本研究通过野外试验小区和试验室内分析,选取玉米为紫色土区典型种植作物作为研究对象,通过分析不同坡度坡耕地不同施肥量下作物农艺性状和生理特性;土壤主要性质;径流中氮、磷的流失特征及潜在富营养化危害三个方面的影响,揭示不同施肥量与作物产量、土壤肥力和水体环境的相关关系,在此基础上采取“即高又净”（作物高产出又无生态危害或环境污染）的原则,基于数理统计分析及方程反演等方法,确定紫色土区的容许施肥量。主要研究有如下4个方面:　　 (1)不同施肥量对作物产量及农艺性状的影响　　 通过在不同坡度坡耕地种植玉米,测定株高、叶面积指数、产量及叶绿素荧光参数,对比分析不同坡度不同施肥量下,玉米在整个生育期内的叶面积指数、株高和叶绿素荧光参数,以及产量的变化规律,得出施肥量范围为0.75～1.49t/hm2(N-P2O5-K2O=0.128-0.128-0.128～0.253-0.235-0.235t/hm2)时,能有效增加玉米叶片PSⅡ（光和系统Ⅱ）开放部分的比例、光合电子传递速率和PSⅡ总的光化学量子产额,降低非辐射能耗散,保护叶片不受强光的伤害,发挥叶绿素光合作用的潜能,从而保证玉米的正常生长,使叶面积指数越大、株高和产量最高。施肥不足及过量时,破坏了光系统反应中心吸收和捕获光能的能力,降低电子传递和中心热耗散的能量,最终导致作物的产量、长势和叶面积指数都受到不同程度的抑制。　　 (2)不同施肥量对土壤肥力的影响　　 通过采集和测定不同坡耕地土壤在玉米各个典型生育期内的pH值、营养物质（总氮、总磷、碱解氮、有效磷和有机质）的含量、酶（脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶）和微生物（硝化细菌、氨化细菌、反硝化细菌、有机和无机磷细菌）的含量。分析其变化规律可知:在玉米整个生育期内,随着施肥处理2(0.5CK)到处理5(2.5CK)施肥量的增多,土壤的细菌活性在苗期数量较弱,拔节期增强,而大喇叭口期到成熟期又变弱,呈先上升后降低的趋势;有机质、全氮、碱解氮和有效磷含量呈先下降后逐渐升高的趋势,全磷呈先上升后降低的趋势;脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶含量总体上苗期显著低于其它时期,拔节期至抽雄期维持最高,成熟期明显下降。　　 在同一测定时期内,受坡度的影响,5°坡耕地氨化细菌、硝化细菌和反硝化细菌活性随施肥量增加而增加的比例高于10°坡耕地含量,随施肥量不足或过量而减少的比例小于10°坡耕地含量,而有机磷细菌和无机磷细菌活性10°坡耕地随施肥量的增加而增长优于5°坡耕地,有机质、全氮、碱解氮、全磷和有效磷含量随施肥量的增加5°坡耕地增加高于10°坡耕地含量,5°坡耕地各施肥量下的脲酶和碱性磷酸酶活性高于10°坡耕地,而5°坡耕地各个施肥量下的蔗糖酶含量略低于10°坡耕地。　　 通过主成分分析法综合评价不同施肥量下的土壤肥力,分析得出5°和10°坡耕地各施肥处理下土壤肥力大小依次为2.0CK＞1.5CK＞CK＞2.5CK＞0.5CK（CK为习惯施肥量）,施肥量范围为0.75～1.49t/hm2(N-P2O5-K2O=0.128-0.128-0.128～0.253-0.235-0.235t/hm2)时,土壤的细菌数量最多最活跃,土壤的保水能力最强,保证玉米的正常生长,且保持土壤具有较高的肥力。　　 (3)不同施肥量下农田氮磷流失特征及对水体环境的影响　　 通过收集玉米生育期内由降雨产生的土壤径流,测定径流中总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、溶解氧、pH值以及温度等物理化学指标含量,分析其动态变化规律,结果显示,5°和10°坡耕地不同施肥量下的总氮、总磷、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮在整个玉米生育期内的变化均随着施肥量的增加而流出量增加,且受坡度影响,10°坡耕地流失量及流失率均高于5°坡耕地。　　 运用主成分分析确定总氮和总磷为情景分析和反演预测的主要因子,并选择紫色土分布面积最大的沱江和涪江流域为实际预测研究区域,根据一维流模型建立反演模型计算非点源污染物入河负荷量。通过计算可知,玉米整个生育期内5°和10°坡耕地施肥处理1(CK)到处理4(2.0CK)的径流中总氮、总磷浓度都能够满足沱江和涪江流域非点源污染物的容许入河浓度,而施肥处理5(2.5CK)无法满足。通过蒙特卡罗法模拟非点源污染物入河负荷量反演结果可行。总的来说施肥量范围为0.75～1.12t/hm2(N-P2O5-K2O=0.128-0.128-0.128～0.190-0.190-0.190t/hm2)时,径流的氮磷负荷不会造成水体的富营养化的危害。　　 (4)容许施肥量的确定及定义　　 根据国内外已有的生态施肥概念和本试验的研究,分地块和区域两种尺度定义容许施肥量(FertilizationTolerance)。地块尺度的容许施肥量(FertilizationToleranceforaplot):指耕地在长时期内保持一定高的作物产量、土壤和土壤径流安全的最大施肥量,也就是说,是既保障耕地较高产出情况下,又保障施入肥料后,土壤和土壤径流达到一定质量要求的最大施肥量。区域尺度的容许施肥量(FertilizationToleranceforaregion);是指一定区域在长时期内保持粮食（食品）和水、土环境都安全的最大施肥量,也就是说,是既保障区域耕地较高产出情况下,又保障施入肥料后,区域的水、土环境达到一定质量要求的最大施肥量。　　 运用产量效应、土壤效应和水体效应三者进行无量纲化处理后,将得到的评价指标综合优化,初步确定当施肥量范围为0.60～1.12t/hm2(N-P2O5-K2O=0.102-0.102-0.102～0.190-0.190-0.190t/hm2)时为的紫色土区容许施肥量。从灰色关联度和聚类的分析对容许施肥量的确定合理化分析可知,5°和10°坡耕地的施肥处理1(1CK)、处理3(1.5CK)和处理4(2.0CK)的作物产量和长势最好、土壤肥力最高、出水水质最好且不会造成水体富营养化,处理2(0.5CK)和处理5(2.5CK)较差,容许施肥量的范围为0.60～1.12t/hm2为紫色土区的容许施肥量是合理可行的。