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氮是农作物生长发育的最重要的养分元素，氮肥施用是保障粮食安全最重要的措施。但在生产实践中，作物氮肥利用率低，活性氮损失严重是一个世界性难题。紫色土是中国西南地区最重要的农业土壤，同时紫色土广泛分布于长江上游，对长江水环境有重要影响，而紫色土活性氮污染物的迁移过程、特征及其施肥的影响还有待深入。本论文以紫色土坡地农田生态系统为研究对象，依托中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站，利用可同步观测氮氧化物排放和氮素径流迁移的大型自由排水采集器，结合氮素循环生物地球化学模型，研究了紫色土坡耕地冬小麦-夏玉米轮作系统的氮氧化物排放、氨挥发与氮流失过程与通量，比较分析了常规氮磷钾肥(NPK)、传统猪粪有机肥(OM)、有机肥配施氮磷钾肥(OMNPK)、秸秆还田配施氮磷钾肥(RSDNPK)、生物炭与氮磷钾混施(BCNPK)、常规氮磷钾肥辅以硝化抑制剂(DCDNPK)、及单施氮肥(N)等7种施肥方式和对照不施肥(CK)对紫色土坡耕地活性氮损失及氮肥利用率的影响，从协调作物高产和环境友好的角度，探求二者的结合点，筛选出紫色土生态优化施肥方案，为紫色土农田氮肥管理提供科学依据。主要研究结果如下: (1)施肥促发紫色土N2O和NO排放。所有施肥处理均在施肥后3-9天内出现N2O和NO排放峰，峰值持续两周。常规NPK施肥处理在小麦和玉米季的N2O排放峰值与通量分别为57.02±6.34μg(N)·m-2·h-1、0.74±0.14kg(N)·hm-2、72.00±16.34μg(N)·m-2·h-1、0.79±0.02kg(N)·hm-2。NO的排放峰值与通量分别为59.13±20.72μg(N)·m-2·h-1、0.30±0.06kg(N)·hm-2,16.57±6.73μg(N)·m-2·h-1、0.04±0.01kg(N)·hm-2。与常规NPK施肥方式相比，有机物料添加(OM、OMNPK、RSDNPK)显著增加了N2O峰值排放速率，导致紫色土小麦-玉米轮作周期的N2O累积排放增加。猪厩肥的施用(OM、OMNPK)使土壤NO呈现与其他施肥处理相反的规律，冬小麦季的NO累积排放通量远小于夏玉米季。常规化肥基础上施用硝化抑制剂(DCDNPK)则显著降低了N2O和NO的排放通量，相比于常规NPK施肥处理分别减少了44％和91％。RSDNPK相比于常规NPK施肥处理显著增加了N2O累积排放量，却显著减少了NO排放。降雨引发的干湿交替对N2O排放具有激发作用。 (2)紫色土氮素径流损失主要通过地表径流和壤中流两种形式，而壤中流是氮素的主要损失途径，硝态氮是氮素流失的最主要的形态。NPK施肥处理的地表径流氮素年损失通量为1.90kg·hm-2，壤中流氮素损失通量为57.00kg·hm-2，全年总损失氮量为58.90kg·hm-2，占全年施氮量的21％。单施氮肥(N)的全年地表径流损失总氮通量为2.33kg·hm-2，壤中流损失总氮通量为93.63kg·hm-2，全年总损失氮量为95.96kg·hm-2，占全年施氮量的34.2％。有机肥(OM)施肥处理全年地表径流损失总氮通量为2.17kg·hm-2，壤中流损失总氮通量为63.01kg·hm-2，全年总损失氮量为65.18kg·hm-2，占全年施氮量的22.56％。有机-无机肥混施(OMNPK)处理全年地表径流损失总氮通量为3.35kg·hm-2，壤中流损失总氮通量为42.01kg·hm-2，全年总损失氮量为45.36kg·hm-2，占全年施氮量的17.29％。秸秆还田配施氮磷钾施肥(RSDNPK)处理全年地表径流损失总氮通量为1.21kg·hm-2，壤中流损失总氮通量为33.02kg·hm-2，全年总损失氮量为34.23kg·hm-2，占全年施氮量的11.60％。生物炭配施氮磷钾施肥(BCNPK)处理全年地表径流损失总氮通量为1.10kg·hm-2，壤中流损失总氮通量为34.21kg·hm-2，全年总损失氮量为35.31kg·hm-2，占全年施氮量的12.35％。硝化抑制剂配施氮磷钾施肥(DCDNPK)处理全年地表径流损失总氮通量为1.23kg·hm-2，壤中流损失总氮通量为41.01kg·hm-2，全年总损失氮量为42.24kg·hm-2，占全年施氮量的14.89％。 (3)参数本地化后的DNDC模型能够准确模拟紫色土坡耕地小麦、玉米生物量与产量及农田氨挥发通量。常规NPK施肥处理全年氨挥发累积通量模拟值为60.6kgha-1，占施氮量21.6％，有机无机混合施肥(OMNPK)及硝化抑制剂处理(DCDNPK)显著增加了土壤氨挥发通量。 (4)在冬小麦—夏玉米轮作周年，有机-无机混合施肥(OMNPK)与生物炭处理(BCNPK)具有最高作物产量和较高的氮肥利用率，分别为7992、7946kg/hm2和37.74％和36.6％，秸秆还田施肥处理(RSDNPK)具有最高的氮肥利用率41％。施肥方式是作物产量和氮肥利用率的主要影响因素，因此可以通过施肥调控土壤供氮能力和作物需氮一致性来提升产量和氮肥利用率。活性氮损失随作物产量升高而降低。氮肥偏生产力与NOx排放损失率、氨挥发率及氮素径流损失率呈显著负相关关系(p＜0.05)。说明提高产量和氮肥效率是减排活性氮损失的有效途径。 (5)随着对粮食需求的不断增长，氮肥投入也在迅速增长。综合考虑农学、经济、环境友好进而优化施肥方式是农业可持续生产的必经之路。紫色土冬小麦—夏玉米轮作周年农学优化施肥方式是有机-无机配施(OMNPK)处理，经济优化施肥方式和生态优化施肥方式均是秸秆还田(RSDNPK)处理。与农学优化施肥方式相比，生态优化施肥方式的净收益增加了23％，从36.32yuan/kg增加到44.73yuan/kg。产量降低了13％，单位施肥经济收益提高24％，但是其活性氮损失显著降低了36％。说明生态施肥方式RSDNPK能够在保证作物高产的同时有效减少因施氮造成的活性氮损失，能够实现作物高产与环境友好的统一。