水稻是我国主要的粮食作物之一,我国有60%以上的人以大米为主食。而近些年,由于我国水稻单产增加缓慢,部分地区出现产量增长停滞的现象,因此,未来我国的水稻产量能否满足日益增长的人口需求,成为我国乃至世界粮食安全问题中尤为重要的一部分。而更大的挑战是：如何在现有甚至减少的种植面积下大幅度提高单产,同时提高养分资源(尤其是氮效率),从而减少对环境的影响。本研究主要以我国南方的早稻和晚稻,长江流域的单季稻为研究对象,基于田间试验和文献数据,重点研究了稻作类型、土壤基础地力以及管理技术对水稻产量、产量差和氮肥效率差、水稻生长季节温室气体排放(CH4和N2O)以及这两个气体的全球净增温潜势值(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)的交互影响作用,进一步将田间尺度的研究结果外推到国家尺度,评价不同发展策略对稻作系统的总产量,氮肥总消费量和温室气体总排放量的影响。主要研究结果如下：(1)当前生产条件下,南方双季稻的总氮素(包括化学氮肥、有机肥、湿沉降、灌溉氮和生物固氮)投入平均为443.5kg N ha-1,南方单季稻和北方寒地水稻分别平均为297.0kg N ha-1和215.3kg N ha-1。不同稻作类型的化学氮肥投入量占总氮素投入的百分比分别为南方双季稻75.0%,南方单季稻68.2%和北方寒地水稻69.7%；作物吸收来自化学氮肥的氮素和氮肥环境损失率分别为：南方双季稻34.8%和32.1%、南方单季稻43.4%和33.5%、寒地水稻42.1%和36.3%；各稻作类型的化学氮肥土壤残留率分别为：南方双季稻33.1%、南方单季稻23.1%和北方寒地水稻21.7%；我国主要稻作类型的稻田土壤基础地力分布不同。南方早稻和晚稻低、中、高的土壤基础地力等级的稻田面积分别占总面积的21.5%和21.3%、57.8%和65.6%、20.7%和13.1%；长江流域的单季稻低、中、高的土壤基础地力等级的面积分别占总的单季稻面积的16.7%、76.2%和7.1%。(2)我国稻作体系农民地块的产量(产量差)和氮肥效率(效率差)存在较大的差异。稻田土壤基础地力、最佳作物管理技术和气候条件对于不同产量水平农民地块的产量差和效率差的贡献不同：土壤基础地力可以解释三种稻作类型的高、中、低农民地块的产量差和效率差分别为19.4%和43.0%、26.6%和44.2%、36.4%和51.3%；而最佳作物管理技术则分别为47.7%和36.9%、35.9%和37.4%、30.5%和39.2%；气候条件、没有考虑的技术以及其他社会经济因素可能主要决定不能被土壤基础地力和管理技术解释的产量差和效率差部分。农民地块的产量越低,土壤基础地力对产量的影响越大,而土壤基础地力对不同农民地块条件下的效率差影响不明显。(3)土壤基础地力、作物管理技术以及稻作类型对温室气体的排放产生复杂的交互影响作用。尽管最佳作物管理技术(主要包括优化氮肥,节水灌溉和增加栽插密度)增加N2O的排放,但是最佳作物管理技术也显著减少CH4排放,因此最佳作物管理技术能比农民传统技术减少GWP和GHGI;随着稻田基础地力的增加,GWP表现出增加的趋势,但是,GHGI随土壤基础地力的增加表现出显著降低的趋势。CH4、GWP和GHGI在稻作类型之间,表现出类似的趋势：晚稻>早稻>单季稻(4)未来我国水稻体系的农学和环境效应取决于农业发展策略的选择。与农民传统技术相比,采用最佳作物管理模式,水稻总产量增加1692万吨(10.0%),氮肥总消费量和水稻生长季节温室气体(CH4和N2O)的总排放量分别减少96万吨(20.0%)和1486万吨二氧化碳当量(8.7%)。采用目前农民传统技术,将中低土壤基础地力增加1500kg ha-1,可以实现水稻总产量增加1605万吨(9.5%)和氮肥总消费量减少1万吨(0.1%),但是温室气体将增加253万吨二氧化碳当量(1.5%)；采用最佳作物管理技术和中低土壤基础地力增加1500kg ha-1的策略,可以实现水稻总产量增加18.1%,基本满足2030年我国对水稻生产的需求,同时氮肥总消费量和温室气体效应分别减少22.1%和7.3%。不同稻作类型对于水稻体系总产量和环境效应的贡献不同,无论在何种情景模式下,单季稻对水稻总产量的提高做出主要的贡献,而双季稻特别是晚稻,则对温室气体减排有更大的贡献。