量凯氏定氮法测定土壤全氮含量；采用靛酚蓝比色法测定土壤铵态氮含量；采用酚二磺酸比色法测定土壤硝态氮含量；采用氯仿熏蒸法测定MBN含量^[19]，采用凯氏定氮仪―差减法测定SON含量^[20]。

将新鲜土壤样品过2.00 mm筛后，称取约150 g放入培养桶内，以手感湿润疏松且不结块为宜；培养桶内分别放置盛有25 mL蒸馏水和1 mol/L NaOH溶液的烧杯各1个，随后密封培养桶，于25 ℃条件下预培养10 d。

将预处理后的湿土取一半放入小烧杯中，置于干燥器内；干燥器底部放置盛有50 mL 1 mol/L NaOH溶液和50 mL无乙醇氯仿溶液的容器，通过氯仿熏蒸后，将干燥器置于暗处静置24 h。随后重复抽气操作，直至完全去除土壤中的氯仿残留。

将浸提样液与碱性过硫酸钾混合后进行高温消解，采用流动分析仪测定土壤可溶性有机总氮（soluble inorganic nitrogen，SIN）。试验操作如下：碱性过硫酸钾溶液的配制方法为，先取40.0 g K₂S₂O₈与600 mL蒸馏水混合（试剂a），置于50 ℃水浴中溶解（温度≤60 ℃）；另取15 g NaOH与300 mL蒸馏水混合（试剂b），冷却至室温后，将试剂a与试剂b合并，定容至1 L。将滤液与碱性过硫酸钾溶液等体积加入25 mL具塞试管中，塞紧管塞后，用纱布和线绳扎紧管塞以防弹出；将具塞试管置于高压蒸汽灭菌锅中，加热至顶压阀开始吹气时关闭阀门，继续加热，温度达到120 ℃后开始计时，将温度保持在120~ 124 ℃，恒温30 min；待自然冷却后，打开阀门放气，移去外盖，取出试管冷却至室温，随后按住管塞将试管内液体倒置混合2~3次；消解后的液体可通过流动分析仪进行测定。其中，氮肥偏生产力（PFPN）计算公式为：PFPN（kg/kg）=Y/FN，式中，Y为作物产量（kg/hm²），FN为施氮量。氮肥农学利用效率（agronomic nitrogen use efficiency，ANUE，kg/kg）=（施氮区产量-不施氮区产量）/施氮量。

利用Excel 2007软件进行数据处理并绘制表格，采用SPSS 19.0对试验数据进行分析，运用Oringe 2016作图。

不同肥料部分替代化学氮肥处理显著影响土壤全氮含量，且表现出明显的处理间差异（表2）。随着土层深度的增加，土壤全氮含量逐渐减小，其中2022年0~20、20~40和40~60 cm土层土壤全氮含量均为CK处理最低，分别为1.53、1.58和1.42 g/kg，RN+BM处理0~20 cm土层含量最高，为1.81 g/kg，而RN+SM处理20~40、40~60 cm土层土壤全氮含量最高，分别为1.84和1.74 g/kg，三者分别较NPK处理显著提高了2.89%、3.37%和2.95%，说明生物有机肥和腐熟羊粪有机肥部分替代氮肥能够提高土壤全氮含量，2022年0~20 cm土层RN+SM和RN+BM处理均与NPK处理达显著差异水平，20~40 cm土层RN+SM与NPK处理达显著差异水平，40~60 cm土层RN+SM和RN+ WF处理与NPK处理达显著差异水平。

2023年土层土壤全氮含量与2022年规律相似，0~60 cm土层土壤全氮含量均以CK处理最低，分别为1.56、1.51和1.39 g/kg，RN+SM处理均为最高，分别为1.83、1.86和1.78 g/kg，RN+SM处理较NPK处理分别提高7.01%、9.41%和14.10%，2023年0~60 cm各处理平均土壤全氮含量由低到高为CK<NPK<RN<RN+BM<RN+WF<RN+ RUN<RN+SM，2023年0~20 cm土层RN+SM与NPK处理达显著差异水平，20~40 cm土层RN+ SM、RN和RN+RUN处理与NPK处理达显著差异水平，40~60 cm土层RN+SM、RN、RN+WF和RN+RUN处理与NPK处理达显著差异水平。以上结果说明不同肥料部分替代氮肥处理均能提高土壤全氮含量，尤其是有机肥部分替代氮肥处理效果最为明显，说明施用有机肥对提高土壤全氮含量和增加土壤氮储量具有较好效果。

各施肥处理在不同程度上改变了土壤铵态氮含量（表3）。随着土层深度的增加，土壤铵态氮含量出现逐渐降低的趋势。2022年0~20、20~40和40~60 cm土壤铵态氮含量均以RN+SM处理含量最高，较NPK处理分别提高54.76%、52.16%和28.41%，0~40 cm土层土壤铵态氮含量RN+SM、RN+BM和RN+RUN处理与NPK处理达显著差异水平，RN和RN+WF处理与NPK处理差异不显著。2023年各土层铵态氮含量与2022年规律基本一致，0~20、20~40和40~60 cm土层土壤铵态氮含量均以RN+SM处理最高，分别较NPK处理提高33.52%、63.97%和18.51%，20~40 cm土层土壤铵态氮含量RN+SM、RN+BM和RN+RUN处理与NPK处理达显著差异水平。说明不同肥料配施可以提高土壤铵态氮含量。

不同施肥处理对土壤硝态氮含量的影响存在差异（表4）。土壤硝态氮含量随土层深度的增加出现先升高后降低的趋势，2022年0~20、20~40和40~60 cm土层土壤硝态氮含量均以RN+SM处理最高，分别较NPK处理提高36.77%、27.49%和59.59%，其次是RN+BM处理含量最高，在0~20和40~60 cm土层中，RN+SM和RN+BM处理与NPK处理土壤硝态氮含量差异显著，除CK处理外，其他处理与NPK处理无显著差异，40~60 cm土层RN+WF、RN+SM、RN+BM和RN+RUN处理土壤硝态氮含量与NPK处理均无显著差异。

2023年各土层土壤硝态氮含量RN+SM处理最高，0~20、20~40和40~60 cm土层土壤硝态氮含量较NPK处理分别提高了39.19%、20.11%和6.91%，0~20 cm土层土壤硝态氮含量RN+SM和RN+BM处理与NPK处理差异显著，除CK处理外，其他处理与NPK处理无显著差异，20~40和40~60 cm土层硝态氮含量与NPK处理无显著差异。以上结果表明，有机肥部分替代氮肥（特别是RN+SM处理）能显著提升土壤硝态氮储量。

不同施肥处理对土壤SON含量的提升效果显著，且随着土层深度增加，SON含量逐渐降低，表层土壤（0~20 cm）对施肥响应最为敏感（图1）。2022年和2023年均表现出随着土层深度的增加土壤SON含量逐渐减小的趋势，2022年，各土层土壤SON含量由大到小均为RN+SM>RN+BM>RN+RUN>RN+WF>NPK>RN>CK。其中0~20、20~40和40~60 cm土层RN+SM处理土壤SON含量较NPK处理分别提高30.20%、40.13%和46.17%。2023年各土层土壤SON含量与2022年基本一致，且RN+SM处理在0~20、20~40 cm土层含量最高，RN+BM处理在40~60 cm土层含量最高，较NPK处理分别提高40.34%、61.59%和79.59%。

不同施肥处理显著提高了MBN含量，且随土层深度增加，MBN含量逐渐降低，表层土壤（0~20 cm）对施肥响应最为明显（图2）。2022年各施肥处理0~20 cm土层土壤MBN含量高于20~40和40~60 cm土层，且有机无机配施处理高于化肥处理，0~20、20~40和40~60 cm土层土壤MBN含量以RN+SM处理最高，分别较NPK处理提高了26.15%、27.80%和44.57%。2023年各土层土壤MBN含量与2022年变化趋势一致，RN+SM处理土壤MBN含量最高，较NPK处理分别提高36.42%、37.81%和55.27%，说明有机肥在持续供氮和提升微生物活性方面效果显著。

施肥显著提高了马铃薯产量、PFPN和ANUE，不同处理间存在显著差异（表5）。其中，2022年RN+SM处理马铃薯产量最高，为35 634.51 kg/hm²，比NPK处理增产9.42%，且显著高于CK、NPK、RN和RN+WF处理，与RN+BM和RN+RUN处理差异不显著。2023年RN+SM处理马铃薯产量最高，为34 938.40 kg/hm²，比NPK处理增产13.90%，同时也显著高于NPK、RN和RN+WF处理，与RN+BM和RN+RUN处理差异不显著。其次为RN+BM处理，产量为34 326.00 kg/hm²。

氮肥利用率的高低反映了作物氮肥施用的基础上吸收能力的大小，2022年和2023年不同施肥措施PFPN和ANUE均以RN+SM处理最高。2022年RN+SM处理分别较NPK处理提高36.76%和127.95%，2023年分别提高42.38%和269.10%，且RN+SM和RN+BM处理与NPK处理差异显著。说明生物有机肥对提高产量和ANUE有显著作用。

综合来看，RN+SM处理在产量和ANUE方面均表现最佳，其次是RN+BM处理，两者均表明有机肥替代部分化肥的显著优势；RN+RUN处理表现出较好的增产效果和氮肥利用潜力；RN+WF处理在快速供氮方面较为突出；RN处理尽管减少了化肥用量，但其产量和ANUE仍显著高于CK。表明有机肥与缓释肥部分替代化肥（尤其是RN+SM和RN+BM处理）是提高马铃薯产量和ANUE的理想施肥策略。

施肥是提高土壤氮素含量、增强土壤供氮能力的重要措施^[21]。肥料的投入不仅能直接为作物提供氮素，也能通过残留部分维持土壤氮库水平。然而，氮肥施用也存在淋溶和挥发损失的风险^[22]。高佳蕊等^[23]研究表明，外源有机氮进入土壤后固持率可达50%以上，这些残留的有机氮不易损失，可显著提高土壤有机氮的供应能力。刘华等^[24]研究发现，在20%有机肥替代化学氮肥的条件下，土壤全氮含量较单一施化肥增加5.2%~8.5%；郭勇等^[25]研究表明，长期有机无机配施能显著提高土壤全氮、铵态氮和硝态氮含量，其中30%有机肥替代效果最佳。本研究结果与上述研究一致，表明有机肥部分替代化肥能有效提升土壤氮素含量，但提升幅度及机制不同。

本试验结果显示，与NPK处理相比，RN+SM（腐熟羊粪）和RN+BM（生物有机肥）处理显著提高了0~60 cm土层土壤全氮、铵态氮和硝态氮含量，这一结果与郭勇等^[25]的研究类似，但提升幅度更大。这可能是由于腐熟羊粪施入后，其富含的有机质和氮素为土壤微生物提供了丰富的碳源和氮源，显著促进了微生物活性，增强了氮素矿化速率，从而持续为土壤氮库和作物生长提供有效氮。相比之下，RN+RUN（缓释尿素）处理对深层（40~60 cm）土壤氮素的提升效果显著，表现出优异的长效供氮能力，这表明缓释尿素能有效调控氮素释放速率，与作物需氮节奏高度匹配。相比之下，RN+WF（水溶肥）处理主要在浅层（0~20 cm）土壤氮素提升方面表现出色，这可能与水溶肥溶解快速、短期内氮素供应能力较强有关。而RN（减量化肥）处理在减少化肥用量的同时，全氮和硝态氮含量提升幅度较低，但依然显著高于CK处理，说明化肥减量的合理性和潜力。

本研究表明，除提升幅度显著外，腐熟羊粪和生物有机肥替代化学氮肥还能兼顾表层和深层土壤氮库的平衡改良，尤其是RN+SM处理在促进土壤氮素积累、优化源库关系和增强微生物活性方面效果尤为显著。究其原因，腐熟有机肥施入后，不仅直接增加了土壤氮库，还为微生物提供了长期稳定的养分供应，显著提升了土壤肥力和氮素供应能力，表明有机肥替代化肥的合理配施是实现土壤培肥、提高氮素利用效率和促进作物增产的有效策略，尤其以腐熟羊粪配施最为优越。

SON和MBN是土壤活性氮的重要组成部分，对氮素供应能力和循环过程具有重要影响^[25-28]。已有研究^[13]表明，有机肥施用可以显著提高土壤SON和MBN含量，从而增强土壤氮素储量和供氮能力，本研究结果与此一致，同时发现其含量表现出随土层深度增加而逐渐减小的趋势，但不同处理效果存在显著差异。

本试验结果显示，RN+SM处理对SON和MBN含量的提升效果最为显著。2022年和2023年0~20 cm土层，RN+SM处理SON含量较NPK（全量化肥）分别提高30.17%和40.34%，RN+BM处理次之，这一结果与前人^[29]研究相符，同时提升幅度更大。这可能是由于腐熟羊粪施入后，不仅直接提供了丰富的有机碳和氮源，还显著促进了土壤微生物活性，使更多的氮素以微生物吸收和同化的形式固持在土壤中，从而减少氮素流失并增加土壤氮储量。RN+RUN处理在提升深层（40~60 cm）土壤SON和MBN方面效果突出，缓释尿素通过调控氮素释放速率，与作物需氮节奏相匹配，不仅提高了氮素利用效率，还增强了土壤深层活性氮储量。RN+WF处理主要在表层（0~20 cm）土壤SON和MBN含量提升方面表现显著，水溶肥溶解迅速、短期供氮能力较强的特点使其更适合快速提升浅层土壤活性氮含量。相比之下，RN处理虽然减少了20%的化肥用量，但其SON和MBN含量仍显著高于NPK处理，显示出化肥减量的合理性。

综上所述，本研究表明有机肥部分替代化学氮肥显著提高了土壤活性氮（SON和MBN）含量，其中RN+SM处理表现最优，既提升了表层和深层SON和MBN含量，又增强了土壤微生物活性和氮素固持能力。其机制在于腐熟羊粪提供了丰富的有机质和氮源，促进了微生物的繁殖和活性，更多的氮素被微生物同化、固持在土壤中，同时减少了氮素的流失，显著增强了土壤氮素储量和供氮能力，表明有机肥替代化肥是实现土壤培肥和氮素高效管理的有效途径，尤其以RN+SM处理效果最佳。

为可持续满足粮食需求的增长，提高土壤养分利用效率已成为农业生产的重要研究方向。已有研究表明，部分氮肥替代处理可以在不降低作物产量的前提下显著提高氮肥利用效率。孙晓等^[28]研究发现，缓释尿素替代20%氮肥不会降低作物产量，且氮肥利用效率提高了2.26%~12.69%；刘飞等^[29]研究表明，缓控释肥替代20%氮肥同样不会影响马铃薯产量，但氮肥利用效率较常规肥料提高了13.71%。朱银浩等^[30]通过Meta分析指出，有机肥替代氮肥能显著提高粮食作物产量和氮肥利用效率，其中高怡安等^[31]研究表明，有机肥替代化肥可以使马铃薯产量和氮肥利用效率分别提高12.6%和24.8%。本研究结果与上述研究一致，有机肥替代化学氮肥能在提升马铃薯产量和ANUE方面发挥重要作用。

与NPK处理相比，RN+SM处理在提升马铃薯产量和ANUE方面表现最优。2022年和2023年，RN+SM处理产量分别较NPK处理提高9.42%和13.90%，PFPN分别提高36.76%和42.38%，ANUE分别提高127.95%和269.10%。这一结果优于前人^[2]研究，原因可能在于腐熟羊粪不仅直接提供了有机氮，还通过促进土壤微生物活性，增强了土壤氮素的持续供应能力，从而更有效地匹配了作物需氮规律，显著提高了ANUE。RN+BM处理次于RN+ SM处理，生物有机肥中的功能微生物可能通过加速有机质矿化和促进养分转化，进一步提高了土壤氮素供应能力，增强了ANUE。RN+RUN处理通过调控氮素释放速率，减少氮素损失，提高了ANUE，表现出长效增产潜力。RN+WF处理在快速供氮方面表现较好，但产量和ANUE提升幅度较小，水溶肥的快速释放特性可能导致短期内供氮能力较强，但持续性不足。相比之下，RN处理在减少20%化肥用量的情况下，产量和ANUE较NPK处理有所降低，但仍显著高于CK处理。上述结果显示出化肥减量的潜力，但替代肥料的补充作用仍需进一步优化。

本研究表明有机肥替代化学氮肥能显著提高马铃薯产量和ANUE，其中RN+SM处理效果最佳，兼具高产与高效的优点；其次是RN+BM处理，表现出稳定供氮的能力；RN+RUN处理展现出长效供氮潜力；RN+WF则更适合短期快速补充氮素。本研究系统验证了有机肥替代化肥在提升产量和优化ANUE方面的显著作用，为科学施肥和农业可持续发展提供了理论依据。

20%有机肥+80%化肥（RN+SM处理）在提升土壤氮素储量、优化氮素供应能力、促进马铃薯增产及提高氮肥农学利用效率方面均表现最优，兼具表层与深层土壤改良能力，是本试验处理中最适合在内蒙古阴山北麓地区推广应用的科学施肥模式。