增加单位面积的粮食产量,合理施肥提高肥料利用率,是保证粮食安全和农业可持续发展的关键。稻作系统特别是水旱轮作,在农业生产中占有重要地位,其实施应用是提高单位面积产量的有效手段。本研究在水旱轮作条件下,通过对水、旱两季作物施入的氮肥进行同位素标记,结合水稻形态建成、结构变化、物质积累、氮素利用、酶活差异、基因表达、产量形成等生理生化变化,研究了杂交籼稻氮素吸收利用和产量的形成规律,稻季氮肥优化管理提高水稻产量和氮素利用的形态生理机制,以及前茬残留氮素的延续效应,以期为水稻的高产高效生产以及水旱轮作条件下氮素的周年高效利用提供理论依据和参考。主要研究结果如下:1.优化施氮增产增效效果:与传统施氮方式相比,优化施氮处理在常规施氮量（180kg/hm²）和低氮（90kg/hm²）条件下,分别增产9.45%-12.41%和6.28%。氮素收获指数、偏生产力、农学利用率和当季回收利用率在优化施氮条件下均有所提高,其中氮素的当季回收利用率是衡量氮素利用的重要指标,与传统施氮方式相比,2014年和2015年优化施氮的氮肥当季利用率分别提高了71.7%和110.2%,差异达极显著水平。2.优化施氮增产机制:抽穗后的物质生产是杂交籼稻F优498籽粒灌浆的主要物质来源,其产量贡献率高达64%以上。优化施氮条件下,前期减少了无效分蘖的发生,促进了优势叶位分蘖的生长,为后期的物质生产打下了良好的基础;后期叶面积和上三叶净光合速率均有较大提升,且叶片衰老得到一定程度的延缓,从而提高了物质生产能力。在优化施氮条件下,穗颈节直径增加了12.2%,大、小维管束数量分别增加了19.1%和10.1%,促进了物质向籽粒的运转。充足的物质供应促进了大穗的生成,与传统施氮方式相比,优化施氮条件下,穗长增加了5.36%,二次枝梗数增加了20.5%,差异达显著水平,颖花数和实粒数也都随之增加;与枝梗生长相关基因MOC1在二次枝梗和颖花分化期（T3）以及LAX1在第一苞分化期（T1）和一次枝梗分化期（T2）,其表达量均显著高于传统施氮处理;而与穗型大小相关的基因SP1,以及与穗粒数多少相关的基因GS1;1,其表达量在幼穗分化两个关键时期中均表现为优化施氮处理显著高于传统施氮处理,从而使得在优化条件下穗型更大,枝梗和颖花数更多,使最终每穗粒数提高了7.3%-19.6%,成为优化施氮增产的主要原因。3.优化施氮增效机制:通过¹⁵N同位素示踪试验结果表明,基蘖肥的回收利用率均较低,仅有22%左右,植株所吸收的氮素更多来自于环境,优化施氮条件下基蘖肥投入较少,促进了水稻植株对土壤氮素的吸收,在其营养生长期环境供氮量所占比例高达79.12%,即满足了植株前期生长需求,又显著减降低了氮素损失量。拔节至抽穗期是植株吸氮高峰期,拔节期和拔节后15-20d所施追肥的回收利用率分别高达61.2%和73.2%,是优化施氮提高氮肥利用率的关键时期;根部AMT1;1基因对氮素的吸收起着关键作用,优化施氮条件下,幼穗分化期追肥,提高了拔节期和拔节后15-20d AMT1;1在根部的表达量,促进了穗分化期植株对氮素的吸收,植株氮素水平的提高,使叶片中氮素活化和转运相关的关键酶（GS和GOGAT）的活性和基因表达量在拔节后15-20 d均显著高于传统施氮方式。抽穗以后植株的吸氮量相对较少,仅占总吸氮量的17%左右,氮素的转运是抽穗后植株主要的氮素行为。抽穗以后传统施氮方式下,叶片衰老速度高于优化施氮方式,因此相关酶活（GS,GOGAT）和基因表达量（GS2,NADH-GOGAT1,Fd-GOGAT1）较高,而GS1;1与穗粒数等产量因子密切相关,优化施氮条件下更有利于大穗的形成,获得高产,GS1;1在抽穗后优化施氮方式下表达更高;抽穗后15 d,进入灌浆中期,GS和GOGAT酶活在优化施氮条件下所有提高,结合叶片衰老进程可知,优化施氮条件下,氮素的转运较为滞后,主要发生在灌浆后期,但氮素总转运量仍显著高于传统施肥。4.环境补偿效应及生产指导:土壤供氮能力随植株生育进程的推进逐渐降低,一季水稻种植收获之后,土壤全氮含量降低,植株氮素积累量越高,土壤全氮含量降低越多,表现出了明显的环境补偿效应。水旱轮作条件下,前茬作物不同,残留的氮素也有所差异,蒜-稻模式前茬残留氮素是麦-稻模式的1.6倍,从而为水稻生产提供更多的氮素营养,使稻季在相同施氮量情况下,蒜-稻模式的水稻产量增加了10.29%-25.52%,总吸氮量平均增加了11.7%,其中旱季残留¹⁵N吸收量占水稻植株总氮吸收量的比例高达24.0%-38.9%,麦-稻模式下所占比例仅为8.3%-10.7%,从而提高了蒜-稻模式下稻季的氮肥利用率。因此,在水旱轮作条件下,应充分考虑前茬的残留氮素,适量减少稻季前期氮肥投入,合理利用环境补偿效应,实现高产高效与土壤肥力维持的统一。在成都平原麦-稻模式下,稻季基蘖肥用量可减少至90kg/hm²,而在蒜-稻模式下,基蘖肥用量可在此基础上进一步降低。