水稻是全球一半以上人口的主粮作物,为全球粮食安全做出了重大贡献。气候变化和人口增长给水稻生产带来了巨大挑战。中国稻区辽阔,区域间土壤肥力的差异对水稻产量产生了巨大影响。单季稻高产栽培模式的研究和应用,在一定程度上提高了水稻单产和总产,但有关双季稻周年高产的配套栽培模式研究较少。为了阐明栽培模式和土壤肥力对超高产双季稻的产量形成、干物质积累、光能利用和氮素吸收利用的影响,选取高产杂交稻品种两优287(早稻)和天优华占(晚稻)为试验材料,于2012-2014年在武穴试验点进行大田试验。2012-2013年的研究在高肥力田块进行,2014年的研究在高、中、低肥力田块进行;三年的试验均采用随机区组试验设计,根据氮肥运筹和栽插密度的不同设置零氮(NO)、农民习惯(FP)和超高产(SH)三种处理模式。通过比较本试验高肥力田块SH数据和IRRI(International Rice Research Institute,菲律宾国际水稻研究所)2008-2010年雨季和旱季SH的数据,分析了温度和太阳辐射对双季稻产量形成的影响及其生理机制。试验结果如下:1)栽培模式对双季稻产量的影响超高产模式下双季稻连续3年的周年产量达到18.85-20.19 t ha-1,接近双季稻超高产试验的产量潜力,其平均单季产量较农民习惯模式提高9.8-16.0%。超高产模式下水稻高产主要得益于较高的单位面积有效穗数、单位面积颖花数(库容量)、成熟期地上部总干物质积累量和本田生育期内的作物生长速率,但与生育期、收获指数和其他产量构成因子无关。超高产模式中双季稻生育前期的分蘖速率和分蘖数显著高于农民习惯模式,有效地提高了超高产模式下双季稻成熟期单位面积的有效穗数和库容量。超高产模式下双季稻花前和花后叶面积指数、作物生长速率和光能转化效率(干物质积累量与总拦截辐射量的比值)均高于农民习惯模式,有效地提高了双季稻花前和花后的的干物质积累量。与农民习惯模式相比,超高产模式下早稻的花前和花后干物质分别提高15.2-30.6%和12.1-48.8%,晚稻花前和花后干物质则分别提高30.5-41.7%和5.6-17.5%,差异均达显著水平。超高产模式中水稻花期叶面积指数适宜,冠层消光系数较低,花后叶片SPAD值和群体叶面积指数较高且衰减缓慢,这些特性是导致超高产模式下水稻高光能利用和干物质积累的重要因素。双季稻超高产群体具有较强的氮素积累和转运能力,其主要优势在于较高的花前氮素积累量和花前氮素转运量,而花后氮素积累量、花前氮转运效率和花前氮转运量对籽粒氮的贡献率没有表现出较大的优势。在高氮肥和高种植密度的环境下,双季稻超高产群体具有较高的氮肥农学利用率,其氮肥回收利用率、氮素生理利用率、氮素干物质生产效率相比农民习惯模式有所降低,但未达显著水平。这表明超高产群体单位施氮量增加的水稻产量较高,且具有较高的氮素积累和利用能力。2)亚热带与热带地区双季稻高产所需的温光条件本研究中,热带和亚热带地区各生长季的水稻产量均接近或达到当季的产量潜力水平。与热带地区IRRI试验点相比,亚热带地区武穴试验点的双季稻产量高出9-66%,主要是因为武穴试验点双季稻具有较高的干物质和颖花生产能力,而生育期和收获指数均不能用来解释两个生态环境间双季稻产量的差异。亚热带地区武穴试验点双季稻具有较高的单位面积颖花数是因为其单位面积有效穗数提高了13%,较高的干物质积累能力主要是因为其总入射光能转化效率(干物质积累量与总入射辐射量的比值)提高了48%。与热带地区IRRI试验点旱、雨季相比,亚热带地区武穴试验点双季稻在本田生育期内的平均日最低温和平均日最高温分别降低3.4和1.9oC,而平均日光照辐射和总辐射积累量均没有显著差异。水稻的产量和总入射光能转化效率均与日最低温和日最高温存在显著的负相关关系,而与日光照辐射无相关关系。当水稻本田生育期内日最低温和日最高温分别超过22.0和29.5oC时,双季稻产量呈现下降趋势。光照辐射不是造成热带与亚热带地区间双季稻产量和光照辐射利用效率差异的原因;热带地区具有较高的日最低温和日最高温,这显著地降低了水稻群体光照辐射利用效率和干物质积累量,是热带环境条件下双季稻产量较低的主要原因。3)土壤肥力对双季稻高产的影响随着土壤肥力的降低,双季稻产量显著降低。超高产模式中的双季稻产量表现受到土壤肥力的影响,高土壤肥力是实现双季稻超高产的重要条件,而双季稻超高产模式可以有效地提高中、低土壤肥力的水稻产量。在不同的土壤肥力条件下,超高产模式的产量显著高于农民习惯模式,但两模式间的产量差异对土壤肥力的响应不显著。土壤肥力和栽培模式均通过影响干物质生产能力和库容量大小来影响水稻产量的形成。收获指数、每穗颖花数、结实率和粒重不能解释不同土壤肥力田块或不同模式间的产量差异。超高产模式与农民习惯模式间双季稻单位面积茎蘖数、叶面积指数、光能转化效率、干物质积累量及积累速率的差异均随着土壤肥力的提高而提高。土壤肥力和栽培模式主要影响双季稻的氮素积累能力。土壤肥力对双季稻氮转运和利用无显著影响,双季稻超高产模式在水稻氮素转运和利用方面也未表现出优势,不同栽培模式间双季稻氮素的转运和利用对土壤肥力的响应无一致规律。高土壤肥力和优化的氮肥管理模式是实现双季稻超高产的必需条件。4)结论栽培模式、温光条件和土壤肥力均通过改变地上部干物质积累能力和单位面积颖花生产能力对双季稻产量产生显著的影响。光照辐射转化效率和单位面积有效穗数分别是决定地上部干物质积累量和单位面积颖花数的重要生理因素。高的大气温度降低了双季稻的光照辐射转化效率和物质生产能力,不利于高产。高的土壤肥力提高了光照辐射转化效率和物质生产能力,有利于高产。采用合理的栽培模式可以在不同土壤肥力条件下显著地提高产量。优化的栽培模式、低的大气温度和高的土壤肥力是实现双季稻超高产的重要条件。未来双季稻超高产研究可以更多地针对优化双季稻栽培模式、温度升高对双季稻产量形成的影响以及栽培模式与土壤肥力的互作对双季稻产量形成的影响,进而为双季稻高产高效生产提供理论依据。