农田投入对于作物生产力、氮素淋溶和温室气体排放都有着重要的影响。氮肥高投入将导致温室气体排放、地下水硝酸盐升高等环境问题,不利于农业的可持续发展,亟需优化管理措施来减少农田生态系统的环境足迹。本研究选择典型县域——桓台县为研究区域,以冬小麦-夏玉米轮作体系为研究对象,在课题组前期工作基础上,通过收集资料、实地调研等手段,并借助GIS技术完善了区域尺度模拟所需的土壤基础理化性质和农田管理数据库;在此基础上,应用校验后的APSIM（AgriculturalProduction SystemssIMulator）模型对县域尺度不同水氮管理情景下的农田的作物产量、水氮利用效率、氮素淋溶和温室气体排放进行了 60年尺度的模拟,并通过定量分析得到优化的水氮管理方式。此外,基于产量的生命周期评价,可实现对技术的有效判别来保持粮食产量和减少对环境的影响。本研究中,又选择吉林公主岭市作为研究点位,利用农田系统模型（APSIM）对东北玉米单作系统中不同管理情景下产量和土壤温室气体排放的长期动态进行了模拟,并结合生命周期法和实地调研来核算温室气体总排放和温室气体排放强度。得到的主要结果和结论如下:1.桓台县域（1）利用山东桓台试验站点位监测试验数据对APSIM模型的适用性进行了有效性检验,调整作物参数后的APSIM可以较准确地模拟该点位的作物地上生物量（决定系数R²≥0.79）、产量（R²≥0.76）、地上生物氮（R²≥0.88）、谷物氮（R²≥0.79）、生长季N₂O 总排放（R2=0.85）、0-20cm 土壤水分（R2=0.76）和 0-200cm 硝态氮（R2≥0.29）动态变化。虽然APSIM模型在模拟日尺度上的N20排放还存在着潜在的问题,但是整体上可以较好地反映出生长季尺度和年尺度上N₂0排放对不同施氮水平的响应。（2）在常规灌溉措施（总灌溉量420mm,灌溉次数7次）下,减氮15%具有可行性,可以保持粮食产量基本不变,但减氮30%将造成产量明显下降。基于土壤缺水条件下的自动灌溉通过提高作物水分利用效率和氮素偏生产力来提升粮食产量。减氮30%配自动灌溉的总灌溉量为330mm,灌溉次数为6次,其平均产量仅比常规水氮管理（N0%+CI）低4%,说明常规水氮管理在减氮15%的基础上还可以进一步减少氮素和灌溉投入来维持当前的粮食产量水平。（3）常规水氮管理下的平均氮素淋溶量和N₂O排放量为110和5.17kgN/ha。通过与耕地面积相结合,桓台县的氮素淋溶总量和N₂O排放总量分别为4149和194 Mg N。桓台县东北部和西南部施氮量较高,氮素淋溶和N₂O排放都高于其他地区。在同等氮量投入下,自动灌溉条件可以减少氮素淋溶,但会促进土壤N₂O排放。（4）在目前的技术条件下,减少氮肥用量的15%具有可行性,在保持桓台县粮食产量的同时,可减少该县域氮素淋溶总量39%（约2076 Mg N）和温室气体排放总量17%（约54GgCO₂-eq）。但随着土壤传感器和灌溉设施的发展,若采用自动灌溉技术可进一步提升粮食产量,并配合优化氮肥投入,可进一步实现氮淋溶和温室气体排放的减少。2.公主岭点位（1）当前农民管理下的温室气体总排放和温室气体排放强度分别为4.37 MgCO₂-eq ha^-1 yr^-1和0.49 Mg CO₂-eq Mg^-1。来自机械投入（包括生产、运输、维修和包养）和土壤有机碳变化带来的温室气体排放占到当前农民管理（CFP）的温室气体排放总量的14.6%,来自氮肥投入（包括生产和运输）和N₂O直接排放带来的温室气体排放占到当前农民管理（CFP）的温室气体排放总量的（60%）。（2）就作物产量而言,当前农民管理（氮肥用量200kgN/ha和秸秆还田率10%）是接近合理的,但是在温室气体排放方面并不是最优的。（3）通过减少氮肥用量25 kg N ha^-1和将焚烧和废弃的秸秆进行还田相结合,不仅可以保持粮食产量,还可以维持土壤有机碳平衡,并分别减少温室气体排放总量561 kg CO₂-eq ha^-1 yr^-1和减少温室气体排放强度0.06 Mg CO₂-eq Mg^-1。但是将作为生物燃料的秸秆进行还田是不可行的,因为农民将燃烧煤炭来替代秸秆将产生大量的温室气体排放。本研究的结果为进一步优化农田管理措施（主要是氮肥和秸秆管理）来减少温室气体排放和保持粮食产量提供了理论依据。