大气CO2浓度升高与氮肥互作对玉米花后碳氮代谢及产量的影响

摘要

[目的]研究大气CO2浓度升高(eCO2)及氮肥施用对夏玉米开花吐丝后不同组分碳氮代谢物含量及动态和产量的影响,为全球气候变化下玉米生理过程及产量形成的变化提供理论支撑,同时为玉米作物模型调参提供实证数据.[方法]利用自由大气CO2富集(FACE)平台,以夏玉米品种农大108为试验材料开展田间试验.在常规大气CO2浓度(aCO2,(400±15)μmol·mol-1)和高CO2浓度(eCO2,(550±20)μmol·mol-1)下分别设置不施氮(ZN)和施氮(CN,180 kg N·hm-2)2个氮水平.对夏玉米产量及其构成要素、干物质积累、花后碳代谢物(可溶性糖、淀粉、总碳)动态和氮代谢物(硝态氮,游离氨基酸、可溶性蛋白、非溶性氮化合物细胞壁氮素和类囊体氮素、总氮)动态以及碳氮比动态进行监测.[结果](1)eCO2与施氮对夏玉米生物量积累有一定促进作用,但对产量及产量构成因素的影响均不显著.(2)eCO2使玉米花后功能叶碳组份中的可溶性糖浓度显著提高,灌浆后期叶片碳氮比显著提高.(3)eCO2下花后玉米功能叶氮代谢中的必需功能氮组分浓度未受影响,而一些结构性氮组分浓度有降低,eCO2对功能叶中功能氮组分(如可溶性蛋白)的含量没有显著影响;氮代谢中的简单组分(如游离氨基酸)在功能叶中的浓度仅在开花期比aCO2有显著增加,后期没有显著影响;但eCO2下氮代谢中的非溶性氮组分(如细胞壁氮素和类囊体氮素)含量在花后一些时期显著降低.(4)氮肥施用使玉米从抽雄到灌浆后期功能叶非结构性碳水化合物(如可溶性糖)浓度、硝态氮浓度、细胞壁氮素和类囊体氮素含量显著提高;中等土壤肥力下不施氮处理的功能叶可溶性蛋白含量没有受影响,但非溶性氮组分(如类囊体氮和细胞壁氮)含量降低,氮素优先满足作物生长必需的可溶性蛋白.(5)eCO2和氮肥交互作用对不同组分碳氮代谢物的影响不同,体现在不同时期,主要表现为提高了玉米功能叶简单碳氮组分(如可溶性糖和硝态氮)在后期的浓度,且碳氮比提高;提高了灌浆初期细胞壁氮素含量,功能叶总氮浓度仅在灌浆后期表现降低、其他时期没有显著影响.[结论]eCO2对夏玉米的生物量增加有一定作用,玉米穗位叶碳氮比在一些时期显著增加,但对产量无显著影响;eCO2下玉米花后穗位叶非结构性碳水化合物浓度增加,但总氮和非溶性氮素化合物在花后均发生不同程度降低.在未来大气CO2浓度升高为特征之一的气候变化情景下,合理增施氮肥对促进作物碳氮代谢的协调有一定必要性.