水分和CO2 對玉米光合性能及水分利用率的影響

鄭云普，劉媛媛，殷嘉偉，常志杰，王彥睿，劉亮，田銀帥，陳文娜，王利書，郝立華※

（1. 河北工程大學 水利水電學院，邯鄲 056038；2. 河北工程大學 園林與生態(tài)工程學院，邯鄲 056038）

0 引言

當前的大氣CO2濃度正在以每年1.8 μmol/mol 的速度急劇增長，到21 世紀末期大氣CO2濃度將達到800 μmol/mol[1]。水分是植物體的重要組成部分，更是植物進行生理代謝活動的重要底物，水分供應同植物的生長發(fā)育狀況以及糧食產(chǎn)量均密切相關(guān)[2-4]。然而，作為中國重要糧食產(chǎn)區(qū)的華北平原存在嚴峻的水資源緊缺問題[5-7]，從而限制了華北平原區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展[8]。干旱脅迫通常導致農(nóng)作物氣孔導度（Gs）降低，而Gs變化主要由氣孔密度、氣孔開度以及氣孔分布格局對土壤水分狀況的響應而決定[9-10]。土壤水分虧缺條件下凈光合速率的降低還與光合碳同化關(guān)鍵酶Rubisco的含量及活性、葉綠素含量以及葉片氮含量的變化緊密聯(lián)系[11-13]，最終導致糧食產(chǎn)量的大幅度降低[10]。CO2分子作為植物光合碳同化過程的重要反應底物，當前大氣的CO2濃度仍未達到C3植物碳同化的飽和點，大多數(shù)C3植物將從未來升高的CO2濃度環(huán)境中受益[12]。另外，大氣CO2濃度升高不僅能夠緩解農(nóng)作物遭受的水分脅迫，甚至還可能抵消干旱對農(nóng)作物生理生態(tài)過程以及糧食產(chǎn)量造成的負面效應[13-14]。

玉米（Zea mayL.）為全球分布最廣泛的C4作物之一，同時也是中國華北平原區(qū)重要的糧食作物。以往大量的研究結(jié)果已經(jīng)證實，大氣CO2濃度升高對C3植物的凈光合速率、植株生長和糧食產(chǎn)量均具有明顯的刺激效應[13,15]。然而，由于C4植物葉片內(nèi)部獨特的“花環(huán)”結(jié)構(gòu)導致葉肉細胞中的CO2濃度高于大氣約十幾倍，理論上認為C4植物對大氣CO2濃度升高的響應并不敏感[16]。盡管如此，一些相關(guān)研究的結(jié)果卻表明大氣CO2濃度升高也可以顯著提高C4作物的凈光合速率、生長發(fā)育速度及糧食產(chǎn)量[17-20]。例如，王秋蘭等[17]利用開頂式氣候箱探討CO2濃度升高對玉米光合性能及糧食產(chǎn)量的研究表明，將大氣CO2濃度分別提高至450 和550 μmol/mol 后，葉片凈光合速率分別增加21%與30%，同時籽粒產(chǎn)量顯著提高10%和12%。盡管未來大氣CO2濃度升高和水分虧缺勢必協(xié)同改變玉米的光合性能、蒸騰速率以及水分利用效率，并進一步影響玉米的籽粒產(chǎn)量[19]，但以往的大部分研究主要集中于CO2濃度升高[12]或水分虧缺[8]等單一環(huán)境因素對農(nóng)作物生理、生長及產(chǎn)量的影響[13-14,16]。

鑒于此，本研究利用可精準控制CO2濃度的大型環(huán)境生長箱探究不同土壤水分條件下大氣CO2濃度升高對玉米氣孔形態(tài)特征、光合性能、葉綠素熒光參數(shù)、碳水化合物含量以及生物量的影響機理，以期從氣孔形態(tài)特征、葉片生理生化、植株生長發(fā)育等多層次、多角度揭示大氣CO2濃度和土壤水分虧缺協(xié)同改變玉米氣體交換過程的潛在機制，為全球氣候變化背景下農(nóng)作物綠色高效提質(zhì)增產(chǎn)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

選用華北平原區(qū)普遍栽種的玉米品種‘鄭單958’（ZeamayL.cv.Zhengdan 958）為供試材料，利用8 臺大型環(huán)境生長箱（長 × 高 × 寬：1.80 m × 1.83 m × 0.68 m）進行盆栽試驗（容器的頂部面積531 cm2，底部面積380 cm2，高度27 cm）。栽培基質(zhì)采用黃壤土混合有機營養(yǎng)土配制（體積比3∶1），基礎(chǔ)肥力為有機質(zhì) 5.30 g/kg、全氮 0.88 g/kg、全磷0.59 g/kg、有效磷 22 mg/kg、速效鉀 60 mg/kg，土壤陽離子代換量為 172.5 mmol/kg。栽培基質(zhì)的田間持水量（field capacity，F(xiàn)C）為23%，土壤容重為1.10 g/m，土壤pH 值為7.76。

本研究采用裂區(qū)試驗設(shè)計，將CO2濃度作為主裂區(qū)，并分別設(shè)置2個CO2濃度水平（即4 臺環(huán)境生長箱內(nèi)的CO2濃度為400 μmol/mol，另外4 臺環(huán)境生長箱內(nèi)的CO2濃度為800 μmol/mol）。本研究中所設(shè)置的兩個不同CO2濃度水平分別代表了目前大氣的CO2濃度400 μmol/mol 和21世紀末期的大氣CO2濃度800 μmol/mol[1]。另外，將土壤水分作為副裂區(qū)，設(shè)置4個水分梯度即充分灌溉（‘FI’，75%～85% FC）、輕度虧水（‘MI’，65%～75%FC）、中度虧水（‘MO’，55%～65% FC）和重度虧水（‘SE’，45%～55% FC）。因此，本裂區(qū)試驗設(shè)計總共得到8 種不同的CO2濃度和水分處理，且每個環(huán)境生長箱內(nèi)均放置4 盆玉米植株（每盆保留1 株）作為生物學重復（n=4）。在整個試驗進程中，環(huán)境生長箱內(nèi)的光合有效輻射為1 000 μmol/(m2·s)、溫度 為26/20 ℃（晝/夜）、光照周期為 07:00—19:00（晝）/19:00—07:00（夜）以及相對濕度為60%～65%。本研究在玉米出苗后30 d 內(nèi)進行不同CO2濃度和水分處理，且每隔5 d 對盆栽容器的總質(zhì)量進行準確稱量，當盆栽容器中的土壤水分含量降低到相應處理的含水量下限時即灌水至其上限。待玉米生長90 d 后進行氣孔特征、氣體交換參數(shù)、生化指標以及生物量等各項指標的測量。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 氣孔取樣及測量

將透明指甲油分別涂于完全展開的自上而下第3個成熟葉片的遠軸面和近軸面中間區(qū)域，待指甲油自然風干后（約30 min），將采集的氣孔印跡樣品置于載玻片上進行封片。將上述制備的載玻片置于顯微鏡（Leica DM2500）進行氣孔的觀察與拍照。最后，測量玉米的氣孔密度、氣孔長度、氣孔寬度、氣孔面積、氣孔周長以及氣孔形狀指數(shù)[21]。利用ArcGIS 10.0 將上述氣孔顯微照片進行數(shù)字化處理，得到單個氣孔的空間坐標值。采用地學統(tǒng)計的方法（Ripley’s K 方程）解析氣孔的空間分布格局。

1.2.2 葉片氣體交換參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)的測定

利用便攜式光合測定系統(tǒng)（Li-6800,LI-COR Biosciences,Lincoln,NE,USA）配備的熒光葉室（6800-01A）同步測量玉米葉片中部位置的氣體交換參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)；其中，葉片氣體交換參數(shù)包括凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和暗呼吸速率（Rd），而葉綠素熒光參數(shù)具體包括PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量（Fv/Fm）、實際光化學效率（ΦPSⅡ）、光合電子傳遞速率（ETR）、光化學淬滅系數(shù)（qP）和非光化學淬滅系數(shù)（qN）。在氣體交換參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)的測定過程中，葉室內(nèi)光合有效輻射和溫度分別設(shè)定為1 800 μmol/m2·s 和26 ℃，而葉室內(nèi)的CO2濃度則分別設(shè)定為與每個環(huán)境生長箱內(nèi)相對應的CO2濃度。待上述氣體交換參數(shù)測定結(jié)束后，關(guān)閉LI-6 800 葉室內(nèi)的光源后進行葉片暗呼吸速率(Rd)的測定，葉室內(nèi)的溫度(26 ℃)和CO2濃度（400 或800 μmol/mol）均與測定Pn時保持一致。此外，玉米葉片的瞬時水分利用效率（WUEI）為Pn與Tr的比值。

1.2.3 玉米植株碳氮元素、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物及光合色素含量的測定

將玉米植株的不同營養(yǎng)器官（根、莖和葉）高溫烘干并研磨成粉末，利用激光元素分析儀（J200）測定玉米不同部位的碳（C）和氮（N）含量。另外，根據(jù)WONG等[22-23]的方法提取玉米植株不同器官的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（可溶性糖和淀粉），利用紫外分光光度計測定可溶性糖和淀粉含量。此外，采集新鮮玉米葉片放入裝有二甲基亞砜（DMSO）溶液的離心管中（10 mL），進行避光浸提48 h 后將含有光合色素的浸提液混合均勻，利用紫外-可見光分光光度計測定吸光度值，計算葉綠素和類胡蘿卜素含量[24]。

1.2.4 植株含水量及生物量的測定

首先，將玉米植株的地上和地下器官分離，利用電子天平稱量玉米不同器官（根、莖和葉）鮮質(zhì)量后置于105 ℃的烘箱高溫殺青2 h 后，將溫度改為85 ℃繼續(xù)烘烤48 h 至恒定質(zhì)量，利用電子天平再次稱量已烘干的器官干質(zhì)量，根據(jù)鮮質(zhì)量含水量=（鮮質(zhì)量-干質(zhì)量）/鮮質(zhì)量計算植株的鮮質(zhì)量含水量。然后，將玉米植株的地上部分（莖和葉）和地下部分（根系）干質(zhì)量相加得到植株的總生物量，同時計算地下與地上器官干質(zhì)量的比值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

本研究采用單因素方差分析探討不同CO2濃度或水分虧缺水平對玉米植株生長、氣孔特征、氣體交換參數(shù)、葉綠素熒光參數(shù)以及生理生化特性的影響；同時，利用裂區(qū)設(shè)計方差分析探究CO2濃度和水分虧缺對玉米生長、生理及生化指標產(chǎn)生的交互效應。然后，利用多重比較（S-N-K）深入分析不同處理組之間的顯著性差異（P＜0.05）。利用SPSS 進行統(tǒng)計分析，采用Sigmaplot 10.0和Excel 2020 進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 CO2 濃度升高和水分虧缺對玉米生物量及植株含水量的影響

輕度、中度和重度水分虧缺導致當前環(huán)境CO2濃度（400 μmol/mol）條件下玉米的地上生物量分別比充分灌溉顯著下降24.8%（P＜0.05）、25.1%（P＜0.05）和27.2%（P＜0.05）（表1），但CO2濃度升高卻增加輕度水分虧缺下玉米的地上生物量52.2%（P＜0.01）。相似地，盡管升高CO2濃度顯著提高輕度虧水條件下玉米的總生物量46.4%（P＜0.01），而不同程度水分虧缺（輕度、中度和重度）卻導致環(huán)境CO2濃度下玉米的總生物量 降低 22.4%（P＜0.05）、23.8%（P＜0.05）和25.5%（P＜0.05）。

表1 CO2 濃度升高和水分虧缺對玉米生物量與含水量的影響Table 1 Effects of elevated CO2 concentration and water deficiency on plant biomass and water content of maize plants

CO2濃度升高改變了玉米的地上生物量（P＜0.05）和總生物量（P＜0.05），但水分僅對玉米的地上生物量造成顯著地影響（P＜0.05）。另外，在環(huán)境CO2濃度條件下，玉米根系含水量隨水分虧缺程度的加劇而整體呈現(xiàn)明顯降低的趨勢。同時，雙因素方差分析的結(jié)果還證實CO2濃度升高和水分并未對玉米根系含水量產(chǎn)生顯著交互效應。相似地，CO2濃度升高對玉米的莖和葉含水量均沒有產(chǎn)生顯著影響（P＞0.05）。

2.2 CO2 濃度升高和水分虧缺對玉米氣體交換參數(shù)的影響

CO2濃度升高導致輕度和中度水分虧缺條件下玉米的凈光合速率（Pn）分別提高15.8%（P＜0.05）和25.7%（P=0.001），表明CO2濃度升高對輕度和中度水分虧缺處理的玉米植株均產(chǎn)生一定的施肥效應。同時，CO2濃度升高和水分虧缺顯著改變玉米葉片Pn（P＜0.01和P＜0.001），甚至兩者還對Pn產(chǎn)生顯著的交互影響（P＜0.01）。然而，不同程度土壤水分虧缺和CO2濃度升高均導致玉米葉片蒸騰速率（Tr）和氣孔導度（Gs）呈現(xiàn)下降的變化趨勢（P＜0.001）。CO2濃度升高使充分灌溉、輕度虧水、中度虧水和重度虧水條件下的Tr分別降低44.5%（P＜0.001）、55.2%（P＜0.001）、44.9%（P＜0.001）和53.9%（P＜0.001）。相似地，與環(huán)境CO2濃度相比，CO2濃度升高導致不同水分處理下的Gs分別下降41.7%（P＜0.001）、55.6%（P＜0.001）、40.0%（P＜0.001）、58.3%（P＜0.001）。玉米的暗呼吸速率（Rd）隨著土壤水分虧缺程度的加?。≒＜0.001）和大氣CO2濃度的升高（P＜0.001）均呈現(xiàn)下降的變化趨勢，且充分灌溉、輕度虧水和中度虧水的玉米葉片Rd在高CO2濃度處理下分別顯著降低31.0%（P＜0.01）、49.0%（P＜0.01）和35.7%（P＜0.05）。然而，不同水分處理的玉米葉片瞬時水分利用效率（WUEI）在CO2濃度升高的條件下分別提高97.2%（P＜0.001）、154.3%（P＜0.001）、125.8%（P＜0.001）和82.5%（P＜0.001）。同時，雙因素方差分析表明CO2升高顯著改變了玉米葉片WUEI（P＜0.001），但水分處理并未對WUEI產(chǎn)生影響（P＞0.05）。

2.3 CO2 濃度升高和水分虧缺對玉米葉片色素含量及葉綠素熒光參數(shù)的影響

水分虧缺顯著改變了玉米葉片的葉綠素含量（P＜0.01），尤其是高CO2濃度條件下不同水分虧缺處理（輕度、中度和重度虧缺）玉米葉綠素含量相對充分灌溉分別顯著降低34.8%（P＜0.01）、30.8%（P＜0.05）和26.6%（P＜0.05）（表2）。另外，CO2濃度升高還導致輕度水分虧缺處理的玉米葉片葉綠素含量相比充分灌溉降低37.8%（P＜0.01）。此外，CO2濃度和水分還對玉米葉片的葉綠素含量產(chǎn)生顯著的交互效應（P＜0.01）。然而，CO2濃度升高和水分虧缺均沒有顯著改變玉米葉片的類胡蘿卜素含量（P＞0.05）。

表2 CO2 濃度和水分對玉米生理熒光參數(shù)的影響Table 2 Effects of CO2 concentration and watering on the physiological parameters of maize plants

當前CO2濃度下，玉米葉片PSⅡ最大光化學量子產(chǎn)量（Fv/Fm）隨著水分虧缺程度的加深而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，且重度虧水條件下Fv/Fm相比充分灌溉顯著降低約19%（P＜0.05）。盡管CO2濃度×水分對ΦPSⅡ和ETR均存在顯著的交互影響（P＜0.05和P=0.001），但大氣CO2濃度升高和水分虧缺處理下玉米的ΦPSⅡ和ETR 整體上沒有呈現(xiàn)出較為明顯的變化（P＞0.05）。盡管CO2濃度升高導致輕度水分虧缺的qP 增加約27%（P＜0.01），但CO2升高對qP 的影響卻并不顯著（P＞0.05），表明CO2濃度×水分對qP 的變化存在一定的協(xié)同效應（P＜0.01）。然而，在當前CO2濃度條件下，輕度、中度和重度水分虧缺處理的非光化學淬滅系數(shù)（qN）相比充分灌溉分別降低13.6%（P＜0.001）、22.0%（P＜0.05）和25.4%（P＜0.05），而CO2濃度升高導致充分灌溉處理下的qN 顯著下降23.7%（P＜0.05）。

2.4 CO2 濃度升高和水分虧缺對玉米碳氮元素及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的影響

玉米植株的碳元素含量（C）在不同器官（根、莖和葉）之間呈現(xiàn)極顯著性差異（P＜0.001），而CO2濃度和水分均沒有對玉米植株的C 含量造成顯著影響（P＞0.05）。相似地，氮元素含量（N）在玉米根部、莖桿和葉片之間也存在顯著差異（P＜0.05），且CO2升高可以顯著改變植株的N 含量（P＜0.001）（表3）。然而，水分×器官卻顯著改變了玉米的N 含量（P＜0.05），表明玉米不同器官的N 含量在各個水分處理之間存在明顯的交互效應。本研究結(jié)果還表明玉米植株的碳氮比（C/N）在不同CO2濃度處理和器官之間均存在顯著性差異（P＜0.001和P＜0.01），且水分×器官也改變了C/N（P＜0.05）。不同CO2濃度條件下水分虧缺處理對玉米各個營養(yǎng)器官（根部、莖桿和葉片）的可溶性糖、淀粉以及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量均產(chǎn)生極為顯著的影響。另外，CO2濃度×水分、CO2濃度×器官以及水分×器官分別對玉米植株的可溶性糖含量（P＜0.05、P＜0.001和P＜0.001）、淀粉含量（P＜0.001、P＜0.001和P＜0.001）和TNC 含量（P＜0.01、P＜0.001和P＜0.001）均產(chǎn)生顯著的交互作用。此外，CO2濃度×水分×器官還對玉米植株的可溶性糖含量（P＜0.001）、淀粉含量（P＜0.001）以及TNC 含量（P＜0.001）產(chǎn)生顯著影響，表明CO2濃度升高和水分虧缺對不同器官的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響存在明顯的交互效應。

表3 CO2 濃度和水分對玉米不同營養(yǎng)器官碳氮元素及非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響Table 3 Effects of CO2 concentration and water on carbon nitrogen contents and total nonstructural carbohydrates in different organs of maize

2.5 CO2 濃度升高和水分虧缺對玉米氣孔形態(tài)特征以及分布格局的影響

CO2濃度升高和水分處理顯著改變了玉米的氣孔長度、氣孔寬度、氣孔周長和氣孔面積。然而，玉米的氣孔密度和氣孔寬度均在葉片不同軸面之間存在極顯著性差異（P＜0.001）。本研究中CO2濃度×葉面對氣孔長度（P＜0.01）、氣孔周長（P＜0.01）、氣孔面積（P＜0.05）以及氣孔形狀指數(shù)（P＜0.05）的影響均存在較顯著的交互作用，但CO2濃度×水分僅改變了玉米的氣孔密度（P＜0.001）（表4）。另外，CO2濃度×水分×葉面對玉米的氣孔密度（P＜0.001）、氣孔長度（P＜0.01）、氣孔寬度（P＜0.001）、氣孔周長（P＜0.001）、氣孔面積（P＜0.001）和氣孔形狀指數(shù)（P＜0.01）均產(chǎn)生顯著影響。同時，CO2濃度升高導致輕度水分虧缺下玉米近軸面氣孔分布的規(guī)則性明顯降低（圖1c），但卻提高了重度水分虧缺處理下近軸面氣孔分布的規(guī)則程度（圖1c）。同樣，CO2濃度升高導致不同水分處理下玉米遠軸面的氣孔分布規(guī)則程度均明顯降低，尤其是增加了輕度水分虧缺條件下玉米遠軸面氣孔分布的最小鄰域距離（圖1 d）

表4 不同CO2 濃度和水分條件下的玉米氣孔形態(tài)特征Table 4 Morphological traits of stomata at different CO2 concentrations and water

2.6 CO2 濃度升高和水分虧缺條件下玉米葉片碳氮含量與Pn 及生物量的關(guān)系

不同CO2濃度和水分虧缺條件下玉米葉片碳氮含量均與凈光合速率（Pn）和植株生物量均呈現(xiàn)較好的相關(guān)性聯(lián)系（圖2）。

圖2 玉米葉片碳氮含量與凈光合速率及生物量的關(guān)系Fig.2 The relationships of leaf carbon and nitrogen contents with net photosynthetic rates and biomass of maize

本研究中玉米Pn與葉片碳含量存在明顯的正相關(guān)關(guān)系（R2=0.37；P＞0.05），即不同CO2濃度和水分處理下玉米葉片的碳含量隨著Pn的提高而增加（圖2a），表明較強的碳同化能力可以使更多的碳素儲存在玉米葉片。相似地，不同CO2濃度和水分條件下玉米葉片的氮含量也與Pn呈現(xiàn)較好的相關(guān)性（R2=0.48；P＞0.05），暗示玉米葉片Pn的變化可能與光合作用關(guān)鍵酶Rubisco 的含量存在緊密聯(lián)系（圖2b）。另外，玉米植株生物量也分別與葉片的碳含量（R2=0.41；P＞0.05）和氮含量（R2=0.37；P＞0.05）存在正相關(guān)的關(guān)系（圖2c 和2 d），表明不同大氣CO2濃度和土壤水分虧缺條件下葉片氮含量的提高有助于提高玉米Pn，從而有助于積累更多的植株生物量。

3 討論

3.1 不同土壤水分條件下玉米植株含水量與生物量對CO2 濃度升高的響應

本研究中隨著水分脅迫程度的加劇，玉米根系和葉片含水量均低于對照組，且水分對植株根系和葉片含水量產(chǎn)生顯著的交互效應（P＜0.001），表明干旱脅迫在不同程度上降低了玉米植株的保水能力。然而，CO2濃度升高可以明顯提高輕度和中度虧水條件下玉米根系的含水量，暗示高濃度CO2有助于提高作物在水分脅迫條件下的保水能力，進一步緩解干旱對玉米植株造成的生理傷害[25-26]。另外，在環(huán)境CO2濃度條件下，隨著水分供應水平的逐漸提高，玉米植株地上、地下與總生物量均呈現(xiàn)出增加的趨勢，且植株生物量在充分灌溉條件下達到最大值，表明水分脅迫限制了玉米植株的生長發(fā)育過程。本研究中CO2濃度升高增加了水分虧缺條件下玉米的地上生物量、地下生物量和總生物量，表明CO2濃度的升高對土壤水分脅迫的玉米植株可以產(chǎn)生一定的“施肥效應”[27]。

3.2 不同土壤水分條件下葉片氣體交換過程和氣孔特征對CO2 濃度升高的響應

本研究中環(huán)境CO2濃度條件下，輕度和中度水分虧缺下玉米的Pn均顯著低于充分灌溉，表明水分虧缺對玉米植株的生長過程造成了生理脅迫。然而，大氣CO2濃度升高卻顯著提高輕度虧水和中度虧水條件下玉米的Pn，暗示CO2濃度升高可以在一定程度上緩解水分脅迫對玉米植株造成的生理傷害[28-30]。植物葉片水平上的WUEI體現(xiàn)了Pn和Tr之間的耦合關(guān)系[31]，而植株的光合與蒸騰作用同時會受到水分、CO2濃度及溫度等多種環(huán)境因素的影響[32-33]。本研究中大氣CO2濃度升高導致不同土壤水分處理下玉米的Tr和Gs均降低約50%，表明CO2濃度升高有助于提高水分虧缺條件下玉米的水分利用效率（WUEI）。然而，本研究中大氣CO2濃度升高導致玉米WUEI 增加的生理機制卻在不同水分條件下存在明顯差異。本研究中水分虧缺導致玉米氣孔密度和氣孔開度的降低，表明干旱條件下玉米植株在氣孔發(fā)育過程中可以通過調(diào)控氣孔數(shù)量和氣孔開度進一步降低葉片氣體交換效率[34-36]。另外，不同水分處理下玉米葉片遠軸面的氣孔密度均顯著大于近軸面，暗示玉米遠軸面的氣孔特征對土壤水分狀況和CO2濃度升高的響應過程在更大程度上決定著葉片的氣體交換效率[37-38]。此外，本研究中不同虧水條件下葉片遠軸面的氣孔空間分布格局均比對照下分布更規(guī)則，暗示玉米在遭受一定程度的水分脅迫時可以改變氣孔空間分布的規(guī)則程度，進而提高葉片的氣體交換效率，最終緩解干旱脅迫對植物造成的傷害[39]。

3.3 不同水分條件下光合色素和葉綠素熒光對CO2 濃度升高的響應

本研究結(jié)果顯示，中度水分虧缺導致玉米葉片葉綠素含量的明顯降低，表明玉米光合色素的含量與土壤水分虧缺的程度存在密切聯(lián)系[40-43]，該結(jié)論與時麗冉等[41-42]研究結(jié)論基本一致。然而，大氣CO2濃度升高卻導致水分虧缺條件下的玉米葉綠素含量顯著降低，表明在干旱脅迫下玉米葉片自由基大量增加導致光合色素膜系統(tǒng)過氧化，從而增大光合色素合成的阻力[43]，甚至長期的干旱脅迫還會導致光合色素的分解[42]。盡管環(huán)境CO2濃度條件下輕度水分虧缺處理導致玉米葉綠素含量的增加，但卻沒有提高玉米的Pn，說明輕度水分虧缺條件下玉米葉綠素含量的變化并不是決定光合下調(diào)的主要因素，而更主要的原因可能是由于葉片遠軸面的氣孔密度和Gs顯著降低所造成的。此外，本研究中環(huán)境CO2濃度條件下不同程度水分虧缺導致玉米的Pn與對照相比均顯著降低，而大氣CO2濃度升高卻導致輕度和重度水分虧缺下Pn顯著增加，且Pn的變化與葉綠素熒光參數(shù)基本一致，表明不同程度水分虧缺導致玉米PSⅡ反應中心開放數(shù)目減少，進一步影響PSⅡ?qū)嶋H光量子產(chǎn)量，從而導致光反應中電子傳遞速度與效率受到抑制，從而降低ATP 和NADPH的生成能力，最終導致碳同化過程受阻。然而，大氣CO2濃度升高不僅增加了輕度和中度水分虧缺條件下的ETR，而且還提高了輕度水分虧缺處理下玉米的qP 值，表明大氣CO2濃度升高增加了水分脅迫下PSⅡ反應中心的開放程度，提高了電子傳遞的效率，從而減小水分脅迫對玉米碳同化過程的影響。

3.4 不同水分條件下碳水化合物和碳氮元素對CO2 濃度升高的響應

本研究中輕度和重度水分虧缺導致玉米葉片和根部可溶性糖含量相比充分灌溉均顯著提高，表明干旱環(huán)境下大量的TNC 以可溶性糖的形式儲存在玉米植株內(nèi)，有助于減緩干旱對玉米造成的生理脅迫[18]。本研究中大氣CO2濃度升高顯著提高輕度和中度水分虧缺下玉米葉片碳水化合物的含量，這可能是由于土壤水分虧缺限制了光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)性生長的過程。相反，大氣CO2升高卻導致中度和重度虧水下玉米根部的可溶性糖、淀粉和TNC 含量均降低，暗示干旱脅迫條件下玉米可能優(yōu)先將光合產(chǎn)物投資給根部，以保證植物體通過強大的根系吸取更多的水分滿足其正常的生理代謝活動[44]。另外，輕度和中度水分虧缺條件下玉米葉片的氮元素（N）含量明顯下降，但CO2濃度升高卻顯著增加了水分虧缺處理下玉米葉片的N 含量，表明大氣CO2濃度升高在一定程度上提高了N 的吸收和利用效率，從而有助于增加水分虧缺條件下的Pn[45]。本研究中大氣CO2濃度升高通過增加N 的吸收和利用效率，進一步增加水分虧缺條件下玉米Pn的原因主要是葉片N 含量升高可以提高碳同化過程關(guān)鍵酶Rubisco 含量。同時，玉米葉片N 對輕度和中度水分虧缺條件下CO2濃度升高的響應同Pn的變化呈現(xiàn)基本一致的趨勢，表明土壤水分虧缺和大氣CO2濃度升高對玉米Pn的協(xié)同影響與葉片N 含量密切相關(guān)。本研究對玉米葉片含氮量和凈光合速率進行擬合得到的結(jié)果也直接證明了玉米葉片的含氮量在較大程度上決定了Pn的變化。

4 結(jié)論

1）大氣CO2濃度升高使輕度水分虧缺條件下玉米的凈光合速率和總生物量分別顯著提高15.8%（P＜0.05）和46.4%（P＜0.01），表明大氣CO2濃度升高可以對輕度水分虧缺灌溉玉米的生長過程產(chǎn)生較強的“CO2施肥效應”。

2）大氣CO2濃度升高顯著提高了葉片氮含量和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的含量（P＜0.001），從而有利于玉米的碳同化能力和生物量累積。

3）大氣CO2濃度升高可以通過調(diào)整玉米氣孔的形態(tài)特征及其分布格局，進一步優(yōu)化葉片氣體交換效率，最終使不同水分虧缺條件下玉米的瞬時水分利用效率分別提高154.3%（P＜0.001）、125.8%（P＜0.001）和82.5%（P＜0.001）。

綜上，以大氣CO2濃度升高和干旱為主要特征的未來氣候變化背景下，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的精準調(diào)虧和節(jié)水灌溉措施將輔助玉米從大氣CO2濃度升高帶來的施肥效應和水分高效利用過程中獲得更大利益。