自工业革命以来,人类活动导致的全球温室气体排放快速增长,其中二氧化碳（CO₂）排放的增加主要来源于化石燃料燃烧和土地利用变化,而甲烷和氧化亚氮排放主要来自农业。农业贡献了中国人为温室气体排放总量的11%,分别占人为源甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）排放的52%和84%。农业缓解全球温室气体排放的重大科技减排潜力在于改善作物生产田间管理。而基于生命周期分析法的作物生产碳足迹计量可以帮助识别农业温室气体减排的关键技术和措施。本论文通过实地农场调查、文献收集获取数据,采用生命周期分析法,主要研究内容:（1）量化中国农业生产（粮食作物、蔬菜和水果）碳足迹及其构成;（2）分析比较不同经营规模、不同管理模式和不同环境条件下农业生产碳足迹的差异;（3）氮肥施用是导致农业生产高排放的主要原因,对氮肥的去向与利用率变化进行了研究分析,以构建用以系统评估农业生产碳足迹的方法学体系,提出农业温室气体减排的关键途径和技术选择,为农业生产可持续性管理和食物低碳消费提供科学依据和政策建议。得到的主要结果如下:1.量化了中国主要粮食作物生产的碳足迹,识别农业温室气体减排的关键途径本研究对中国东部代表性地区进行了实地农户问卷调查,获取粮食作物生产和管理相关数据,构成碳足迹评价数据库。采用生命周期评价方法,评估水稻、小麦和玉米粮食作物生产的碳足迹。结果表明,水稻、小麦和玉米的单位面积碳足迹（土地利用碳足迹）分别为6.0±0.1、3.0±0.2和2.3±0.1 t CO₂-eq ha^-1,而单位产量碳足迹（产品碳足迹）分别为0.80±0.02、0.66±0.03和0.33±0.02 kg CO₂-eq kg^-1。其中,氮肥和农用机械分别贡献了总碳足迹的44%-79%和8%^-15%。水稻生产总排放中,灌溉用电排放和稻田甲烷直接排放分别占19%和25%。但在小麦和玉米生产的碳足迹中,灌溉只占了2%-3%。而且,在不同气候地区间小麦和玉米碳足迹存在显著差异,主要是由于作物管理过程中氮肥和农业机械投入的差异所导致。研究还发现,农户承包管理的农田面积大小对作物生产碳足迹也有影响。相对于承包农田面积较小（<0.5 ha）的生产条件,农户承包农田面积较大（>0.5ha）时小麦和玉米碳足迹减少了22%-28%,这主要归因于农田管理效率的提高。研究也表明,我国粮食作物生产碳足迹高于西方国家,具有高碳排放特征,主要是由于氮肥的不合理施用,因而减少氮肥施用提高氮肥利用效率是中国农业粮食生产温室气体减排的关键途径;2.调查了南京市周边蔬菜生产,初步表征了大棚蔬菜生产的碳足迹,揭示蔬菜碳足迹与其营养价值及销售收益间存在冲突矛盾对南京市周边大棚蔬菜基地进行农户调查,访问获取了小青菜、苋菜、空心菜、番茄、黄瓜和土豆的生产管理调查资料,建成了蔬菜生产碳足迹数据库。采用同上的计量方法,结果表明,大棚蔬菜生产的土地利用碳足迹在0.7^-10.4 tCO₂-eq ha^-1之间,且不同蔬菜种类间没有差异。但是,小青菜和苋菜的单位产量（产品）碳足迹(分别为0.34 kg CO₂-eq kg^-1和0.38 kg CO₂-eq kg^-1)显著高于其它蔬菜种类(0.07-0.17 kg CO₂-eq kg^-1);且小青菜和苋菜生产的单位收益碳排放也较高(分别为1.95kg CO₂-eq USD^-1和1.82 kg CO₂-eq USD^-1)。然而,相比小青菜、番茄、黄瓜和土豆,空心菜和苋菜(分别为0.12kg CO₂-eq ANV^-1和0.36kg CO₂-eq ANV^-1)的单位营养价值碳排放较低。化肥投入对碳足迹的贡献最大,占蔬菜生产总排放的55%-82%。其次为有机肥和灌溉,分别占总排放的2%-21%和1%-26%,不同蔬菜类型间差异较大;而农机、农膜和农药对碳足迹贡献最小,分别占总排放的5%、5%和2%。因此,减少化肥施用和增施有机肥可能是蔬菜生产实现减排的重要措施。不过,鼓励农北温室气体减排的同时,如何平衡人们的营养需求和农民的经济利益仍然是一个巨大的挑战。3.调查评价了中国主要水果生产的碳足迹,明确了水果生产在土地利用碳足迹与水果产品碳足迹间的反差,提出果园施肥管理是减排的重要途径分别在陕西、福建、湖北、河北和沪宁地区选择代表性果园实地调查了苹果、香蕉、柑橘、梨和桃等中国主要水果生产,按水果生产周期评价了水果生产的碳足迹。结果表明,在所有被调查的果园中,单位面积碳足迹（土地利用碳足迹）的范围从2.9 t CO₂-eq ha^-1到12.8t CO₂-eq ha^-1,而单位产量碳足迹（水果产品碳足迹）范围从0.07 kg CO₂-eq kg^-1到0.7kg CO₂-eq kg^-1。这里,水果生产的土地利用碳足迹显著高于粮食作物,但水果产品碳足迹又显著低于粮食作物。柑橘和梨的产品碳足迹(分别为0.14和0.18 kg CO₂-eq kg^-1)显著低于苹果、香蕉和桃(分别为0.24、0.27和0.37 kg CO₂-eq kg^-1)。然而,从不同水果的营养价值来看,柑橘的单位营养价值碳排放强度(平均0.5 kg CO₂-eq g^-1 Vc)显著低于其他水果(3.0-5.9kg CO₂-eq g^-1 Vc)。此外,从果农可以获得的经济效益来看,柑橘和梨的单位收益碳排放强度(分别为1.20和1.01 kg CO₂-eq USD^-1)显著高于苹果、香蕉和桃(0.87-0.39 kg CO₂-eq USD^-1)。在果园的管理活动中,化学氮肥是最重要的贡献者,占温室气体排放总量的47%-75%。本研究也发现,在氮肥高效管理下,水果碳足迹降低且产量提高。适当增施有机肥和提高氮肥利用率是水果生产的重要减排途径。我们的研究建议鼓励低碳水果消费,而服务于减排的同时,如何权衡人们对营养的需要和果农的经济利益是重要的政策考量。4.量化了土地管理机制和不同农田管理模式对农业生产碳足迹的影响幅度,指出发展规模经营和集约化管理可以提高农业生产效率,具有巨大的减排潜力选择了鄱阳湖周边地区不同经营规模的农户（大户,3.3ha以上;小户,3.3 ha以下）,详细调查了水稻生产和管理情况,分析比较了不同经营规模下水稻生产（早稻、晚稻和单季稻）的碳足迹。在调查的农户生产中,早稻碳足迹最低,单季稻次之而晚稻最高(单位面积碳足迹和单位产量碳足迹分别是:早稻,4.54±0.44t CO₂-eq ha^-1和0.62±0.1 kg CO₂-eq kg^-1;单季稻,6.84±0.79t CO₂-eq ha^-1和0.80±0.13 kg CO₂-eq kg^-1和晚稻,8.72±0.54t CO₂-eq ha^-1和1.1±0.17 kg CO₂-eq kg^-1)。氮肥施用和稻田甲烷排放是水稻生产碳排放的最大贡献者,分别占总碳足迹的33%和57%。比较而言,大户双季稻产品碳足迹(0.86±0.11kg CO₂-eq kg^-1)比小户(1.14±0.25kg CO₂-eq kg^-1)减少了25%,主要是由于规模化种植模式下氮肥利用率得到提高和良好水分管理下甲烷排放的降低。因此,优化农田管理方式和发展规模化种植模式是减少中国农业温室气体排放的重要策略。而对江苏典型地区土地流转农场的实地调查计量表明,农户分散经营管理模式（散户）、集约型生产模式（无公害农场）和有机生产模式（有机农场）三种管理模式下水稻碳足迹存在显著差异。散户经营管理下水稻产品碳足迹(0.80 kg CO₂-eq kg^-1)显著高于有机农场(0.56 kg CO₂-eq kg^-1)和集约型农场管理模式(0.50 kg CO₂-eq kg^-1)。其差异主要表现在肥料和农药投入及灌溉管理活动的不同,在集约化和有机生产管理模式下这三项投入的碳成本显著减少。而散户经营管理下灌溉用电导致的排放和稻田甲烷直接排放显著高于集约型和有机模式。有机生产管理模式中由于有机肥替代了化肥,生物农药替代了化学农药,这些有机生产资料的碳成本较低。上述结果说明,集约型农场管理模式是一种既低碳又高产的农业生产方式,当前仍具有显著的减排潜力,而改善散户经营管理可能是中国农业温室气体减排的普遍任务。5.对全球研究文献的统计和计量,揭示了提高氮肥利用率的重要途径是提高土壤中残留氮的作物吸收利用,为指导氮肥合理施用和温室气体减排提出了重要方向氮肥是农业生产不可或缺的外部投入,但氮肥利用率的问题一直困扰着肥料施用和环境管理。收集了全球范围内氮肥田间试验的已发表英文文献,获取了肥料、土壤、作物相关数据和15N标记丰度数据,建成数据库,分析评估肥料氮去向和作物吸收氮的来源,以探讨提高氮肥利用率的农田管理措施。结果表明,作物氮来源于肥料氮的比例平均不到一半,而大部分氮是直接或间接来源于土壤氮。施肥后的当季收获作物氮中来源于肥料氮的比例,玉米、水稻和其它小粒谷类作物（包括大麦、小麦、小米、燕麦和高粱）平均分别为41%、32%和37%。相比无机肥料,有机肥料（粪肥、绿肥、堆肥等）在当季作物的氮回收率平均为29%,但在后季作物中的氮回收率还可达到10%。可以认为,作物中大多数非肥料氮来自土壤和作物残留氮的周转,但后季作物对无机肥料氮总回收率仅占5%。因此,以往考虑提高肥料氮利用率时,可能忽视了作物氮最重要的来源—土壤氮。关注提高土壤中残留肥料氮的作物吸收利用和合理施用有机氮肥可能是提高氮肥利用率的重要途径。本论文量化了中国主要种植业生产（包括粮食作物、大棚蔬菜和水果）的碳足迹,并对不同环境条件、不同经营规模和不同管理模式下作物生产碳足迹进行比较,探明了中国农业生产碳足迹特征及其不同产业的碳排放差异,也为政策制定者提供低碳生产和低碳消费的科学依据。同时,对农业系统中氮肥去向与作物氮素来源的研究提示了对土壤残留氮素的利用是提高氮肥利用率的重要途径,并支持了有机肥对于提高氮肥利用率并降低温室气体排放的重要意义。本研究也提出了碳足迹在评价农业生产环境影响中的问题和挑战,例如如何权衡土地利用碳强度和农产品碳强度（反之是碳排放的生产效益）,特别是考虑农产品的营养价值和农民的销售收益。这些问题,可能对于国家正在实施的生态文明建设具有重要的科学价值和政策意义,值得进一步研究。