水稻是我国主要的粮食作物。为满足人口增长和经济发展对粮食的需求,进一步提高作物单产已经成为保障我国粮食安全的重要途径。随着产量的增加,需要加大养分资源的投入。持续提高作物产量是否必须完全依赖于养分资源的大量投入?作物增产与资源高效是否能够协同?这一直是国内外关注的热点。本研究于2010-2014年在江苏省水稻生产区对水稻稻田养分管理模式优化及其增产增效进行了试验,分别进行了稻田施氮肥与密度优化管理模式、氮钾配施优化管理模式、氮锌配施优化管理模式的研究,对增产增效情况进行了评估,分析了不同养分管理模式对水稻生长、产量形成及养分利用效率和环境评价的影响,以期为通过养分资源综合管理实现水稻增产增效提供理论和实践依据。主要研究结果如下:1、优化种植密度和适量施用氮肥可协同提高水稻产量和氮肥利用率。(1)氮肥用量对水稻生长发育和氮肥利用率的影响程度显著高于种植密度;(2)随着氮肥用量的增加,水稻叶片SPAD值和土壤铵硝态氮含量均逐渐增加,氮肥利用率(PFPN和AEN)和群体冠层温度逐渐降低,而相关形态参数(生物量、分蘖数、产量和叶面积指数)则呈现出先增加后降低的变化;(3)高密度下水稻生物量高于低密度,但差异随生育进程的延续而逐渐降低;(4)高密度下水稻最佳经济产量为9249 kg.hm-2需氮163 kg.hm-2,低密度下产量 9272 kg.hm-2 需氮 185 kg.hm-2。2、优化氮肥用量和钾肥施用方式可协同实现水稻高产和养分高效,提高经济效益。(1)高施氮量有利于提高水稻的氮素营养而增产,但优化施氮量的氮肥利用效率及经济效益显著高于高施氮量处理;(2)水稻钾肥(K2O)的偏生产力(PFP)、农学效率(AE)、回收利用率(RE)和经济效益均以钾肥(K20) 土壤施用90 kg.hm-2 +叶面喷施9.7kg.hm-2 (KS90+KF9.7)处理最高。3、氮锌配施可实现水稻籽粒锌营养生物强化的目的。(1)水稻地上部锌含量和锌累积量均随供锌水平的提高而提高,各生育期各器官的锌含量变幅为20.1～50.6mg kg-1,锌含量最高的器官为茎鞘且不随生长中心的转移而改变;(2)生育前期(分蘖期和开花期)茎鞘中锌的累积量最高且占全株60%以上,生育后期(成熟期)茎鞘和籽粒中锌的积累量最高且各占40%左右;(3)高氮处理下各器官相关锌参数(锌含量、锌累积量、转移量、籽粒锌的贡献、百公斤籽粒吸锌量和锌收获指数)均高于低氮处理。4、养分优化管理可以实现水稻高产和氮肥高效。(1)优化施肥(226 kg. hm-2N)较习惯施肥(333 kg.hm-2N)在平均减氮32.1%的基础上显著提高水稻产量5.5%,增产原因是由于提高了穗粒数、结实率和千粒重;(2)习惯施肥水稻植株各部位氮浓度、氮累积和百公斤籽粒需氮量均显著高于优化施肥,并增加了营养器官的氮素分配比例;(3)优化施肥的氮肥偏生产力(PFPN)、氮肥农学效率(AEN)、氮肥回收效率(REN)和氮肥生理利用率(PEN)较习惯施肥分别平均增加55.5%、79.1%、18.7%和48.7%;(4)水稻植株氮累积与产量呈显著正相关,且优化施肥单位氮累积的增产效果高于习惯施肥。(5)施用有机肥可以改善土壤环境,调节土壤离子组结构和土壤酶活性,对水稻养分管理措施优化有显著性作用。5、秸秆还田可在降低钾肥用量的同时实现水稻高产、钾肥高效并维持土壤钾平衡。(1)施钾增产的原因是由于提高了水稻穗数,秸秆不还田和半量还田下获得经济产量9333.5 kg.hm-2和9190.6kg.hm-2的最佳施钾量分别为76.4kg.hm-2和61.0kg·hm-2;(2)成熟期水稻各器官的钾浓度和钾累积量均随钾肥用量的增加而增加,秸秆半量还田下各钾肥用量处理后,植株的平均钾浓度和钾累积量均高于秸秆不还田处理;(3)土壤速效钾含量和土壤钾平衡均随钾肥用量的增加而增加,秸秆半量还田处理后土壤速效钾含量和土壤钾平衡平均分别高于秸秆不还田处理4.0%和128.5%。6、氮锌配施可协同实现水稻高产、锌肥高效和提高稻米的锌营养品质。(1)施用锌肥显著提高水稻的产量和锌含量,土壤施锌平均增产效果显著高于叶面喷锌5.2%,而叶面喷锌的叶片、茎秆和籽粒锌含量显著高于土壤施锌224.6%、78.5%和12.1%; (2) 土施氮锌复合肥和钾锌复合肥的增产效果显著高于磷锌复合肥,而叶面喷施Kali-EPSO-Zn提高水稻各器官锌含量的效果显著高于ADOB-IDHA-Zn和ZnSO4·7H2O; (3)可通过叶面高强度的喷锌方式来制备富锌稻种,且应用富锌稻种种植可协同提高水稻产量和籽粒锌含量。