水稻是我国最主要的口粮作物,在粮食需求不断增加、全球变暖、资源短缺、环境污染等问题的多重挑战下,水稻单产的持续增长是确保国家粮食安全的根本出路。中国是世界上碳排放总量最高的国家,稻田是温室气体甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的重要排放源,通过技术创新,创建高产低碳稻作新技术,符合国家“确保口粮绝对安全”的战略需求,以及“资源高效与环境友好型”的农业发展战略转型方向,对我国保障粮食安全和应对气候变化具有重要意义。近年来由于农业劳动力成本快速上升,人工插秧条件下水稻种植趋于稀植化;另外,由于机具设计及农机农艺衔接问题,机插秧的密度也偏低。稀植条件下,为了促进水稻分蘖,我国稻田前期过量施氮十分普遍。然而,最近相关研究表明,在低密度下前期施用大量氮肥,不仅存在后期倒伏早衰的减产风险,而且前期肥料利用率低,导致非常严重的环境污染和稻田温室气体排放增加等问题。因此,在前人的研究基础上,通过总结归纳,我们提出了增加密度、减少基蘖肥、保证穗肥的“增密减氮”稻作模式。东北是我国最重要的稻作区之一,2013年东北三省水稻种植面积和总产量分别占全国的15.0%和16.2%。目前东北地区水稻稀植高氮栽培较为普遍,由此导致一定的减产风险和日益严重的环境问题。为此,本研究在位于东北单季稻区的辽宁省沈阳市,于2012和2013年进行不同品种的增密减氮模式试验,以常规高产模式(CK)为对照,设置4个不同增密减氮幅度的稻作模式(DR),以全面比较分析增密减氮措施对水稻产量、氮肥效率和稻田温室气体排放的影响,探寻水稻高产、氮肥高效与环境友好的增密减氮稻作优化模式。同时在2013年设置种植密度和基蘖肥施氮量的两因素试验,以进一步探讨增密减氮模式的效用机制,拟为我国东北水稻高产、资源高效和环境友好的稻作新模式创建提供理论与技术支撑。主要研究结果如下:1、适度增密减氮可获得与CK相当甚至更高的水稻单产。在基本苗提高和基蘖肥施氮量减少各30%左右(DR1和DR2)下,水稻产量可达CK的97.2%~107.4%。与CK相比,DR1和DR2虽然会小幅降低穗数,但提高了结实率和千粒重,且穗粒数差异不显著,因此可保持产量稳定甚至提高。但是,增密减氮幅度过高,将显著降低穗数,导致减产。密度与施肥的两因素试验发现,增密可以部分弥补减氮所引起的穗数减少,但不影响穗粒数、千粒重和结实率,所以稳产;而在常规氮处理下,增密虽然可增加穗数,但会降低穗粒数和结实率,因此不增加单产。2、适度增密减氮可以提高水稻群体质量,提高物质生产效率。与CK相比,DR1和DR2可获得较高的叶面积指数和地上部生物量,并提高了成穗率和粒叶比,且不影响叶片SPAD值,改善了群体质量,提高了收获指数。与常规密度相比,增密可提高减氮处理的群体茎蘖数、叶面积指数和地上部生物量,保证了群体的大小。与常规氮处理相比,减氮可降低各密度处理的高峰苗数,并提高群体成穗率和粒叶比,使得群体结构更加优化。3、适度增密减氮可以提高氮肥利用效率。与CK相比,DR1和DR2提高了产量,同时大幅度降低了氮肥用量,因此显著提高水稻氮肥农学效率和氮肥偏生产力,实现了水稻高产与资源高效的协调。与CK相比,增密减氮模式还显著提高水稻氮素回收效率,并降低土壤NH4-N和NO3-N浓度,减少了氮素的流失;同时也提高了植株氮素收获指数、氮素干物质生产效率和籽粒生产效率。由于减少了前期氮肥用量,增密减氮模式显著降低了分蘖期植株氮含量和氮积累量。相同的穗肥施入后,增密减氮模式植株氮含量和氮积累量仍然小于CK,但下降幅度较分蘖期明显缩小。增密减氮模式对穗和叶的氮含量和氮积累量的影响小于茎。与常规密度相比,增密在减氮处理下可以增产,并促进植株对氮素的吸收,因此可提高氮肥利用效率。与常规氮处理相比,减少基蘖肥施氮量,间接增加了穗肥比重,也利于氮肥利用效率的提高。4、增密减氮模式不影响水稻生长季稻田CH4和N2O排放动态。与CK相比,增密减氮模式趋于降低稻田CH4排放,且显著降低稻田N2O排放。密度与氮肥两因子试验发现,密度对稻田CH4和N2O排放的影响不显著。但是,与常规氮处理相比,减氮趋于降低稻田CH4排放,且显著降低稻田N2O排放。CH4是稻田温室效应的主要贡献者,占稻田温室气体排放总量(GWP)的92.7%~98.8%,因此,增密减氮模式导致稻田GWP的下降。增密和减氮对GWP的影响和CH4类似。与CK相比,DR1和DR2单位产量GWP下降7.0%~17.0%;而增密减氮幅度过高,由于产量下降,会导致单位产量GWP的上升。与常规密度相比,增密对单位产量GWP无显著影响。与常规氮处理相比,减氮导致单位产量GWP的显著下降。5、密度和氮肥主要通过调控水稻地下过程来影响温室气体排放。与常规密度相比,增密趋于提高水稻根系生物量,但对根际土壤可溶性碳、铵态氮和硝态氮浓度的影响不显著,同时也不影响根际土壤CH4产生潜力和氧化潜力。与常规氮处理相比,减氮显著降低各时期根系生物量和土壤可溶性碳浓度,并显著降低抽穗前的土壤铵态氮和硝态氮浓度,但不影响抽穗后的土壤铵态氮和硝态氮浓度。减氮只显著降低CH4排放高峰时期的土壤CH4产生潜力,而不显著影响其他时期的土壤CH4产生潜力和各时期的土壤CH4氧化潜力,所以减氮导致CH4排放的下降。综合来看,增密对稻田CH4排放的影响很小,减氮是增密减氮模式降低CH4排放的主要原因。与常规氮处理相比,减氮会导致根际土壤NH4-N和NO3-N浓度的下降,进而减少硝化和反硝化细菌的氮素供应,因此增密减氮模式显著降低N2O排放。6、增密减氮稻作利于水稻丰产和稻田减排。稻田CH4排放占水稻生长季碳足迹的56.1%~91.6%,是东北单季稻区水稻碳足迹的第一大来源,氮肥投入和灌溉用电所导致的间接碳排放也是水稻碳足迹的重要来源。因此,降低稻田生产碳排放要以降低稻田CH4排放为主,同时减少氮肥使用,并采用节水灌溉。与CK相比,增密减氮模式降低水稻碳足迹,其主要原因是减氮降低了稻田温室气体排放和化肥氮施用导致的间接碳排放,而增密对碳足迹无显著影响。所有模式中,DR1和DR2的碳排放强度最低,比CK分别下降8.5%和12.4%。综上所述,在东北目前的高产栽培水平下,基本苗提高和基蘖肥施氮量减少各30%左右,可实现水稻高产、氮肥高效和温室气体减排的兼顾。