随着农田生态系统高强度集约化生产模式的推广，农田温室气体排放及活性氮损失对全球气候变化及环境问题的影响日益突出。稻田生态系统是我国主要的粮食生产体系之一，传统冬季作物小麦与油菜以其高化肥投入成为稻田生态系统中主要的温室气体排放与氮损失来源。通过豆科作物或绿肥替代传统冬季作物、豆科秸秆还田替代化肥施加的农田管理措施可以极大地减少稻田生态系统中的农田温室气体排放及活性氮损失。然而尚未有研究综合评估水稻-豆科轮作模式对农田氮损失、基于生命周期分析法的碳足迹及环境经济效益的影响。　　本研究以四种轮作制度:水稻-小麦(R-W)、水稻-油菜(R-Ra)、水稻-蚕豆(R-F)与水稻-紫云英(R-M)为研究对象，通过6年长期田间定位试验，原位监测甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)与活性氮损失途径(渗漏、径流与氨(NH3)挥发）。结合生命周期评价，高通量测序与净环境经济效益评估方法分析稻田生态系统中豆科作物（紫云英、蚕豆）替代传统冬季作物（小麦、油菜）下碳足迹、活性氮损失、肥力特征及其环境经济效益。主要研究结果如下:　　(1)与传统水旱轮作模式相比，水稻，豆科轮作显著降低径流活性氮排放，而淋溶全氮损失在不同轮作间无显著差异。传统轮作与水稻-豆科轮作下年平均累积径流氮损失分别为20.5-32.6kg N/ha与5.98-7.07kg N/ha，冬季豆科替代传统小麦、油菜的轮作方式能够降低径流氮损失66-82％。淋溶活性氮排放在稻麦轮作下与水稻-豆科轮作相比显著提高了硝态氮(NO3-)形态氮损失，而其余形态氮损失在不同轮作模式下无显著差异。NH3挥发在水稻-豆科轮作模式下相比传统轮作显著减少了39-40％。NH3挥发排放通量在施肥2-3天后达到最大，随后逐渐降低。在不同季节下NH3挥发存在显著变化，稻麦传统轮作与水稻，豆科轮作累积NH3挥发分别为23.3-77.2kg N/ha与16.2-44.6kg N/ha;冬季作物季则分别为2.87-6.09kg N/ha与0.76-2.25kg N/ha。　　(2)四种不同轮作模式下CH4排放峰值主要出现在稻季，且水稻-豆科轮作模式（R-F与R-M）CH4累积排放量低于传统轮作模式（R-W与R-Ra），但并无显著差异(104-186kg C/ha)。四种不同轮作模式下，稻季CH4平均排放通量为3.01-9.51mg C/(m2×h);冬季作物季CH4平均排放通量远低于稻季，维持在＜2mg C/(m2×h)。豆科秸秆还田措施并未显著增加土壤CH4排放量，可能与传统轮作下冬小麦、油菜残茬还田促进CH4排放有关。传统轮作模式下N2O年平均排放通量显著高于水稻-豆科轮作，且年际变异较大。不同轮作模式下，在稻季与冬季作物季施肥约3天后N2O排放通量出现峰值。冬季作物季N2O累计排放量在传统轮作与水稻-豆科轮作中分别为1.12-2.11kg N/ha与0.36-0.51kg N/ha。水稻-豆科轮作显著降低N2O排放40-64％，主要原因是氮肥用量的减少。　　(3)稻田生态系统下冬季豆科替代传统小麦、油菜的轮作方式后，碳足迹显著降低。碳足迹的主要贡献源为CH4、N2O与肥料生产运输过程碳排放，分别贡献总碳足迹的47-59％、8-12％与26-31％。传统轮作下单位面积碳足迹(FCF)与单位产量碳足迹(PCP)分别为11.2-13.1Mg CO2-equivalents（CO2嘲）/(ha×yr)与1.45-1.74Mg CO2-eq/(Mg×yr);水稻-豆科轮作下则分别为6.65-7.05Mg CO2-eq/(ha*yr)与0.90-0.92Mg CO2-eq/(Mg×yr)。　　(4)不同轮作模式下净环境经济效益无显著差异。R-W的产量收益显著高于R-Ra与R-M，而与R-F无显著差异。豆科秸秆替代氮肥下水稻产量与传统轮作无显著差异。环境损失在传统轮作下均显著高于水稻-豆科轮作，在一定程度弥补了水稻-豆科轮作产量收益的降低。水稻-豆科轮作下冬季产量的逐年降低显著影响其净环境经济效益，若以稳定高产的豆科作物产量为前提（试验前2年的豆科作物年平均产量），则R-F的净经济效益相比R-W显著增加38％。表明水稻-豆科轮作模式下净环境经济效益仍有较大的提升空间。　　(5)水稻-豆科轮作与传统轮作方式相比显著改变土壤碳库、氮库、土壤碳氮比、盐基离子浓度、pH与CEC。在不同轮作制度下，绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)与Ignavibacteriae门的相对丰度有显著性差异，稻豆轮作则显著增加了绿弯菌门厌氧绳菌属(Anaerolinea)、黄杆菌属Flavobacterium)与梭菌属(Clostridia)的相对丰度。由此，不同豆科轮作制度对水稻土细菌群落结构的扰动存在差异，并主要通过影响土壤pH、MBC及有效Na浓度来调控细菌群落结构。