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如何减少农业生产中的氮肥等资源投入并持续提高作物产量,保障粮食安全是我国未来实现农业绿色发展面临的重大挑战。华北平原是我国重要的粮食生产基地,然而,当前农业生产中面临着土壤有机碳和全氮(SOC与TN)含量低,氮肥施用过量,以及作物田间管理措施不合理等问题。本研究旨在通过构建综合调控途径解决上述问题来实现小麦-玉米轮作体系氮肥绿色增产增效。即在高产高效作物栽培管理体系的基础上,主要通过小麦季各种有机资源循环结合玉米季免耕措施来增加SOC与TN库;通过作物关键生育期根层土壤氮素实时监控技术来调控土壤无机氮水平,使其维持在既保证作物高产需求又不引起大的环境损失的范围内。本研究通过长期的田间试验结合生命循环评价(LCA)的方法评价了综合调控作物生产体系的农学和环境效应,主要研究结果如下:1)长期的田间试验结果表明,综合不同有机资源循环(生物碳(BC)、玉米秸秆(S)、牛粪(M)、堆肥(C)和沼渣(BgR))的氮肥绿色增产增效调控途径能够实现0-15 cm 土层SOC含量的显著提高:由试验初始(2008年)的8.19 g kg-1增加到2015年的14.71 g kg-1。其中,BC处理增幅最大,其次依次为:BgR、C、M>S>单独优化施氮(F)处理;尽管F处理也提高了 SOC含量,但是增幅小于有机资源循环处理。同时,能够将作物关键生育期根层土壤无机氮浓度维持在合理的范围内,小麦和玉米季的平均浓度分别为13.5(10.9-15.9)和14.1(13.1-15.4)mg kg-1。2)与不施氮和有机资源(CK)处理相比,单独有机资源循环能够促进小麦增产66.5%(1.6-175.3%),不同处理依次为:BgR>C、M>S>BC 和 CK;玉米增产 46.7%(3.1-74.2%),不同处理依次为:BgR、C、M>S>BC和CK。与F处理(7.05 Mg ha-1)相比,综合调控途径能够促进小麦增产11.2%(5.0-16.7%),但未能带来玉米增产。同时,较F处理能够维持甚至降低轮作体系的施氮量(186-264 vs.260 kg N ha-1),其中,C和BgR处理分别实现减氮10.9%和28.4%。3)综合调控途径带来的0-15 cm 土层SOC含量的提升能够促进小麦产量的提高,这主要得益于:SOC含量的提升能够提高小麦冬前阶段的土壤充气孔隙度和土壤温度,促进冬前有效分蘖的增加,保障高产群体的建成。能够改善小麦生育后期的土壤无机氮供应,防止小麦早衰,保障高产的实现。此外,SOC含量的提升还能够降低土壤容重与土壤穿透阻力,提高土壤田间持水量与作物有效含水量以及土壤物理质量指标-S值等,为小麦根系的生长提供良好的土壤条件,这可能是保障小麦高产的另一因素。4)受到外源氮素投入、土壤充水孔隙度和土壤温度等因素的影响,与CK处理(0.57 kg N20-N ha-1)相比,单独有机资源循环增加了轮作周期的N20累积排放量38.6%(10.5-78.9%),不同处理依次为:BgR>C、M>S、BC>CK。与F处理(2.13kgN20-Nha-1)相比,综合调控途径的N20累积排放量增加12.2%(1.4-24.4%)。然而,由于综合调控途径带来的0-30 cm 土层SOC的累积效应,除CK外的所有处理田块尺度的净全球增温潜势(Net-GWP)均为负值。不施氮与优化氮肥管理条件下分别为-7.48和-7.12 Mg C02-eq ha-1,其中,BC处理固碳减排最为高效。当考虑系统中有机资源生产、电力耗能、化肥生产以及N2O的排放等过程带来的碳排放,Net-GWP显著提高。不施氮与优化施氮条件下分别为5.57和7.81 Mg C02-eq ha-1,其中,BC处理碳汇效应最强,而BgR处理碳源效应最强。未来发电方式的转变、化肥生产工艺以及有机资源管理与施用技术的改进等可能是大幅降低系统水平Net-GWP的重要途径。5)综上所述,单施有机资源处理的作物产量较低,无法保障当前的粮食需求。而综合不同有机资源循环的氮肥绿色增产增效调控途径,例如,C、S和M处理,可能是增产、节肥、减排的有效措施;BC处理的固碳减排潜力最大,但对作物增产与氮肥减施效果不明显;BgR处理具有更好的增产节肥潜力,但系统水平的Net-GWP最高。未来沼渣沼液同施技术的应用也可能使其成为重要的农业施肥方式,但需要考虑生产量及其间接温室气体的排放等问题。