大氣CO2濃度升高與氮肥互作對玉米花后碳氮代謝及產量的影響

李明，李迎春，牛曉光，馬芬，魏娜，郝興宇，董李冰,，郭李萍

大氣CO2濃度升高與氮肥互作對玉米花后碳氮代謝及產量的影響

李明1，李迎春1，牛曉光1，馬芬1，魏娜1，郝興宇2，董李冰1,2，郭李萍1

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山西農業大學農學院，山西太谷 030801

【】研究大氣CO2濃度升高（eCO2）及氮肥施用對夏玉米開花吐絲后不同組分碳氮代謝物含量及動態和產量的影響，為全球氣候變化下玉米生理過程及產量形成的變化提供理論支撐，同時為玉米作物模型調參提供實證數據。利用自由大氣CO2富集（FACE）平臺，以夏玉米品種農大108為試驗材料開展田間試驗。在常規大氣CO2濃度（aCO2，(400±15) μmol·mol-1）和高CO2濃度（eCO2，(550±20) μmol·mol-1）下分別設置不施氮（ZN）和施氮（CN，180 kg N·hm-2）2個氮水平。對夏玉米產量及其構成要素、干物質積累、花后碳代謝物（可溶性糖、淀粉、總碳）動態和氮代謝物（硝態氮，游離氨基酸、可溶性蛋白、非溶性氮化合物細胞壁氮素和類囊體氮素、總氮）動態以及碳氮比動態進行監測。（1）eCO2與施氮對夏玉米生物量積累有一定促進作用，但對產量及產量構成因素的影響均不顯著。（2）eCO2使玉米花后功能葉碳組份中的可溶性糖濃度顯著提高，灌漿后期葉片碳氮比顯著提高。（3）eCO2下花后玉米功能葉氮代謝中的必需功能氮組分濃度未受影響，而一些結構性氮組分濃度有降低，eCO2對功能葉中功能氮組分（如可溶性蛋白）的含量沒有顯著影響；氮代謝中的簡單組分（如游離氨基酸）在功能葉中的濃度僅在開花期比aCO2有顯著增加，后期沒有顯著影響；但eCO2下氮代謝中的非溶性氮組分（如細胞壁氮素和類囊體氮素）含量在花后一些時期顯著降低。（4）氮肥施用使玉米從抽雄到灌漿后期功能葉非結構性碳水化合物（如可溶性糖）濃度、硝態氮濃度、細胞壁氮素和類囊體氮素含量顯著提高；中等土壤肥力下不施氮處理的功能葉可溶性蛋白含量沒有受影響，但非溶性氮組分（如類囊體氮和細胞壁氮）含量降低，氮素優先滿足作物生長必需的可溶性蛋白。（5）eCO2和氮肥交互作用對不同組分碳氮代謝物的影響不同，體現在不同時期，主要表現為提高了玉米功能葉簡單碳氮組分（如可溶性糖和硝態氮）在后期的濃度，且碳氮比提高；提高了灌漿初期細胞壁氮素含量，功能葉總氮濃度僅在灌漿后期表現降低、其他時期沒有顯著影響。eCO2對夏玉米的生物量增加有一定作用，玉米穗位葉碳氮比在一些時期顯著增加，但對產量無顯著影響；eCO2下玉米花后穗位葉非結構性碳水化合物濃度增加，但總氮和非溶性氮素化合物在花后均發生不同程度降低。在未來大氣CO2濃度升高為特征之一的氣候變化情景下，合理增施氮肥對促進作物碳氮代謝的協調有一定必要性。

玉米；CO2濃度升高；氮肥；產量；碳氮代謝

0 引言

【研究意義】氣候正在以人類能夠明顯感知到的速度發生著變化。2017年全球和中國陸地區域大氣中的CO2平均濃度已分別達（405.5±0.1）μmol×mol-1和（407.0±0.2）μmol×mol-1[1]。根據不同的溫室氣體排放情景預估，到2050年大氣CO2濃度將達到450— 550 μmol×mol-1（IPCC，2001）；到21世紀末，將增加到約900 μmol×mol-1（IPCC，2014）。大氣CO2濃度升高（簡稱eCO2）可以通過影響植物的各項生理活動而影響根、莖、葉等器官的生長發育，并影響作物的產量[2]。目前國內外關于eCO2對植物影響的研究手段主要有控制環境試驗（controlled environment，CE）、開頂式氣室（open-top chambers，OTC）和自由開放式高濃度CO2試驗（free-air CO2enrichment，FACE）[3]，eCO2對作物生長的影響研究方面，目前主要對C3植物開展的研究較多。氮素是植物生長發育中所不可或缺并且也是最重要的礦質營養元素，是植物生長和產量形成的重要限制因子，在植物的各種生長代謝過程中都起到直接作用。氮素是氨基酸、蛋白質、葉綠體、細胞核等組份及細胞器的重要組成元素，根據氮素的存在狀態可將含氮化合物分為可溶性含氮化合物（包括氨基酸、硝態氮、可溶性蛋白等）和非溶性氮素化合物（包括細胞壁、類囊體、細胞膜氮素等）兩大類[4]。碳水化合物是植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，NSC是光合碳同化物在植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[5]。碳代謝指碳水化合物代謝，它包括碳的同化即光合作用、復雜碳水化合物的合成、分解（包括呼吸作用）和碳水化合物的相互轉化等方面。氮代謝則是指植物體內含氮化合物的吸收、合成、分解和再合成，如由銨態氮合成為氨基酸、氨基酸合成蛋白質的過程等。碳氮代謝是作物生長最基本的代謝過程，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、蛋白質的合成密切相關，并受到環境因素的影響。氮代謝需要依賴碳代謝提供碳源和能量，而碳代謝則又需要氮代謝提供酶和光合色素等重要物質，多種代謝過程共同完成作物產量建成及品質形成[6]。碳、氮代謝的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，最終關系到產量和品質高低[7-9]。作為光合底物，eCO2不僅會影響植物的光合作用過程，而且會影響碳氮代謝及產量形成[10]。eCO2對植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[11-12]。玉米花后儲存在營養器官中的養分開始轉移到籽粒中并決定粒數和粒重[4, 13]。養分是影響植物生長的主要因素之一，生產實踐中氣候變化是與多種環境因子共同交互存在的，有必要開展多因素互作（如eCO2與氮肥對不同光合途徑作物花后的碳氮代謝及產量反應的互作）效應研究。【前人研究進展】Zong等[14]通過對玉米的研究發現，eCO2會緩解干旱對光合作用的限制，緩解情況隨供氮水平的不同而不同。在eCO2下，一些植物碳同化能力增強，生物量積累加快，對氮素供給提出了更高的要求[15]。土壤養分通過影響光合作用和植株生長發育而影響CO2同化，進而影響產量和品質[16]。這與作物體內C/N[17]和源庫關系[3]有關。梁煜等[18]采用OTC盆栽試驗的研究表明，氮素脅迫在aCO2（常規大氣CO2濃度）和eCO2下均顯著降低了谷子葉片比葉質量和葉片氮含量。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。王小娟等[19]在油菜上的研究表明，eCO2下氮素脅迫的植株中根莖粗和地上部干重的增加幅度顯著低于充足氮素處理。有研究表明，eCO2環境下，植物光合作用顯著提高將促進植物的碳同化，導致茶樹葉片中的葡萄糖、果糖和淀粉等碳水化合物明顯增加[20-22]；另一方面，eCO2下茶葉中的游離氨基酸有所下降[23]，并改變茶樹的碳氮代謝。eCO2促進了茶樹的碳同化，而葉片中的氮素含量會顯著降低，進而導致植株碳氮比升高[20-21]。Leakey等[23]證明eCO2促進了淀粉代謝、糖代謝、糖酵解、三羧酸循環及線粒體電子轉移鏈相關基因的表達，這些基因表達水平的改變與光合作用碳固定效率和暗呼吸速率的提升有關聯。有報道表明，在相同施氮水平下，eCO2對于玉米產量沒有顯著影響[24]。也有研究顯示，eCO2長期處理會使得茶樹的光合作用不再上升，甚至可能慢慢低于對照。這種由于在eCO2環境下長期培養而導致的植物光合能力下降的現象被稱為“光適應現象”[20]。目前關于光適應現象的發生機理，學界還沒有達成共識。【本研究切入點】目前關于eCO2和氮肥互作對作物影響的研究主要集中在C3作物上，并且大多數利用開頂式氣室進行，對C4作物的研究較少，C4作物產量及碳氮代謝在eCO2和氮肥互作下的影響尚不明確。玉米作為重要的C4作物，是全球及我國種植面積最廣的作物，氣候變化是一個多因素變化的綜合體現，在當前全球變化背景下，研究eCO2與其他因子如供氮水平等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、對產量和品質的影響及對模型評估參數的校準等各方面都需要這些直接的試驗數據。【擬解決的關鍵問題】本研究利用中國農業科學院建立在北京市昌平區的FACE平臺系統，研究eCO2與氮素互作對玉米生物量和產量以及花后功能葉不同碳氮組分的含量及動態的影響，為全球氣候變化下玉米的穩產增產提供理論指導及為玉米作物模型調參提供實證數據。

1 材料與方法

1.1 試驗平臺概況

本FACE平臺由中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所于2007年建立，位于北京市昌平區（40.13°N，116.14°E）。FACE試驗系統主要包括CO2氣體供應裝置、控制系統、CO2傳感器及氣象站。FACE圈由8根CO2氣體釋放管組成八邊形，圈直徑為4 m，圈中心冠層上方放置芬蘭Vaisala CO2傳感器，用于檢測圈內CO2濃度；同時有氣象站監測溫度、濕度和風速等氣象指標。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（550 μmol×mol-1），FACE平臺詳細介紹詳見文獻[25]。該FACE平臺在2007—2016年輪作方式為“冬小麥-夏大豆/夏玉米”模式，2017年之后為“冬小麥-夏玉米”模式，其間對設備持續進行維護，保證系統順利運行；于2019年春季進行升級維護，增加了FBox遠程管理系統，能夠對田間的CO2氣體濃度進行遠程實時監控。

1.2 試驗設計

2019年度試驗所用夏玉米品種為“農大108”。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。CO2釋放圈的高度在冠層上方15 cm處，玉米季有2層CO2氣體釋放圈，下層圈最高高度在玉米棒三葉處；上層圈高度保持在冠層上方15 cm處。

本FACE系統的2個大氣CO2濃度處理分別為目標高CO2濃度（eCO2，(550±20) μmol×mol-1）及常規濃度CO2（aCO2，多年監測結果為日平均(400±15) μmol×mol-1左右）。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± 40) μmol×mol-1；常規大氣CO2濃度監測情況為91%時間內CO2濃度在(400±35) μmol×mol-1）。

圖1 玉米生長季FACE圈及常規處理的大氣CO2日平均濃度

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—20 cm土壤基礎理化性狀為有機質含量 29.4 g·kg-1，總氮1.60 g·kg-1，堿解氮 111.8 mg·kg-1，速效磷 39.4 mg·kg-1，速效鉀 157.1 mg·kg-1，pH 8.4。

在aCO2和eCO2下分別設置無氮和施氮（分別簡稱ZN和CN）2個氮水平，對應的氮肥用量分別為 0和180 kg N·hm-2，氮肥基追比為4﹕6，追肥在玉米大喇叭口期降雨前撒施。各處理的磷鉀肥用量相同，分別為 150 kg P2O5·hm-2和 90 kg K2O·hm-2；磷肥和鉀肥全部作為基肥一次性施入。2019年6月19日施基肥、施入方式為條施。夏玉米于2019年6月20日播種、9月28日收獲。其中，6月21日噴灌約3 cm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）由于土壤偏干，進行了一次渠灌，灌溉量約5 cm，夏玉米生育期氣溫和降水情況見圖2。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生物量 在玉米6葉期（V6）、大喇叭口期（V12）、吐絲期（VT）、吐絲后14 d（R2）、吐絲后24 d（R3）和成熟期（R6）取3株地上部整株。將葉片、秸稈和（穗）分離。記錄各部分鮮重；放入牛皮紙袋在105℃下殺青30 min，之后75℃烘干至恒重。

1.3.2測產 在玉米籽粒成熟期實收測產。每小區選擇1 m2內3行12株玉米，果穗去苞葉，計數稱重。待風干后脫粒稱重計算產量。

1.3.3 產量要素考種 將每小區所收獲的玉米選擇3株長勢均勻的玉米穗進行詳細考種。包括穗長、禿尖長、穗周長、列數、列粒數和穗粒數。風干脫粒后測量千粒重并用谷物水分測定儀（Kett PM-8188-A）測定籽粒含水量，籽粒產量統一換算為14%含水量下的產量并計算經濟系數。

圖2 玉米生育期間（6—9月）的日均氣溫和降水

1.3.4 碳氮組分測定 在玉米吐絲期（VT）、吐絲后14 d（R2）和吐絲后28 d（R3）測定功能葉的碳氮組份含量。每個圈選取有代表性的植株3株，取穗位葉（除去葉脈）測定不同的碳氮組分濃度。其中，可溶性糖和淀粉濃度，采用硫酸蒽酮比色法[26]；功能葉硝態氮，采用水楊酸比色法測定[27]；功能葉游離氨基酸，采用水合茚三酮比色法測定[28]；功能葉可溶性蛋白，采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[26]；細胞壁氮和類囊體氮測定方法按照文獻[29-31]測定。功能葉及籽粒全碳和總氮，采用干樣粉碎過篩后碳氮元素分析儀測定。

1.4 數據處理和分析方法

用Microsoft Excel 2016進行數據處理和圖表繪制。處理間方差分析和顯著性檢驗采用SPSS中的ANOVA功能進行（Duncan法）；CO2濃度和氮肥雙因素交互作用，用SPSS軟件中的一般線性模型進行評估。

2 結果

2.1 大氣CO2濃度升高和氮肥對夏玉米生物量的影響

本試驗在玉米生長的各主要生育時期（V6、V12、VT、R2、R3及R6期）測定了不同處理的地上部生物量（圖3）。結果表明，各處理地上部生物量隨玉米生育期進程而逐漸增加，R2期至R3期增長速率最快。eCO2和氮肥施用對玉米地上部生物量總體有促進趨勢，但未達到顯著水平。eCO2和氮肥對玉米地上部生物量的交互作用也不顯著。

2.2 大氣CO2濃度升高和氮肥施用對夏玉米產量及其構成因素的影響

考種結果顯示，eCO2和施氮對夏玉米單株的單穗重量、單穗粒重、千粒重及產量的影響均未達顯著水平（表1）。aCO2下施氮，夏玉米穗粒重及產量有一定增加趨勢，但未達顯著水平。相同施氮水平下，eCO2處理的夏玉米產量及主要產量要素（穗粒重、千粒重）也略有增加，也都未達顯著水平。

2.3 大氣CO2濃度升高和施氮對玉米花后功能葉不同組分碳的影響

2.3.1 可溶性糖濃度 植物葉片中的可溶性糖包括葡萄糖、果糖、蔗糖等單糖和二糖，其濃度的高低，可反映植株體內碳水化合物供應水平。本研究中夏玉米花后穗位葉可溶性糖濃度在2.1%—4.8%，開花吐絲后隨著玉米生育進程的延續總體呈現先增加后降低的趨勢（圖 4）。

單因素方差分析表明，在營養生長盛期向生殖生長過渡的抽雄期（VT期），不施氮水平下eCO2處理功能葉可溶性糖濃度比aCO2處理顯著升高，濃度升高幅度達26.4%。在灌漿中期，eCO2對功能葉可溶性糖的影響不顯著，主要是施氮處理的濃度顯著高于無氮處理。到灌漿后期，功能葉可溶性糖濃度總體低于之前的時期，無論施氮或不施氮，eCO2處理的可溶性糖濃度均顯著高于aCO2處理。ZN水平下，eCO2處理的可溶性糖濃度比aCO2處理顯著升高5.6%；CN水平下，eCO2可溶性糖濃度比aCO2顯著升高22.7%。

ZN、CN分別指不施氮和常規氮用量處理，aCO2和eCO2分別指常規濃度CO2處理和高濃度CO2處理。V6：6葉期；V12：大喇叭口期；VT：吐絲期；R2：吐絲后14 d；R3：吐絲后28 d；R6：成熟期。不同小寫字母表示在同一時期不同處理間差異達5%顯著水平。ns表示不顯著。下同

表1 不同處理下的夏玉米產量及產量要素

ZN、CN分別指不施氮和常規氮用量處理，aCO2和eCO2分別指常規濃度CO2處理和高濃度CO2處理，ns表示不顯著。下同

ZN and CN denote the treatments of zero-N and conventinal-N, respectively; aCO2and eCO2mean the ambient CO2concentration and elevated CO2concentration, respectively, ns means no significance. The same as below

雙因素分析結果表明，eCO2和施氮的交互作用在灌漿后期（R3期）極顯著提高了可溶性糖濃度。

2.3.2 淀粉濃度 淀粉是植物進行光合作用后在葉片中合成復雜碳水化合物的儲存形式。由圖5可知，夏玉米穗位葉淀粉濃度在開花吐絲后隨生育進程而逐漸增加，濃度為5.0%—6.4%。

單因素方差分析表明，施氮使功能葉淀粉濃度增加，其中在VT期和R3期增加顯著，增幅分別為10.3%和9.3%。而eCO2對玉米開花后功能葉淀粉濃度沒有顯著影響。

雙因素方差分析結果顯示，本試驗條件下eCO2和氮肥施用對玉米穗位葉淀粉濃度沒有顯著的交互作用。

2.3.3 總碳濃度 功能葉中的總碳，包括葉片所有形式的碳水化合物，是結構性碳和非結構性碳的總量。夏玉米開花后功能葉總碳濃度在41.2%—44.6%，隨夏玉米花后生育進程的發展，穗位葉總碳濃度總體呈現降低趨勢（圖6）。

**表示同一生育期CO2、氮肥及其交互作用在P＜0.01水平顯著。下同

圖5 開花后夏玉米不同處理功能葉淀粉濃度

單因素方差分析表明，eCO2和氮肥施用使花后大部分時期功能葉總碳濃度增加，在VT、R3和R6期促進作用顯著。eCO2下，VT期、R3期和R6期功能葉總碳濃度分別比aCO2處理顯著提高了4.8%、4.2%和3.2%；施用氮肥的處理，功能葉總碳濃度在這3個時期分別比無氮條件下提高2.3%、2.1%和2.5%。

雙因素方差分析結果表明，CO2與氮肥的交互作用對功能葉總碳在各時期影響均不顯著。

2.4 大氣CO2濃度升高和施氮對玉米花后不同組分氮的影響

植株體內不同形態氮素的濃度及吸收量狀況，可以從不同層次反映植物的營養狀況及生理活動強度。

2.4.1 硝態氮濃度 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。植物吸收硝態氮后，要將硝態氮同化轉化為銨態氮，進而進入氨基酸及蛋白質合成過程。功能葉硝態氮濃度能夠直接體現植株體內無機氮供應狀況，有研究采用玉米最新展開葉中部葉脈的硝態氮含量作為玉米氮素營養診斷的指標[32]。

由圖7可知，玉米開花吐絲期后穗位葉硝態氮吸收量呈先升高后降低的趨勢，范圍在497.4—955.3 μg×g-1之間。

* 表示同一生育期CO2、氮肥及其交互作用在P＜0.05水平顯著。下同

圖7 開花后夏玉米不同處理功能葉硝態氮濃度

單因素方差分析表明，eCO2對玉米花后功能葉硝態氮濃度僅在R3期CN水平下有影響，顯著提高15.2%。而氮肥施用對花后功能葉硝態氮濃度有顯著影響。在VT、R2和R3期，CN處理的功能葉硝態氮濃度分別比ZN處理顯著增加了15.9%、28.5%和16.4%。

雙因素方差分析結果顯示，eCO2和氮肥交互作用對花后功能葉硝態氮濃度僅在R3期表現顯著，其他時期沒有顯著影響。

2.4.2 游離氨基酸濃度 游離氨基酸是植株氮素在合成結構性氮組份前的氮素過渡形態。從圖8可以看出，玉米開花吐絲后穗位葉游離氨基酸濃度隨著生育進程的推進，總體略呈增加趨勢，濃度范圍在334.8—468.3 μg×g-1。

單因素方差分析結果顯示，eCO2下功能葉游離氨基酸濃度有一定提升，在VT期濃度差異顯著。在不施氮水平下，eCO2處理的功能葉游離氨基酸濃度比aCO2顯著提高16.7%；施氮水平下，顯著增加21.7%。氮肥施用對R3期的功能葉游離氨基酸濃度有一定提高，但未達顯著水平。

雙因素方差分析結果表明，eCO2和氮肥的交互作用對功能葉游離氨基酸濃度各時期均沒有顯著的交互作用。

圖8 開花后夏玉米不同處理功能葉游離氨基酸濃度

2.4.3 可溶性蛋白含量 植株體內諸多生理活動各種必需的酶，是各種組成結構不同的可溶性蛋白，對植物體內光合作用、物質代謝及轉運等起著重要作用。本文將結構性氮分類歸納為可溶性蛋白、細胞壁氮及類囊體氮3類進行分析。

玉米開花吐絲后穗位葉可溶性蛋白含量總體呈現先降低后增加趨勢，范圍在16.8—26.5 mg×g-1，單位葉面積的含量為923.6—1 467.0 mg N×m-2（圖9）。eCO2和氮肥對花后功能葉可溶性蛋白含量沒有顯著影響。雙因素方差分析結果顯示，本試驗條件下eCO2和氮肥施用對玉米穗位葉可溶性蛋白含量沒有顯著的交互作用。

圖9 開花后夏玉米不同處理功能葉可溶性蛋白含量

2.4.4 細胞壁氮素含量 細胞壁氮主要是植物細胞壁的構成組份，其在調節氣孔導度、影響光合速率方面有一定作用。相比較而言，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細胞壁氮素更為迫切。夏玉米開花吐絲后功能葉細胞壁氮含量范圍在240.4—391.3 mg N×m-2，隨著生育進程的發展，一直到灌漿后期，單位葉面積的細胞壁氮含量呈增加趨勢（圖 10）。eCO2在處理的功能葉細胞壁氮含量在花后各生育期均低于aCO2處理。在R2期，eCO2處理的功能葉細胞壁氮在ZN和CN下分別比aCO2處理顯著降低12.2%和21.1%；在R3期，在ZN和CN水平下，eCO2處理的功能葉細胞壁氮素分別比aCO2處理低3.2%和8.7%（＜0.05）。氮肥在開花后各個時期均極顯著增加了穗位葉細胞壁氮素含量，這3個時期2種CO2濃度下分別平均增加12.6%，24.4%和12.3%。

雙因素方差分析結果表明，eCO2和氮肥施用對功能葉細胞壁氮只在R2時期有明顯的交互作用。功能葉細胞壁氮素在生育后期降低，反映出體內碳氮代謝的相對變化，eCO2下功能葉結構性氮素含量略下降。

2.4.5 類囊體氮素含量 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主要組成部分。由圖11可知，類囊體氮含量在夏玉米開花吐絲后，在155.8—358.4 mg N×m-2范圍內，整體來講，單位葉面積內的含量隨生育期推進而略呈增加趨勢。eCO2對類囊體氮素的影響在VT期CN條件下表現為顯著降低，降低幅度19.5%；R3期ZN和CN條件下表現為顯著降低，分別比aCO2處理顯著降低26.6%和22.3%。而氮肥施用對功能葉類囊體氮的影響，表現在花后各主要時期，其含量顯著高于不施氮處理，3個時期aCO2和eCO2下的平均增幅分別為40.9%、18.2%和45.4%。eCO2和氮肥施用對花后功能葉類囊體氮含量僅在VT期有正交互作用，后期交互作用不顯著。

圖10 開花后夏玉米不同處理功能葉細胞壁氮素含量

圖11 開花后夏玉米不同處理功能葉類囊體氮素含量

2.4.6 總氮濃度 功能葉總氮是指葉片內所有形態氮的含量，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。

夏玉米在抽雄開花期后，功能葉總氮濃度隨生育進程的繼續，總體呈降低趨勢，濃度在2.24%—3.21%，功能葉內的各種養分逐漸向籽粒轉移，葉片逐漸趨向衰老（圖12）。

eCO2下功能葉總氮濃度總體略低于aCO2，在R3期施氮水平下表現顯著，濃度相對顯著降低了7.5%，其他時期差異不顯著。施用氮肥對功能葉總氮濃度的影響在R2期和R3期表現明顯，在aCO2水平下功能葉總氮濃度分別增加10.8%和2.5%。

雙因素方差分析結果顯示，eCO2與氮肥施用對夏玉米穗位葉總氮濃度在R3期有交互作用，總氮濃度顯著降低（可能與碳含量相對增加有關）。

圖12 開花后夏玉米不同處理功能葉總氮濃度

2.5 大氣CO2濃度升高和施氮對夏玉米穗位葉碳氮比的影響

不同時期葉片碳氮比能反映植株體內碳氮養分總體供應情況及碳氮代謝的相對狀況。測定數據顯示，穗位葉碳氮比在夏玉米抽雄開花后隨玉米生育進程的進行總體呈升高趨勢，從抽雄期的（13.1—14.8）﹕1增加到成熟期的（17.4—19.0）﹕1（圖13）。

eCO2總體會促進碳氮比的增加。與aCO2相比，eCO2處理在VT期ZN水平下和R3期CN水平下功能葉碳氮比差異顯著增加，相對增幅分別為4.2%和7.0%；其余生育期eCO2處理的功能葉碳氮比總體高于aCO2處理，但未達顯著水平。氮肥施用在R3期對穗位葉碳氮比有一定影響，C/N有一定增加，說明施氮促進了碳水化合物的合成，C/N在灌漿后期有一定提高；但施氮在其他大部分時期對功能葉碳氮比沒有顯著影響。

eCO2和氮肥施用對功能葉碳氮比交互作用的影響，在R3期作用顯著，交互作用顯示碳氮比增加，即碳組分濃度相對增加而氮組份相對下降，說明eCO2和氮肥共同作用對作物體內碳氮代謝有協同作用。

3 討論

CO2是植物光合作用的碳來源，氮是植物生長必需的第一營養元素，eCO2和氮素合理供應會使植物的產量形成及各項生理代謝活動協調進行，進而達到作物產量及品質的雙優。

3.1 大氣CO2濃度升高和施氮對夏玉米開花后葉片不同組分碳的影響

本文研究結果顯示，eCO2和施氮對玉米抽雄開花后功能葉可溶性糖、淀粉和總碳濃度增加均有一定的促進作用，但具體的促進程度在不同時期表現不盡相同，也并非所有時期都呈現顯著促進作用。具體來講，eCO2在ZN水平下使VT期可溶性糖濃度顯著增加26.4%（圖4）；R3期則無論施氮與否，與eCO2相比，aCO2均顯著提高了功能葉可溶性糖濃度，ZN下提升幅度為5.6%、CN下為22.7%（圖4）。這與Li等[20]、Li等[21]和蔣躍林等[22]在茶樹，Li等[33]在小麥的研究結果一致。而本試驗結果表明，eCO2對夏玉米穗位葉淀粉濃度影響不顯著；功能葉淀粉濃度在VT期和R3期主要受施氮的影響而呈增加趨勢。錢蕾等[34]對四季豆、Aranjuelo等[35]對小麥和Watanabe等[36]對擬南芥的研究表明，eCO2使葉片淀粉濃度顯著提高，而本研究eCO2對功能葉淀粉濃度沒有顯著影響，原因可能是前人的研究中eCO2濃度為700—800 μmol·mol-1，高于本研究的550 μmol·mol-1。

圖13 開花后夏玉米不同處理功能葉碳氮比

氮肥施用對夏玉米功能葉不同組份碳的影響方面，主要體現為顯著促進了花后各主要時期穗位葉簡單碳組分（如可溶性糖）的濃度；而對淀粉及總碳濃度的增加作用則主要體現在部分時期。這與潘彤彤等[37]對菠蘿蜜葉片可溶性糖及淀粉濃度隨施氮量增加而升高，與劉娜等[38]對甜菜葉片可溶性糖濃度在生育后期適量施氮而提高的研究結論一致。

eCO2和氮肥施用的交互作用僅在R3期的功能葉可溶性糖濃度方面為顯著增加，其他時期對不同組分碳濃度的交互作用均不顯著。這可能是由于C4作物對CO2的親和力高，因此對外界eCO2的反應不敏感[39]，且本研究中土壤氮背景值較高，氮素不至嚴重缺乏的緣故。

3.2 大氣CO2濃度升高和施氮對夏玉米開花后穗位葉不同組分氮含量的影響

本文結果表明，eCO2和施氮對夏玉米功能葉不同組分氮含量的影響在不同時期不盡相同。eCO2對玉米花后功能葉不同組分氮含量的影響具體表現為，ZN水平eCO2條件下抽雄期功能葉硝態氮濃度及游離氨基酸濃度相比aCO2處理有一定程度增加；另外，在VT期ZN和CN水平下，eCO2下游離氨基酸濃度比aCO2也表現為顯著增加，增加幅度為16.7%和21.7%（圖8）。這與陳法軍等[40]對棉花苗期和錢蕾等[34]對四季豆葉片游離氨基酸的研究報道一致。eCO2對花后功能葉可溶性蛋白含量沒有顯著影響（圖9）。eCO2下功能葉細胞壁氮和類囊體氮含量相比aCO2分別在R2期和R3期表現為下降（圖10—11）。總體來講，eCO2會對抽雄及灌漿期功能葉硝態氮和游離氨基酸濃度有促進作用；但在灌漿后期功能葉的細胞壁氮、類囊體氮含量則有所降低；而結構性氮組分中的可溶性蛋白含量在玉米抽雄開花后沒有受到影響，說明氮素優先滿足必需氮組份（可溶性蛋白）的需求，而結構性氮組分（細胞壁氮及類囊體氮）的含量在后期有一定降低。這與Mu等[41]關于常規施氮和不施氮處理下，類囊體氮素在花后出現快速下降的時間均明顯早于可溶性蛋白含量出現快速下降時間的研究結果一致。

有研究表明，施用氮肥會顯著提高葉片硝態氮濃度[42]、游離氨基酸和可溶性蛋白含量[43-45]，且使細胞壁氮素和類囊體氮素含量提高[4]。但也有研究顯示，施氮與否對作物葉片可溶性蛋白含量的影響較小，不具有統計顯著性[46-47]。本試驗中，氮肥施用對玉米花后功能葉不同組分氮含量的影響主要體現為施氮普遍提高了玉米花后各主要時期功能葉硝態濃度（圖7）、細胞壁氮素（圖10）和類囊體氮素含量（圖11），這與大部分研究結果相似[4, 42]；而對游離氨基酸及可溶性蛋白的含量則僅在個別時期有一定促進作用，如對后期（R3期）功能葉可溶性蛋白含量有一定促進作用（圖9），未達顯著水平。可見，本研究中氮肥施用促進了功能葉中無機氮及活性有機氮的含量，沒有造成非必需氮（以細胞壁氮含量為指示）的下降和分解，起到了對作物必需元素氮的充足供應（以硝態氮濃度為指示）。本試驗由于土壤背景氮供應較為充足（堿解氮111.8 mg·kg-1），因此ZN處理并未造成玉米生長中氮素的嚴重虧缺而特別影響氮代謝，ZN處理僅表現為功能葉氮組分中的細胞壁氮含量在后期有降低，而對關鍵氮組分（如可溶性蛋白）并未產生影響，氮素優先滿足作物生長必需的可溶性蛋白，因此對作物氮代謝沒有引起顯著負面影響。

總體來講，eCO2和氮肥交互作用在促進作物氮供應方面的作用僅表現為某些時期關鍵氮組分的含量增加。這可能由于本研究中土壤氮素背景值較高，因此eCO2下氮的供應沒有嚴重缺乏，個別時期非必需氮組分的暫時缺乏（如某些時期功能葉細胞壁氮素含量降低），并不嚴重影響氮代謝。此外，本試驗供試土壤氮背景值高，加之夏玉米生育期雨熱同季、適宜的水熱狀況下土壤有機氮礦化速率高、土壤氮對作物氮素的供應占到作物吸氮量的一半甚至更多[48-50]，因此本研究中eCO2和氮肥交互作用對關鍵氮組分的濃度沒有產生負面影響。

營養性氮素（硝態氮、銨態氮和各種氨基酸）是合成各種功能性氮素（各種酶類所含的氮素）和結構性氮素（形成細胞壁和各種膜的含氮化合物）的“原料”，后兩者是植物氮素同化中的最終產物[51-53]。結合本文的研究結果分析，玉米灌漿中后期非溶性含氮化合物（細胞壁氮素在R2、R3期，類囊體氮素在R3期）作為最終氮合成產物在eCO2下表現出降低趨勢（圖10—11），可能是由于其合成過程要經過一系列復雜碳氮代謝過程的協調配合才能完成，因此其合成在玉米生育后期碳氮代謝協調不平衡時會降低；而作為“原初原料”的可溶性含氮化合物則在因eCO2及氮肥施用方面的作用較為直觀，表現則相對簡單或直觀。

類囊體是光合作用在葉綠體內進行的主要場所。植物長期處于eCO2下會出現光合速率逐漸下降并最終接近正常CO2濃度下的水平，這被稱作光合適應現象[54]。本研究中，eCO2處理中類囊體氮素的含量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。這與研究人員在多種不同作物[55-56]上的研究結果一致，即eCO2對NSC有促進效果、而對類囊體氮素在后期有抑制效果。

3.3 大氣CO2濃度升高和氮肥施用對夏玉米葉片碳氮比的影響

本研究中，eCO2使玉米功能葉中大部分生育期（VT期和R3期2種氮水平下以及R2和R6期常規氮水平下）的C/N顯著升高（圖13）。這與非結構性碳水化合物及總碳在eCO2下增加及部分含氮化合物和總氮濃度下降有關。該結果與一些研究對水稻在eCO2后植株地上部碳養分累積量增加、植株C/N增加的結果一致[57-58]。

3.4 大氣CO2濃度升高和施氮對夏玉米產量及產量構成因素和生物量的影響

Li等[59]對綠豆的研究表明，eCO2會增加綠豆在成熟期的生物量；Kimball等[60]也報道，eCO2會使C3作物生物量增加。本研究對C4作物夏玉米產量及各生育期生物量的研究結果顯示，eCO2和氮肥施用對玉米地上部生物量總體有一定促進趨勢，但均未達到顯著水平。這與Long等[61]對FACE研究的結果相似。如前所述，由于本供試土壤基礎肥力高，夏玉米季雨熱同期，土壤有機氮礦化速率及數量都較高[48-49]。當季不施氮也并未對玉米生長起到顯著的抑制作用，這可能是本試驗中施氮及氮肥與eCO2互作的產量效應不顯著的主要原因。

本試驗中eCO2處理病蟲害加重也是eCO2對玉米增產不顯著的原因之一，考種數據顯示，CN水平下eCO2處理受蟲害侵染的玉米壞籽粒占比從2.1/500增加到7.6/500。本試驗地玉米季的其他測定指標表明，eCO2會顯著降低玉米葉片的氣孔導度，提高CO2固定過程中的水分利用效率[24]，這為害蟲提供了潛在的有利生境[62]。有研究表明，eCO2對咀嚼式口器昆蟲的生長有利，eCO2下玉米螟幼蟲平均取食危害增加[63]，昆蟲幼蟲數量和存活率有所增加[64]。此外，eCO2有利于促進果實中糖分的積累[65]，吸引更多的昆蟲取食。有報道顯示，eCO2使得大豆害蟲種群數量增加[66]，eCO2下小麥蚜蟲的繁殖量及相對生長率都提高[67]。還有報道指出，eCO2導致番茄花葉病、水稻稻瘟病和紋枯病發生嚴重[68]，玉米螟的危害加重[63,69]。這可能也是本試驗下eCO2對夏玉米產量反應不顯著的可能原因之一。

氮肥過量施用也會使植物產生一定程度的貪青晚熟而引起一定的負面影響。李雪濤等[70]對玉米的研究結果表明，土壤中氮素過多會使玉米莖稈變得細嫩、易倒伏，而倒伏率每增加1%，玉米大約減產108 kg·hm-2。孟戰贏等[71]的研究結果表明，相同水分條件下，氮肥追肥量為180 kg N·hm-2的處理產量高于追肥量為120 kg N·hm-2的處理，而追氮量為240 kg N·hm-2的處理產量低于追肥量為180 kg N·hm-2的處理。水肥互作共同對作物產量產生影響，本試驗7月中旬至8月中旬為夏玉米拔節期，此期間的降水量占到全玉米生育期降水量的60%（圖2），玉米生育期水分充足、加之土壤基礎肥力高保證了氮供應，在此基礎上再施氮玉米生長速度快、易發生徒長。試驗記錄表明，試驗期間7月22日夜間發生極端大風災害事件，玉米出現倒伏現象，其中施氮處理的玉米較不施氮玉米倒伏現象更為嚴重，雖未發生根折莖折并且在隨后一周內自行恢復，但也可能對產量造成了一定的影響。這也可能是造成本試驗施氮處理產量差異不顯著的又一原因。

綜上所述，本試驗施氮處理及其與CO2處理的互作對玉米生長和最終產量均沒有顯著影響的原因，可能包括以下3個方面：（1）土壤基礎供氮能力高；（2）eCO2處理病蟲害危害加重、蟲害籽粒多；（3）施氮處理由于大風極端事件造成的短時倒伏對產量有一定影響。此外，有研究顯示，C4作物產量在水分及氮素都充足供應下，eCO2對產量并沒有明顯的促進作用。美國Illinois及Arizona的FACE試驗結果也報道，eCO2對C4作物產量的作用在作物受脅迫的條件下（如干旱）才顯示其對產量的顯著補償作用[72]。

總體來講，本試驗針對C4作物夏玉米的研究顯示，eCO2和氮肥施用對夏玉米不同碳氮組分含量及產量的影響，主要表現為eCO2提高了花后功能葉可溶性糖濃度，對抽雄期淀粉濃度、葉片總碳濃度及游離氨基酸濃度也有一定增加作用；氮肥施用顯著提高了花后各生育時期功能葉硝態氮濃度，為玉米的產量形成及主要生理活動提供了充足的氮素供應；eCO2和氮肥施用的交互作用對灌漿后期功能葉可溶性糖濃度、硝態氮濃度及葉片碳氮比提升起到了促進作用，為碳氮生理代謝和產量提升提供了可能潛力。本研究目前是在eCO2下針對C4作物不同碳氮組分含量及動態的一些初步探索，還需要在不同土壤地力條件下，開展更多針對eCO2和氮肥施用及不同土壤水分狀況下多因素交互作物對C4作物碳氮代謝影響的深入研究。

4 結論

本研究在FACE平臺下，針對夏玉米農大108在施氮與不施氮條件下開展田間試驗，對夏玉米的生物量、產量及產量構成因素、玉米抽雄開花后功能葉不同碳氮組分含量動態進行了研究，得到如下主要結論：

（1）在中等地力水平下，大氣CO2濃度升高和氮肥施用均對夏玉米生物量及產量增加有一定促進作用，但均未達顯著水平。在土壤供氮不匱乏的情況下，eCO2和氮肥對產量的交互作用也不顯著。

（2）大氣CO2濃度升高條件下，玉米從抽雄開花到灌漿末期，功能葉中可溶性糖濃度提高，抽雄期和灌漿后期總碳濃度增加，總氮濃度降低，碳氮比增加。

（3）大氣CO2濃度升高對抽雄及灌漿期功能葉游離氨基酸濃度有促進作用；但使吐絲后功能葉的細胞壁氮素、類囊體氮素含量有所降低；而結構性氮組份中的必需類氮-可溶性蛋白含量在玉米抽雄開花后沒有受到影響。

（4）氮肥施用使玉米從抽雄到灌漿后期功能葉非結構性碳水化合物濃度、硝態氮濃度、細胞壁氮素和類囊體氮素含量顯著提高；中等土壤肥力下不施氮處理的功能葉可溶性蛋白含量沒有受到影響，但類囊體氮和細胞壁氮含量降低，氮素優先滿足作物生長必需的可溶性蛋白。

（5）大氣CO2濃度升高和氮肥交互作用對灌漿前期功能葉類囊體氮素，灌漿中期細胞壁氮素有提高作用，后期作用不顯著；交互作用僅對灌漿后期碳氮組份中的可溶性糖、硝態氮濃度有一定增加作用。

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Effects of elevated atmospheric CO2concentration and nitrogen fertilizer on the yield of summer maize and carbon and nitrogen metabolism After flowering

LI Ming1, LI YingChun1, NIU XiaoGuang1, MA Fen1, WEI Na1, HAO XingYu2, DONG LiBing1, 2, GUO LiPing1

1Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory for Agro-Environment, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081;2College of Agronomy, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi

【】To provide the theoretical support on the mechanism on the sustainable production of maize under future climate change and give suggestions on associate parameter adjustment for crop models, the effects of elevated atmospheric CO2concentrations (eCO2) and nitrogen application on the content and dynamics of different carbon and nitrogen metabolites after flowering of summer maize were studied.【】Based on the free atmospheric CO2enrichment (FACE) platform, a field experiment was carried out with Nongda 108, a summer maize variety, as the experimental material. Two nitrogen levels (ZN-zero nitrogen and CN-180 kg N·hm-2) were set under the ambient atmospheric CO2concentration (aCO2) of about (400±15) μmol·mol-1and high CO2concentration of (550±20) μmol·mol-1, respectively. The following measurements were monitored in the experiment: the maize yield and its components, accumulation of dry matter, content and dynamics of carbon metabolites, including non-structural carbohydrates (ie. soluble sugar and starch), total carbon and nitrogen metabolites including soluble nitrogen (ie. nitrate nitrogen, free amino acids, and soluble protein), and insoluble nitrogen compounds (ie. cell walls-N, thylakoid-N, and total-N), and the carbon to nitrogen ratio.【】(1) eCO2and nitrogen application could promote the accumulation of biomass of summer maize, however the effects on maize yield and yield components were not significant. (2) Under eCO2, the concentration of soluble sugar, one of the components of carbon metabolites, showed significant increase in the functional leaves after the flowering stage, as well as the C/N ration at the late seed-filling stage. (3) Under eCO2, the concentration of essential functional N components did not show obvious variation in the functional leaves after the flowering stage, but the content of some structural nitrogen components were decreased: The content of soluble protein, the functional N component, was not affected by eCO2in the functional leaves. The concentration of free amino acid, one of the simple N components, only showed increase at the flowering stage and then showed less change at the later growth period compared with that under aCO2. However, the content of cell wall-N and thylakoid-N, the non-soluble N components, were significantly decreased at the late period after flowering stage. (4) Nitrogen fertilizer application could increase the concentration of non-structural carbohydrates (soluble sugars) and nitrate-N significantly in functional leaves from tasseling to the later stage of filling, as well as the content of cell wall-N and thylacoid-N. However, the content of soluble protein was not affected in functional leaves without nitrogen application under the medium soil fertility. In comparison, the content of thylakoid-N and cell wall-N showed decrease in the functional leaves in the treatment without nitrogen fertilizer application, implying that nitrogen was usually preferentially supplied for the soluble protein to meet the necessary requirement of crop growth. (5) The interaction function of eCO2and nitrogen fertilizer showed difference for varied components of the carbon and nitrogen metabolites, usually exhibited at different stages: combination of N application and eCO2improved the concentration of simple carbon and nitrogen components, such as soluble sugars and nitrate nitrogen in the later stage of maize functional leaves, and increased the C/N ration. The content of cell wall nitrogen could be increased at the early stage of grouting for summer maize. For total nitrogen content in functional leaves, it showed decreased only at the later stage of seed filling grouting, and there was no other impact on the total nitrogen at other stages in summer maize growth period. 【】eCO2had a certain effect on the biomass increase of summer maize, and the carbon nitrogen ratio of ear to leaf increase significantly in some stages, but had no significant effect on the yield. Under eCO2, the content of unstructured carbohydrates in ear leaves increased, but the total nitrogen and insoluble nitrogen compounds decreased to different degrees after flowering. Therefore, it was important to increase nitrogen application level rationally under the future climate change scenarios in which eCO2would be one of the characteristics.

maize(L.); elevated CO2concentration; nitrogen fertilizer; production; carbon and nitrogen metabolism

10.3864/j.issn.0578-1752.2021.17.008

2020-09-10；

2020-12-18

國家重點研發計劃（2017YFD0300301）

李明，E-mail：liming3633@163.com。通信作者郭李萍，E-mail：GuoLiping@caas.cn

（責任編輯 楊鑫浩）