大氣CO2濃度升高和氮肥互作對玉米花后功能葉碳氮同化物的影響＊

李 明，李迎春，韓 雪，牛曉光，馬 芬，魏 娜，何雨桐,2，郭李萍**

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，北京 100081；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，沈陽 110161）

全球氣候變化已被科學觀測所證實，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）及地球系統(tǒng)研究實驗室（ESRL）的NOAA-ESRL 協(xié)同空氣采樣網(wǎng)絡觀測結(jié)果顯示，2019年大氣中CO2濃度已達411.49μmol·mol?1。根據(jù)IPCC 2001年和2014年報告，不同溫室氣體排放情景下，到本世紀中期預計大氣CO2濃度將達到450～550μmol·mol?1，到本世紀末 CO2濃度將增加到約900μmol·mol-1。CO2作為光合作用的原料之一，其濃度在大氣中升高可以通過影響作物的生理代謝活動而影響根、莖、葉等器官的生長發(fā)育，并影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。碳是干物質(zhì)的主要成分，氮素是作物第一大營養(yǎng)元素，碳氮代謝對作物產(chǎn)量及籽粒品質(zhì)的影響最為關(guān)鍵，因此，明確未來大氣CO2濃度升高對作物花后碳氮代謝關(guān)鍵組分的影響具有重要意義。

目前國內(nèi)外關(guān)于大氣CO2濃度升高（elevated CO2，簡稱eCO2）對作物生長影響的研究主要借助環(huán)境控制試驗（Controlled environment，CE）、開頂式氣室（Open?top chambers，OTC）和自由大氣CO2濃度富集試驗（Free?air CO2enrichment，F(xiàn)ACE）平臺[2]等進行。由于FACE 系統(tǒng)建造及運行成本都較高，多數(shù)研究主要采用前兩種方式進行，而其反映田間真實大氣狀況的代表性不足。eCO2對作物生長的影響研究方面，國內(nèi)外主要對C3作物開展的研究較多，對C4作物的研究相對較少。碳代謝指碳水化合物代謝，包括光合作用各過程及光合碳產(chǎn)物的運輸、貯存及分解等過程。碳水化合物是作物光合作用的主要產(chǎn)物，按其存在形式可分為結(jié)構(gòu)性碳水化合物（SC）和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）兩大類，其中NSC 中的可溶性糖是光合碳同化物在作物源庫間轉(zhuǎn)運的主要形式，對植株生理代謝過程和產(chǎn)量形成起直接作用[3]。氮素是各種重要酶和功能蛋白的組成成分，在作物的生長代謝過程中都起到直接作用，根據(jù)氮素在作物體內(nèi)的代謝形式可將其分為可溶性含氮化合物（包括硝態(tài)氮、氨基酸、可溶性蛋白等）和非溶性氮素化合物（包括類囊體氮、細胞膜氮、細胞壁氮等）兩大類[4]。氮代謝指作物體內(nèi)各種含氮化合物的轉(zhuǎn)化，如由硝態(tài)氮還原為銨態(tài)氮，以及由銨態(tài)氮合成為氨基酸，而后合成蛋白質(zhì)，以及各種細胞器物質(zhì)和細胞壁等物質(zhì)的同化等過程。碳氮代謝是作物生長最基本的生理過程，其在生育期間的動態(tài)變化與光合作用各過程及光合產(chǎn)物的形成、轉(zhuǎn)化以及礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和運輸、以及蛋白質(zhì)的合成等密切相關(guān)，并受到自身遺傳特性和CO2濃度、光照、水分等環(huán)境因素的影響[5]。碳、氮代謝在很大程度上決定農(nóng)作物的生長，其協(xié)調(diào)程度不僅影響作物生長發(fā)育進程，還是源?庫關(guān)系協(xié)調(diào)的基礎，最終關(guān)系到作物產(chǎn)量和品質(zhì)[6?8]。eCO2對作物生長的影響還與養(yǎng)分供應及水分狀況等環(huán)境因素密切相關(guān)[9?10]。玉米開花吐絲后開始灌漿，光合產(chǎn)物及儲存在營養(yǎng)器官中的養(yǎng)分開始轉(zhuǎn)移到籽粒中并決定穗粒數(shù)和粒重[4,11]。養(yǎng)分是影響作物生長的主要因素之一，生產(chǎn)中氣候變化是與多種環(huán)境因子共同交互存在。前人研究結(jié)果表明，在eCO2下，一些作物碳同化能力增強、生物量積累加快，對氮素供給提出了更高的要求[12]。關(guān)于eCO2下碳氮代謝及其與氮互作對作物產(chǎn)量的影響報道還鮮少，目前有幾種不同的研究結(jié)果。OTC 盆栽實驗的研究表明[13]，氮素脅迫在常規(guī)大氣CO2（ambient CO2，簡稱aCO2）和eCO2下均顯著降低了谷子葉片比葉質(zhì)量和葉片氮；eCO2下谷子葉片光合性能較aCO2對氮素脅迫的響應更加敏感，但構(gòu)成籽粒產(chǎn)量的參數(shù)并未顯著下降。在小麥上的研究也發(fā)現(xiàn)，eCO2可提高冬小麥產(chǎn)量，并與氮肥有明顯的正向互作關(guān)系，高氮肥處理可降低 eCO2對生育期的加快作用，提高光合能力，促進CO2肥效的發(fā)揮[14]。但是，也有研究顯示，水稻產(chǎn)量在不同CO2濃度水平下無顯著差異，但隨施氮水平的提高而增加[15]。還有OTC 實驗表明，eCO2顯著促進水稻中等氮水平下葉片中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的積累，但抽穗期水稻葉片氮含量卻顯著降低[16]，這也說明eCO2下，由于碳的積累、碳氮代謝不協(xié)調(diào)，氮的代謝可能受阻。另外也有報道顯示，在相同施氮水平下，eCO2對于C4作物玉米產(chǎn)量則不產(chǎn)生顯著影響[17]。

當前關(guān)于eCO2單獨作用及其和氮肥交互作用對作物影響的研究主要集中在C3作物上，并且大多數(shù)利用OTC 進行單一因素影響研究，對C4作物的研究較少，而且一些研究的結(jié)果也不盡相同。玉米作為重要的C4作物，在全球種植面積最廣。氣候變化與環(huán)境因子共同對作物生長及產(chǎn)量產(chǎn)生影響，在當前全球變化背景下借助理想的FACE 平臺研究eCO2與其它因子如氮肥施用的交互作用對玉米生長的實際影響非常必要，無論從影響機理、產(chǎn)量變化及評估模型參數(shù)校準等各方面都迫切需要直接的田間試驗數(shù)據(jù)。

因此，本研究利用與真實大氣狀況最為接近的FACE 平臺，研究eCO2和氮肥兩因素交互作用對C4作物玉米生殖生長期功能葉不同碳氮代謝指標的影響及動態(tài)變化，并同步監(jiān)測對玉米生物量和產(chǎn)量的影響，以明確在未來以大氣CO2濃度升高為代表的氣候變化背景下，氮素施用及碳氮協(xié)調(diào)管理對玉米關(guān)鍵碳氮代謝物質(zhì)量分數(shù)的影響及產(chǎn)量變化情況，以期為全球氣候變化下玉米的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)、養(yǎng)分管理及玉米作物評估模型調(diào)參提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗FACE 平臺概況

FACE平臺于2007年由中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所建立，位于北京昌平（40.13°N，116.14°E）。FACE 試驗系統(tǒng)主要包括CO2傳感器、CO2氣體供應裝置和控制系統(tǒng)。FACE 圈由8 根CO2氣體釋放管組成八邊形，圈直徑為4m，芬蘭產(chǎn)Vaisala CO2傳感器放置于圈中心冠層上方，用以檢測圈內(nèi)CO2濃度。CO2濃度通過計算機程序控制，并根據(jù)具體風向和風速控制釋放管電磁閥的開合度和方向，以實現(xiàn)預定濃度（550μmol·mol-1）供應，該FACE 平臺已穩(wěn)定運行十余年。

1.2 試驗點氣候及土壤狀況

試驗點所在地區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，土壤類型為潮褐土，2019年夏玉米播前0?20cm 不同小區(qū)土壤基礎理化性狀為有機碳11.2～12.4g·kg?1，堿解氮92.7～129.1mg·kg?1，全氮0.94～1.45g·kg?1，速效鉀129.7～156.2mg·kg?1，速效磷31.5～45.0mg·kg?1，pH 8.2。

1.3 試驗設計

田間試驗設4 個處理、3 次重復，即在aCO2（試驗期間為400μmol·mol-1左右）和eCO2（550μmol·mol-1）下分別設置無氮和施氮(分別簡稱ZN:zero nitrogen 和CN:conventional nitrogen)2 個氮水平，對應的氮肥用量分別為0kg N·hm?2和180kg N·hm?2?；屎妥贩实牡视昧糠謩e占40%和60%，基肥在播前撒施后旋耕翻入土中，追肥在玉米喇叭口期降雨前撒施。各處理的磷鉀肥用量相同，分別為 150kg P2O5·hm?2和 90kg K2O·hm?2；磷肥和鉀肥全部作為基肥一次性施入。

FACE 系統(tǒng)共12 個試驗小區(qū)，aCO2和eCO2各6個小區(qū)，小區(qū)內(nèi)FACE 圈直徑為4m，各圈外沿相距至少23m。施氮和不施氮處理分別有3 個圈。2019年夏玉米生長季整個生育期FACE 圈內(nèi)與對照CO2濃度見圖1，其中生育期FACE 圈91%的時間內(nèi)CO2濃度在550±40μmol·mol-1；常規(guī)大氣CO2濃度監(jiān)測情況為91%時間內(nèi)CO2濃度在400±35μmol·mol-1。從夏玉米出苗開始釋放CO2氣體，一直到玉米成熟時停止供氣。通氣時間為每日6：00?18：00，夜間不釋放CO2。玉米季有2 層CO2氣體釋放圈，下層圈最高位置在穗位葉處，上層圈高度保持在冠層上方15cm 處。

圖1 FACE 裝置田間圖Fig.1 Free Air CO2 Enrichment(FACE)system in the experimental field

1.4 田間管理

試驗地于2019年6月19日撒施基肥后旋耕，夏玉米品種為“鄭單958”，6月20日播種，9月28日收獲，種植密度66666 株·hm?2。玉米于8月15日抽雄吐絲，9月15日進入乳熟期。期間，6月21日噴灌約3cm 以保證出苗整齊；7月29日雨后土壤濕潤，8月1日撒施氮肥追肥；灌漿后期（8月30日）由于土壤墑情差，給予一次渠灌，灌溉量約5cm。氣象數(shù)據(jù)來自試驗站自動氣象站，夏玉米生長期間每日氣溫及降水情況見圖2。

圖2 夏玉米生長季冠層CO2濃度（a）及氣溫和降水（b）情況Fig.2 Mean daily CO2 concentration(a),daily air temperature and precipitation(b)during summer maize growing season above the plant canopy

1.5 各指標取樣及測定方法

1.5.1 生物量

在玉米六葉期（V6）、大喇叭口期（V12）、抽雄吐絲期（VT）、籽粒建成期（R2）、乳熟期（R3）和成熟期（R6）取3 株地上部整株。分別記錄葉片、秸稈和穗的鮮重，之后105℃下殺青30min后75℃烘干至恒重。

1.5.2 測產(chǎn)

在玉米籽粒成熟期實收測產(chǎn)，每小區(qū)選擇1m2內(nèi)3行12 株玉米，待自然晾干后脫粒稱重計算產(chǎn)量。

1.5.3 產(chǎn)量要素考種

從每小區(qū)所收獲的玉米植株中選擇3 株代表本小區(qū)內(nèi)平均長勢的玉米穗進行考種，測定指標包括穗長、禿尖長、穗周長、列數(shù)、列粒數(shù)和每株穗粒數(shù)等產(chǎn)量要素。

1.5.4 主要碳氮代謝物取樣及測定方法

在VT 期、R2 期、R3 期取功能葉測定主要碳氮代謝物質(zhì)量分數(shù)。于每小區(qū)中各選3 株長勢代表本小區(qū)玉米植株穗位葉，從葉鞘處剪下，其中一部分用錫紙包裹立即置于液氮罐內(nèi)用于測定主要碳氮同化物質(zhì)量分數(shù)，另一部分殺青后烘干用于干樣碳氮質(zhì)量分數(shù)測定。

主要碳氮代謝物中，可溶性糖和淀粉質(zhì)量分數(shù)采用硫酸蒽酮比色法[18]測定；硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)采用水楊酸比色法[19]測定，游離氨基酸質(zhì)量分數(shù)采用水合茚三酮比色法[20]測定，可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)采用考馬斯亮藍G?250 染色法[18]測定，細胞壁氮和類囊體氮質(zhì)量分數(shù)按照文獻[21?23]方法測定。

干樣粉碎過100 目篩后利用碳氮元素分析儀對玉米功能葉總碳和總氮質(zhì)量分數(shù)進行測定。

1.6 數(shù)據(jù)處理和分析方法

數(shù)據(jù)處理和圖表繪制采用Excel 2016 軟件完成。方差分析和顯著性檢驗采用SPSS 18.0 軟件的ANOVA功能進行（Duncan 法）；CO2濃度和氮肥雙因素交互作用通過SPSS18.0 軟件中的一般線性模型進行評估。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣CO2濃度升高和氮肥施用對夏玉米生物量和產(chǎn)量的影響

由表1 可知，夏玉米各處理地上部生物量隨玉米生育期進程（V6、V12、VT、R2、R3 及R6 期）而逐漸增加（圖3），R2 期至R3 期增長速率最快。成熟期籽粒產(chǎn)量為8.57～9.15t·hm?2。

表1 不同CO2 水平下無氮和施氮處理夏玉米各生育期地上部生物量和產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的比較Table 1 Comparison of aboveground biomass and yield and yield components of summer maize under ZN(zero nitrogen)and CN(conventional nitrogen)at different CO2 levels at key growth stages

不同時段各處理間單因素方差分析表明，單一eCO2因素對夏玉米生物量有一定促進趨勢，但僅在R3 期CN 水平下較eCO2處理顯著增加4.2%（P＜0.05）。eCO2對產(chǎn)量構(gòu)成因素中的單株穗重在CN 水平下影響顯著（P＜0.05），比aCO2處理顯著增加8.9%（P＜0.05）。單一aCO2因素對其余時期各處理生物量和產(chǎn)量其它因素無顯著影響。單一氮肥因素下各個時期夏玉米地上部生物量顯著增加（P＜0.05），其中開花之前平均增加9.6%，花后平均增加6.6%。單一氮肥作用下夏玉米穗重和產(chǎn)量顯著增加26.6%和5.3%（P＜0.05）。說明兩因素交互作用可以顯著增加夏玉米單株穗重，而對夏玉米地上部生物量、千粒重和產(chǎn)量無顯著影響。

因此，對于C4作物夏玉米而言，氮肥仍然是地上部生物量和產(chǎn)量增加的主要因素；eCO2總體上會促進生物量和產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的增加，但產(chǎn)量總體在統(tǒng)計水平上不顯著。eCO2和氮肥的交互作用盡管會顯著促進夏玉米單株穗重的增加，但對生物量、千粒重和產(chǎn)量影響不顯著。

2.2 CO2濃度升高和氮肥互作對功能葉主要碳同化產(chǎn)物的影響

功能葉中可溶性糖質(zhì)量分數(shù)的高低，可反映植株體內(nèi)光合碳合成及同化物的源供應水平。光合作用合成的可溶性糖是碳同化物從源到庫運輸?shù)闹饕问?，如玉米的碳同化物從源到庫的運輸形式主要是蔗糖；而合成的淀粉也可暫時在葉綠體內(nèi)積累，成為葉中最豐富的復雜碳水化合物儲存形式；夜間光合作用停止時，葉中儲存的淀粉可以降解，為作物的各項必需生理活動提供能量。

由圖3 可知，在夏玉米抽雄期（VT 期）、籽粒建成期（R2 期）和乳熟期（R3 期）各處理功能葉可溶性糖質(zhì)量分數(shù)的測定結(jié)果顯示，VT 期數(shù)值均較低，在2.1%～2.8%；之后兩次測定到的葉片中可溶性糖略有增加，在3.2%～4.7%，到R3 期基本保持穩(wěn)定。

圖3 不同處理夏玉米花后功能葉可溶性糖和淀粉質(zhì)量分數(shù)Fig.3 Comparison of mass fractions of soluble sugar and starch in functional leaves of summer maize after flowering for different treatments

分別對各生育期不同處理進行單因素方差分析，結(jié)果表明，eCO2單一因素下功能葉可溶性糖質(zhì)量分數(shù)相比aCO2處理顯著增加（P＜0.05）。其中VT 期eCO2處理在CN 水平下可溶性糖比aCO2處理顯著提升25.6%；在R2 期，在ZN 水平下顯著提升10.8%，CN水平下顯著提升5.5%；在R3 期，ZN 水平下顯著提升30.2%。單一eCO2下功能葉淀粉質(zhì)量分數(shù)比aCO2處理增加。在R3 期兩種施氮水平下分別顯著增加8.2%和9.9%。在VT 和R2 期影響不顯著。

氮素單一因素下，夏玉米功能葉可溶性糖質(zhì)量分數(shù)相比無氮處理顯著增加（P＜0.05），其中VT 期顯著增加16.8%；R2 期顯著增加23.0%；R3 期顯著增加20.1%。施氮同樣也對功能葉淀粉質(zhì)量分數(shù)增加有促進作用，在VT 期和R3 期增加顯著（P＜0.05），增幅分別為37.1%和13.4%。

對于雙因素共同作用的處理（CN?eCO2），功能葉可溶性糖質(zhì)量分數(shù)也較ZN?aCO2處理顯著增加（P＜0.05），是ZN?aCO2處理的1.35 倍。本試驗條件下，eCO2和氮肥施用對玉米功能葉淀粉質(zhì)量分數(shù)未顯示顯著的交互作用。

綜上，eCO2和氮肥及其交互作用均會使夏玉米功能葉可溶性糖質(zhì)量分數(shù)增加，兩因素為相互促進作用，且eCO2的增加作用高于氮肥。eCO2和氮肥均會促進功能葉中淀粉質(zhì)量分數(shù)的增加，但是交互作用不顯著。

2.3 CO2濃度升高和氮肥互作對功能葉不同組分氮同化物的影響

2.3.1 可溶性含氮化合物

作物從土壤中吸收無機氮的形式為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，其中旱地農(nóng)田土壤中速效氮的主要形式是硝態(tài)氮。作物吸收硝態(tài)氮后，在硝酸還原酶的作用下將硝態(tài)氮同化為銨態(tài)氮，隨后進入氨基酸及蛋白質(zhì)合成過程。游離氨基酸是植株氮素在合成結(jié)構(gòu)性氮組分前的氮素過渡形態(tài)?？扇苄缘鞍资侵仓牦w內(nèi)諸多生理活動所必需的酶的組成結(jié)構(gòu)，對作物體內(nèi)光合作用、物質(zhì)代謝及物質(zhì)轉(zhuǎn)運等起著重要作用。

由圖4 可見，各處理功能葉硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)從夏玉米抽雄期（VT 期）、籽粒建成期（R2 期）至乳熟期（R3 期）呈先升高后降低的趨勢，VT 期硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)在532.4～730.91ug·g?1；R2 期較高，在824.7～915.3ug·g?1；R3 期硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)較低，在532.4～730.9ug·g?1。各處理功能葉游離氨基酸質(zhì)量分數(shù)的測定結(jié)果表明，玉米從抽雄吐絲開始，功能葉游離氨基酸質(zhì)量分數(shù)隨生育進程的推進總體略呈降低趨勢，范圍在278.3～420.8ug·g?1。各處理功能葉單位葉面積可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)的測定結(jié)果表明，在R3 期出現(xiàn)下降趨勢，質(zhì)量分數(shù)為1039.7～1358.5mg N·m?2。

圖4 不同處理夏玉米花后功能葉硝態(tài)氮、游離氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)的比較Fig.4 Comparison of mass fractions of nitrate nitrogen,free amino acid and soluble protein in functional leaves of summer maize after flowering for different treatments

各生育期不同處理間單因素方差分析表明，eCO2單一處理下功能葉硝態(tài)氮和游離氨基酸質(zhì)量分數(shù)比aCO2處理有增加趨勢，但未達顯著水平；單一eCO2處理下VT 期CN 水平下單位葉面積可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)顯著增加11.0%（P＜0.05），其余處理差異不顯著。氮素單一處理后夏玉米功能葉硝態(tài)氮、游離氨基酸質(zhì)量分數(shù)和單位葉面積可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)顯著增加（P＜0.05），CN 處理平均（CN?aCO2和CN?eCO2）分別比ZN（ZN?aCO2和ZN?eCO2）處理平均在VT 期、R2期和R3 期的功能葉硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)分別顯著增加32.6%、8.8%和26.0%，游離氨基酸質(zhì)量分數(shù)分別增加14.3%，7.2%和11.1%，單位面積可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)分別增加17.7%、14.6%和6.3%。eCO2和氮肥施用對玉米功能葉硝態(tài)氮和游離氨基酸質(zhì)量分數(shù)沒有顯示顯著的交互作用，只在VT 期顯示可溶性蛋白顯著增加23.7%（P＜0.05）。

因此，在本試驗條件下，氮肥單獨施用會顯著增加夏玉米功能葉可溶性含氮化合物硝態(tài)氮、游離氨基酸和單位葉面積可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)；eCO2單獨作用對夏玉米功能葉硝態(tài)氮和游離氨基酸質(zhì)量分數(shù)的增加有一定促進作用，但未達顯著水平；eCO2也僅在CN 水平下顯著增加抽雄期功能葉單位葉面積可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)。交互作用顯示，eCO2會削弱氮肥對功能葉硝態(tài)氮和游離氨基酸質(zhì)量分數(shù)的增加作用；eCO2僅在VT期顯示會顯著促進氮肥增加功能葉單位面積可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)的作用，后期作用不顯著。

2.3.2 非溶性氮素化合物

與可溶性蛋白相比，類囊體氮和細胞壁氮屬非溶性結(jié)構(gòu)氮，在總氮供應不足的情況下，可溶性蛋白對作物各項生理活動的必要性比結(jié)構(gòu)性氮（如細胞壁氮）更為迫切。細胞壁氮是作物細胞壁的主要構(gòu)成組分，其在調(diào)節(jié)氣孔導度、影響光合速率方面有一定作用。類囊體是葉綠體內(nèi)光合作用的反應場所，類囊體氮素是光合器官氮素的組成部分。

根據(jù)圖5，在夏玉米抽雄期（VT 期）、籽粒建成期（R2 期）和乳熟期（R3 期）對各處理功能葉細胞壁氮素和類囊體氮素單位葉面積質(zhì)量分數(shù)測定結(jié)果表明，CN 水平下單位面積細胞壁氮質(zhì)量分數(shù)在花后基本穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內(nèi)，在330.8～393.5mg N·m?2。單位面積類囊體氮素質(zhì)量分數(shù)花后呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，在342.2～139.7mg N·m?2范圍內(nèi)變化。各時段不同處理間單因素方差分析表明，eCO2單一作用會降低夏玉米單位功能葉面積內(nèi)細胞壁氮素和類囊體氮素的質(zhì)量分數(shù)，具體表現(xiàn)為eCO2水平下細胞壁氮素的降低在VT 和R2期都較為顯著，在ZN 和CN 下分別比aCO2處理顯著降低23.0%和11.0%（P＜0.05）；在R2 時期，ZN 和CN 水平下降低幅度分別為8.1%和15.5%；eCO2下類囊體氮素的降低在VT 時期和R3 時期CN 水平下較為顯著，VT時期ZN和CN下分別顯著降低21.0%和14.1%（P＜0.05），R3 時期CN 水平下比aCO2處理顯著（P＜0.05）降低24.6%。氮肥單一作用會顯著增加夏玉米功能葉單位面積非溶性氮素化合物質(zhì)量分數(shù)（P＜0.05），具體表現(xiàn)為在VT 期、R2 期和R3 期，CN 處理平均（CN?aCO2和CN?eCO2）分別比ZN（ZN?aCO2和ZN?eCO2）處理細胞壁氮素顯著增加53.1%、24.4%和18.8%（P＜0.05），類囊體氮素分別顯著增加26.0%，27.3%和37.9%（P＜0.05）。雙因素方差分析結(jié)果顯示，eCO2和氮肥施用對功能葉細胞壁氮僅在R2 時期有明顯的交互作用，對類囊體氮素僅在R3 時期有正交互作用，其余時期交互作用不顯著。

圖5 不同處理夏玉花后單位面積功能葉細胞壁氮素（a）和類囊體氮素（b）質(zhì)量分數(shù)的比較Fig.5 Comparison of the mass fraction of cell wall-N(a)of functional leaf and thylakoid-N(b)per unit area of summer maize after flowering for different treatments

可見，本試驗條件下，eCO2處理玉米功能葉單位葉面積非溶性氮素化合物的質(zhì)量分數(shù)減少，氮肥施用則無疑會促進非溶性氮化合物質(zhì)量分數(shù)增加。兩因素交互作用使R2 期細胞壁氮素和R3 期類囊體氮素質(zhì)量分數(shù)增加。

2.4 CO2濃度升高和氮肥互作對葉片總碳、總氮和碳氮比的影響

葉片總碳包括葉片中所有形式的碳合成及代謝物，是結(jié)構(gòu)性碳和非結(jié)構(gòu)性碳的總量。葉片總氮也是指葉片內(nèi)所有吸收及同化代謝物中的氮，包括非結(jié)構(gòu)性氮（如硝態(tài)氮、氨基酸）和結(jié)構(gòu)性氮（如可溶性蛋白、類囊體氮、細胞壁氮等），是葉片內(nèi)氮素總體狀況的反映。不同時期葉片碳氮比能反映植株體內(nèi)碳氮養(yǎng)分總體合成或供應狀況。

在夏玉米抽雄期（VT 期）、籽粒建成期（R2 期）和乳熟期（R3 期）各處理功能葉總碳質(zhì)量分數(shù)的測定結(jié)果顯示（圖6），夏玉米花后功能葉總碳在41.4%～44.4%，從抽雄期開始隨生育進程的發(fā)展，功能葉總碳總體呈現(xiàn)降低趨勢。功能葉總氮質(zhì)量分數(shù)從抽雄到完熟期也總體呈降低趨勢，質(zhì)量分數(shù)在3.2%～2.2%，功能葉內(nèi)的養(yǎng)分逐漸向籽粒轉(zhuǎn)移，葉片逐漸趨向衰老。碳氮比總體呈升高趨勢，從抽雄期的13.8～16.7:1 增至乳熟期的16.1～19.3:1，表現(xiàn)為氮向籽粒轉(zhuǎn)移。

圖6 不同處理夏玉米花后功能葉總碳、總氮和碳氮比質(zhì)量分數(shù)的比較Fig.6 Comparison of mass fractions of total carbon,total nitrogen and C/N ratio in functional leaves of summer maize after flowering for different treatments

各生育期不同處理間單因素方差分析結(jié)果表明，eCO2單一作用下功能葉總碳質(zhì)量分數(shù)比aCO2處理增加。在VT 期，eCO2處理ZN 水平下總碳比aCO2處理顯著升高1.7 個百分點（P＜0.05）；在R2 期CN 水平下，顯著升高1.5 個百分點（P＜0.05），其余時期eCO2對各處理的影響未達顯著水平。eCO2單一作用下功能葉總氮質(zhì)量分數(shù)總體略低于aCO2，各時期差異都未達顯著水平。eCO2單一作用對功能葉碳氮比增加的影響主要在R2 時期ZN 水平下影響顯著（P＜0.05），顯著增加7.2%。

氮肥單一作用對夏玉米功能葉總碳質(zhì)量分數(shù)影響不顯著，僅在R2 期比不施氮處理顯著增加了1.1 個百分點（P＜0.05）。單一氮素處理會顯著增加各生育期功能葉總氮，各時期CN 處理比ZN 處理總氮質(zhì)量分數(shù)高11.7%～17.0%（P＜0.05）。單一氮素處理下C/N 在灌漿后期顯著降低，降低幅度為9.8%～13.4%，歸因于施氮對葉片總氮的增加效果顯著（P＜0.05）。

可見，本試驗條件下，單一eCO2因素會促進夏玉米功能葉總碳質(zhì)量分數(shù)的增加，而總氮質(zhì)量分數(shù)降低，碳氮比增加。單一氮肥因素對夏玉米功能葉各生育期總碳質(zhì)量分數(shù)的影響不顯著，會顯著增加功能葉總氮，降低功能葉碳氮比。二者交互作用對夏玉米功能葉總碳、總氮和碳氮比均無顯著影響。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 CO2對玉米碳氮代謝及產(chǎn)量的影響

本研究顯示，單因素eCO2可以促進夏玉米花后功能葉碳代謝增加，使得可溶性糖、淀粉和總碳質(zhì)量分數(shù)在大部分時期顯著增加，這與茶葉幼苗在eCO2條件下葉片可溶性糖[24?25]、淀粉和總碳增加[26]的研究結(jié)果一致，主要由于CO2是光合作用的底物，eCO2使作物凈光合速率提高進而促進了光合產(chǎn)物可溶性糖的積累。

單因素eCO2下夏玉米花后功能葉可溶性含氮化合物指標硝態(tài)氮、游離氨基酸及可溶性蛋白的質(zhì)量分數(shù)略微增加但不顯著，這些指標均是作物生理過程中的簡單氮組分。而一些非溶性氮素化合物（如細胞壁氮和類囊體氮）的質(zhì)量分數(shù)則在大部分時期呈顯著降低，這兩類氮均為結(jié)構(gòu)氮組分，eCO2下一些組成復雜的結(jié)構(gòu)氮組分的合成可能受限，也可能與本研究中的氮用量（180kg N hm?2）依然不足有關(guān)。這與報道中eCO2下棉花苗期[27]和四季豆四葉期葉片[28]游離氨基酸提高、藥用植物生長后期葉片可溶性蛋白增加[29]的結(jié)果一致。而類囊體是光合作用在葉綠體內(nèi)進行的主要場所，本研究中eCO2處理中類囊體氮的質(zhì)量分數(shù)在玉米花后有所降低，也可能與長期eCO2下的光合適應現(xiàn)象有一定關(guān)系，即淀粉和糖的過量積累引起類囊體與基粒的破壞。在多種作物[30?31]上的研究結(jié)果表明，eCO2對NSC 有促進效果，而對類囊體氮在后期有抑制效果，這與本試驗的結(jié)果是一致的。

單一eCO2因素下功能葉總氮質(zhì)量分數(shù)總體略低于aCO2，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于作物體內(nèi)碳水化合物積累的增加從而稀釋了總氮的質(zhì)量分數(shù)，總體會使碳氮比增加，這種現(xiàn)象僅在R2 時期ZN 水平下有所體現(xiàn)。這也與非結(jié)構(gòu)性碳水化合物在eCO2下增加及部分含氮化合物和總氮質(zhì)量分數(shù)下降有關(guān)。該結(jié)果與一些研究對水稻在eCO2下植株地上部碳養(yǎng)分累積量增加、植株C/N 增加的結(jié)果一致[32?33]。

本試驗條件下，單一eCO2會促進夏玉米地上部生物量的增加，這與美國伊利諾伊FACE 的研究結(jié)果[34]相似。本研究對產(chǎn)量組成要素的分析表明，eCO2在CN水平下顯著增加了夏玉米穗重，但對其余產(chǎn)量構(gòu)成因素及產(chǎn)量影響不顯著。造成eCO2對玉米增產(chǎn)不顯著的原因一方面可能是由于本試驗中eCO2處理受病蟲害影響的緣故?？挤N過程中發(fā)現(xiàn)，ZN 水平下aCO2和eCO2處理500 粒籽粒中受蟲害侵染的玉米粒分別為1.2 粒和7.6 粒，eCO2下的蟲害籽粒顯著增多。對其它作物的實驗也有類似報道，美國伊利諾伊州的SoyFACE 田間試驗表明，eCO2下針對玉米及大豆的植食性害蟲數(shù)量增加[35]。針對小麥的OTC 試驗表明，eCO2下小麥蚜蟲的繁殖量及相對生長率都提高[36]。針對C4作物谷子的OTC 試驗也表明，eCO2下谷子灌漿期和收獲期玉米螟數(shù)量顯著增加，谷子穗重降低[37]。

總體來講，本試驗條件下，eCO2顯著促進功能葉中碳同化物可溶性糖及淀粉的質(zhì)量分數(shù)；eCO2對不同組分氮同化物的影響，主要體現(xiàn)在大部分時期結(jié)構(gòu)氮組分（細胞壁氮和類囊體氮）質(zhì)量分數(shù)顯著降低，但并未在產(chǎn)量水平上有顯著體現(xiàn)。

3.1.2 氮肥及其與eCO2互作對玉米碳氮代謝及產(chǎn)量的影響

單一氮肥因素會顯著增加夏玉米多數(shù)生育期地上部生物量、穗粒重和產(chǎn)量，使得花后功能葉簡單碳組分可溶性糖、灌漿前期和后期淀粉質(zhì)量分數(shù)顯著增加，對總碳的增加作用不顯著。這與適當增加施氮量使玉米功能葉可溶性糖和淀粉增加[38]的其它研究結(jié)果一致。本研究中，氮肥施用對功能葉可溶性糖和淀粉促進作用在后期出現(xiàn)下降的原因，可能是由于碳水化合物主要由營養(yǎng)器官向籽粒轉(zhuǎn)移，而在功能葉中的累積有所降低的緣故[39]。

單一氮素處理后夏玉米功能葉可溶性含氮化合物、非溶性氮素化合物和總氮質(zhì)量分數(shù)均顯著增加。這與關(guān)于施用氮肥會顯著增加葉片硝態(tài)氮[40]、游離氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)量分數(shù)[41]，增加細胞壁氮素和類囊體氮素[4]的相關(guān)研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，不施氮處理功能葉各項氮代謝指標在反映氮素供應及代謝方面均較為敏感，其中非溶性氮素化合物（平均降低31.3%）對于不施氮的敏感程度高于可溶性含氮化合物（平均降低15.4%）。也進一步說明結(jié)構(gòu)性氮組分（細胞壁氮及類囊體氮）質(zhì)量分數(shù)增加的滯后性。同時，這與有研究關(guān)于常規(guī)施氮和不施氮處理下，類囊體氮素動態(tài)變化在花后出現(xiàn)快速下降的時間均明顯早于可溶性蛋白出現(xiàn)快速下降時間[42]的結(jié)果一致。單一氮素處理后C/N 在花后顯著降低，降低幅度為9.8%～13.4%，說明施氮對葉片總氮的增加效果高于其對總碳的增加效果。

eCO2和氮肥的交互作用下夏玉米功能葉簡單組分碳同化物?可溶性糖質(zhì)量分數(shù)增加，兩因素為相互促進作用，且eCO2的增加作用高于氮肥，而對功能葉淀粉質(zhì)量分數(shù)則沒有顯著影響。針對棉花的OTC 試驗表明，eCO2下植株體內(nèi)氮素轉(zhuǎn)化的2 個關(guān)鍵酶即硝酸還原酶和谷氨酰胺合成酶的活性都受到抑制，使氮素吸收后的轉(zhuǎn)化及同化受阻；不過在氮素供應水平提高后，酶的活力也有所提升[43]。這可能是由于C4作物對CO2的親和力高，因此，結(jié)構(gòu)碳組分淀粉對外界eCO2及氮肥施用的交互作用反應不敏感[44]。

eCO2和氮肥交互作用在改進作物氮供應、形態(tài)構(gòu)成和光合反應方面有一定潛在促進作用，表現(xiàn)為某些時期（如抽雄期）關(guān)鍵組分質(zhì)量分數(shù)的增加。而在產(chǎn)量方面，CO2與氮肥的交互作用雖然顯著增加了夏玉米穗重，但對產(chǎn)量沒有顯著影響。有研究顯示，C4作物產(chǎn)量在水分及氮素都供應充足條件下，eCO2對產(chǎn)量并沒有顯示明顯的促進作用。據(jù)國外FACE 試驗結(jié)果的報道，eCO2對C4作物產(chǎn)量的作用在作物受脅迫條件下（如干旱）才顯示其對產(chǎn)量的顯著補償作用[45]。本試驗條件下eCO2夏玉米功能葉碳代謝顯著增加而氮代謝中結(jié)構(gòu)氮組分的質(zhì)量分數(shù)在后期則略有降低；而本試驗中氮肥使功能葉碳代謝略微增加、氮代謝顯著增加；eCO2和氮肥的交互作用對總碳、總氮和碳氮比的影響不顯著。本探索試驗由于試驗地等方面的限制沒有設置更多氮水平梯度，未能全面反映二者交互作用對生物量和產(chǎn)量的多種情況。本研究結(jié)果顯示，在大氣CO2濃度升高條件下適當施氮對碳氮代謝協(xié)調(diào)及玉米生物量和產(chǎn)量及部分產(chǎn)量構(gòu)成因素有促進作用，達到資源協(xié)調(diào)利用和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標。

總體來講，本試驗條件下，氮肥施用對功能葉中不同組分的碳氮同化物及產(chǎn)量都有促進作用。eCO2和氮肥的交互作用在提高碳同化物質(zhì)量分數(shù)方面，和單一CO2作用的效果類似；交互作用對促進氮同化物質(zhì)量分數(shù)的作用只在抽雄吐絲期的可溶性蛋白方面作用顯著，而后期作用不顯著，交互作用對非溶性氮同化物的作用為負向，即eCO2條件削弱了氮肥對氮同化物的促進作用，可能由于eCO2下復雜氮化合物合成有一定不足或其它多種原因（病蟲害）有關(guān)，因此，盡管eCO2下穗重增加，但有效籽粒產(chǎn)量并未增加。另外，eCO2對氮代謝物的作用也可能與試驗供試品種對氮肥的敏感程度有關(guān)，需設置更多的不同氮肥梯度及氮效率品種驗證eCO2下碳氮代謝及其產(chǎn)量反應。

本研究是對eCO2與氮素互作對C4作物不同組分碳氮同化物質(zhì)量分數(shù)及動態(tài)的一些初步探索，還需要在不同地力水平及多氮肥梯度及針對不同氮效率品種開展更多關(guān)于eCO2和氮肥施用對結(jié)構(gòu)氮組分的合成及不同器官（功能葉、老葉、莖、籽粒）中各氮素組分的質(zhì)量分數(shù)及轉(zhuǎn)運等生理過程及可能影響產(chǎn)量的病蟲害等影響進行多方面研究，以針對性地給出生產(chǎn)角度的代謝調(diào)控策略。

3.2 結(jié)論

大氣CO2濃度升高使C4作物夏玉米功能葉可溶性糖、淀粉和總碳質(zhì)量分數(shù)顯著增加；對氮同化物中的可溶性含氮化合物硝態(tài)氮、游離氨基酸和可溶性蛋白影響不顯著；但eCO2使夏玉米大多數(shù)時期單位面積非溶性氮素化合物細胞壁氮素和類囊體氮素顯著減少、結(jié)構(gòu)性氮化合物的合成受到一定影響，從而使總氮質(zhì)量分數(shù)降低，碳氮比增加。但eCO2對夏玉米地上部生物量和產(chǎn)量均未顯著影響。氮肥施用顯著增加了玉米地上部生物量和產(chǎn)量，以及功能葉中碳同化物主要指標可溶性糖、淀粉和氮同化物指標，使碳氮比顯著降低，產(chǎn)量提升。

eCO2和氮肥互作下，夏玉米功能葉碳同化物中可溶性糖質(zhì)量分數(shù)增加，兩因素為相互促進作用；而對功能葉淀粉質(zhì)量分數(shù)則無顯著影響。eCO2和氮肥互作也顯著增加了夏玉米氮同化物中可溶性蛋白和一些時期結(jié)構(gòu)性氮化合物如細胞壁氮和類囊體氮的質(zhì)量分數(shù)和穗重，對協(xié)調(diào)碳氮代謝和產(chǎn)量提升提供了可能潛力，使后期碳氮代謝向協(xié)調(diào)方向發(fā)展，對生物量和產(chǎn)量的增加提供了可能潛力。

在未來大氣CO2濃度升高條件下，需根據(jù)地力合理調(diào)控碳氮代謝生理合成過程，以協(xié)調(diào)碳氮代謝，保證玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。