随着现代工业的迅速发展与化石燃料的大量使用，大气中 CO₂ 浓度迅速增加。迄今为止，大气中的 CO₂ 浓度已由工业革命前的 270µmol·mol^-1 增至 400µmol·mol^-1，并将于 21 世纪中期增至 550 µmol·mol^-1 左右^[1-2]。CO₂ 是作物光合碳同化的原材料，其浓度升高会影响作物光合作用，进而直接影响作物生理活动。同时，大气 CO₂ 浓度升高会进一步引起温室效应，导致大气降水减少与土壤旱情加剧^[3]，从而对作物生理活动造成间接影响。目前，CO₂ 浓度升高与土壤旱情加剧这一未来气候变化趋势已成为影响作物生长发育与产量的重要环境因素。近 20 年来，为应对土壤旱情加剧与农业水资源供应不足，分根交替灌溉模式被创造性地提了出来，并广泛应用于农业生产，在稳产基础上取得了良好的节水效果。但 CO₂ 浓度升高条件下分根交替灌溉的节水效应究竟如何？还需要进一步深入研究。

为预测未来气候变化对作物成长与产量的影响，广大学者分别对 CO₂ 浓度升高对作物生理特性的影响进行了研究。CO₂ 浓度升高能够为光合碳同化提供更多的碳素^[4]；同时，CO₂ 浓度升高还能够提高参与碳同化相关酶的活性，增强二磷酸核酮糖羧化 / 加氧酶对 CO₂ 的羧化能力^[5]。因此，大气 CO₂ 浓度升高能够提高作物光合速率。此外，CO₂ 浓度升高还能够对作物内源激素含量产生影响。李雪梅等^[6]研究发现，CO₂ 浓度升高能够导致脱落酸（ABA）含量升高与玉米素核苷（ZR）含量降低；但亦有研究^[7]证实，CO₂ 浓度变化不会引起内源激素 ABA 含量的变化。这些研究结论迥异可能与作物自身特性差异、CO₂ 处理时间或浓度差异有关系。ABA 含量变化能够引起气孔开度改变，进而导致光合电子供求变化。最终，活性氧（ROS）的代谢由此发生改变^[8]。当 ROS 的产生与清除能够维持动态平衡时，其对作物的影响较小；而当 ROS 的累积超出抗氧化酶的 ROS 清除能力时，就会对作物生长与产量造成不利影响。目前，尽管广大学者已对作物响应 CO₂ 浓度升高的生理机制进行了大量研究，但这些研究往往单纯考虑 CO₂ 浓度升高对作物生理特性的影响，而忽视了对不同灌溉模式下作物响应 CO₂ 浓度升高的生理机制的研究。因此，不同灌溉模式下 CO₂ 浓度升高对作物生理特性影响的研究还有待展开。

玉米是我国主要的粮食作物，在促进国家农业发展与保障国家粮食安全中有着十分重要的地位。为预测未来气候变暖对玉米生理特性的影响，本研究对不同灌溉模式下 CO₂ 浓度升高对玉米幼苗内源激素含量、光合碳同化、叶绿素荧光特性、ROS 积累及抗氧化酶活性的影响进行深入分析，旨在探明玉米幼苗响应 CO₂ 浓度升高与交替灌溉的生理机制，为探求应对未来气候变化的农田灌溉措施提供理论基础与技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计与材料

试验展开前，首先搭建 6 个大小规格一致的小塑料棚（长 2 m、宽 1.5 m、高 2 m），分别用来进行不同 CO₂ 浓度与不同灌溉模式处理。试验开始前，用培养桶（上底直径 30cm、下底直径 25cm、高 28 cm）制作分根桶（桶内被 PVC 板均匀分隔为两个不透水的隔室）；玉米种子播于分根桶正中央，以确保玉米根系能够均匀地分布于两个隔室。待种子出苗两周后，选取长势一致的桶栽玉米分别搬入小塑料棚用于开展试验。试验设计 2 个 CO₂ 浓度处理和 3 个灌溉模式处理：CO₂ 浓度处理分别为 CO₂ 常规处理（设定 CO₂ 浓度为 400 µmol·mol^-1）与 CO₂ 升高处理（设定 CO₂ 浓度为 800 µmol·mol^-1）。采用 CO₂ 浓度自动控制系统调控电磁阀开闭，进而调控高压钢瓶中 CO₂ 释放。当传感器探测到 CO₂ 浓度低于设定值时，电磁阀打开，钢瓶中 CO₂ 释放；而当其探测到 CO₂ 浓度高于设定值时，电磁阀关闭，从而使棚中 CO₂ 浓度维持在设定值。灌溉模式分别为充分灌溉（SI，各隔室每天均灌水至田间持水量的 80%）、交替灌溉（AI，一隔室每天灌水至田间持水量的 80%，另一隔室不灌水；处理每 4 d 交换一次）与亏水灌溉（DI，各隔室每天的灌水量均为交替灌溉处理灌水量的 50%）。

1.2 测定指标和测定方法

1.2.1 光合参数测定

4 周后，使用便携式光合仪（LiCor-6400；LiCorInc. Lincoln，Nebraska，USA）对玉米幼苗倒四叶片的光合速率（P_n）、气孔导度（G_s）、蒸腾速率（T_r） 等光合参数进行测定。依据公式（1）计算出叶片水分利用效率（WUE_leaf）。

1.2.2 叶绿素荧光参数测定

使用调制叶绿素荧光仪（MINI-PAM-II，WalzGmbH，Germany）测定玉米幼苗倒四叶片叶绿素荧光参数。测定之前，首先使用黑布对待测叶片进行 30 min 的暗适应；开始测定之后，先采用一束弱光 （光强小于 0.1 µmol·m^-2·s^-1）照射叶片，得初始荧光（F_o）；再使用饱和脉冲光（光强为 5000 µmol·m^-2·s^-1） 照射叶片 0.8 s，得暗适应下最大荧光（F_m），再应用光化光持续照射叶片，得稳态荧光（F_s）；进一步使用饱和脉冲光照射叶片，得光适应下最大荧光（F_m′）； 最后由叶绿素荧光仪自动计算出初始荧光（F_o′）。随后，最大光化学效率（F_v/F_m）、实际光化学效率 （Φ_PSII）、电子传递速率（ETR）与非光化学淬灭系数 （NPQ）等叶绿素荧光参数分别依据如下公式计算：

1.2.3 内源激素含量测定

完成光合与叶绿素荧光参数测定后，收获叶片并进一步用液氮碾为粉末。用酶联免疫法^[9]测定叶片内源激素 ABA 与 ZR 含量，并计算叶片 ABA/ZR。

1.2.4 ROS 积累与丙二醛（MDA）含量测定

采用羟胺氧化法测定叶片超氧阴离子（${\mathrm{O}}_2^{\cdot -}$） 产生速率^[10]，采用 TiCl₄ 络合离子分光光度法测定叶片过氧化氢（H₂O₂）含量^[11]，采用硫代巴比妥酸法测定叶片 MDA 含量^[12]。

1.2.5 抗氧化酶活性测定

采用氮蓝四唑光化还原法测定叶片超氧化物歧化酶（SOD）活性^[13]，采用紫外分光光度法测定叶片过氧化氢酶（CAT）活性和叶片过氧化物酶 （POD）活性^[14]。

1.3 数据分析

利用 SPSS 13.0 及 Origin 7.5 分别进行试验数据统计分析并绘图。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉模式下 CO₂ 浓度升高对玉米幼苗叶片内源激素含量的影响

图1 表明，交替与亏水灌溉模式下，玉米幼苗叶片 ABA 含量较充分灌溉显著升高，而 ZR 含量较充分灌溉显著降低。这进一步导致了交替灌溉与亏水灌溉模式下的 ABA/ZR 较充分灌溉显著升高。CO₂ 升高处理后，叶片 ABA 含量与 ABA/ZR 均较 CO₂ 常规处理降低，而 ZR 含量较 CO₂ 常规处理显著升高。

注：不同小写字母表示不同处理方式间数值存在显著性差异（P<0.05），下同。

2.2 不同灌溉模式下 CO₂ 浓度升高对玉米幼苗光合参数的影响

图2 显示，交替灌溉能够显著降低玉米幼苗 g_s 与 T_r，而对 P_n 的影响不显著；WUE_leaf 最终较充分灌溉呈升高趋势。亏水灌溉模式下，玉米幼苗 G_s、T_r 与 P_n 均较充分灌溉显著降低。进一步对 CO₂ 浓度升高模式下玉米幼苗光合参数的变化进行研究表明，CO₂ 浓度升高处理下，玉米幼苗 G_s 与 T_r 较常规处理显著降低，而 P_n 与 WUE_leaf 较常规处理显著升高。

2.3 不同灌溉模式下 CO₂ 浓度升高对玉米幼苗叶绿素荧光参数的影响

图3 显示，交替灌溉模式下的 F_v /F_m 较充分灌溉未发生显著变化；与 F_v /F_m 不同，交替灌溉模式下的 Φ_PSII 与 ETR 均较充分灌溉显著降低，而 NPQ 较充分灌溉显著升高。亏水灌溉模式下，F_v /F_m、Φ_PSII 与 ETR 均较充分灌溉显著降低。进一步对 CO₂ 浓度升高模式下玉米幼苗叶绿素荧光参数的变化进行分析发现：与 CO₂ 常规处理相比，CO₂ 浓度升高处理未对 F_v/F_m 造成显著影响，而导致了 Φ_PSII 与 ETR 的显著升高，及 NPQ 的显著降低。

2.4 不同灌溉模式下 CO₂ 浓度升高对玉米幼苗叶片 ROS 含量的影响

图4 表明，交替与亏水灌溉模式下，玉米幼苗叶片${\mathrm{O}}_2^{\cdot -}$产生速率与 H₂O₂ 含量较充分灌溉显著升高；但交替灌溉模式下的 MDA 较充分灌溉未发生显著变化。CO₂ 浓度升高之后，各灌溉模式下的${\mathrm{O}}_2^{\cdot -}$产生速率、H₂O₂ 含量与 MDA 均较 CO₂ 常规处理呈现出降低趋势。

2.5 不同灌溉模式下 CO₂ 浓度升高对玉米幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

图5 表明，与充分灌溉相比，交替与亏水灌溉能够诱导玉米幼苗叶片 SOD、CAT 与 POD 活性升高；但亏水灌溉模式下的抗氧化酶活性显著低于交替灌溉。进一步对 CO₂ 浓度升高模式下玉米幼苗叶片抗氧化酶活性的变化进行分析发现：SOD、CAT 与 POD 活性均较 CO₂ 常规处理呈降低趋势。

3 讨论

交替与亏水灌溉模式下，叶片 ABA 含量显著升高，而 ZR 含量显著降低。这与水分亏缺诱导根区 ABA 与 ZR 合成变化、通过木质部传输至冠层的 ABA 与 ZR 的量相应发生变化有关^[8]。ABA 为抑制生长型激素，而 ZR 为促进生长型激素^[15]；叶片 ABA/ZR 升高，将不利于作物叶片细胞分裂与伸长。环境 CO₂ 浓度升高后，大量 CO₂ 进入叶肉细胞；这能够降低光合电子泄漏风险，进而减少 ROS 生成^[16]；由于 ROS 参与了 ABA 的生物合成^[17]，其含量减少必然导致叶片 ABA 的含量降低（图1A）。胞内 CO₂ 浓度升高还能够导致作物呼吸增强，由此造成 ATP 大量产生；ATP 是异戊烯基腺苷-5'-二磷酸（iPDP）与异戊烯基腺苷-5'-三磷酸（iPTP）生物合成的底物，且 iPDP 与 iPTP 能够通过羟化作用形成 ZR^[18]；因此，CO₂ 浓度升高会导致叶片 ZR 含量升高与 ABA/ZR 降低，从而有利于作物生长发育。

交替与亏水灌溉模式下的叶片 ABA/ZR 升高还能够诱导气孔收缩。大量研究证实：轻度胁迫条件下的气孔收缩能够有效地降低蒸腾，而对光合的影响不大^[19-20]。本研究亦证实，亏水灌溉模式下，伴随着气孔的收缩，蒸腾与光合碳同化显著降低；而交替灌溉模式下，蒸腾随气孔收缩显著降低，光合随气孔收缩变化不显著。这表明交替灌溉对叶片产生的胁迫相对较轻，能够有效提高 WUE_leaf。进一步的研究发现，CO₂ 浓度升高虽然降低了叶片 ABA/ZR，但 G_s 仍呈降低趋势。这应该是 CO₂ 浓度升高模式下叶片与根系导水率发生变化共同作用的结果^[21]。G_s 降低会导致 T_r 降低；但受光合底物增加、二磷酸核酮糖羧化酶活性增强、光合电子传递加快、热能耗散减少等因素影响，CO₂ 浓度升高模式下的 P_n 较充分灌溉显著升高。因此，CO₂ 浓度升高模式下的 WUE_leaf 较充分灌溉显著升高。研究还发现，交替灌溉模式下，玉米幼苗能够通过降低 Φ_PSⅡ、减缓 ETR、升高 NPQ 来耗散过剩能量，避免能量过度激发对其造成生理伤害。最终，玉米幼苗 F_v / F_m 维持了稳定。而亏水灌溉模式下，玉米幼苗 F_v /F_m 较充分灌溉显著降低，表明亏水灌溉对叶片光化学器官造成了生理伤害。CO₂ 浓度升高模式下，光合底物浓度增加、碳同化速率加快，光合电子传递速度也相应加快，这导致玉米幼苗 Φ_PSII 较充分灌溉显著升高。

研究证实，气孔收缩还能引起光合电子供求失衡，电子被传递给分子态氧，由此导致 ROS 大量产生^[22]。本研究发现，交替与亏水灌溉模式下，${\mathrm{O}}_2^{\cdot -}$ 产生速率与 H₂O₂ 含量均显著升高，且交替灌溉模式下的 ROS（如 ${\mathrm{O}}_2^{\cdot -}$与 H₂O₂）积累量显著低于亏水灌溉。叶片积累的 ROS 会引起叶肉细胞生物膜上的不饱和脂肪酸过氧化，导致 MDA 大量产生^[23]； MDA 会进一步与膜蛋白相结合，造成膜蛋白交联，生物膜的结构由此被破坏^[22]。为了避免膜脂过氧化造成的生理伤害，作物在不断进化过程中形成了有效清除 ROS 的功能^[24]。SOD、CAT 与 POD 是重要的抗氧化酶，在作物体内发挥着清除 ROS 的生理作用^[25]。本研究证实，交替与亏水灌溉模式下，叶片 SOD、CAT 与 POD 等抗氧化酶活性显著升高，且交替灌溉模式下的抗氧化酶活性最高。最终，亏水灌溉模式下的 MDA 含量显著升高，而交替灌溉模式下的 MDA 含量维持了稳定。因此，亏水灌溉对幼苗叶片造成了生理伤害；而相同灌水量的交替灌溉有效地减轻了水分亏缺对叶片的生理伤害。CO₂ 浓度升高模式下，${\mathrm{O}}_2^{\cdot -}$ 产生速率与 H₂O₂ 含量减少。由于 ROS（如${\mathrm{O}}_2^{\cdot -}$与 H₂O₂） 参与了抗氧化基因的触发，是上调抗氧化酶活性的第二信使^[26]；因此，CO₂ 浓度升高模式下 SOD、 CAT 与 POD 活性呈现出了降低趋势（图5A～C）。

4 结论

不同灌溉模式中，交替灌溉诱导了叶片 ABA/ ZR 升高及进一步的气孔收缩。这显著降低了蒸腾，但对光合碳同化的影响不显著，最终导致了叶片水分利用效率的升高。同时，交替灌溉模式下的 F_v /F_m 维持了稳定。气孔收缩还进一步诱导了叶片 ROS 的大量产生，交替灌溉能够通过提高叶片抗氧化酶活性维持叶片 MDA 含量稳定，从而避免了叶片的膜脂过氧化程度加剧。CO₂ 浓度升高降低了各灌溉模式下的叶片 ABA/ZR，加快了光合电子传递、提高了光合速率与叶片水分利用效率。此外，CO₂ 浓度升高还在一定程度上抑制了 ROS 的生成，进而缓解了叶片遭受的膜脂过氧化伤害。

参考文献