高强度的农业活动通过影响土壤碳氮水循环以及对能源和资源的消耗而对各种生态系统服务造成影响,量化农业活动对生态环境影响程度是探索农业可持续发展途径的重要前提。本论文基于国家统计年鉴数据库、文献数据库和高精度农田数据库,采用排放系数法和模型模拟法相结合,优化作物生产碳、氮、水足迹计量方法,研究中国三种主要粮食作物生产碳、氮、水足迹及其构成特征,分析作物生产碳、氮、水足迹的空间异质性及其原因,最终通过集成分析方法从温室气体排放、活性氮损失和水资源消耗三个方面综合量化作物生产对生态环境的影响,探讨作物生产对人类健康和生态系统的威胁以及对资源的消耗。主要研究结果如下:1、基于统计年鉴数据、作物种植空间数据库和土壤空间数据库,构建了主要粮食作物生产数据库,主要包括农作物的产量、播种面积、肥料施用量、农膜使用量、农药投入量、灌溉量、机械燃油量、农作物播种面积空间分布以及作物空间栅格的土壤属性（砂粒含量、粉砂粒含量、粘粒含量、全氮、容重、有机质、pH等）,该数据库主要用来计算主要粮食作物碳足迹、氮足迹和灰水足迹。通过文献搜集,建立了农田氨挥发数据库,包括964组NH3排放量观测数据,还包括土壤属性（土壤有机碳含量、总氮、砂粒含量、粉砂粒含量、粘粒含量、土壤容重和pH）、气象数据（年均温和年降水）、施肥量、肥料类型、施肥次数、作物种植数据（作物类型、播种日期、移栽日期和收获日期）,该数据库用来建立氨挥发经验模型。基于中国气象数据网获得全国气象站点的气象数据库（包括降雨量、日平均风速、日净辐射总量等）,采用泰森多边形方法进行空间插值得到气象空间数据库,该数据库用来计量粮食作物的水足迹。2、采用生命周期评价-碳足迹计量方法学,量化了 2017年中国主要粮食作物生产的碳足迹。结果显示,水稻生产的单位面积和单位产量碳足迹分别为9159 kg CO2-eq ha-1 和 1.32 kg CO2-eq kg-1,高于玉米（3934 kg CO2-eq ha-1 和 0.67 kg CO2-eq kg-1）和小麦（2786 kgCO2-eq ha-1和0.52 kg CO2-eq kg-1）生产的碳足迹。水稻生产碳足迹的主要来源是甲烷排放,贡献高达54%;玉米和小麦碳足迹中肥料生产是主要排放源,比例为51%和42%。对比不同农业区,发现水稻生产的碳足迹甘新区最高,为1.59kg CO2-eq kg-1;甘新区玉米生产的碳足迹最高（0.78 kg CO2-eq kg-1）,而东北区小麦生产的碳足迹最高（0.62 kg CO2-eq kg-1）。全国三种作物温室气体排放量总量为498.86 Mt CO2-eq,其中水稻生产导致的温室气体排放占总量的56%,玉米和小麦占比分别为30%和 14%。3、基于氮足迹计量方法学,量化了粮食生产过程中氨挥发、氧化亚氮排放、氮素淋洗和径流损失、氮氧化物排放,分析了粮食生产的氮足迹。首先,由于当前没有合适的计算中国农田氨挥发的模型,本研究基于农田氨挥发文献数据库,采用线性回归的方法,构建了基于农业区的农田氨挥发多元回归模型,并采用独立样本进行了验证。验证结果表明,构建的模型可以较好地无偏估计中国农田的氨挥发,其中甘新-青藏区的模型表现最好,R2为0.92,模拟效率为72%,相对根均方误差为44%,且模拟值和实测值无显著偏差。然后,采用本研究构建的模型,以及前人发展的排放因子和模型,计算了 2017年主要粮食作物生产的氮足迹。小麦生产的氮足迹最高,其单位面积和单位产量的氮足迹分别为100.04 kg N ha-1和18.25 g N kg-1,其次是玉米（84.42 kgNha-1 和13.81 gNkg-1）,水稻氮足迹最低,为84.40 kgNha-1 和 12.20 gN kg-1。就水稻而言,氨挥发是主要的活性氮损失途径,而小麦和玉米生产的主要活性氮损失途径为氮素径流和氮素淋洗,其贡献比例高达30%以上。水稻生产活性氮损失较高的区域主要集中在长江中下游以及华南西南农业区;玉米则主要集中在黄淮海以及东北区;小麦活性氮损失较高的区域为黄淮海农业区。全国三种作物活性氮损失总量为8.63 Tg N（95%置信区间:7.70～9.94 Tg N）,其中玉米生产的活性氮损失总量最高,为3.58 Tg N,其次是水稻生产,为2.60 Tg N,小麦生产的活性氮损失量最低,占比28%。4、将彭曼公式与水足迹计量方法相结合,采用气象空间数据库和氮肥投入数据,估算了 2017年中国水稻、玉米和小麦生产的蓝、绿、灰水足迹。研究得到:单位面积水足迹从高到低依次为玉米（8355 m3 ha-1）、小麦（7487m3 ha-1）和水稻（6547m3 ha-1）,而单位产量水足迹从高到低依次为小麦（1.43 m3 kg-1）、玉米（1.36m3 kg-1）和水稻（1.09 m3 kg-1）。水稻的绿水足迹占比最高,为41%,玉米和小麦的水足迹构成比例相似,均为灰水足迹占比最高,在50%左右。从空间分布上,小麦生产的水足迹内蒙古及长城沿线区最高,为4.85 m3 kg-1,玉米和水稻生产的水足迹青藏区最高,分别为2.16 m3 kg-1和1.63 m3 kg-1。全国三种粮食作物生产过程的总水足迹为778.2 G m3,其中水稻生产的水足迹占全国总量的30%,玉米和小麦生产分别占46%和24%。5、基于Endpointmodelling环境评价方法,发展了用于评价粮食生产综合生态环境效应的集成足迹方法,从人类健康、生态系统影响和资源消耗三个角度评价温室气体排放、活性氮损失和水资源消耗带来的影响。结果显示:水分损失在三种作物的生态环境综合影响中占比最高,为66%～82%;其次是氮素损失,水稻最高为20%,小麦最低为12%;温室效应对于生态环境的影响相对较小,水稻为17%,玉米和小麦占比基本一致,分别为7%和6%。对比人类健康、生态系统影响和资源消耗三个角度,资源消耗所带来的风险最高。水稻生产的生态环境风险除了资源消耗外,主要是对人类健康的威胁。玉米和小麦的集成足迹基本构成比例相似,除了资源消耗外,对人类健康的威胁风险较高,对生态系统的威胁风险较低。对比不同农业区,发现小麦生产的高生态环境风险区域为内蒙古及长城沿线区和华南区,玉米为青藏区和华南区,而水稻为青藏区和华南区。综合来看,北方农业区作物生产的生态环境风险高于南方农业区,其中北方的内蒙古及长城沿线区风险最高,而南方的华南区作物生产的生态环境风险最高。综上所述,本研究发展了适用于中国粮食作物生产的碳、氮、水足迹计量方法,优化了计算足迹所须的各项参数。基于构建的数据库,量化了中国主要粮食作物生产的碳、氮、水足迹,并分析构成;通过集成足迹判别温室气体排放、活性氮损失和水资源消耗对生态环境的相对影响风险,绘制了粮食生产生态环境风险的高分辨率空间分布图,研究结果可为中国农业可持续发展技术选择、方针政策制定提供方法学依据和科学参考。