在气候变化背景下,农田生态系统碳氮循环过程随着水热条件和大气二氧化碳（CO₂）浓度的变化而发生改变。定量评估未来气候变化情景下不同施肥策略对作物产量、土壤有机碳（SOC）和氧化亚氮（N₂O）排放的影响是保障农业可持续发展的科学基础。因此,本研究以环渤海区域为研究对象,通过点位试验和区域模拟相结合,过程模型（DNDC模型）和机器学习方法（随机森林算法）相结合,定量评价未来不同气候变化情景下,不同施肥策略在点位和区域尺度上对主要粮食作物产量、SOC和N₂O排放变化的影响,为农业生态系统应对气候变化的研究提供新方法,为该区域未来应对气候变化施肥策略的选择提供科学依据。主要研究结果如下:（1）春玉米农田多年试验表明,氮肥减量和有机肥替代50%化肥氮处理与常规施肥处理相比,均能降低N₂O排放,增施有机肥并没有显著增加N₂O排放,而秸秆还田则显著（P<0.05）促进了N₂O排放。添加有机物料可以显著增加农田SOC储量（P<0.001）,其中有机肥相对玉米秸秆还田的碳固存效率更高（0.26 vs 0.12）。综合考虑SOC和N₂O排放,常规施肥处理研究期内温室气体净排放量为203kg CO₂ eq ha^-1 yr^-1,表现为净温室效应的―源‖,而氮肥减量和增施有机物料均可将春玉米农田转化为净温室效应―汇‖,并能够保持作物产量不降低。（2）冬小麦-夏玉米农田试验表明,施用化肥氮能显著促进N₂O排放（P<0.05）,秸秆还田可以显著（P<0.05）提高农田SOC存储,减氮30%和减氮30%与秸秆还田结合处理下作物产量均未显著降低（P>0.05）,且能将常规施肥下的净温室效应―源‖转化为―汇‖,减少农田净温室气体排放(1997-309 kg CO₂ eq ha^-1 yr^-1)。（3）选取本区域春玉米种植模式、冬小麦-夏玉米种植模式共计8个试验点,利用监测的作物产量（桓台、迁西和衡水）、SOC（昌平、迁西和衡水）以及N₂O排放（桓台、迁西、青县、桓台、滦县、凌海和大连）实测数据对DNDC模型模拟能力进行了验证。冬小麦产量、玉米产量（春玉米和夏玉米）、SOC和N₂O总排放量的预测精度（R²）分别为0.76、0.82、0.66和0.72,表明DNDC模型能够较好地模拟该区域主要粮食作物的碳氮循环过程。（4）春玉米农田在RCP4.5和RCP8.5两种气候变化情景下,增施有机肥平均净温室气体排放增速为-16.5kg CO₂ eq ha^-1 yr^-1。冬小麦-夏玉米农田秸秆还田对农田净温室效应―汇‖的增强最显著(-14.13kg CO₂ eq ha^-1 yr^-1)。增施有机物料（有机肥和秸秆）或者有机肥替代部分化肥,可以平衡产量、dSOC和N₂O排放。（5）运用RF算法对输入变量和DNDC模拟结果进行回归分析,建立DNDC-RF模型,在对不同输入变量进行重要性评价的基础上,模拟预测了区域尺度主要施肥措施（常规施肥（FP）、增施有机肥（MFP）、秸秆还田（SFP）、有机替代50%化肥氮（RMN））对未来气候变化情景（2008-2100）的响应,结果表明FP措施的春玉米产量,在RCP4.5情景时,整体呈现减产趋势,其中辽宁省西南减幅相对较高,而有机物料添加均能在区域内实现增产,其中MFP措施(9.6kg C ha^-1 yr^-1)效果最好。夏玉米产量在未来气候变化下均表现为增产,其中RCP8.5情景下MFP措施增产最快(26kg C ha^-1 yr^-1),其中山东南部增速相对较高。冬小麦产量在未来气候变化下均表现为增产,在RCP8.5情景下SFP措施的增速最高(17.1kg C ha^-1 yr^-1),其中河北中部相对增速更快。（6）春玉米农田dSOC在RCP4.5气候变化情景下SFP措施增速最高(36.95kg C ha^-1 yr^-1),其中辽宁西部和河北北部增速相对较高。冬小麦-夏玉米农田dSOC在RCP8.5气候变化情景下MFP措施增速最高(109kg C ha^-1 yr^-1),其中河北东南部和胶东半岛相对增速较快。春玉米农田N₂O排放在RCP8.5气候变化情景下MFP措施增速最高(4.2×10^-3 kg N ha^-1 yr^-1),其中河北省东部增速相对较高。冬小麦-夏玉米轮作农田N₂O排放在RCP8.5气候变化情景下MFP措施增速最高(1.7×10^-2 kg N ha^-1 yr^-1),其中山东省中东部增速相对较高。春玉米农田在不同施肥措施下整体呈现为净温室效应的―汇‖（除大连市外）,其中秸秆还田措施净温室效应―汇‖的能力在不同RCP模式下均最高。冬小麦-夏玉米农田当气候变化情景从RCP4.5变到RCP8.5时,FP措施下区域整体表现从净温室效应―汇‖变成―源‖,净温室气体排放增速为25kg CO₂ eq ha^-1 yr^-1;而SFP、MFP和RMN措施均使系统表现为净温室效应―汇‖,其中以MFP措施效果最佳,净温室气体排放增速为-311kg CO₂ eq ha^-1 yr^-1。