过去三十多年来,中国普遍实行的高投入产出、高利用强度的集约化农业土地利用模式,在提高了土地收益和保障粮食安全的同时也导致了严重的农业环境问题。因此,高集约化农区同时也是高环境风险的区域。未来十年,高集约化的农业土地利用方式既面临着粮食不断增产的客观需求,又面临着生态环境逐步恶化的现实挑战。探讨立足于高投入产出条件下如何减少过量投入及降低环境风险已成为现代农业发展和可持续土地利用领域的重要课题。本文拟从土地利用系统的角度出发,系统解析集约农业土地利用过程中物质输入。输出特征、迁移转化规律,以及由此引发的农业环境问题。在此基础上,研究探索高集约化农区土地利用系统设计的理论与方法体系,结合上海市青浦区的案例研究,尝试构建投入减量化的、良性循环的、低环境风险的可持续土地利用模式。主要研究结论如下：(1)初步提出了基于物质流调控理论的农业土地利用系统设计的理论框架。本研究依据物质流分析(material flow analysis, MFA),以投入减量化与低环境风险为目标,构建了物质流调控理论,详细阐释了该理论的内涵、设计原则与目标、设计内容与评价准则、设计模式及其图式和设计方法,并以青浦区开展了应用研究,从农业土地利用系统分析与效应评价,农户土地利用模式优化,土地利用结构优化与空间分区防控和高集约化农区可持续农业土地利用模式的耦合集成4个方面进行了分析、调控与设计。结果表明,基于物质流调控理论,可满足构建投入减量化的、良性循环的、低环境风险的可持续土地利用模式的实践要求。(2)农业土地利用系统分析与效应评价结果对青浦区农业土地利用系统进行了全面分析,首先分析了不同投入要素对农业产值增长的影响及其环境的潜在危害,然后分别从氮足迹与灰水足迹、土地利用效率、环境效率的角度评估农业土地利用过程的投入产出效率及其环境效应,在此基础上评估了物质减量化及环境风险降低潜势。结果表明：①农业播种面积和化肥对农业产值的灰色关联度为最显著的两个因素,提高土地利用效率成为缓解青浦区耕地资源紧缺的重要途径。②青浦区活性氮排放和灰水足迹存在显著的时空差异性,以高氮肥投入为特征的农业土地利用模式,严重影响了农业环境质量。优化土地利用结构、科学适量的氮肥投入模式和增加技术投入,提高氮素利用效率应成为青浦区农业土地利用系统优化与调整的重点途径。③基于经典DEA分析,青浦区各乡镇(街道)土地利用综合效率、土地利用技术效率和纯技术效率呈空间分异性和随时间波动的态势,青浦区农业土地利用纯技术效率的提升,是青浦区农业土地利用综合效率提高的关键。青浦区需要在保持和稳步推进适度规模经营的同时,重点提升农业土地利用管理水平,推广和普及农业新技术,严格控制土地的粗放和低效使用,以提高纯技术效率。④结合氮足迹、灰水足迹指标,采用非期望产出的SBM模型窗式分析方法,构建物质减量化潜力与污染物减排潜力、物质的潜在缩减规模和污染物的潜在缩减规模模型。2006-2013年,青浦区劳动力、肥料和机械动力的物质减量化潜力的年均值分别为32.21%,25.70%和38.21%；灰水足迹和污染氮足迹的年均减排潜力分别为32.18%12.32%。全区年均人力、肥料和机械动力的潜在缩减总量分别为8104人,4501.59t,27928.44kw：污染氮足迹和灰水足迹的潜在减排总量分别为381.04t,52046.88万m3。(3)农户土地利用模式优化以青浦区稻麦典型种植模式为例,采用TechnoGIN模型,对当前的农户土地利用情景进行经济-环境效应评价；在此基础上,通过构建氮效率和土地利用综合收益指标,确定土地利用优化方案及匹配政策与管理措施。结果表明,推广应用精细养分管理的适度规模经营模式是青浦区构建农户尺度投入减量化与低环境风险的可持续土地利用模式的关键。农业政策的制定需向适度规模经营农户中采取增加补贴的方式,弥补因人力和资源要素投入成本过高而产生的经济收益不足。(4)土地利用结构优化与空间分区防控①以水资源保护和非点源污染控制为目标,采用灰色线性规划模型对研究区域土地利用结构进行优化,2020年青浦区土地利用结构优化方案下经济效益可比2012年增加28.12%,同时减少了总氮、总磷的输出169.08t/a和79.83-a,降幅分别为10.96%、41.33%,有效降低了非点源污染风险。②采用最小累积阻力模型,构建区域空间分区防控模型,依据各土地利用类型的生态系统服务价值和非点源污染输出负荷,构建不同土地利用类型阻力系数,在此基础上,划设水资源保育区、水资源重点防护区、非点源污染一般阻控区、非点源污染中等阻控区及非点源污染重点阻控区,并针对不同分区提出具有针对性的措施,从土地利用结构和景观格局进行了土地利用系统的设计与调控。研究表明,基于水资源保护和非点源污染阻控的区域分区调控机制是有效解决非点源污染迁移和保护水资源的途径之一。(5)高集约化农区可持续农业土地利用模式的耦合集成运用物质流分析和系统动力学方法,建立集约农业土地利用耦合系统动力学模型。量化分析农出、畜牧及水产等子系统的物质流动过程；以氮素为主线,模拟氮的自然、经济和社会效应,预测未来的演化趋势,进而制定优化调控方案。2020年,基准情景下青浦区农业生产能力已不能满足当地人口对肉类及水产品氮的需求。优化情景下,化肥氮投入减少了53.75%,且系统氮生产满足了当地常住人口的消费需要,减少产品氮区外进口量2245.16t,优化情景下系统氮综合循环效率提高至25.54%,通过淋溶和径流分析,系统对水环境的影响进一步降低。该优化耦合方案在保证农业生产目标的同时较好地保护了当地生态环境。