水分脅迫下氮素增加對玉米生長的抑制作用?

邢換麗，周文彬，郝衛(wèi)平，李 麗，王 超，馬海洋，3，王耀生**

（1．作物高效用水與抗災(zāi)減損國家工程實驗室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081；3．中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所，廣東湛江 524091）

中國干旱、半干旱地區(qū)面積占全國土地總面積的50%[1]，與此同時，中國又是世界上最大的化學(xué)氮肥消耗國，總用量達(dá)到了全球總量的33%[2]。干旱脅迫和低氮肥利用率成為限制作物生產(chǎn)最重要的兩大因素。氮素是作物生長必需也是需求最多的礦物元素，然而氮肥投入的不斷增加并沒有持續(xù)提高作物產(chǎn)量，反而造成氮肥利用率降低，土壤酸化和水體富營養(yǎng)化等環(huán)境污染和生態(tài)問題日益嚴(yán)峻[3]，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和環(huán)境成本增加。水分脅迫和氮肥虧缺一般會通過限制植株的光合作用影響其生長，光合作用是植物最重要的生理過程之一，為其生命活動提供物質(zhì)和能量[4]。目前有關(guān)光合作用的大量研究更多關(guān)注氣孔因素，而光和CO2響應(yīng)曲線作為研究植物光合生理和植物生理適應(yīng)性的熱點，水分脅迫下氮素對其的影響的研究報道較少。研究表明，通過測定作物葉片對光和CO2的響應(yīng)，可以得到反映不同生理生化過程及環(huán)境變化對作物光合生理影響的重要參數(shù)，如最大凈光合速率（Amax）、飽和光強(qiáng)（Qsat）和初始羧化效率（a）等[5]。杜偉莉等通過研究玉米的光合響應(yīng)曲線，發(fā)現(xiàn)干旱條件下Amax降低[6]，即植株的光合能力下降。王帥等從氮素角度出發(fā)研究發(fā)現(xiàn)，增加施氮量，玉米穗位葉光合速率隨之提高，氮肥施用量過高或氮肥虧缺時則下降[7-8]。在不同水分條件下，氮素對植物光合速率的影響并不相同[9]，這與水氮互作效應(yīng)密切相關(guān)。Wang 等研究表明，水氮互作可以提高作物的水肥利用效率[10]，干旱條件下增施氮肥可以提高作物抗旱性[11]。作物抗旱性是一種綜合適應(yīng)機(jī)制，僅研究地上部的反應(yīng)很難揭示作物整體抗旱性的本質(zhì)。隨著根源信號物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，地下部根系在作物整體抗旱性中的作用逐漸被揭示。根系是作物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，其吸收能力的大小很大程度上取決于根系的形態(tài)[12]，尤其根長對水分利用效率的貢獻(xiàn)大于根系比表面積和根干重[13]，因此，Oikeh 等提出將根系形態(tài)的差異作為氮素高效和耐旱玉米的選擇標(biāo)準(zhǔn)[14]。然而，根系本身的生長和發(fā)育又與土壤水肥狀況密切相關(guān)。信乃詮等研究指出，土壤干旱條件下施肥可以促進(jìn)作物根系的生長[15]。但是，有關(guān)氮肥對根系生長的影響，研究結(jié)果還不一致。既有研究表明施氮增加根長[16]，也有研究指出施氮抑制玉米根長[17]。研究提出根的大小是老根的衰老和新根的發(fā)育之間平衡的結(jié)果[18]。根據(jù)Ogawa 等研究，玉米根的衰老又與來自地上部的同化物的供應(yīng)有關(guān)[19]，當(dāng)葉片的光合作用受限制時，根系大小會顯著降低[20]。目前將玉米地上部葉片生理過程和地下部分根系的生長發(fā)育作為一個相互關(guān)聯(lián)的有機(jī)體，同時對地下和地上部分器官受旱后及受旱后對不同水平氮肥處理的響應(yīng)還不清楚，這制約了干旱發(fā)生發(fā)展過程對玉米影響的認(rèn)識[21]。研究根系的最終目的是通過改善根系，保證植株在干旱逆境下最大限度地獲取水分和氮素，提高植株抗旱性，以消耗最少量的水分和氮素獲得最高的產(chǎn)量。因此，另一方面本研究將從根系形態(tài)變化，探究水分脅迫下施氮對植株地下部分抗旱性的影響。本研究通過測定不同土壤水分條件下施氮水平對玉米光合作用、氣孔導(dǎo)度、水分利用效率及光和CO2響應(yīng)曲線的影響，揭示水分脅迫下施氮對植株光合能力及水分利用效率的影響機(jī)制。同時通過測定根系性狀，探索植株地下部分對水分脅迫下不同氮素處理的響應(yīng)，為不同土壤水分條件下合理施用氮肥，優(yōu)化根系形態(tài)，提高作物在逆境中的適應(yīng)性和抗旱性提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2018年4-8月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗地點屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸性氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，年均氣溫10～12℃，年無霜期180～220d。供試土壤類型為沙壤土，田間持水量為35%（體積含水量），土壤全碳含量9.0g?kg-1，全氮含量1.0g?kg-1，pH 值為7.6。試驗選用10.6L的塑料盆，盆口直徑為27.5cm，下底直徑為20.0cm，高為24.0cm，每盆裝12.0kg 過5mm 篩的干土，土壤容重為1.2g?cm-3。

試驗所用材料為玉米自交系B73。本試驗采用雙因素完全隨機(jī)設(shè)計，設(shè)3個水分處理，分別為中度水分脅迫（W1，40%～50%田間持水量），輕度水分脅迫（W2，60%～70%田間持水量），充足供水（W3，75%～90%田間持水量）；在3個水分處理水平下設(shè)置低氮（N1，1.0g·盆-1），中氮（N2.5，2.5g·盆-1）和高氮（N5，5.0g·盆-1）3個施氮水平。供試氮肥為NH4NO3，共9個處理，每個處理4 次重復(fù)。各處理磷肥和鉀肥用量相同，于移栽前將5.75g·盆-1KH2PO4（磷酸二氫鉀）、1.88g·盆-1K2SO4（硫酸鉀）和全部氮肥作為基肥一次性與盆栽土混勻施入。玉米種子進(jìn)行催芽育苗，在玉米幼苗二葉一心時移栽定植，一盆一株。在玉米拔節(jié)期前各處理土壤含水量均控制在80%田間持水量，拔節(jié)期開始水分脅迫處理。在盆壁與植株中間插入一對長15cm的探針，控水期間每日 17：00 采用高精度時域反射儀（TDR，MINITRASE，Soil Moisture Equipment Corp.，CA，USA）監(jiān)控當(dāng)天15cm 深處土壤體積含水率。通過測定的土壤體積含水率、設(shè)定的灌溉水平和盆內(nèi)土壤體積計算每次需要的灌溉量。量筒定量澆水控制土壤含水量。由于設(shè)定的灌溉水平不同，因此每個處理的灌水量不同。

本研究中土壤最大田間持水量為35%，由圖1可知，充足供水（W3）條件下，兩次澆水期間實際土壤含水量平均為26.9%，即田間持水量的76.9%；輕度水分脅迫（W2）下，實際土壤含水量平均為20.7%，即田間持水量的59.1%；中度水分脅迫（W1）下，實際土壤含水量平均為15.8%，即田間持水量的45.1%。

圖1 玉米拔節(jié)期后各處理土壤水分含量動態(tài)變化Fig.1 Variations of soil water contents under different treatments after maize jointing stage

1.2 項目測定

土壤水分測定：玉米生育期內(nèi)土壤含水量采用高精度TDR 水分測定儀進(jìn)行采集并記錄。

氣體交換參數(shù)及水分利用效率測定：試驗從玉米拔節(jié)期開始每周測定一次玉米葉片的氣體交換參數(shù)，包括光合速率（An）和氣孔導(dǎo)度（Gs）等，直至玉米成熟收獲。選晴天的9：00-12：00，利用Li-6400 便攜式光合儀（Li-cor，USA）測定，設(shè)定人工光源光強(qiáng)為2000μmol?m-2?s-1，CO2濃度為400μmol?mol-1，選擇各處理生育進(jìn)程一致、照光均勻的植株葉片進(jìn)行測定。葉片水分利用效率（WUEi）為[10]

光響應(yīng)曲線及二氧化碳響應(yīng)曲線測定：在玉米吐絲期，選晴天9：00-12：00，利用Li-6400 便攜式光合儀連續(xù)測定，設(shè)定CO2濃度為400μmol?mol-1，設(shè)定光強(qiáng)梯度為2000、1500、1000、700、500、300、200、100、50和0μmol?m-2?s-1。測定穗位葉在每一光強(qiáng)下的An等參數(shù)。利用直角雙曲線修正模型進(jìn)行光響應(yīng)曲線擬合[22]，計算式為

式中，An是凈光合速率，Q 是光強(qiáng)即光量子通量密度，β和γ 為系數(shù)（m2?s?μmol-1），Rd是暗呼吸速率，α 為光響應(yīng)曲線的初始斜率。同時計算植物的飽和光強(qiáng)和光飽和時的最大凈光合速率（Amax），計算式為[23]

在玉米吐絲期，選晴天9：00-12：00，利用Li-6400 便攜式光合儀測定穗位葉在每一CO2濃度下的An等參數(shù)，測定時控制光強(qiáng)為2000μmol?m-2?s-1，并用CO2注入系統(tǒng)控制CO2濃度，設(shè)定CO2濃度梯度為400、350、250、150、100、50、400、600、800、1000、1200、1500μmol?mol-1。利用直角雙曲線修正模型進(jìn)行CO2響應(yīng)曲線擬合[24]，即

式中，An是凈光合速率，Ci是胞間CO2濃度；b和c 為系數(shù)（mol?μmol-1），Rp是光呼吸速率，光下暗呼吸很小，因此，近似將光下葉片向空氣中釋放CO2的速率看作光呼吸速率[25]，a 為CO2響應(yīng)曲線的初始羧化效率。同時計算植物的飽和胞間CO2濃度和飽和胞間CO2濃度對應(yīng)的光合能力（Amax），計算式為[23]

樣品采集及根系測定：收獲時采集0.5g 根系，自來水快速清洗以除去黏附的土壤，用吸水紙吸干并用錫箔紙包裹后立即放入液氮冷凍，儲存在-80℃冰箱用于根系脫落酸（ABA）含量的測定，采樣與液氮冷凍間隔時間不超過20s。根樣品加液氮研磨后在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)通過ELISA 方法測定ABA 濃度[26]。再采集一部分根系除去黏附的土壤顆粒，利用WP4C露點水勢儀測定根水勢。最后收集盆里其余所有根系，將土和雜質(zhì)去除并洗凈，用掃描儀（WinRHIZO根系分析系統(tǒng)）逐個掃描，掃描后獲得的圖像經(jīng)根系分析程序（WinRHIZO 根系分析軟件）處理得到根長、根體積、根表面積等數(shù)據(jù)，根系經(jīng)過掃描后放進(jìn)烘箱在105℃殺青30min，然后調(diào)至恒溫70℃烘至恒重，測量根干重。根系比表面積（cm-1）為

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0（IBM Corporation，USA）軟件進(jìn)行單因素和雙因素方差分析。當(dāng)方差分析顯著時，繼續(xù)用Duncan 多重比較法進(jìn)行多組樣本間差異顯著性分析（P＜0.05）。采用Origin 8.0（USA）軟件制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫下氮素對玉米葉片光響應(yīng)曲線和二氧化碳響應(yīng)曲線的影響

2.1.1 光響應(yīng)曲線

隨著我國社會的不斷進(jìn)步，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度也越來越快，畜牧業(yè)作為我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，其發(fā)展將會直接影響我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?？谔阋咦鳛橐环N接觸性傳染疾病，對于畜牧業(yè)中的牛羊等偶蹄類動物具有較大的威脅，并且可以通過患病動物或者其他帶有致病病毒的物品進(jìn)行傳播，一但動物染病后，將會在口、舌、唇、蹄等部位產(chǎn)生水泡，對我國的畜牧業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了很大的危害。本文通過對口蹄疫病及其危害進(jìn)行介紹，同時對牛羊口蹄疫的病癥鑒別診斷進(jìn)行分析，最終對如何更好的開展牛羊口蹄疫防治工作提出一些建議。

由圖2a、b和c可見，相同氮素水平下，不同水分處理間葉片光響應(yīng)曲線變化趨勢和最大凈光合速率有明顯差異（表1）。暗呼吸速率（Rd）、最大凈光合速率（Amax）和飽和光強(qiáng)（Qsat）均隨水分脅迫加重而減小。從數(shù)值上看，在中、高氮條件下，水分處理間的Rd和Amax變化幅度最大（P＜0.05），而在低氮條件下水分處理間變化最小。較充足供水時，中、高氮條件下中度水分脅迫處理的Amax分別顯著降低38.31%和37.11%（P＜0.05）；Rd分別顯著降低31.23%和42.06%（P＜0.05）；Qsat分別降低12.99%和14.85%。不同處理間初始斜率（α）變化較小。

圖2 不同氮素處理下水分脅迫（a、b、c）及不同水分脅迫下氮素處理（d、e、f）對吐絲期玉米葉片光響應(yīng)曲線的影響Fig.2 Effect of water stresses under different N treatments(a, b, c) and effect of N treatments under different soil water stresses(d, e, f) on photosynthetic light response curve of maize plants during the silking stage

表1 不同水分脅迫下氮素處理對光響應(yīng)曲線擬合參數(shù)的影響Table1 Effect of N treatments on the initial slope(α), the maximum net photosynthetic rate(Amax), the dark respiration rate(Rd), and the saturation irradiance(Qsat) derived from the photosynthetic light response curve(equation 2-4, fig.2) of maize plants under different soil water stresses

圖2d、e、f顯示了相同水分條件下不同施氮處理間光響應(yīng)曲線的變化趨勢。由圖2e和2f可見，在輕度水分脅迫和充足供水條件下，不同氮素處理間葉片光響應(yīng)曲線差異較小。但由圖2d可見，中度水分脅迫條件下，低氮處理與中、高氮處理的葉片光響應(yīng)曲線變化趨勢和最大凈光合速率有明顯差異。從數(shù)值上看（表1），中、高氮處理的Rd、Amax和Qsat平均值較低氮處理分別下降21.57%、22.65%和8.74%，但差異不顯著。這說明水分和氮素均會影響玉米葉片的光響應(yīng)曲線，水分處理的影響更明顯。在相同施氮水平下，水分脅迫一定程度抑制了葉片的光能利用能力和最大光合能力，而中度水分脅迫下，增加施氮量使葉片的光能利用效率和光合能力進(jìn)一步降低。

2.1.2 二氧化碳響應(yīng)曲線

由圖3a、b和c可知，相同氮素水平下，不同水分處理間葉片CO2響應(yīng)曲線變化趨勢和最大光合能力有明顯差異（表2）。初始羧化效率（a）、光呼吸速率（Rp）、光合能力（Amax）和高氮條件下的飽和胞間CO2濃度（Cisat）均隨水分脅迫加重而減?。坏?、中氮條件下Cisat隨水分脅迫加重而增大，但變化不顯著。

由圖3d、e和f可知，相同水分條件下不同施氮處理間CO2響應(yīng)曲線差異較小。從數(shù)值上看，各水分處理尤其中度水分脅迫下，a和Rp隨施氮量的增加而降低，且中度水分脅迫下 a 值變化顯著（P＜0.05），Cisat也隨施氮量的增加而降低；而不同氮素處理間Amax則變化較小。結(jié)合圖表分析，水分和氮素均會影響玉米葉片的CO2響應(yīng)曲線，水分處理的影響更明顯。在相同施氮水平下，水分脅迫一定程度抑制了葉片的CO2利用能力和光合能力，而中度水分脅迫條件下，中、高氮處理較低氮處理a和Rp降低即初始羧化效率和光呼吸速率減小，而且高氮條件還降低了Cisat。此外，圖3還顯示，光合能力隨著胞間CO2濃度的增加而增加，直至達(dá)到飽和胞間CO2濃度后光合能力出現(xiàn)下降。

2.2 水分脅迫下氮素對玉米葉片氣體交換參數(shù)和水分利用效率的影響

由圖4a和b可知，相同氮素水平下，不同水分處理間葉片光合速率（An）和氣孔導(dǎo)度（Gs）均隨水分脅迫加重而降低，尤其是中度水分脅迫下顯著降低。各氮素處理下，中度水分脅迫較充足供水的An和 Gs顯著降低，下降幅度分別達(dá) 32.37%～51.97%和41.85%～56.14%，其中高氮處理下降幅度最大。

圖3 不同氮素處理下水分脅迫（a、b、c）及不同水分脅迫下氮素處理（d、e、f）對吐絲期玉米葉片CO2 響應(yīng)曲線的影響Fig.3 Effect of water stresses under different N treatments(a, b, c) and effect of N treatments under different soil water stresses(d, e, f) on photosynthetic CO2 response curve of maize plants during the silking stage

表2 不同水分脅迫下氮素處理對CO2 響應(yīng)曲線擬合參數(shù)的影響Table2 Effect of N treatments on the initial carboxylation efficiency(a), the rate of the photorespiration(Rp), the photosynthetic capacity(Amax), and saturation intercellular CO2 concentration(Cisat) derived from the photosynthetic CO2 response curve(equation 5-7, fig.3) of maize plants under different soil water stresses

圖4 不同水分脅迫下氮素對玉米葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率的影響Fig.4 Effect of N treatments on photosynthesis(An), stomatal conductance(Gs) and intrinsic water use efficiency(WUEi) of maize leaf under different soil water stresses

2.3 水分脅迫下氮素對根水勢和根激素的影響

由圖5a可知，相同水分條件下不同氮素處理間和相同施氮條件下不同水分處理間根的ABA 濃度無顯著變化。將相同施氮條件下不同水分處理間根ABA 濃度進(jìn)行比較可得，相同施氮條件下，中度水分脅迫顯著降低根水勢，而充足供水和輕度水分脅迫間根水勢無顯著差異。此外，由圖5b可看出，充足供水和中度水分脅迫條件下，增施氮肥根水勢逐漸降低；尤其是充足供水下高氮處理較低氮處理根水勢顯著降低（P＜0.05）。結(jié)果表明，無論相同氮素處理不同水分處理間或相同水分處理不同氮素處理間，根ABA 濃度基本一致。在相同施氮水平下，水分脅迫顯著降低根水勢，而在中度水分脅迫下，增加施氮量，根水勢降低幅度增大。

圖5 不同水分脅迫下氮素對玉米根水勢和根ABA 濃度的影響Fig.5 Effect of N treatments on the root water potential (RWP) and root ABA concentration([ABA]root) of maize plants under different soil water stresses

2.4 水分脅迫下氮素對玉米根系形態(tài)的影響

由圖6a可見，相同氮素水平下，不同水分處理間根長有明顯差異，且變化趨勢基本一致，即根長隨水分脅迫的加劇而增加，尤其低、中氮條件下根長變化顯著。從數(shù)值上看，各氮素處理下，水分脅迫的根長平均值較充足供水增幅達(dá) 106.39%～208.82%。由圖6b可見，相同氮素處理下，根系比表面積也隨水分脅迫加重而增大。從數(shù)值上看，各氮素處理下，水分脅迫的根系比表面積平均值較充足供水顯著增加45.81%～105.85%。此外，低氮條件下水分脅迫處理的根長、根系比表面積增加幅度最大，中氮條件下居中，高氮條件下增加幅度最小。根據(jù)圖6c可得，相同施氮條件下，根干重隨水分脅迫的加劇而減小，從數(shù)值上看，各氮素處理下，中度水分脅迫的根干重較充足供水降低幅度達(dá)23.94%～36.61%，高氮下降低幅度最大。

圖6a和b可見，相同水分條件下，根長、根系比表面積均隨施氮量增加而降低，尤其是在水分脅迫條件下高氮處理的根長、根系比表面積較低氮處理分別顯著降低41.85%～54.10%、18.68%。相同水分條件下，根干重隨施氮量增加而降低，尤其中度水分脅迫下高氮處理的根干重較低氮處理顯著降低33.75%。

綜合圖6分析，相同施氮水平下，水分脅迫促進(jìn)玉米根長、根系比表面積增加，低氮下增加幅度最大，中氮次之，高氮下增加幅度最小，而水分脅迫的根干重降低，高氮條件下降低幅度大于低氮；無論輕度水分脅迫或中度水分脅迫條件下，高氮處理的根長、根系比表面積、根干重均低于低、中氮處理。水分脅迫下高氮處理抑制玉米根系生長。

圖6 不同水分脅迫下氮素對玉米根長、根系比表面積和根干重的影響Fig.6 Effect of N treatments on the root length, root specific surface area and root dry weight per plant of maize under different soil water stresses

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

從作物本身出發(fā)，揭示其抗逆性機(jī)理，為培育具有高效吸收和利用水分、養(yǎng)分的作物新品種提供理論依據(jù)，是有效應(yīng)對目前水資源匱乏、氮肥過多施用的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的重要策略[27]。光合作用是玉米進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)的基本生理過程，對環(huán)境脅迫非常敏感。玉米光和CO2響應(yīng)曲線通過描述光量子通量、CO2濃度與光合速率之間的關(guān)系[8]，反映了植株在不同環(huán)境下的光合能力。采用模型擬合響應(yīng)曲線得到一些重要參數(shù)，這些參數(shù)反映了植物光反應(yīng)過程中的光化學(xué)效率和潛在的光、CO2利用能力，有助于解釋植物應(yīng)對土壤干旱、氮肥虧缺的生理生態(tài)學(xué)過程，是從植物光合生理特性方面研究其干旱、低氮適應(yīng)性的重要生理指標(biāo)[28]。此外，除了地上部反映光合生理特性的指標(biāo)，地下部根系形態(tài)在提高作物整體抗旱性中也具有重要作用。丁紅等研究指出，根系在土壤中的生長具有可塑性，干旱條件下合理施肥，可以擴(kuò)大作物根系延伸范圍，增強(qiáng)根系綜合活力[29]。信乃詮等研究提出，旱地合理施肥促進(jìn)植株根系生長的效應(yīng)是“以肥調(diào)水，以水促肥”的機(jī)理[15]。為進(jìn)一步揭示水分脅迫下不同施氮水平對植株的光合特性及根系形態(tài)的影響，本研究在不同土壤水分條件下測定了不同氮素處理的葉片氣體交換參數(shù)和水分利用效率及光和CO2響應(yīng)曲線以及根系形態(tài)，揭示玉米在土壤水分脅迫下對氮素的響應(yīng)及調(diào)節(jié)機(jī)制。

氣孔因素是影響葉片光合作用過程的主要因素[30]。氣孔關(guān)閉伴隨光合速率下降是植株適應(yīng)環(huán)境脅迫的一種策略。本研究表明，在相同施氮水平下，水分脅迫顯著降低葉片的Gs和An，這與已有研究一致[31-32]。在中度水分脅迫條件下，增施氮肥又使Gs和An下降幅度增加，而水分脅迫和氮素對WUEi均無顯著影響。可見，水分脅迫使植株光合能力顯著下降，而在水分脅迫下增加施氮量使光合能力降低幅度增加；而在輕度水分脅迫和充足供水條件下，不同氮素水平對Gs和An則無顯著影響，這與李揚(yáng)等在水分供應(yīng)良好基礎(chǔ)上，施用氮素使An明顯增加的研究結(jié)果不同[33]。這一方面可能與氣孔導(dǎo)度下降有關(guān)，另一個方面可能與光和CO2利用能力有關(guān)。本研究結(jié)果顯示，水分和氮素均會影響玉米葉片的光響應(yīng)曲線和CO2響應(yīng)曲線，水分處理的影響更明顯。氮素處理相同時，較充足供水，水分脅迫降低了光響應(yīng)曲線特征參數(shù)Rd、Amax和Qsat，尤其是中、高氮條件下，中度水分脅迫處理的這些參數(shù)降低幅度顯著。Qsat反映了葉片利用光的能力，其值降低表明植株的生長發(fā)育容易受到強(qiáng)光的抑制[23]；飽和光強(qiáng)下對應(yīng)的最大凈光合速率Amax的減小，反映了葉片的最大光合能力即植株潛在光合能力下降[28]。由此可得，水分脅迫降低了植株光利用效率和光合能力，這與前人的研究結(jié)論一致[28，34]，而此時增施氮肥將進(jìn)一步加劇水分脅迫對植株的傷害，使光利用能力和光合能力降低幅度加大，更容易受到強(qiáng)光的抑制。吳愛姣等研究指出，同一水分處理下不同氮素處理對葉片的光能利用效率的影響不顯著[28]，這與本研究結(jié)果相符。本研究CO2響應(yīng)曲線擬合參數(shù)顯示，a、Rp、Amax和高氮條件下的Cisat均隨水分脅迫的加劇而減小，而且中度水分脅迫下，中、高氮處理的a和Rp即初始羧化效率和光呼吸速率低于低氮處理，且Cisat也隨施氮量的增加而降低。擬合參數(shù)a 為CO2響應(yīng)曲線的初始羧化效率，其值減小反映了核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）的量及其酶活性即利用低CO2濃度的能力降低；而飽和胞間CO2濃度Cisat下降反映了葉片利用高濃度CO2的能力減小。擬合曲線顯示，胞間CO2濃度高于Cisat會抑制植株的最大光合速率，因此，Cisat越低，表明葉片在高濃度CO2環(huán)境中其光合能力越容易受抑制；而Cisat對應(yīng)的葉片光合能力Amax的減小反映了葉片的光合電子傳遞和磷酸化的活性降低[23]?？梢姡置{迫會降低葉片對低濃度CO2的利用能力和最大光合能力。高氮條件下，水分脅迫處理的植株光合能力更易受到高濃度CO2的抑制，而且中度水分脅迫下，增加氮素進(jìn)一步抑制了葉片對低濃度CO2和高濃度CO2的利用能力，使植株的光合能力更易受到高濃度CO2的抑制。此外，Rd和Rp均隨著水分脅迫程度的加劇而下降，而且中度水分脅迫下增加氮素供應(yīng)其值進(jìn)一步減小，對此可能的解釋是玉米在環(huán)境脅迫中通過抑制呼吸作用減少對光合產(chǎn)物的消耗，以維持在干旱土壤中的生存，或者干旱條件下光合作用的下降使呼吸作用因可利用底物減少而隨之降低，因此呼吸作用的下降很可能與光合作用的降低有關(guān)，這與前人的研究結(jié)果基本一致[28]。總之，水分脅迫下葉片Gs減小，光、CO2利用效率和最大光合能力下降即光合性能降低，導(dǎo)致An降低，此時增加施氮量又使Gs、光和CO2響應(yīng)曲線特征參數(shù)下降幅度增大即光、CO2利用能力和最大光合能力進(jìn)一步削弱，植株光合作用更容易受到強(qiáng)光和高濃度CO2的抑制，An降低幅度加大。

前人研究表明，不同土壤水分條件下，氮素對根系生長的影響不同，而且相同水分條件下氮素對根系形態(tài)的影響也存在爭議[29]。李秧秧等對玉米的研究表明，在充足供水條件下，增加氮素供應(yīng)會增加玉米根長[35]，但是王艷等的研究卻指出，玉米和棉花根長、根干重和根系表面積隨施氮量的增加而減小[36-37]。當(dāng)土壤水分虧缺時，施氮可以促進(jìn)棉花根系生物量的積累，但隨施氮量增加，根系表面積降低[37]。水稻的相關(guān)研究表明，增施氮肥顯著增加根干重，促進(jìn)根系向深層土壤下扎[38]。劉世全等提出，土壤水分脅迫條件下氮肥施用量對根系生長存在少量促進(jìn)根系生長，過量則表現(xiàn)為抑制生長的效應(yīng)[39]。本研究結(jié)果表明，相同施氮水平下，水分脅迫的玉米根長、根系比表面積增加，低氮下增加幅度最大，中氮次之，高氮下增幅最小。可見水分脅迫對玉米根長、根系比表面積表現(xiàn)為促進(jìn)效應(yīng)。這表明玉米通過自身調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)抗旱性，但中度水分脅迫增加施氮量一定程度抑制了促進(jìn)效應(yīng)，加劇了水分脅迫，同時水分脅迫還會導(dǎo)致根干重降低，這與以往的研究結(jié)果一致[20]，而且高氮處理下降低幅度大于低氮處理。無論是水分脅迫下根干重降低或水分脅迫下增施氮素，根干重下降幅度增加均可能與地上部葉片光合作用的減弱有關(guān)[20]，因為光合碳同化能力的削弱，減少了同化物的積累以及向地下部的運輸，進(jìn)而抑制了根系生物量的積累，造成根干重減小，同時也可能促進(jìn)根系的衰老，引起根系活力下降。而且，輕度水分脅迫或中度水分脅迫下，高氮的根長、根系比表面積、根干重均低于低、中氮處理?？梢?，水分脅迫下施氮對根系的生長產(chǎn)生抑制效應(yīng)，根長的縮短不利于吸收更多的水分和養(yǎng)分；根系比表面積反映了單位體積根系活性吸收面積，是評價植物根系活力的重要依據(jù)，其下降表明了根系活性吸收面積減小，因此無論根長減小或根系比表面積下降均不利于植株抗旱。較以往研究，本研究表明，土壤水分脅迫條件下增施氮肥不僅無法提高根系活力、優(yōu)化根系性狀，緩解干旱脅迫對玉米的影響，反而加劇了脅迫程度，這與本研究水分脅迫條件下地上部分玉米葉片對不同施氮量的光合生理響應(yīng)相符。

此外，根水勢和根ABA 是根系重要的水力信號和化學(xué)信號，水分脅迫下玉米根區(qū)水分條件限制了根系吸水，導(dǎo)致根水勢降低，而根水勢的降低有助于減少根系失水，有利于植株抵御干旱。中度水分脅迫下，根水勢隨施氮量增加而進(jìn)一步降低，表明此時根系水分條件較單獨中度水分脅迫處理時更加嚴(yán)峻。此外Wang 等研究發(fā)現(xiàn)，ABA可能與植株氮素營養(yǎng)有關(guān)[40]。但本研究表明，根系A(chǔ)BA 濃度既不受水分處理的影響，也不受氮素處理的顯著影響，這可能與干旱后期玉米根系的衰老有關(guān)。

3.2 結(jié)論

水分脅迫促進(jìn)根長、根系比表面積增加，有利于植株抗旱；而水分脅迫下，增施氮肥不僅未緩解水分脅迫，反而抑制根長、根系比表面積增加，加劇了根系的水分脅迫，導(dǎo)致根水勢降低，從而影響了地上部分葉片的Gs，削弱了葉片的光合性能即降低了葉片對CO2、光的利用能力和最大光合能力，這些氣孔因素和非氣孔因素最終抑制了光合作用，導(dǎo)致光合碳同化能力降低，影響了根系生物量的積累。因此，在干旱和土壤貧瘠地區(qū)，玉米生產(chǎn)應(yīng)該嚴(yán)格控制施氮量，不宜施氮過高，避免加劇水分脅迫程度，降低光合作用導(dǎo)致作物死亡或減產(chǎn)。