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农业生产中氮肥的过度及不合理施用使得其利用率普遍较低，造成农区地下水硝态氮污染问题在世界范围内较为普遍。而包气带是连接大气层和含水层水分和养分转换的纽带，也是农田硝态氮分布累积的重要场所和向含水层淋失的通道。受人类活动的影响，地下水超采使得华北山前平原浅层地下水水位持续下降，包气带厚度加大，因此研究厚包气带土壤中NO3-N的迁移转化规律对防止地下水硝态氮污染至关重要。本文以位于河北省石家庄市栾城区的中国科学院栾城试验站为研究平台，该试验站代表了华北山前平原地下水深埋区典型农田生态系统，研究选择不施肥处理(N0)和施氮量400kg·hm-2·a-1(N400)、600kg·hm-2·a-1(N600)的三个长期定位试验田为研究对象，利用Geoprobe Model54D（Geoprobe，Salina，KS，美国）分别于2015年和2016年钻取0～10.5m和0～18m深度土壤样品，结合水化学方法与氯离子质量平衡法，分析不同施氮条件下典型农田厚包气带影响硝态氮迁移转化的各环境要素的分布特征及规律，研究厚包气带水分和硝态氮的物理迁移过程及其影响因素;基于硝酸盐氮氧同位素方法识别硝态氮迁移转化过程并计算反硝化程度，由此阐明农田厚包气带硝态氮迁移转化规律及机理，研究的主要结论包括: 1)含水量、EC、Cl-、SO42-表层主要受降水、蒸发、作物吸收控制，因此在根系层200cm以上变化剧烈，根系层200cm以下主要受土壤质地的控制，土壤粘粒大的土层含水量、EC、Cl-、SO42-高，且均在200～400cm的粉质壤土和壤土层达到峰值;土壤0～70cm的pH:N600＜N400＜N0，主要由于长期施肥导致土壤酸化;2015年N600的DOC浓度呈现:N600＜N0，主要由于反硝化作用消耗DOC; 2)N400和N600土壤中NO3-N浓度分布和累积200cm以上主要受降水、蒸发、作物吸收控制，200cm以下主要受土壤质地、水分运移和反硝化作用的控制，其中DOC是控制反硝化作用的关键因素;以N0作为试验区的背景值，N400和N600的NO3-N已经淋滤到包气带取样深度1050cm处;农田土壤长期大量施用氮肥400kg·hm-2·a-1、600kg·hm-2·a-1，已经造成NO3-N在土壤中的累积，2016年N400的NO3-N累积峰值的位置主要在350～400cm的粉质壤土，2015年N600的NO3-N累积峰值的位置主要在250～300cm的粉质壤土层，2016年N600NO3-N累积峰值的位置主要在350～400cm的砂质壤土，因此受2016年7月强降雨的影响，N600累积峰值下移1m; 3)利用氯离子平衡法计算了NO3-N淋失速度和淋滤量，结果表明:1997～2015年2～10m中N0和N600的入渗量分别是102mm·y-1和86mm·y-1，1997～2016年2～10m中N0、N400和N600的入渗量分别是110mm·y-1、99mm·y-1和102mm·y-1。受2016年7月的强降雨影响，2016年入渗量较2015年略增加，2015年和2016年N600中NO3-N的淋失量在10m增加了26.1kg·hm-2;同一年中不同处理之间表现为施肥越多，NO3-N的淋失量越大; 4)硝酸盐中氮氧同位素方法分析硝态氮迁移转化过程与机理结果表明:N0的NO3-N主要来源于大气沉降和土壤，N400和N600农田深层包气带硝态氮主要来源于铵态氮肥，N400和N600的NO3-N在向包气带深层淋滤过程中受氨挥发、硝化反应和反硝化反应的影响;N400和N600氨挥发主要发生在表层0～100cm，且随深度增加氨挥发作用减弱;反硝化作用主要在100～1000cm之间起主导作用。根据反硝化反应中δ18O和NO3/Cl瑞利分馏方程，计算2015年N600中600～650cm反硝化程度最大为25.06％。 总之，为防止硝态氮对地下水的污染，要合理施肥并适量灌溉减少NO3-N的淋溶损失;根系层以下深层包气带中反硝化作用是减少硝态氮的唯一途径，因此可以研究灌溉水中富集的DOC和埋藏在土壤中的作物残渣对深层硝态氮还原的作用;同时优先流和山区侧向补给对于土壤界面硝态氮的迁移与转化机理的影响也是未来研究的问题。