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粮食需求量大但耕地面积少是我国现有的集约化种植模式中氮肥滥用且不重视耕地保护的重要原因之一,这导致了土壤有机碳储量下降、温室气体排放增加和活性氮释放等环境问题,不利于农业的可持续发展。如何在不牺牲产量的前提下恢复土壤肥力并大幅降低作物生产过程的环境代价亟待研究。黄土高原是我国重要的小麦产区,合理利用麦收后夏休闲期丰富的水热资源有助于缓解该地区集约化种植带来的土壤退化和环境问题。豆科绿肥同时具有生物固氮与固碳能力,能替代部分氮肥并提升土壤有机碳储量,是优化种植模式的首选。本研究基于长期定位试验,结合实测数据和多种模型,探索豆科绿肥提升土壤碳氮储量及降低环境代价的潜力与机制。田间试验为裂区设计,主处理为夏休闲期的不同管理方式,包括夏休闲—冬小麦（FW）（对照）,怀豆—冬小麦（HW）,大豆—冬小麦（SW）以及绿豆—冬小麦（MW）;副处理为小麦播前的不同氮肥用量:0（N0）,108(N108),135(N135)和162(N162)kg ha-1。主要研究结果如下:（1）通过RothC模型,利用实测土壤有机碳和全氮储量及两者的碳氮比对土壤有机碳和全氮储量的动态变化及储存潜力进行预测。与对照FW相比,豆科绿肥处理的碳、氮还田量分别增加了67%-91%和74%-125%（P<0.05）,8年后的土壤有机碳和全氮储量分别提升了15%-23%和12%-22%（P<0.05）。结合RothC模型以及3种豆科绿肥处理土壤有机碳和全氮储量的相关关系来模拟土壤有机碳和全氮储量的动态变化其精度可接受。达到新平衡状态时,各豆科绿肥处理和FW处理的土壤有机碳储量分别为37.67-47.29 Mg ha-1和13.97-17.58 Mg ha-1,且豆科绿肥各处理对应的全氮储量将达到5.42-6.79 Mg ha-1。预测显示豆科绿肥处理的土壤有机碳和全氮储量在达到新平衡时将比试验开始前的初始值分别高107%和158%。在夏休闲期种植豆科绿肥提升土壤有机碳和全氮储量的潜力依然较大,有利于土壤肥力的持续提升。（2）对土壤不同组分的有机碳进行物理分组,其中微团聚体内的细颗粒态有机碳以及与粉黏粒结合的有机碳属于受保护有机碳。定量分析豆科绿肥对土壤受保护有机碳含量的影响可以明确该措施是否能增加土壤有机碳的稳定性。结果表明,HW处理相对FW显著提升了0-10 cm土层土壤的平均重量直径。豆科绿肥处理使0-10和10-20 cm土层的土壤有机碳含量比FW分别显著提升了0.93-1.18和0.33-1.04 g kg-1,且其中有69%-86%都是由于受保护有机碳含量的增加。此外,只有受保护有机碳的增加与土壤有机碳的增加呈显著线性正相关,进一步说明在夏休闲期种植豆科绿肥主要是通过受保护有机碳含量的增加来提升土壤有机碳含量。豆科绿肥不仅能改善土壤结构,还能增加土壤有机碳的含量及稳定性。（3）结合生命周期评估（life-cycle assessment,LCA）和RothC模型可量化试验开始8年后及各处理土壤有机碳储量达到新平衡时小麦生产过程的碳足迹。选择大豆作为绿肥时,小麦在不同氮肥用量条件下8年的平均产量比FW处理高8%（P<0.05）,同时各主处理氮肥用量降低33%小麦不减产。虽然豆科绿肥处理会增加来自农田投入的温室气体排放量,但更多的碳还田及对应土壤有机碳储量的提升使其碳足迹比FW低25%-51%。当所有处理土壤有机碳储量都达到新平衡时,豆科绿肥处理的碳足迹比FW处理低53%-62%,比各自在现阶段的碳足迹低23%-37%。在当地常规种植模式中,选择怀豆和大豆作为绿肥替代夏休闲是保持小麦稳产并能持续降低碳足迹的有效措施;RothC模型和LCA结合可作为一种评估不同种植模式长期温室气体排放情况的方法。（4）以豆科绿肥各处理相对FW在非根区土层（100-200 cm）残留硝态氮零增长为标准,可确定3种豆科绿肥处理根区土层（0-100 cm）硝态氮持有量和相应的氮肥用量上限;再结合各豆科绿肥的氮还田量和小麦获得高产的总氮投入量阈值可进一步计算出相应的优化氮肥用量。豆科绿肥植株的氮累积量为61-90 kg ha-1,其中怀豆的氮累积量比大豆和绿豆高46%（P<0.05）。线性+平台模型表明小麦获得高产的氮总投入量阈值为141 kg ha-1。豆科绿肥处理根区土层的硝态氮持有量在104-117 kg ha-1之间,此时对应的氮肥用量上限在97到130 kg ha-1之间。综合上述结果可算出豆科绿肥各处理的优化氮肥用量为52-80 kg ha-1。豆科绿肥具有较大的氮肥替代潜力,能在维持小麦高产的同时避免硝态氮在非根区土层积累。（5）以农民常规方式(FW+N162,BAU)为对照,依据前述研究结果构建了基于绿肥的优化管理模式情景(HW+N52,HNO和SW+N79,SNO)。选用36个气候模型输出在两种代表性浓度路径（RCP4.5和RCP8.5）情景下的未来气象资料,同时结合RothC模型,LCA和氮经验模型评估在气候变化条件下BAU、HNO和SNO在不同时段的土壤有机碳储量、碳足迹和环境代价,明确豆科绿肥对环境的意义。HNO和SNO的土壤有机碳储量在2100年时比BAU高14-18 Mg ha-1,但相对于RCP4.5,在RCP8.5情景下不同处理的土壤有机碳固存潜力由于气温更高而有所降低。HNO和SNO在不同时段的碳足迹分别为808-1388 kg CO2 eq ha-1和1280-1797 kg CO2 eq ha-1,显著低于BAU的2756-3456 kg CO2 eq ha-1。HNO和SNO的总环境代价比BAU低46%-70%（P<0.05）,主要是因为豆科绿肥较大的氮肥替代潜力大幅降低了相关环境代价。HNO和SNO在未来较长时间内都能持续降低小麦生产过程的环境代价,除了土壤有机碳的固存,未来研究还需要更多关注豆科绿肥带来的氮肥减量潜力。综上,种植豆科绿肥可以改善土壤质量,并通过促进土壤固碳和替代氮肥降低小麦生产过程的环境代价,是面向未来的可持续田间管理模式。