在农田生态系统中，与粮食安全、气候变化、大气污染和水体污染等问题息息相关的生物地球化学效应所针对的变量主要包括产量、生态系统净温室气体排放(NEGE，包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O))、大气污染物(NO、NH3)排放和水体污染物(NO3-)排放。不同的农田管理措施通过影响碳(C)、氮(N)的生物地球化学循环过程而最终影响这些目标变量。为了尽可能的使得农田生态系统的管理措施对温室气体、大气氮污染物和水体污染物排放的影响最小，而同时又不影响粮食产量，需要寻找能够对产量和环境安全问题都最有利的最佳管理措施(BMP)。要确定BMP就必须首先定量不同的管理措施对目标变量的影响，田间原位观测是最直接的办法，但是由于田间原位观测需要投入大量的资源很难大量开展，所以需要将田间试验与过程模型相结合。　　 论文以中国北方地区典型一年两熟制冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象来开展研究。首先在山东省桓台县典型冬小麦-夏玉米轮作农田上进行了一年的田间原位试验，研究了当地常规管理方式对N2O和NO排放的影响，以及主控这两种气体排放的过程。然后利用山东、山西和河南典型冬小麦-夏玉米轮作农田不同管理措施的多目标变量观测数据对DNDC模型进行了标定和验证。最后以山西省永济市冬小麦-夏玉米轮作农田为例，用DNDC模型进行模拟试验，讨论不同管理措施对产量、NEGE、NH3挥发、NO排放以及硝态氮淋溶的影响，并在模拟结果的基础上进一步探讨适合当地的BMP。研究结果及相关结论概况如下:　　 对山东省桓台县粉砂壤土典型冬小麦-夏玉米轮作农田，田间实验结果表明施肥和灌溉后的N2O和NO排放分别占全年排放的73％和88％。这表明施肥后每天对N2O和NO通量进行观测对于更准确的估算年排放是非常必要的。土壤湿度和无机氮含量显著影响N2O和NO排放。传统施肥处理（600 kgN ha-1yr-1）的N2O和NO排放分别为4.0±0.2和3.0±0.2 kg N ha-1yr-1，而对于不施肥处理这两种气体的排放要低很多（分别为0.5±0.02和0.4±0.05 kg N ha-1yr-1）。N2O和NO的直接排放因子(EFdS)分别为0.59±0.04％和0.44±0.04％。通过综合别人的研究和本研究的结果，对于土壤有机碳含量在5-16 g kg-1且为石灰性土壤的灌溉农田，我们推荐特定的EFdS(N2O:0.54±0.09％; NO:0.45±0.04％)。研究地点的N2O和NO排放主要受硝化作用主控。证据表明可用碳不足限制了微生物反硝化进而限制了N2O的排放。这就表明在石灰性土壤上为了增加碳汇而采取的措施很有可能会增加N2O的排放。　　 利用北方一年两熟制地区山西、山东和河南典型冬小麦-夏玉米轮作农田的观测资料（土壤温度和湿度、产量、生物量动态、作物氮吸收动态、NEE、NH3挥发、CH4排放、N2O排放、NO排放）对DNDC模型的验证结果显示，用观测资料直接替代或者标定模型部分默认参数和过程后，DNDC模型能够较好的模拟北方地区典型冬小麦-夏玉米轮作农田各种管理措施处理下的土壤气候条件、作物生长、含C和含N气体排放。　　 对于山西省永济市典型冬小麦-夏玉米轮作农田，模型模拟结果表明免耕和秸秆还田对于作物产量和NEGE这两个目标变量而言是有利的措施。施用氮肥的时候同时使用硝化抑制剂能够减少硝态氮淋溶、N2O和NO排放，但是却极大增加了NH3挥发，所以在山西省这种石灰性土壤上使用硝化抑制剂的时候需要谨慎。硝态氮淋溶、NH3挥发、N2O和NO排放都随着氮肥施用量的增加而增加，这就表明只要作物产量能够得到维持，氮肥施用量越少越好。在本研究中，氮肥施用量从当前的430 kg N ha-1基础上减少15％或者灌溉量从当前的400 mmyr-1的基础上减少25％都不会减少作物产量。按需灌溉能够极大增加作物产量，而只增加氮肥施用量却不能增加作物产量，这表明研究地区增加产量的瓶颈在于如何有效的灌溉而不是盲目的增加作物产量。为了确定BMP，本文采用了两种方法，两种方法得到了同样的结果。BMP的管理措施如下:采用现有的作物种植系统;依据当前的播种/收获、翻耕、灌溉等日期;秸秆全部还田;灌溉施用量在当前的基础上(400 mm-1)减少25％;氮肥施用量从当前的水平上(430 kg N ha-1yr-1)减少15％;不使用硝化抑制剂。我们的研究结果也表明DNDC可以作为探讨不同管理措施的生物地球化学效应以及进一步确定BMP的工具。