综述：农业中氮、磷、钾施肥的环境效应：文献计量分析与文献综述

《Agriculture》：Environmental Effects of Nitrogen, Phosphorus, and Potassium Fertilization in Agriculture: A Bibliometric Analysis and Literature Review

　　

农业是粮食安全的基础；然而，农业中氮（N）、磷（P）和钾（K）肥料的低效或过量施用会产生相互关联的环境压力。与K相比，N和P的直接环境效应已有更为广泛的文献记载，而K则更多通过养分失衡、土壤-植物相互作用及其与N和P的相互作用来进行研究。本研究结合了对Web of Science核心合集（SCIE和SSCI）中1991年至2024年间收录的3649篇文章和综述的文献计量分析以及一篇文献综述。其目的是描绘农业NPK施肥环境效应研究的演变、知识结构和新兴前沿，并确定知识缺口以及可持续养分管理的优先事项。分析显示，出版物数量持续增长，跨学科性不断增强，主要研究热点涉及养分循环、环境影响、可持续性和养分管理技术。该综述进一步指出了在综合N-P-K相互作用、精准养分管理的长期评估、复合气候相关风险以及科学证据与治理之间的联系方面存在的持续缺口。基于这些发现，研究人员开发了一个综合的NPK环境管理框架，将肥料投入、养分相互作用、土壤过程、环境结果、管理干预和政策支持联系起来。因此，这种结合文献计量和文献综述的方法超越了该领域的简单描绘，为未来的研究和更综合的养分管理策略提供了结构化基础。

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   引言
   农业是粮食安全的基础，但氮（N）、磷（P）、钾（K）肥料的广泛低效使用对环境系统造成了巨大压力。这些压力表现为水体富营养化、土壤退化、温室气体排放、空气质量影响以及对生物多样性和生态系统的影响，共同构成了本研究关注的“农业环境效应”。N、P、K的农业环境效应通常是相互关联的，例如N-P协同作用会加剧水体富营养化，而K缺乏会限制作物对N和P的吸收。现有研究主要集中在单养分或孤立的环境终点上，缺乏对N、P、K相互作用的综合评估。尽管已有大量针对特定环境过程（如富营养化、温室气体减排）或单一养分（N、P或K）的综述，但尚未有研究在一个统一的分析框架内结合所有三种养分并跨越多个环境过程，同时综合文献计量图谱与文献综述以识别跨领域知识缺口并提出综合管理框架。因此，本研究采用文献计量与文献综述相结合的方法，旨在量化出版趋势、确定主导和新兴研究主题、综合N、P、K循环与环境效应及管理技术的证据，并制定可持续养分管理的综合框架。
2. 2.
   数据与方法
   文献数据来源于2025年3月10日Web of Science（WoS）核心合集的SCIE和SSCI数据库。检索式为TI=(agriculture* OR Agro* OR husbandry) AND TS=(Nitrogen* OR Phosphorus OR Phosphor OR potassium OR Kalium OR NPK)。初步检索获得1991–2024年3756条记录，经过纳入和排除标准筛选，最终保留3649篇论文用于分析。纳入标准包括：SCIE或SSCI索引、文献类型为论文或综述、英文、发表年份1991–2024年、与农业系统中N、P或K施肥的环境效应实质性相关。排除标准包括：与农业环境效应无关的记录、非英文出版物、非论文或综述类型、重复记录。所有记录均通过手动筛选标题和摘要进行相关性评估。数据清洗使用Derwent Data Analyzer V7（DDA）合并国家和机构名称变体，例如将中国大陆、台湾、香港和澳门归为中国，将英格兰、苏格兰、威尔士和北爱尔兰归为英国。分析工具采用VOSviewer 1.6.16进行合作网络、关键词共现、期刊共引和文献耦合分析，DDA用于数据清洗、出版趋势、国家和机构分布以及学科类别分析。研究工作流程包括数据检索、清洗、文献计量分析和文献综述综合。
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   文献计量分析
   3.1. 出版趋势
   1991–2024年农业环境效应研究快速发展，累计发文3649篇，年度发文量从15篇增至290篇，拟合指数曲线R²=0.9661，表明整体呈加速增长趋势。第一阶段（1991–2005年）累计发文569篇，占总量的16.40%；第二阶段（2006–2024年）累计发文2900篇，占83.60%。尽管部分年份出现波动，但过去34年整体呈现增长趋势，反映出该领域受到学术界和社会的广泛关注。

3.2. 国家分布分析

在1991–2005年和2006–2024年两个时期，中国发文量显著增加，从第一阶段的较低水平跃升至第二阶段的年均超过150篇，超越美国成为该领域的主要贡献者。美国在两国时期均保持大量发文，但增长率相对温和。英国、德国等国家发文量变化较为稳定。国家合作网络显示，美国和中国处于核心位置，与众多国家存在广泛合作联系。在总被引网络中，中国和美国同样占据核心位置，表明两国研究成果具有广泛引用影响和较高学术地位。国际合作在该领域高度普遍，各国在发文和引用方面均存在广泛联系。

3.3. 机构分布分析

过去34年中，共有3374个机构发表了农业环境效应相关文章。发文量≥5篇的机构约330个，占总机构数的9.78%，其发文量占总量的50.90%。发文量排名前10的机构主要分布在中国、美国、加拿大、瑞典和丹麦，占总量约10.62%。中国研究机构占据突出份额，其中中国科学院以250篇排名第1，中国农业大学（97篇）和中国科学院大学（84篇）分别排名第3和第5。美国机构中，美国农业部农业研究局（120篇）排名第2。机构合作网络显示，中国科学院和美国农业部农业研究局是两个核心节点，体现了它们在发文量和影响力上的领先地位。机构间合作呈现一定区域特征，但国际合作日益突出，促进了研究成果的传播与引用。

3.4. 学科分布分析

1991–2024年间，共有625种期刊发表了农业环境效应研究文章。发文量前10的期刊占该领域总发文量的24.35%，主要包括Journal of Environmental Quality、Science of the Total Environment、Agriculture Ecosystems & Environment等。这些期刊中，环境科学与农业/土壤科学期刊并存，反映了该领域兼具环境科学和农学的双重学科属性。期刊共引网络识别出五个聚类，农业类期刊（如Agronomy Journal、Agronomy-Basel）形成密集子网络，环境科学类期刊（如Ecological Engineering、Water Science and Technology）形成另一个子网络，表明农业与环境科学之间的跨学科研究趋势日益明显。学科类别分析显示，前10学科类别包括环境科学、土壤科学、农学、植物科学、水资源等，占总发文量的77.92%。2006年后，环境科学、土壤科学和植物科学发文量显著增长，多学科科学、地球科学和环境工程虽然总量较低，但也呈现增长，表明跨学科研究正在兴起。

3.5. 研究热点

3.5.1. 高被引前10文章分析

基于Web of Science数据库，农业环境效应研究领域有44篇高被引文章，其中前10篇发表于2015至2020年间。这些高被引文章主要聚焦三个主题：长期养分输入对土壤微生物群落的影响、微生物过程与养分循环、环境影响与可持续性。长期养分输入研究表明，N施肥增加作物产量但导致土壤酸化和微生物多样性下降，而平衡N、P、K施肥能改善土壤微生物多样性和作物生产力。微生物过程研究揭示了溶磷微生物（PSMs）和磷酸酶在提高P有效性中的作用，以及生物硝化抑制剂（BNIs）在减少N损失方面的潜力。环境影响与可持续性主题强调过量N施肥导致温室气体排放、富营养化和土壤退化，而平衡施肥、有机改良和秸秆还田可缓解这些影响。高被引文章的方法以长期田间试验、荟萃分析和全球综合研究为主，但钾（K）相关研究相对缺失，反映出K在环境文献中的代表性不足。

3.5.2. 关键词聚类分析

农业环境效应研究共出现7257个关键词，其中仅6.59%的关键词出现超过5次，这些高频关键词代表了研究热点。关键词共现网络揭示了不同的主题聚类：红色聚类聚焦氮循环过程（如氮素利用效率、硝酸盐淋溶、反硝化）；绿色聚类关注磷相关环境问题（如磷、水质、富营养化）；其他颜色代表土壤、土地利用、生物炭等子领域。氮和磷作为共现关键词的紧密耦合反映了它们在富营养化中的协同作用，而生物炭和气候变化作为突出节点则标志着该领域向气候智能型农业的概念扩展。钾（K）相对孤立于主要的N-P聚类，表明K环境研究尚未完全融入主导的N-P环境研究议程，代表了一个未来需要解决的知识缺口。

1. 4.
   文献综述
   4.1. 研究进展分析
   研究进展首先涉及循环机制。氮循环机制方面，硝化、反硝化、氨挥发和氮固定等过程得到深入研究，同位素示踪、分子生物学和模型模拟等方法增进了对氮在土壤-植物-大气系统中迁移转化模式的理解。磷的固定与释放机制方面，磷在土壤中通过吸附和沉淀被固定，过量施磷导致磷积累和流失风险增加，其行为受有机质和矿物组成等多因素影响。钾循环机制方面，钾以离子形式存在于土壤溶液中，易受水分运动影响而淋失，秸秆还田可作为重要的钾补充来源，且钾与氮、磷的协同效应逐渐显现，在适度氮磷水平下钾吸收效率最高。

管理技术创新包括新型肥料与智能施用技术（如控释肥、纳米肥料、微生物肥料、有机-无机复合肥）以及精准农业技术（如变量施肥、水肥一体化、智能施肥机械）。生态工程与循环农业模式（如生态沟渠、湿地系统、种养结合）和智能监测与决策系统（如多光谱遥感、物联网IoT、人工智能算法）也被广泛应用。

环境效应评估指出，农业氮污染通过增加N₂O等温室气体排放加剧全球变暖，极端降水事件增加氮流失风险；磷流失导致水体富营养化和生态系统退化；钾过量施用导致淋失、固定和土壤结构破坏。政策与实践方面，联合国粮农组织（FAO）发布了《农业食品系统可持续氮管理》报告，欧盟实施了氮行动计划和磷循环战略，澳大利亚将氮肥减排纳入碳交易体系，这些国际政策框架和市场机制正在推动可持续养分管理。

4.2. 未来发展方向与前景

未来需要深化对N、P、K循环机制的理解，特别是氮循环中的关键微生物过程、磷在土壤中的固定-释放机制以及钾的特定过程。肥料技术与管理策略需创新，推进控释肥、纳米肥和微生物肥料的研发，整合物联网传感器、大数据和人工智能开发智能施肥系统，并结合节水灌溉、有机肥替代和绿色病虫害防治建立绿色高产高效技术模式。环境风险评估与减缓需加强，建立N、P、K流失综合风险评估体系，利用地理信息系统（GIS）和遥感技术动态监测，研究气候变化对养分循环的影响及极端气候事件（干旱和洪水）的营养流失和作物产量效应。政策法规和市场机制需完善，加强国际政策协调，建立碳交易市场和生态补偿等市场激励机制，提高公众对农业养分管理环境效应的认识和参与度。基于这些优先事项，研究人员提出了一个综合的NPK环境管理框架，将肥料投入、N-P-K相互作用、土壤生态过程、环境结果、管理干预和政策支持联系起来，强调需要协调实施精准农业、生物肥料、循环农业、数字技术和适应性治理，以提高养分利用效率并最小化环境影响。

4.3. 研究局限性

本综述存在若干局限性：文献计量分析仅基于Web of Science核心合集，可能遗漏Scopus或Dimensions等数据库中收录的相关出版物；仅纳入英文文章和综述，可能排除其他语言或文献类型的有价值研究；引文指标受出版年龄和学科引用模式影响，可能引入引用偏差；文献计量方法能有效揭示趋势、合作网络和知识结构，但不能直接评估单个研究的方法学质量或科学严谨性。

1. 5.
   结论
   结合文献计量分析和文献综述描绘了1991–2024年间3649条Web of Science核心合集记录，并用于指导该领域的广泛综合。出版物数量在研究期间显著增长，研究基础日益跨学科化。氮和磷在环境文献中占主导地位，特别是通过养分循环、温室气体排放、养分流失、水质和富营养化等主题，而钾则相对未被充分代表，更多通过养分相互作用、有效性和情境依赖性流失来研究。文献计量网络显示了强大的国际和机构联系，但发文量和网络位置不应直接解释为研究质量的衡量标准。综合研究确定了四个优先事项：在对比鲜明的农业生态系统和气候下改进对综合N-P-K相互作用的定量理解；对精准和新兴养分管理技术进行长期评估；开发对累积和气候敏感环境风险的综合评估；加强科学证据、农民决策、市场激励和适应性治理之间的联系。提出的框架通过将肥料投入、养分相互作用、土壤过程、环境结果、管理干预和政策支持联系起来，组织了这些优先事项。未来的工作应在不同的农业系统中测试和提炼这些关系，而不是假设统一的响应。总之，这些发现为旨在提高养分利用效率同时减少农业施肥环境压力的研究和决策提供了更结构化的基础。