农业是人为温室气体排放的重要来源。农业活动温室气体排放的可靠计量及技术减排潜力的合理评估是实现农业资源合理利用与管理、农业可持续生产及减缓气候变化的重要课题。本论文基于野外原位观测和农业生产温室气体排放数据库构建,采用多尺度和多手段研究方法,建立温室气体排放因子及其模型模拟方法,从农田生产和食物消费两个角度计量农业源温室气体排放,并通过野外调查、试验研究和文献分析构建不同农业活动的减排情景,为从农业生产到食物消费的减排策略和技术的选择以及相关政策制定提供科学依据。主要结果如下:1.基于对中国农田氧化亚氮排放研究的文献搜索,最终搜索到符合相应条件(包括施肥与不施肥对照下的N2O排放量)的文献104篇包括823个全国范围不同作物生长季N2O排放量的野外观测值,构建用于排放因子开发和模型模拟验证的农田N2O排放数据库。通过三种方法(即基于点位的排放因子的平均值、建立有截距的线性方程、建立没有截距的线性方程)开发了由氮素施用引起的N2O排放因子(N2O_EF)。结果显示,玉米种植在黄淮海农业区N2O_EF较高,水稻种植在长江中下游较低,而小麦种植在长江中下游地区较高。通过30%数据验证,基于点位的排放因子具有最低的根均方误差和绝对偏差,建立没有截距的线性方程的模拟效率表现最好且具有最高的决定系数R2(0.27),建立有截距的线性方程和IPCC_EFs的N20评估值与实测值具有明显差异。基于准确性评价最好的方法(方法3),利用其不同区域的N2O_EF,估算了 2015年中国主要粮食作物种植中由氮肥引起的N2O排放总量。水稻、玉米和小麦种植过程的N2O排放总量分别是36.2GgN、33.0GgN和23.2GgN。三种方法的置信区间范围分别为水稻16.0%、玉米14.4%、小麦19.8%。2.基于建立的农田氧化亚氮排放数据库,将作物生长季N2O总排放量(kg N ha-1)与气候因子、土壤因子以及种植管理因素相关联,建立了用于模拟作物生长季N2O累积排放量的多元线性模型。结果显示,建立的模型主要涉及的参数包括(按对N2O排放影响程度的从大到小顺序)肥料施用量、年平均温度、土壤粘粒含量、作物类型、氮肥投入与肥料类型的交互作用,模型决定系数为48%,根均方误差为5.5e-14 kgN ha-1,偏差为-1.6e-15 kgN ha-1。模型得出旱作作物N2O排放量比水田作物高,其中水稻与填闲作物种植表现出最低的单位面积N2O排放量。作物在有机肥施用下的N2O排放量低于无机肥施用下的排放。研究还构建用于模拟作物产量的线性模型,进一步分析单位产量N2O排放强度最低的优化施氮量,无机肥施氮量在100 kgN ha-1,有机肥施氮量范围100～190 kgN ha-1。基于此线性模型评估得出,2015年中国主要粮食作物种植中的直接N2O排放量为:水稻27.3 Gg N、玉米37.2 Gg N和小麦29.2 Gg N。3.基于67篇文献包括425组作物生长季的单位面积N2O总排放量和283组作物籽粒产量野外观测数据,对比分析了过程模型(DAYCENY和DNDC模型)、线性回归模型(本研究建立,下称LRM)以及IPCC推荐排放因子法对我国农田N20排放量的模拟效果,并探讨模拟效果差异的主要原因。结果显示,机理过程模型DAYCENT与DNDC的产量模拟值与实测值有较好的线性相关关系,决定系数R2分别为0.60和0.66。但t检验分析得出,两种过程模型模拟值对总体产量实测值呈显著差异,分别低估823和578 kg ha-1。DAYCENT与DNDC对低施氮量水平下的产量模拟效果较差。作物生长季N2O排放量的模拟值与实测值的相关性相对较低,决定系数分别为 0.14(DAYCENT)、0.14(DNDC)、0.23(LRM)和 0.15(IPCC)。虽然R2较低,但t检验只显示DNDC模拟值与实测值具有明显差异,明显低估0.52 kg N2O-N ha-1。对于不同作物,LRM对水稻生长季N20排放量模拟效果最好;DAYCENT对小麦N2O排放模拟效果最佳。对于不同肥料类型,DAYCENT和LRM对于所有肥料类型(不施肥、有机肥、无机肥)下的N20排放模拟效果都较好,而DNDC与IPCC只在无机肥施用下模拟效果较好。机理模型对N2O日排放的模拟值与实测值在大多时间阶段都具有较好的一致性,但对于土壤水分发生较大变化时(大幅降水或排水等措施),N20模拟值的准确性需要进一步提高。4.基于统计年鉴数据构建出农产品生产数据库,结合生命周期评估和投入产出分析-碳足迹计量方法,综合评估我国农产品生产和食物消费的温室气体排放量。结果显示,单位产量的温室气体排放量(即,碳足迹)最高的为肉类,平均可达6.21 kg CO2-eq kg-1;蔬菜生产碳足迹最低,平均为0.15 kg CO2-eq kg-1;其余农产品碳足迹如水果、豆类、粮食作物、油料作物、牛奶、经济作物和禽蛋分别为0.31、0.46、0.77、0.95、1.47、2.96和4.09 kg CO2-eqkg-1。农作物中水稻种植的甲烷排放和氮肥施用引起的排放占主导因素,比例为36%～93%;畜禽产品中饲料投入、肠道甲烷发酵和粪便处理三方面的温室气体排放量可达总量的96%。蔬菜在露天种植管理模式下相比于大棚种植具有减排潜力,畜禽产品在大规模养殖下可实现减排。综合单位营养温室气体排放强度分析,大豆是摄入蛋白质的低碳选择,小麦是摄入碳水化合物的低碳选择。最后,评估出2013年我国农产品的单位人均生产引起的温室气体排放量约为912.5kg CO2-eq,远高于单位人均消费排放量水平379.6kg CO2-eq。原因可来自于农产品出口,食物耗损以及农产品他用等原因。5.采用漂浮静态箱-气相色谱法,对天然湿地(NW)和三种淡水人工养殖湿地(包括:自然湿地围栏集约养殖(EWIA),人为开垦集约养殖湿地(CWIA),人为开垦非集约养殖湿地(CWEA))的水-气界面温室气体(CO2、CH4和N2O)排放通量进行野外原位观测。结果显示,水产品养殖湿地的温室气体日排放变化规律不明显,受饲料投喂强度和时间的影响较大。三种人工养殖湿地(CWEA、CWIA、EWIA)的平均温室气体年排放通量分别为0.81、1.06和2.43 kg N2O-N ha-1,23.83、457.08和 1360.27 kg CH4-C ha-1,1321.32、1877.04 和2246.79kg CO2-C ha-1。湿地围垦集约型水产养殖的全球增温潜势(60.03 t CO2-eqha-1)比自然湿地系统(6.08t CO2-eqha-1)高约10倍。单位淡水养殖水产品产量温室气体排放因子介于1.21至5.30 kg CO2-eqkg-1;淡水养殖生产的N20和CH4排放因子的最高排放通量均来自湿地围垦集约型水产养殖,分别为0.34 gkg-1和0.19 g kg-1。温室气体排放通量与饲料投喂量、水质参数(NH4+-N浓度、NO3--N浓度)呈正相关。淡水养殖湿地的温室气体的排放与养殖强度也呈正相关关系,且其主要温室气体来源为CH4排放。6.基于国家统计数据与实地调查数据,结合本研究开发的氧化亚氮排放因子和农产品的单位产量排放系数,分析农产品生产过程的管理和食物消费结构对中国未来温室气体减排的贡献意义。①建立农田生产管理优化情景,在保障2020年的粮食产量供应前提下,提高作物偏生产力且优化施肥的情景下N2O排放量减排潜力最高可达38%。对于相同施肥模式,高偏生产力情景下的减排潜力可达27%。在相同偏生产力水平下,70%无机+30%有机配施下的情景对比纯施无机肥,减排潜力约为14%。2020年粮食作物的N2O排放主要来自玉米种植,占44%以上。另一方面,通过实地调查分析食物消费端的减排潜力,得出在外就餐的人均排放高于在家就餐;且在外就餐中湘菜的人均排放量最高,为3.68±0.55 kg CO2-eq capita-1 meal-1,粤菜排放量最低,为 2.4 4± 0.83 kg CO2-eq capita-1 meal-1。目前城镇居民在外与在家就餐的人均食物消费量都远高于国家推荐饮食量。肉食性食物的消耗量增加是引起农业温室气体排放升高的重要原因。本研究通过野外观测,数据库建立,经验模型开发与多模型对比,进一步更新以及完善我国农业温室气体计量的排放因子,也为国家农业温室气体计量提供更便捷准确的方法-经验线性模型;分析了食物生产与消费端的减排策略与潜力,提出中国农业发展高效、低碳、科学生产的技术,为中国实现可持续低碳农业提供科学依据与技术途径。