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.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所/農業農村部農業環境重點實驗室，北京 100081；2.沈陽農業大學農學院，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）及地球系統研究實驗室（ESRL）的NOAA-ESRL 協同空氣采樣網絡觀測結果顯示，2019年大氣中CO2濃度已達411.49μmol·mol?1。根據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、葉等器官的生長發育，并影響作物的產量和品質[1]。碳是干物質的主要成分，氮素是作物第一大營養元素，碳氮代謝對作物產量及籽粒品質的影響最為關鍵，因此，明確未來大氣CO2濃度升高對作物花后碳氮代謝關鍵組分的影響具有重要意義。

目前國內外關于大氣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，FACE）平臺[2]等進行。由于FACE 系統建造及運行成本都較高，多數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物，按其存在形式可分為結構性碳水化合物（SC）和非結構性碳水化合物（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運的主要形式，對植株生理代謝過程和產量形成起直接作用[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，根據氮素在作物體內的代謝形式可將其分為可溶性含氮化合物（包括硝態氮、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]。氮代謝指作物體內各種含氮化合物的轉化，如由硝態氮還原為銨態氮，以及由銨態氮合成為氨基酸，而后合成蛋白質，以及各種細胞器物質和細胞壁等物質的同化等過程。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變化與光合作用各過程及光合產物的形成、轉化以及礦質營養的吸收和運輸、以及蛋白質的合成等密切相關，并受到自身遺傳特性和CO2濃度、光照、水分等環境因素的影響[5]。碳、氮代謝在很大程度上決定農作物的生長，其協調程度不僅影響作物生長發育進程，還是源?庫關系協調的基礎，最終關系到作物產量和品質[6?8]。eCO2對作物生長的影響還與養分供應及水分狀況等環境因素密切相關[9?10]。玉米開花吐絲后開始灌漿，光合產物及儲存在營養器官中的養分開始轉移到籽粒中并決定穗粒數和粒重[4,11]。養分是影響作物生長的主要因素之一，生產中氣候變化是與多種環境因子共同交互存在。前人研究結果表明，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]。關于eCO2下碳氮代謝及其與氮互作對作物產量的影響報道還鮮少，目前有幾種不同的研究結果。OTC 盆栽實驗的研究表明[13]，氮素脅迫在常規大氣CO2（ambient CO2，簡稱aCO2）和eCO2下均顯著降低了谷子葉片比葉質量和葉片氮；eCO2下谷子葉片光合性能較aCO2對氮素脅迫的響應更加敏感，但構成籽粒產量的參數并未顯著下降。在小麥上的研究也發現，eCO2可提高冬小麥產量，并與氮肥有明顯的正向互作關系，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肥效的發揮[14]。但是，也有研究顯示，水稻產量在不同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構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、碳氮代謝不協調，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作物玉米產量則不產生顯著影響[17]。

當前關于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。氣候變化與環境因子共同對作物生長及產量產生影響，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、產量變化及評估模型參數校準等各方面都迫切需要直接的田間試驗數據。

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變化，并同步監測對玉米生物量和產量的影響，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，氮素施用及碳氮協調管理對玉米關鍵碳氮代謝物質量分數的影響及產量變化情況，以期為全球氣候變化下玉米的穩產增產、養分管理及玉米作物評估模型調參提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗FACE 平臺概況

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

1.2 試驗點氣候及土壤狀況

試驗點所在地區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，土壤類型為潮褐土，2019年夏玉米播前0?20cm 不同小區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。基肥和追肥的氮肥用量分別占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 系統共12 個試驗小區，aCO2和eCO2各6個小區，小區內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 圈內與對照CO2濃度見圖1，其中生育期FACE 圈91%的時間內CO2濃度在550±40μmol·mol-1；常規大氣CO2濃度監測情況為91%時間內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。氣象數據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

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

1.5.3 產量要素考種

從每小區所收獲的玉米植株中選擇3 株代表本小區內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、列粒數和每株穗粒數等產量要素。

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量分數。于每小區中各選3 株長勢代表本小區玉米植株穗位葉，從葉鞘處剪下，其中一部分用錫紙包裹立即置于液氮罐內用于測定主要碳氮同化物質量分數，另一部分殺青后烘干用于干樣碳氮質量分數測定。

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

1.6 數據處理和分析方法

數據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量及產量構成因素的比較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對產量構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量增加的主要因素；eCO2總體上會促進生物量和產量及其構成因素的增加，但產量總體在統計水平上不顯著。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物的影響

功能葉中可溶性糖質量分數的高低，可反映植株體內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的主要形式，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量分數的測定結果顯示，VT 期數值均較低，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 期基本保持穩定。

圖3 不同處理夏玉米花后功能葉可溶性糖和淀粉質量分數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，結果表明，eCO2單一因素下功能葉可溶性糖質量分數相比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下功能葉淀粉質量分數比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量分數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量分數增加有促進作用，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），功能葉可溶性糖質量分數也較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量分數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量分數增加，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量分數的增加，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氮和硝態氮，其中旱地農田土壤中速效氮的主要形式是硝態氮。作物吸收硝態氮后，在硝酸還原酶的作用下將硝態氮同化為銨態氮，隨后進入氨基酸及蛋白質合成過程。游離氨基酸是植株氮素在合成結構性氮組分前的氮素過渡形態。可溶性蛋白是植株體內諸多生理活動所必需的酶的組成結構，對作物體內光合作用、物質代謝及物質轉運等起著重要作用。

由圖4 可見，各處理功能葉硝態氮質量分數從夏玉米抽雄期（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 期硝態氮質量分數在532.4～730.91ug·g?1；R2 期較高，在824.7～915.3ug·g?1；R3 期硝態氮質量分數較低，在532.4～730.9ug·g?1。各處理功能葉游離氨基酸質量分數的測定結果表明，玉米從抽雄吐絲開始，功能葉游離氨基酸質量分數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量分數的測定結果表明，在R3 期出現下降趨勢，質量分數為1039.7～1358.5mg N·m?2。

圖4 不同處理夏玉米花后功能葉硝態氮、游離氨基酸和可溶性蛋白質量分數的比較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氮和游離氨基酸質量分數比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量分數顯著增加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氮、游離氨基酸質量分數和單位葉面積可溶性蛋白質量分數顯著增加（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 期的功能葉硝態氮質量分數分別顯著增加32.6%、8.8%和26.0%，游離氨基酸質量分數分別增加14.3%，7.2%和11.1%，單位面積可溶性蛋白質量分數分別增加17.7%、14.6%和6.3%。eCO2和氮肥施用對玉米功能葉硝態氮和游離氨基酸質量分數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氮、游離氨基酸和單位葉面積可溶性蛋白質量分數；eCO2單獨作用對夏玉米功能葉硝態氮和游離氨基酸質量分數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量分數。交互作用顯示，eCO2會削弱氮肥對功能葉硝態氮和游離氨基酸質量分數的增加作用；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量分數的作用，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構氮，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構性氮（如細胞壁氮）更為迫切。細胞壁氮是作物細胞壁的主要構成組分，其在調節氣孔導度、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量分數測定結果表明，CN 水平下單位面積細胞壁氮質量分數在花后基本穩定在一定數值范圍內，在330.8～393.5mg N·m?2。單位面積類囊體氮素質量分數花后呈現逐漸降低趨勢，在342.2～139.7mg N·m?2范圍內變化。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細胞壁氮素和類囊體氮素的質量分數，具體表現為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量分數（P＜0.05），具體表現為在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）質量分數的比較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量分數減少，氮肥施用則無疑會促進非溶性氮化合物質量分數增加。兩因素交互作用使R2 期細胞壁氮素和R3 期類囊體氮素質量分數增加。

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，是結構性碳和非結構性碳的總量。葉片總氮也是指葉片內所有吸收及同化代謝物中的氮，包括非結構性氮（如硝態氮、氨基酸）和結構性氮（如可溶性蛋白、類囊體氮、細胞壁氮等），是葉片內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碳氮養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量分數的測定結果顯示（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展，功能葉總碳總體呈現降低趨勢。功能葉總氮質量分數從抽雄到完熟期也總體呈降低趨勢，質量分數在3.2%～2.2%，功能葉內的養分逐漸向籽粒轉移，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，表現為氮向籽粒轉移。

圖6 不同處理夏玉米花后功能葉總碳、總氮和碳氮比質量分數的比較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果表明，eCO2單一作用下功能葉總碳質量分數比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量分數總體略低于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量分數影響不顯著，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 處理總氮質量分數高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量分數的增加，而總氮質量分數降低，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量分數的影響不顯著，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 討論與結論

3.1 討論

3.1.1 CO2對玉米碳氮代謝及產量的影響

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、淀粉和總碳質量分數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氮、游離氨基酸及可溶性蛋白的質量分數略微增加但不顯著，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）的質量分數則在大部分時期呈顯著降低，這兩類氮均為結構氮組分，eCO2下一些組成復雜的結構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。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]的結果一致。而類囊體是光合作用在葉綠體內進行的主要場所，本研究中eCO2處理中類囊體氮的質量分數在玉米花后有所降低，也可能與長期eCO2下的光合適應現象有一定關系，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，這與本試驗的結果是一致的。

單一eCO2因素下功能葉總氮質量分數總體略低于aCO2，出現這種現象的原因可能是由于作物體內碳水化合物積累的增加從而稀釋了總氮的質量分數，總體會使碳氮比增加，這種現象僅在R2 時期ZN 水平下有所體現。這也與非結構性碳水化合物在eCO2下增加及部分含氮化合物和總氮質量分數下降有關。該結果與一些研究對水稻在eCO2下植株地上部碳養分累積量增加、植株C/N 增加的結果一致[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 的研究結果[34]相似。本研究對產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，但對其余產量構成因素及產量影響不顯著。造成eCO2對玉米增產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。考種過程中發現，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量分數；eCO2對不同組分氮同化物的影響，主要體現在大部分時期結構氮組分（細胞壁氮和類囊體氮）質量分數顯著降低，但并未在產量水平上有顯著體現。

3.1.2 氮肥及其與eCO2互作對玉米碳氮代謝及產量的影響

單一氮肥因素會顯著增加夏玉米多數生育期地上部生物量、穗粒重和產量，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量分數顯著增加，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下降的原因，可能是由于碳水化合物主要由營養器官向籽粒轉移，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量分數均顯著增加。這與關于施用氮肥會顯著增加葉片硝態氮[40]、游離氨基酸和可溶性蛋白質量分數[41]，增加細胞壁氮素和類囊體氮素[4]的相關研究結果一致。本研究結果表明，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%）。也進一步說明結構性氮組分（細胞壁氮及類囊體氮）質量分數增加的滯后性。同時，這與有研究關于常規施氮和不施氮處理下，類囊體氮素動態變化在花后出現快速下降的時間均明顯早于可溶性蛋白出現快速下降時間[42]的結果一致。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?可溶性糖質量分數增加，兩因素為相互促進作用，且eCO2的增加作用高于氮肥，而對功能葉淀粉質量分數則沒有顯著影響。針對棉花的OTC 試驗表明，eCO2下植株體內氮素轉化的2 個關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，結構碳組分淀粉對外界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、形態構成和光合反應方面有一定潛在促進作用，表現為某些時期（如抽雄期）關鍵組分質量分數的增加。而在產量方面，CO2與氮肥的交互作用雖然顯著增加了夏玉米穗重，但對產量沒有顯著影響。有研究顯示，C4作物產量在水分及氮素都供應充足條件下，eCO2對產量并沒有顯示明顯的促進作用。據國外FACE 試驗結果的報道，eCO2對C4作物產量的作用在作物受脅迫條件下（如干旱）才顯示其對產量的顯著補償作用[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構氮組分的質量分數在后期則略有降低；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量的多種情況。本研究結果顯示，在大氣CO2濃度升高條件下適當施氮對碳氮代謝協調及玉米生物量和產量及部分產量構成因素有促進作用，達到資源協調利用和高產優質的農業生產目標。

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量都有促進作用。eCO2和氮肥的交互作用在提高碳同化物質量分數方面，和單一CO2作用的效果類似；交互作用對促進氮同化物質量分數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，因此，盡管eCO2下穗重增加，但有效籽粒產量并未增加。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，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量分數及動態的一些初步探索，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于eCO2和氮肥施用對結構氮組分的合成及不同器官（功能葉、老葉、莖、籽粒）中各氮素組分的質量分數及轉運等生理過程及可能影響產量的病蟲害等影響進行多方面研究，以針對性地給出生產角度的代謝調控策略。

3.2 結論

大氣CO2濃度升高使C4作物夏玉米功能葉可溶性糖、淀粉和總碳質量分數顯著增加；對氮同化物中的可溶性含氮化合物硝態氮、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、結構性氮化合物的合成受到一定影響，從而使總氮質量分數降低，碳氮比增加。但eCO2對夏玉米地上部生物量和產量均未顯著影響。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量分數增加，兩因素為相互促進作用；而對功能葉淀粉質量分數則無顯著影響。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構性氮化合物如細胞壁氮和類囊體氮的質量分數和穗重，對協調碳氮代謝和產量提升提供了可能潛力，使后期碳氮代謝向協調方向發展，對生物量和產量的增加提供了可能潛力。

在未來大氣CO2濃度升高條件下，需根據地力合理調控碳氮代謝生理合成過程，以協調碳氮代謝，保證玉米高產穩產。