水稻(Oryza sativa L.)是我国最重要的粮食作物之一。近年来为了提高水稻产量,氮肥的使用量大幅度增加,导致氮肥利用率低并带来了一系列环境问题。为了降低农业生产对环境的影响,保证国家粮食安全,本研究通过实施不同氮肥水平、基追比处理的水稻大田试验,测试分析了稻田氮素的动态变化,对已有的水稻生长模型RiceGrow的土壤氮素循环模块进行改进,并应用改进前后的RiceGrow和CERES-Rice进行模拟比较;然后基于已建立的最大、最小、临界氮浓度稀释曲线,构建植株氮素吸收与分配模型,模拟植株和器官氮素动态变化;最后基于三个水稻生长模型,设置不同氮肥情景模拟水稻产量,分析不同氮肥情景对水稻产量、收入以及氮肥利用效率的影响,提出合理的氮肥管理方案。研究结果将为水稻生产的氮素管理提供基础。土壤中硝态氮和铵态氮的变化是影响水稻产量的重要因素,通过实施不同施氮水平的田间试验,连续测定表面水及土壤剖面中硝态氮、铵态氮的含量,分析不同施氮水平下氮素的动态变化,对RiceGrow模型的土壤氮素循环模块进行改进,并对改进前后的RiceGrow以及CERES-Rice模型进行比较检验。结果显示,在不同氮肥水平处理下,表面水中铵态氮、硝态氮浓度在施肥后2-3天内量迅速上升达到最高值,一周后与对照组无差异。而土壤剖面中的氮素变化与表面水中的变化相比变化不显著。模型检验结果说明改进后的模型能很好地模拟出不同施氮水平下硝态氮和铵态氮的动态变化趋势,而改进之前的RiceGrow和CERES-Rice没有考虑到按在土壤中的固定作用,对土壤中铵态氮的模拟存在较大的偏差。通过不同年份、施氮水平的水稻田间试验,基于不同器官的氮素供求关系,构建水稻植株和器官氮素吸收与分配模型。首先,通过植株的临界氮浓度和最大氮浓度,计算植株的潜在需氮量和最大需氮量;再根据土壤的供氮量以及植株的最大需氮量确定植株实际的吸氮量;最后计算氮素在各器官之间的分配,在穗分化之前植株吸收的氮在各器官之间进行分配,在穗分化之后,基于植株的吸氮量、各器官的最小氮浓度和穗的需氮量,各器官氮素向穗转运。利用独立的试验数据对模型进行校准与验证。结果表明,对植株和各器官的干物重和氮积累量的模拟值与实测值较为吻合。植株和各器官的干物重与氮累积量模拟值和实测值的拟合斜率为0.82-1.069,相关系数达0.83-0.99,NRMSE为8-29%,平均为18.8%。说明模型能较好的模拟植株和器官氮素的吸收与分配过程。在对模型进行改进与验证的基础上,选取江苏省如皋市单季稻区进行氮肥情景模拟研究,根据水稻稻的需肥特点与生育期长短设定氮肥情景;然后利用三个水稻生长模型(ORYZA2000、RiceGrow、CERES-Rice)模拟不同氮肥情景下的水稻产量变化,同时结合水稻价格、肥料价格以及人工费用等,分析施氮量、基追比、施肥次数对产量、收入以及氮肥利用率的影响,提出合理的施肥方案,以提高肥料利用率、增加农民收入。研究结果表明产量随施氮量的增加而增加,产量的增加量逐渐减小,而且农民收入随施氮量的增加而略降低,氮肥利用率随施氮量的增加也呈明显降低趋势。基追比对产量和氮肥利用率的影响相似,主要表现为适当氮肥后移可以提高产量和氮肥利用率,同时不同施肥次数间施肥次数较高的产量略高。因此,适当降低施氮量,氮肥后移,提高施肥次数能在保证产量的基础上增加农民收益并提高氮肥利用率。