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华北平原是我国重要的粮食产区之一,冬小麦-夏玉米轮作是该区最主要的种植模式。近年来,高水肥投入实现了粮食高产,但同时也增加了温室气体排放。因此,在粮食高产稳产条件下实现资源高效和温室气体减排是我国农业可持续发展的迫切需求。针对氮肥过量施用和水资源紧缺的问题,2008年和2012年分别开展了不同种植模式（试验1）和硝化/脲酶抑制剂（试验2）的长期定位试验。试验1包括七个处理（模式）:农民常规（CON）、优化（OPT）、免耕（NT）、节水Ⅰ（WSⅠ）、节水Ⅱ（WSⅡ）、保水（WR）和有机（ORG）,该试验统筹了水氮管理、秸秆管理、耕作制度、种植制度等因素。试验2设置了五个处理:无氮（CK）、尿素（U）、尿素添加硝化抑制剂（NI）、尿素添加脲酶抑制剂（UI）和尿素添加硝化抑制剂+脲酶抑制剂（NIUI）。本研究基于以上两个长期定位试验,通过田间原位观测,系统的研究了多年来不同种植模式对作物产量、水氮利用、N2O和CH4排放及净增温势（Net global warming potential,NGWP）和温室气体排放强度（Greenhouse gas intensity,GHGI）的影响;检验了多年硝化和脲酶抑制剂对粮食增产和N2O减排的效果;分析了华北平原冬小麦-夏玉米轮作生产过程中土壤N2O产生途径。主要研究结果如下:（1）与农民常规种植模式（CON）相比,优化种植模式可以有效的降低水氮投入,提高水氮利用效率。在6年的轮作周期中,通过平衡施肥和优化灌溉等措施,优化种植模式（OPT和NT）相比CON分别降低氮肥和灌溉水用量44%和33%,并保持产量不降低和高的稳定性,氮肥利用效率和灌溉水利用效率分别提高了 69-75%和43-48%。其它几种优化种植模式（WSⅠ、WSⅡ、WR和ORG）通过改变种植制度并结合水氮优化管理,相对于CON处理,虽然产量下降了22-61%,但是氮肥和灌溉水投入分别降低了 56-79%和46-64%,利用效率分别提高了 56-190%和11-57%。（2）与农民常规种植模式（CON）相比,6种优化种植模式均能显著降低N2O排放量、NGWP和GHGI。N2O排放、氮肥投入和灌溉耗电是农田温室气体的3大主要排放源;CH4吸收引起的固碳作用可以忽略。研究期间,OPT、NT、WSⅠ、WSⅡ、WR和ORG处理相比CON处理分别降低了 N2O 排放 29%、30%、33%、40%、23%和 41%,NGWP 分别减少 31%、33%、46%、52%、48%和61%,每生产1吨粮食（以标准谷物产量为准）少排放199、204、220、207、42和206 kg CO2-eq。所有处理中N20排放、氮肥投入和灌溉耗电引起的温室效应占总排放的比例分别是15-22%、24-45%和23-45%。农田土壤是CH4的汇,但是由CH4吸收引起的固碳作用只能抵消农田温室气体净排放的1%不到。（3）尿素中添加硝化抑制剂（DMPP）不仅可以显著降低华北平原冬小麦-夏玉米轮作系统N2O排放还可以提高产量和氮素利用率。脲酶抑制剂（NBPT）与DMPP共同使用时,DMPP的减排效果会被NBPT降低。经过3年试验发现,相比U处理,NI、NIUI和UI处理分别降低玉米季N2O排放55%、40%和21%,分别降低小麦季N2O排放47%、40%和33%。NIUI、NI和UI相比U处理分别增加年度产量7%、6%和4%,分别提高年度氮素利用率15%、10%和7%。（4）硝化作用对于施肥后N2O排放峰值的贡献最多达40%,硝化微生物反硝化作用可能是施肥后N2O排放的主要途径。DMPP通过抑制硝化作用和硝化微生物反硝化作用实现N20的减排。