水分和氮素是调控水稻生长发育的两个重要因子,研究不同水氮管理条件下水稻根系形态、氮素吸收利用与物质积累、产量形成及三者的相互关系,对减少水肥投入和农业面源污染,进一步增产增效意义重大。本研究于2015～2016年采用水培与大田试验相结合的方式,以氮高效水稻德香4103(HN1)、F优498(HN2)和氮低效水稻宜香3724(LN1)、川优6203(LN2)为试验材料,研究了 SPAD指导施肥(N1)、优化施肥(N2)、农民习惯施肥(N3)3种施氮模式与常规灌溉(W1)、控制性交替灌溉(W2)2种灌溉方式及不同土壤基础肥力(高、低)对水稻根系性状、地上部生长发育与氮素吸收利用和产量形成的影响及相互关系,明确对产量变化影响最大的根系形态指标及相应水氮优化措施,以期为不同氮效率水稻产量和氮素利用率的协同提高提供理论依据。主要研究结果如下:1.不同氮效率水稻产量差异显著,氮高效品种在每穗粒数、总颖花量方面优势显著,产量更高;而氮低效品种川优6203和宜香3724分别依靠较高的有效穗数和千粒重,缩小了与氮高效品种的产量差距。W1下,氮高效、氮低效品种有效穗数和每穗粒数均显著高于W2,群体总颖花量较W2分别增加10.75%和4.89%;W2下籽粒灌浆充实更佳,千粒重更大。不同施肥模式间,N3处理有效穗数最多,千粒重较大;N1和N2模式下每穗粒数更多,群体库容量更大。灌溉方式与施氮模式间互作效应显著。不施氮处理(N0)在W1下,水稻群体总颖花量优势较大,产量较W2均超过1000 kg hm-2;施氮后,W2的籽粒千粒重显著高于W1,产量差值减小,最大仅为366 kg hm-2。在不同土壤肥力下,氮高效品种采用N1、N2模式产量差异不显著,这与氮低效品种在高土壤肥力田的趋势一致;而在低土壤肥力田,采用N1模式LN1和LN2有效穗数分别较N2减少8.20%和9.83%,产量显著低于N2模式。2.不同氮效率水稻根系形态与氮积累量(NA)、氮素干物质生产效率(NDMPE)及干物重(DW)的关系密切,但其规律性较差,2015年和2016年对应样本的岭回归方程决定系数变化较大(0.0719～0.5449);各生育时期氮素吸收利用(NA、NDMPE、DW)对产量的影响显著,但可能受品种特异性或气象条件的影响,相互关系的规律重演性较差;不同氮效率水稻各生育时期根系形态与产量变化关系密切,且规律重演性较好,抽穗期根系形态特征对产量的解释程度最高,岭回归方程决定系数均超过0.75。分蘖盛期、拔节期、成熟期分别以不定根表面积、细分枝根根长和不定根根长对产量变化解释度最高,且氮高效、氮低效品种与产量变化最密切的指标相同;而在抽穗期,氮高效、氮低效品种分别为粗分枝根长度和细分枝根表面积对产量影响较大,相应标准回归系数分别为0.2625～0.3618和0.2900～0.4317。3.水稻根系构型指标在分蘖盛期、拔节期和成熟期品种间差异较小,在抽穗期则表现为氮高效品种各项根系形态指标均显著优于氮低效品种,且抽穗后根系生理活性优势明显。W2下水稻抽穗后根系生理活性更佳。采用N1、N2模式水稻各生育时期根系构型更优,抽穗后生理活性更强;但二者对水稻根系构型的影响效应因品种氮效率、灌溉方式以及基础土壤肥力的不同而存在一定差异。W1下,氮高效、氮低效品种均以N1下分蘖盛期不定根表面积最大,拔节期细分枝根和成熟期不定根最长;而在W2下,氮高效和氮低效水稻在高土壤肥力下,分别以N2和N1对促进根系各项参数优化更为有利,在低土壤肥力下,则氮高效、氮低效品种均以N2下水稻根系生长与分布更合理。常规灌溉配套SPAD指导施肥(施氮量为120 kg hm-2)和控制性交替灌溉结合优化施氮模式(施氮量为150 kg hm-2)能够使氮高效水稻在抽穗期粗分枝根最长,氮低效水稻细分枝根表面积最大,为本研究最佳水氮管理模式。4.不同氮效率水稻茎蘖消长动态及其成穗率受品种特异性影响较小;氮高效品种各生育时期功能叶Rubisco、SS、SPS酶活性更高,LAI更大,物质生产能力更强。W2和优化氮肥运筹(N1、N2)下,水稻分蘖增长速率适宜,成穗率较高,抽穗期LAI适宜,且抽穗后群体透光率增幅和LAI、剑叶碳代谢酶活性的降幅均明显减小,光合性能较佳。而W1和N3下无效分蘖较多,成穗率低,前期群体生长率(CGR)较高,群体过大,通风透光性能差,生育后期叶面积指数、碳代谢关键酶活性降幅较大,群体光合生产能力较低。当土壤基础肥力较高时,氮高效、氮低效水稻采用N1、N2模式前期茎蘖平稳增长,中后期缓慢下降,成穗率较高,抽穗前LAI和CGR适宜,群体通风透光性能较佳,抽穗后LAI和碳代谢关键酶活性亦维持在较高水平,CGR较高。当土壤基础肥力较低时,氮高效品种在N1、N2处理下的冠层特性及物质生产与高肥力下趋势一致;而氮低效品种在N1下,高峰苗及有效穗数较少,CGR显著低于N2,宜香3724和川优6203抽穗期LAI较N2分别减少17.51%和20.55%,剑叶净光合速率及Rubisco、SS、SPS酶活性较低,物质生产能力较弱,不利于群体库容增大。5.相同水氮处理下,氮高效品种拔节及抽穗期水稻功能叶OsGS1.1、OsGS2、OsNADH-GOGAT2的表达水平更高,氮素吸收利用能力更强,花前总吸氮量和氮肥生理利用率(PE)均显著高于氮低效品种,其中在拔节至抽穗期的吸氮量较氮低效品种平均增加了 13.72%～37.32%。在高土壤肥力下,氮肥回收率(RE)、农学利用率(AE)均表现为氮低效品种更高;在低土壤肥力下则呈相反趋势。与W1相比,W2明显提高了功能叶氮代谢关键酶基因的转录水平,花后剑叶SPAD值降幅减小,花后氮素积累量、RE、AE和PE亦较高。施氮显著提高了水稻各生育时期功能叶SPAD值、氮积累量,并明显上调叶片OsGS1.1、OsGS2、OsNADH-GOGAT2基因的表达量。在不同土壤肥力下,N3模式水稻拔节前吸氮量、功能叶SPAD值均最高,但拔节后功能叶氮代谢关键酶基因表达量均为最低,SPAD值大幅下降,RE、AE、PE偏低。高土壤肥力下,N1和N2模式下氮高效、氮低效水稻叶片OsGS1.1、OsGS2、OsNADH-GOGAT2的表达增量均较高,各时期功能叶SPAD值亦稳定在较高水平,有效延缓了抽穗后叶片.的衰老,在保证拔节期适宜吸氮量的前提下,亦促进了拔节后稻株对氮素的吸收利用。低土壤基础肥力下,N1模式下氮低效水稻各生育时期功能叶SPAD值以及OsGS1.1、OsGS2、OsNADH-GOGAT2基因表达水平均明显低于N2处理,但在AE、PE方面,二者差异不大,该模式下LN1和LN2的氮肥回收率反而较N2分别提高了 13.66%和12.06%。