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农田土壤氮磷运移转化研究现状与展望#
夏婷，洪林**
基金项目：基金项目：国家自然基金重点项目（50639040）；教育部科研重大项目（308017）；湖北省自
然基金（2005ABA290）
作者简介：夏婷（1987-），女，本科生，主要研究方向：农田水环境
通信联系人：洪林（1963-），女，教授，主要研究方向：环境水利
（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）
摘要：随着农田氮磷化肥利用量增加和利用率下降，农田土壤氮磷淋失而造成的地下水污染
日益严重。本文在总结现有研究成果的基础上，从理论研究和模型研究两个方面，对国内外
农田土壤氮磷运移转化研究现状进行回顾和总结，分析了国内外农田土壤氮磷运移转化研究
中存在的主要问题，并对农田土壤氮磷运移转化研究的发展趋势进行展望。针对该研究存在
的问题，提出今后研究方向：应综合多因素影响、考虑时空变异特性和尺度效应、将理论研
究与模拟技术及试验监测相结合，广泛应用 “3S”技术等尖端技术，不断提高理论-模型研
究水平和监测精度，从而有效地控制农田氮磷淋失，实现农业可持续发展。
关键词：农田；土壤；氮磷 ；运移；转化
中图分类号：S153
Research Development and Prospect of Nitrogen and
Phosphorus Transport-Transformation in Farmland Soil
Xia Ting, Hong Lin
(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan 430072)
Abstract: With the increase in farmland nitrogen and phosphorus fertilizer application and decrease in
efficiency of fertilization, the groundwater pollution due to leaching losses of nitrogen and phosphorus
from farmland soil is becoming more and more serious. The research development of nitrogen and
phosphorus transport and transformation at home and abroad are reviewed and summarized in this
paper, the theoretic researches and modeling methodologies are studied on the basis of research
achievement review in this field, the problems existing in the research are analyzed, and the research
trends in the fields related are prospected. Through analyses of the main problems currently exiting in
the fields related, the research directions are put forward: considering influences of multiple factors,
integrating temporal-spatial variations and scaling effects, and combining theoretical research with
modeling and experimental monitoring techniques; widely applying key techniques such as “3S”
techniques to improve theoretical and modeling research levels; effective controlling leaching losses of
nitrogen and phosphorus from farmland to realize sustainable development of agriculture.
Keywords: farmland;soil;nitrogen and phosphorus;transport;transformation
0 引言
氮（N）、磷（P）是农作物生长发育过程中不可或缺的重要元素，对提高作物产量有
重要作用。然而天然状态下土壤中有效态氮磷很难满足作物的需要，必须通过使用相应的肥
料才能大幅提高作物产量。氮磷化肥的施用，成为农业增产增收的重要措施[1、2]。然而氮磷
化肥在增产增收的同时，也带来一系列问题。由于施肥方式不当等原因，化肥中的氮磷有效
利用率并不高。研究表明，我国的氮肥当季利用率仅为 30～35％，磷肥仅为 10～25％[1]。
化肥中的氮磷很大一部分损失于挥发、地表径流、土壤吸附、渗入地下等，进而对环境造成
一定程度的污染，农业非点源污染就是其中之一。非点源污染（non-point source pollution）
是相对点源污染而言的面源污染，而农业非点源污染（agricultural non - point source pollution）
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是非点源污染的主要来源[3]。农业非点源污染，其主要的污染物质是氮和磷营养元素，而农
田氮磷淋失造成地下水污染是农业非点源污染主要方式之一[4]。
随着农田氮磷化肥利用量的增加和利用率下降，农田土壤氮磷淋失而造成的地下水污染
日益严重。进行农田土壤氮磷运移转化规律的研究，对于农业非点源污染的控制和农业可持
续发展有十分重要意义：一方面可以了解农田氮磷淋失引起的农业非点源污染（特别是对农
田地下水的污染）的机理，从源头控制农业面源污染；另一方面可以高效利用水肥资源，提
高农业生产效率。
1 国内外理论研究现状
越来越严重的土壤水氮磷引起的农业非点源污染，引起了国内外很多专家和学者的关
注。国外农业非点源污染研究起步于 20世纪 60年代[5]。农业非点源污染最先引起专家学者
关注的原因是硝酸盐污染所引起的环境问题[6、7]。我国的非点源污染研究始于 20世纪 80年
代[5、8]，最初的研究始于湖泊水体富营养化污染的调查。随着农业非点源污染研究的深入，
氮磷化肥的大量不合理使用对农业非点源污染的贡献，引起了专家学者的注意。与此同时，
氮磷化肥的有效利用率、土壤中氮磷运移转化规律及对环境污染的影响成为各国学者最重要
的研究课题之一。
在土壤中氮素主要以四种化学形态存在：有机氮、氨氮、硝态氮（硝酸盐和亚硝酸盐氮）
和气态氮[9]。其中，铵态氮和硝态氮是作物吸收的主要氮素。一般情况下，土壤胶体带负电，
带负电的硝态氮不易被土壤吸附，而随着土壤水分的下渗运动而转人地下水[10]。另一方面，
土壤颗粒和土壤胶体对铵态氮有很强的吸附作用，阻滞铵态氮向深层土壤的淋失。但是当土
壤对铵态氮的吸附达到最大值时，即吸附作用达到饱和时，在渗入水流的作用下，铵态氮还
可能进入地下水中，加重对地下水的氮素污染[11]。氮素在土壤中的运移过程主要是氮素随
土壤溶液沿土壤孔隙的淋失，而转化主要包括三个方面：将铵态氮氧化为硝态氮的硝化作用；
将硝态氮还原成氧化氮、氨气或氮气的反硝化作用[11]；由有机态氮转化为无机态氮（主要
为氨态氮）的矿化作用[12]。
农田氮素运移理论研究现状
20世纪 60年代，美国和欧洲的相关学者开始关注因氮肥的施用而导致地下水硝酸盐污
染的环境问题[13]。伴随着溶质运移理论研究的不断深入，氮素运移转化理论的研究渐渐发
展起来。Jury(1982) [14]在总结之前溶质运移规律研究的基础上，考虑土壤溶质运移的整体特
征，对氮素淋溶进行研究。Shearer 等（1982）[15]发现影响硝酸盐迁移转化的主要因素是有
机物、土壤温度、透气性、土壤 pH值、土质与土壤水分等，它们通过土壤中的微生物而影
响硝酸盐的迁移转化。Komor(1993)、Aravena(1998) [16、17]等用氮同位素法研究地下水中的
氮污染源。Geng等（1996）[18]在不同水文地质系统尺度上，对氮素循环与硝酸盐迁移作了
模拟计算。Kanwar等（1988）、Varshney等（1993）[19、20]在不同施肥方式的条件下，对农
田硝态氮的迁移和淋失潜力进行研究。
我国学者在土壤水氮素运移转化规律方面的研究起步较晚，但近年来在该反面开展了大
量的工作，取得了初步成果。刘培斌等（1994）[21]对室内外不同排水条件下淹水稻田土壤
中氮素运移、转化规律进行试验研究，对氮素在土壤和地下水中的运移动态及分布过程进行
了初步探讨。阮晓红等（1996）[9]通过室内土柱实验，研究了氮在包气带不同土质层中饱水
条件下迁移转化的特征，并建立了一维饱和土壤层中氮迁移的预测模型。张瑜芳等（1996）
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[22]在总结文献和室内外实验的基础上，对排水条件下饱和一非饱和土壤中氮素运移、转化
和流失规律及数值模拟方法进行了研究。曹红霞等（2003）[23]通过室内均质土柱试验，对
不同灌水处理土壤中表施和灌施溶质的迁移规律进行了研究。马军花（2004）[24]分别从点
尺度和农田尺度对农田土壤氮素运移和转化规律的定量描述进行了研究，构建传递函数模型
并进行检验。金赞芳等（2006）[5]运用氮的同位素方法，根据不同污染来源 N同位素含量的
差异，研究分析地下水硝酸盐污染物的来源。杨维等（2008）[25]通过 2个土柱的动态实验，
观察含氨氮污水在经过地下包气带与饱水层时的迁移转化过程，发现污染地下水的氮素主要
存在形态与土壤的通气性有关。洪林等（2009）[26]以我国南方典型灌区—湖北省漳河灌区
为研究对象，开展了农田排水氮素流失的影响因子及其规律研究，发现降雨、作物叶面指数
等生理生态指标、节水灌溉、土地利用类型、地形地貌等都会影响农田 N的流失。
农田土壤磷素运移转化研究现状
磷素（P）是作物生长发育必须的三大营养元素之一，在作物幼嫩组织和繁殖器官部位
都有较高的含量[27]。土壤中的磷素主要有无机磷和有机磷两大类，其中作物能吸收利用的
主要是以正磷酸盐为主的无机磷[27、28]。土壤磷素的转化公认的有四个过程[29]：无机磷酸盐
的溶解作用，有机磷酸盐的矿化作用，固定作用，无机磷酸盐的氧化一还原作用。通常，土
壤磷素的价态较为固定，氧化一还原作用并不十分重要。土壤生物在这些转化过程中起着重
要作用。
1945年开始，世界上许多地区增加了磷素化肥的投入，到 1960年达到一个稳定的投入
水平[30]。20世纪 60年代以后，越来越严重的农业面源污染，引起了国外相关方面对农业非
点源磷素污染的重视。与此同时，国外专家开始对磷素在农业土壤及水环境中运移转化规律
进行研究。Romkens 等（1974）[31]在大田和室内进行试验，证明了磷化肥用量和径流磷损
失量的直线关系。Chen 等（1996）[32]对土壤中磷的迁移形式与土壤质地的关系进行研究。
结果表明，轻质的砂土、砂壤土或粉砂壤土等土壤吸附磷素的能力较弱，通透性较强，且有
较高比例未被吸附的磷素的存在，在大雨条件下，才会发生磷素的淋溶损失，而细小的土壤
颗粒，例如土壤粘粒和腐殖质颗粒，主要是以侵蚀和径流形式迁移的。Heckrath 等(1995、
2000)[33、34]用作图法绘制相应曲线，定出土壤磷素发生淋溶时的土壤耕层有效磷含量的“突
变点”，在土壤磷素淋溶趋势预测中得到应用。Young 等（2001）[35]在实验室条件下对季
节性淹水土壤中磷素的释放进行了初步的研究，结果表明，季节性淹水有利于土壤磷素的释
放。
我国在土壤磷素运移转化研究方面起步较晚，但是近年来，我国在磷素的运移转化规律
研究得到普遍重视。已经开展的研究主要有：在磷素由土壤迁移到水体的过程中,磷素的形
态、迁移量、迁移方式及外界环境条件等方面的初步研究；磷素迁移转化机理方面的研究；
磷素运移转化相关的一些参数研究等。但在非点源磷素的控制与管理方面还差得比较远[36]。
研究表明，氮是控制滨海地带水体富营养化状况的主要矿质元素，而磷素则是湖水、水库、
河水等多数淡水水体富营养化的主要限制因子[37、38]。冯固等（1990）[39]应用 32P 示踪研究
石灰性土壤磷素的形态及有效性，发现水溶性磷肥施入土壤后其有效性随时间的延长而降
低。隋红建等（1996）[40]、王超（1997）[41]对磷素在土壤中迁移特性的研究表明，磷素在
土壤中扩散移动极弱，H2PO4-离子在土壤中的扩散系数为 -1×10-5 相当于
NO3-离子扩散系数的千万分之一或万分之一。其在土壤中的迁移，一般主要集中在表土层，
难以穿透较厚的土层。王姗娜等（2005）[42]对农田非点源污染的定量化、应用效应等进行
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了对比分析，并结合农田非点源污染与相关模型作了应用实例分析。史春霞等（2007）[43]
采用模拟土柱培养的方法，探索淹水稻田条件下磷素在土层中的垂直移动、渗漏情况。结果
表明，磷肥在施肥初期渗漏量相对较大，渗漏水含有较高的有机磷，给大田生产提供参考。
2 国内外模型研究现状
氮磷元素作为土壤溶质，在土壤中的迁移实质上受到溶质随土壤水分的迁移、溶质在土
壤中的扩散、溶质与土壤颗粒之间及溶质不同组分之间的化学反应变化、被作物吸收等诸多
因素的制约[40]。降雨、土壤性质、肥料种类和用量、作物生长状况等各种人为及自然的因
素都会影响氮磷在土壤中的运移转化过程。由于影响因素的多样性和复杂性，单因子的田间
实验很难描述氮磷运移转化的规律性。因此，模型研究成为氮磷引起的农业非点源污染研究
的主要途径[42]。数学模型能够描述土壤水流和氮素运移的本质特征，且具有预报功能，是
土壤科学定量化研究的必然趋势。在己发展的模型中，根据其解的形式，可分为确定性模型
和随机模型[24]。这两类模型又分别包括对流—弥散模型、传输—化学平衡模型和传递函数
模型。
Jury(1982)[14]提出的传递函数模型(transfer function model,TFM)采用溶质迁移时间的概
率密度函数表示溶质在土壤中的运移特征，通过将溶质的输出通量表征为输入通量的函数这
样一种简单的方式来模拟土壤这一复杂的系统，土壤中发生的动力学过程由概率密度函数隐
含地加以表征，为土壤溶质运移的数学模拟提供了一种新的尝试。美国、加拿大在研究土地
利用一营养负荷一湖泊富营养化关系的过程中，提出并应用输出系数法，成为人们研究非点
源污染的主要模型。1996年 Johnes等人在此基础上完善了输出系数法模型，提高了模型对
土地利用状况改变的灵敏性[42]。阮晓红等（1996）[9]研究了氮在包气带不同土质层中饱水条
件下迁移转化的特征，用水动力弥散方程建立了一维饱和土壤层中氮迁移的预测模型。任理
等（2001，2004）[44、45]运用传递函数模型(Transfer Function Model，TFM)作为随机模拟工具，
对灌溉入渗—重分布条件下非饱和土壤中硝态氮的运移进行了数学模拟，之后又研究了冬小
麦生长条件下不同施肥量的土壤硝态氮的淋洗过程，得到了硝态氮在土壤中迁移时间的概率
密度函数并运用传递函数模型对次进行数学模拟和预报。王丽影等（2008）[46]利用二维饱
和-非饱和土壤氮磷运移转化模型 nitrogen-2D模拟了不同污水灌溉方案下土壤及地下水中不
同形态氮及磷的变化情况及其造成的地下水污染情况。李晓鹏等（2009）[47]用土壤传递函
数法(Pedo-Transfer Functions PTFs)，即利用土壤粒径组成、容重、有机质含量等较易获取的
基础物理性质采用间接方法计算土壤饱和导水率或土壤水分特征曲线的方法，对河南省封丘
县不同深度土壤的饱和导水率值进行了模拟预测。
3 存在的问题及展望
总结已有的研究成果，目前土壤水氮磷运移转化规律研究存在的问题主要有以下几个方
面：
（1）考虑因素不全面。由于土壤中氮磷淋失影响因素多且复杂，一般室内或田间研究
考虑的因素有限，如只考虑灌溉制度、施肥方法等的影响。而各影响因素之间往往存在相互
影响，实验条件下很难全面模拟。
（2）假设条件与实际存在差异。目前的多数研究均在一定的假设条件下完成，如假设
土壤为均质空隙等。假设使研究简化，但往往是结果与实际情况存在差异。
（3）尺度问题。目前很多研究采用室内土柱、盆栽等方法模拟实际情况，得到小尺度
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范围的较准确的实验结果，但在小尺度结果推演至农田大尺度范围时存在尺寸效应，影响实
际应用的准确性。
（4）现有模型应用存在局限性。如确定性数学模型主要适用于点尺度的土壤水流和溶
质运移规律研究，而传递函数模型多限制在保守的目标溶质、不考虑溶质初始分布或假定溶
质浓度均一的初始剖面、湿润气候条件下的浅排水农田或无作物覆盖条件下溶质运移的研
究。更多适用性广且精度高的模型有待研究。
针对上述存在的问题，今后的发展应综合农田土壤氮磷运移转化多因素影响、考虑时空
变异特性和尺度效应、将理论研究与模型研究及试验监测相结合，广泛应用 “3S”技术等
尖端技术，不断提高农田土壤氮磷运移转化理论-模型研究水平和监测精度，从而有效地控
制农田氮磷淋失，实现农业可持续发展。
4 结语
本文对国内外土壤水氮磷运移转化规律研究现状进行回顾和总结，提出目前该领域研究
存在的问题和不足，并对以后的发展趋势进行了展望。
5 致谢
感谢武汉大学杨金忠教授和中国水利水电科学研究院许迪教授、王少丽教授对论文研究
给予的支持和帮助。
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