水分和CO2 对玉米光合性能及水分利用率的影响

2023-09-13郑云普刘媛媛殷嘉伟常志杰王彦睿刘亮田银帅陈文娜王利书郝立华

农业工程学报 2023年12期

郑云普，刘媛媛，殷嘉伟，常志杰，王彦睿，刘亮，田银帅，陈文娜，王利书，郝立华※

（1. 河北工程大学水利水电学院，邯郸 056038；2. 河北工程大学园林与生态工程学院，邯郸 056038）

0 引言

当前的大气CO2浓度正在以每年1.8 μmol/mol 的速度急剧增长，到21 世纪末期大气CO2浓度将达到800 μmol/mol[1]。水分是植物体的重要组成部分，更是植物进行生理代谢活动的重要底物，水分供应同植物的生长发育状况以及粮食产量均密切相关[2-4]。然而，作为中国重要粮食产区的华北平原存在严峻的水资源紧缺问题[5-7]，从而限制了华北平原区农田生态系统可持续发展[8]。干旱胁迫通常导致农作物气孔导度（Gs）降低，而Gs变化主要由气孔密度、气孔开度以及气孔分布格局对土壤水分状况的响应而决定[9-10]。土壤水分亏缺条件下净光合速率的降低还与光合碳同化关键酶Rubisco的含量及活性、叶绿素含量以及叶片氮含量的变化紧密联系[11-13]，最终导致粮食产量的大幅度降低[10]。CO2分子作为植物光合碳同化过程的重要反应底物，当前大气的CO2浓度仍未达到C3植物碳同化的饱和点，大多数C3植物将从未来升高的CO2浓度环境中受益[12]。另外，大气CO2浓度升高不仅能够缓解农作物遭受的水分胁迫，甚至还可能抵消干旱对农作物生理生态过程以及粮食产量造成的负面效应[13-14]。

玉米（Zea mayL.）为全球分布最广泛的C4作物之一，同时也是中国华北平原区重要的粮食作物。以往大量的研究结果已经证实，大气CO2浓度升高对C3植物的净光合速率、植株生长和粮食产量均具有明显的刺激效应[13,15]。然而，由于C4植物叶片内部独特的“花环”结构导致叶肉细胞中的CO2浓度高于大气约十几倍，理论上认为C4植物对大气CO2浓度升高的响应并不敏感[16]。尽管如此，一些相关研究的结果却表明大气CO2浓度升高也可以显著提高C4作物的净光合速率、生长发育速度及粮食产量[17-20]。例如，王秋兰等[17]利用开顶式气候箱探讨CO2浓度升高对玉米光合性能及粮食产量的研究表明，将大气CO2浓度分别提高至450 和550 μmol/mol 后，叶片净光合速率分别增加21%与30%，同时籽粒产量显著提高10%和12%。尽管未来大气CO2浓度升高和水分亏缺势必协同改变玉米的光合性能、蒸腾速率以及水分利用效率，并进一步影响玉米的籽粒产量[19]，但以往的大部分研究主要集中于CO2浓度升高[12]或水分亏缺[8]等单一环境因素对农作物生理、生长及产量的影响[13-14,16]。

鉴于此，本研究利用可精准控制CO2浓度的大型环境生长箱探究不同土壤水分条件下大气CO2浓度升高对玉米气孔形态特征、光合性能、叶绿素荧光参数、碳水化合物含量以及生物量的影响机理，以期从气孔形态特征、叶片生理生化、植株生长发育等多层次、多角度揭示大气CO2浓度和土壤水分亏缺协同改变玉米气体交换过程的潜在机制，为全球气候变化背景下农作物绿色高效提质增产提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

选用华北平原区普遍栽种的玉米品种‘郑单958’（ZeamayL.cv.Zhengdan 958）为供试材料，利用8 台大型环境生长箱（长 × 高 × 宽：1.80 m × 1.83 m × 0.68 m）进行盆栽试验（容器的顶部面积531 cm2，底部面积380 cm2，高度27 cm）。栽培基质采用黄壤土混合有机营养土配制（体积比3∶1），基础肥力为有机质 5.30 g/kg、全氮 0.88 g/kg、全磷0.59 g/kg、有效磷 22 mg/kg、速效钾 60 mg/kg，土壤阳离子代换量为 172.5 mmol/kg。栽培基质的田间持水量（field capacity，FC）为23%，土壤容重为1.10 g/m，土壤pH 值为7.76。

本研究采用裂区试验设计，将CO2浓度作为主裂区，并分别设置2个CO2浓度水平（即4 台环境生长箱内的CO2浓度为400 μmol/mol，另外4 台环境生长箱内的CO2浓度为800 μmol/mol）。本研究中所设置的两个不同CO2浓度水平分别代表了目前大气的CO2浓度400 μmol/mol 和21世纪末期的大气CO2浓度800 μmol/mol[1]。另外，将土壤水分作为副裂区，设置4个水分梯度即充分灌溉（‘FI’，75%～85% FC）、轻度亏水（‘MI’，65%～75%FC）、中度亏水（‘MO’，55%～65% FC）和重度亏水（‘SE’，45%～55% FC）。因此，本裂区试验设计总共得到8 种不同的CO2浓度和水分处理，且每个环境生长箱内均放置4 盆玉米植株（每盆保留1 株）作为生物学重复（n=4）。在整个试验进程中，环境生长箱内的光合有效辐射为1 000 μmol/(m2·s)、温度为26/20 ℃（昼/夜）、光照周期为 07:00—19:00（昼）/19:00—07:00（夜）以及相对湿度为60%～65%。本研究在玉米出苗后30 d 内进行不同CO2浓度和水分处理，且每隔5 d 对盆栽容器的总质量进行准确称量，当盆栽容器中的土壤水分含量降低到相应处理的含水量下限时即灌水至其上限。待玉米生长90 d 后进行气孔特征、气体交换参数、生化指标以及生物量等各项指标的测量。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 气孔取样及测量

将透明指甲油分别涂于完全展开的自上而下第3个成熟叶片的远轴面和近轴面中间区域，待指甲油自然风干后（约30 min），将采集的气孔印迹样品置于载玻片上进行封片。将上述制备的载玻片置于显微镜（Leica DM2500）进行气孔的观察与拍照。最后，测量玉米的气孔密度、气孔长度、气孔宽度、气孔面积、气孔周长以及气孔形状指数[21]。利用ArcGIS 10.0 将上述气孔显微照片进行数字化处理，得到单个气孔的空间坐标值。采用地学统计的方法（Ripley’s K 方程）解析气孔的空间分布格局。

1.2.2 叶片气体交换参数和叶绿素荧光参数的测定

利用便携式光合测定系统（Li-6800,LI-COR Biosciences,Lincoln,NE,USA）配备的荧光叶室（6800-01A）同步测量玉米叶片中部位置的气体交换参数和叶绿素荧光参数；其中，叶片气体交换参数包括净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和暗呼吸速率（Rd），而叶绿素荧光参数具体包括PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm）、实际光化学效率（ΦPSⅡ）、光合电子传递速率（ETR）、光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（qN）。在气体交换参数和叶绿素荧光参数的测定过程中，叶室内光合有效辐射和温度分别设定为1 800 μmol/m2·s 和26 ℃，而叶室内的CO2浓度则分别设定为与每个环境生长箱内相对应的CO2浓度。待上述气体交换参数测定结束后，关闭LI-6 800 叶室内的光源后进行叶片暗呼吸速率(Rd)的测定，叶室内的温度(26 ℃)和CO2浓度（400 或800 μmol/mol）均与测定Pn时保持一致。此外，玉米叶片的瞬时水分利用效率（WUEI）为Pn与Tr的比值。

1.2.3 玉米植株碳氮元素、非结构性碳水化合物及光合色素含量的测定

将玉米植株的不同营养器官（根、茎和叶）高温烘干并研磨成粉末，利用激光元素分析仪（J200）测定玉米不同部位的碳（C）和氮（N）含量。另外，根据WONG等[22-23]的方法提取玉米植株不同器官的非结构性碳水化合物（可溶性糖和淀粉），利用紫外分光光度计测定可溶性糖和淀粉含量。此外，采集新鲜玉米叶片放入装有二甲基亚砜（DMSO）溶液的离心管中（10 mL），进行避光浸提48 h 后将含有光合色素的浸提液混合均匀，利用紫外-可见光分光光度计测定吸光度值，计算叶绿素和类胡萝卜素含量[24]。

1.2.4 植株含水量及生物量的测定

首先，将玉米植株的地上和地下器官分离，利用电子天平称量玉米不同器官（根、茎和叶）鲜质量后置于105 ℃的烘箱高温杀青2 h 后，将温度改为85 ℃继续烘烤48 h 至恒定质量，利用电子天平再次称量已烘干的器官干质量，根据鲜质量含水量=（鲜质量-干质量）/鲜质量计算植株的鲜质量含水量。然后，将玉米植株的地上部分（茎和叶）和地下部分（根系）干质量相加得到植株的总生物量，同时计算地下与地上器官干质量的比值。

1.3 数据统计与分析

本研究采用单因素方差分析探讨不同CO2浓度或水分亏缺水平对玉米植株生长、气孔特征、气体交换参数、叶绿素荧光参数以及生理生化特性的影响；同时，利用裂区设计方差分析探究CO2浓度和水分亏缺对玉米生长、生理及生化指标产生的交互效应。然后，利用多重比较（S-N-K）深入分析不同处理组之间的显著性差异（P＜0.05）。利用SPSS 进行统计分析，采用Sigmaplot 10.0和Excel 2020 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 CO2 浓度升高和水分亏缺对玉米生物量及植株含水量的影响

轻度、中度和重度水分亏缺导致当前环境CO2浓度（400 μmol/mol）条件下玉米的地上生物量分别比充分灌溉显著下降24.8%（P＜0.05）、25.1%（P＜0.05）和27.2%（P＜0.05）（表1），但CO2浓度升高却增加轻度水分亏缺下玉米的地上生物量52.2%（P＜0.01）。相似地，尽管升高CO2浓度显著提高轻度亏水条件下玉米的总生物量46.4%（P＜0.01），而不同程度水分亏缺（轻度、中度和重度）却导致环境CO2浓度下玉米的总生物量降低 22.4%（P＜0.05）、23.8%（P＜0.05）和25.5%（P＜0.05）。

表1 CO2 浓度升高和水分亏缺对玉米生物量与含水量的影响Table 1 Effects of elevated CO2 concentration and water deficiency on plant biomass and water content of maize plants

CO2浓度升高改变了玉米的地上生物量（P＜0.05）和总生物量（P＜0.05），但水分仅对玉米的地上生物量造成显著地影响（P＜0.05）。另外，在环境CO2浓度条件下，玉米根系含水量随水分亏缺程度的加剧而整体呈现明显降低的趋势。同时，双因素方差分析的结果还证实CO2浓度升高和水分并未对玉米根系含水量产生显著交互效应。相似地，CO2浓度升高对玉米的茎和叶含水量均没有产生显著影响（P＞0.05）。

2.2 CO2 浓度升高和水分亏缺对玉米气体交换参数的影响

CO2浓度升高导致轻度和中度水分亏缺条件下玉米的净光合速率（Pn）分别提高15.8%（P＜0.05）和25.7%（P=0.001），表明CO2浓度升高对轻度和中度水分亏缺处理的玉米植株均产生一定的施肥效应。同时，CO2浓度升高和水分亏缺显著改变玉米叶片Pn（P＜0.01和P＜0.001），甚至两者还对Pn产生显著的交互影响（P＜0.01）。然而，不同程度土壤水分亏缺和CO2浓度升高均导致玉米叶片蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）呈现下降的变化趋势（P＜0.001）。CO2浓度升高使充分灌溉、轻度亏水、中度亏水和重度亏水条件下的Tr分别降低44.5%（P＜0.001）、55.2%（P＜0.001）、44.9%（P＜0.001）和53.9%（P＜0.001）。相似地，与环境CO2浓度相比，CO2浓度升高导致不同水分处理下的Gs分别下降41.7%（P＜0.001）、55.6%（P＜0.001）、40.0%（P＜0.001）、58.3%（P＜0.001）。玉米的暗呼吸速率（Rd）随着土壤水分亏缺程度的加剧（P＜0.001）和大气CO2浓度的升高（P＜0.001）均呈现下降的变化趋势，且充分灌溉、轻度亏水和中度亏水的玉米叶片Rd在高CO2浓度处理下分别显著降低31.0%（P＜0.01）、49.0%（P＜0.01）和35.7%（P＜0.05）。然而，不同水分处理的玉米叶片瞬时水分利用效率（WUEI）在CO2浓度升高的条件下分别提高97.2%（P＜0.001）、154.3%（P＜0.001）、125.8%（P＜0.001）和82.5%（P＜0.001）。同时，双因素方差分析表明CO2升高显著改变了玉米叶片WUEI（P＜0.001），但水分处理并未对WUEI产生影响（P＞0.05）。

2.3 CO2 浓度升高和水分亏缺对玉米叶片色素含量及叶绿素荧光参数的影响

水分亏缺显著改变了玉米叶片的叶绿素含量（P＜0.01），尤其是高CO2浓度条件下不同水分亏缺处理（轻度、中度和重度亏缺）玉米叶绿素含量相对充分灌溉分别显著降低34.8%（P＜0.01）、30.8%（P＜0.05）和26.6%（P＜0.05）（表2）。另外，CO2浓度升高还导致轻度水分亏缺处理的玉米叶片叶绿素含量相比充分灌溉降低37.8%（P＜0.01）。此外，CO2浓度和水分还对玉米叶片的叶绿素含量产生显著的交互效应（P＜0.01）。然而，CO2浓度升高和水分亏缺均没有显著改变玉米叶片的类胡萝卜素含量（P＞0.05）。

表2 CO2 浓度和水分对玉米生理荧光参数的影响Table 2 Effects of CO2 concentration and watering on the physiological parameters of maize plants

当前CO2浓度下，玉米叶片PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm）随着水分亏缺程度的加深而呈现逐渐降低的趋势，且重度亏水条件下Fv/Fm相比充分灌溉显著降低约19%（P＜0.05）。尽管CO2浓度×水分对ΦPSⅡ和ETR均存在显著的交互影响（P＜0.05和P=0.001），但大气CO2浓度升高和水分亏缺处理下玉米的ΦPSⅡ和ETR 整体上没有呈现出较为明显的变化（P＞0.05）。尽管CO2浓度升高导致轻度水分亏缺的qP 增加约27%（P＜0.01），但CO2升高对qP 的影响却并不显著（P＞0.05），表明CO2浓度×水分对qP 的变化存在一定的协同效应（P＜0.01）。然而，在当前CO2浓度条件下，轻度、中度和重度水分亏缺处理的非光化学淬灭系数（qN）相比充分灌溉分别降低13.6%（P＜0.001）、22.0%（P＜0.05）和25.4%（P＜0.05），而CO2浓度升高导致充分灌溉处理下的qN 显著下降23.7%（P＜0.05）。

2.4 CO2 浓度升高和水分亏缺对玉米碳氮元素及非结构性碳水化合物的影响

玉米植株的碳元素含量（C）在不同器官（根、茎和叶）之间呈现极显著性差异（P＜0.001），而CO2浓度和水分均没有对玉米植株的C 含量造成显著影响（P＞0.05）。相似地，氮元素含量（N）在玉米根部、茎杆和叶片之间也存在显著差异（P＜0.05），且CO2升高可以显著改变植株的N 含量（P＜0.001）（表3）。然而，水分×器官却显著改变了玉米的N 含量（P＜0.05），表明玉米不同器官的N 含量在各个水分处理之间存在明显的交互效应。本研究结果还表明玉米植株的碳氮比（C/N）在不同CO2浓度处理和器官之间均存在显著性差异（P＜0.001和P＜0.01），且水分×器官也改变了C/N（P＜0.05）。不同CO2浓度条件下水分亏缺处理对玉米各个营养器官（根部、茎杆和叶片）的可溶性糖、淀粉以及非结构性碳水化合物含量均产生极为显著的影响。另外，CO2浓度×水分、CO2浓度×器官以及水分×器官分别对玉米植株的可溶性糖含量（P＜0.05、P＜0.001和P＜0.001）、淀粉含量（P＜0.001、P＜0.001和P＜0.001）和TNC 含量（P＜0.01、P＜0.001和P＜0.001）均产生显著的交互作用。此外，CO2浓度×水分×器官还对玉米植株的可溶性糖含量（P＜0.001）、淀粉含量（P＜0.001）以及TNC 含量（P＜0.001）产生显著影响，表明CO2浓度升高和水分亏缺对不同器官的非结构性碳水化合物含量的影响存在明显的交互效应。

表3 CO2 浓度和水分对玉米不同营养器官碳氮元素及非结构性碳水化合物含量的影响Table 3 Effects of CO2 concentration and water on carbon nitrogen contents and total nonstructural carbohydrates in different organs of maize

2.5 CO2 浓度升高和水分亏缺对玉米气孔形态特征以及分布格局的影响

CO2浓度升高和水分处理显著改变了玉米的气孔长度、气孔宽度、气孔周长和气孔面积。然而，玉米的气孔密度和气孔宽度均在叶片不同轴面之间存在极显著性差异（P＜0.001）。本研究中CO2浓度×叶面对气孔长度（P＜0.01）、气孔周长（P＜0.01）、气孔面积（P＜0.05）以及气孔形状指数（P＜0.05）的影响均存在较显著的交互作用，但CO2浓度×水分仅改变了玉米的气孔密度（P＜0.001）（表4）。另外，CO2浓度×水分×叶面对玉米的气孔密度（P＜0.001）、气孔长度（P＜0.01）、气孔宽度（P＜0.001）、气孔周长（P＜0.001）、气孔面积（P＜0.001）和气孔形状指数（P＜0.01）均产生显著影响。同时，CO2浓度升高导致轻度水分亏缺下玉米近轴面气孔分布的规则性明显降低（图1c），但却提高了重度水分亏缺处理下近轴面气孔分布的规则程度（图1c）。同样，CO2浓度升高导致不同水分处理下玉米远轴面的气孔分布规则程度均明显降低，尤其是增加了轻度水分亏缺条件下玉米远轴面气孔分布的最小邻域距离（图1 d）

表4 不同CO2 浓度和水分条件下的玉米气孔形态特征Table 4 Morphological traits of stomata at different CO2 concentrations and water

2.6 CO2 浓度升高和水分亏缺条件下玉米叶片碳氮含量与Pn 及生物量的关系

不同CO2浓度和水分亏缺条件下玉米叶片碳氮含量均与净光合速率（Pn）和植株生物量均呈现较好的相关性联系（图2）。

图2 玉米叶片碳氮含量与净光合速率及生物量的关系Fig.2 The relationships of leaf carbon and nitrogen contents with net photosynthetic rates and biomass of maize

本研究中玉米Pn与叶片碳含量存在明显的正相关关系（R2=0.37；P＞0.05），即不同CO2浓度和水分处理下玉米叶片的碳含量随着Pn的提高而增加（图2a），表明较强的碳同化能力可以使更多的碳素储存在玉米叶片。相似地，不同CO2浓度和水分条件下玉米叶片的氮含量也与Pn呈现较好的相关性（R2=0.48；P＞0.05），暗示玉米叶片Pn的变化可能与光合作用关键酶Rubisco 的含量存在紧密联系（图2b）。另外，玉米植株生物量也分别与叶片的碳含量（R2=0.41；P＞0.05）和氮含量（R2=0.37；P＞0.05）存在正相关的关系（图2c 和2 d），表明不同大气CO2浓度和土壤水分亏缺条件下叶片氮含量的提高有助于提高玉米Pn，从而有助于积累更多的植株生物量。

3 讨论

3.1 不同土壤水分条件下玉米植株含水量与生物量对CO2 浓度升高的响应

本研究中随着水分胁迫程度的加剧，玉米根系和叶片含水量均低于对照组，且水分对植株根系和叶片含水量产生显著的交互效应（P＜0.001），表明干旱胁迫在不同程度上降低了玉米植株的保水能力。然而，CO2浓度升高可以明显提高轻度和中度亏水条件下玉米根系的含水量，暗示高浓度CO2有助于提高作物在水分胁迫条件下的保水能力，进一步缓解干旱对玉米植株造成的生理伤害[25-26]。另外，在环境CO2浓度条件下，随着水分供应水平的逐渐提高，玉米植株地上、地下与总生物量均呈现出增加的趋势，且植株生物量在充分灌溉条件下达到最大值，表明水分胁迫限制了玉米植株的生长发育过程。本研究中CO2浓度升高增加了水分亏缺条件下玉米的地上生物量、地下生物量和总生物量，表明CO2浓度的升高对土壤水分胁迫的玉米植株可以产生一定的“施肥效应”[27]。

3.2 不同土壤水分条件下叶片气体交换过程和气孔特征对CO2 浓度升高的响应

本研究中环境CO2浓度条件下，轻度和中度水分亏缺下玉米的Pn均显著低于充分灌溉，表明水分亏缺对玉米植株的生长过程造成了生理胁迫。然而，大气CO2浓度升高却显著提高轻度亏水和中度亏水条件下玉米的Pn，暗示CO2浓度升高可以在一定程度上缓解水分胁迫对玉米植株造成的生理伤害[28-30]。植物叶片水平上的WUEI体现了Pn和Tr之间的耦合关系[31]，而植株的光合与蒸腾作用同时会受到水分、CO2浓度及温度等多种环境因素的影响[32-33]。本研究中大气CO2浓度升高导致不同土壤水分处理下玉米的Tr和Gs均降低约50%，表明CO2浓度升高有助于提高水分亏缺条件下玉米的水分利用效率（WUEI）。然而，本研究中大气CO2浓度升高导致玉米WUEI 增加的生理机制却在不同水分条件下存在明显差异。本研究中水分亏缺导致玉米气孔密度和气孔开度的降低，表明干旱条件下玉米植株在气孔发育过程中可以通过调控气孔数量和气孔开度进一步降低叶片气体交换效率[34-36]。另外，不同水分处理下玉米叶片远轴面的气孔密度均显著大于近轴面，暗示玉米远轴面的气孔特征对土壤水分状况和CO2浓度升高的响应过程在更大程度上决定着叶片的气体交换效率[37-38]。此外，本研究中不同亏水条件下叶片远轴面的气孔空间分布格局均比对照下分布更规则，暗示玉米在遭受一定程度的水分胁迫时可以改变气孔空间分布的规则程度，进而提高叶片的气体交换效率，最终缓解干旱胁迫对植物造成的伤害[39]。

3.3 不同水分条件下光合色素和叶绿素荧光对CO2 浓度升高的响应

本研究结果显示，中度水分亏缺导致玉米叶片叶绿素含量的明显降低，表明玉米光合色素的含量与土壤水分亏缺的程度存在密切联系[40-43]，该结论与时丽冉等[41-42]研究结论基本一致。然而，大气CO2浓度升高却导致水分亏缺条件下的玉米叶绿素含量显著降低，表明在干旱胁迫下玉米叶片自由基大量增加导致光合色素膜系统过氧化，从而增大光合色素合成的阻力[43]，甚至长期的干旱胁迫还会导致光合色素的分解[42]。尽管环境CO2浓度条件下轻度水分亏缺处理导致玉米叶绿素含量的增加，但却没有提高玉米的Pn，说明轻度水分亏缺条件下玉米叶绿素含量的变化并不是决定光合下调的主要因素，而更主要的原因可能是由于叶片远轴面的气孔密度和Gs显著降低所造成的。此外，本研究中环境CO2浓度条件下不同程度水分亏缺导致玉米的Pn与对照相比均显著降低，而大气CO2浓度升高却导致轻度和重度水分亏缺下Pn显著增加，且Pn的变化与叶绿素荧光参数基本一致，表明不同程度水分亏缺导致玉米PSⅡ反应中心开放数目减少，进一步影响PSⅡ实际光量子产量，从而导致光反应中电子传递速度与效率受到抑制，从而降低ATP 和NADPH的生成能力，最终导致碳同化过程受阻。然而，大气CO2浓度升高不仅增加了轻度和中度水分亏缺条件下的ETR，而且还提高了轻度水分亏缺处理下玉米的qP 值，表明大气CO2浓度升高增加了水分胁迫下PSⅡ反应中心的开放程度，提高了电子传递的效率，从而减小水分胁迫对玉米碳同化过程的影响。

3.4 不同水分条件下碳水化合物和碳氮元素对CO2 浓度升高的响应

本研究中轻度和重度水分亏缺导致玉米叶片和根部可溶性糖含量相比充分灌溉均显著提高，表明干旱环境下大量的TNC 以可溶性糖的形式储存在玉米植株内，有助于减缓干旱对玉米造成的生理胁迫[18]。本研究中大气CO2浓度升高显著提高轻度和中度水分亏缺下玉米叶片碳水化合物的含量，这可能是由于土壤水分亏缺限制了光合产物转化为结构性生长的过程。相反，大气CO2升高却导致中度和重度亏水下玉米根部的可溶性糖、淀粉和TNC 含量均降低，暗示干旱胁迫条件下玉米可能优先将光合产物投资给根部，以保证植物体通过强大的根系吸取更多的水分满足其正常的生理代谢活动[44]。另外，轻度和中度水分亏缺条件下玉米叶片的氮元素（N）含量明显下降，但CO2浓度升高却显著增加了水分亏缺处理下玉米叶片的N 含量，表明大气CO2浓度升高在一定程度上提高了N 的吸收和利用效率，从而有助于增加水分亏缺条件下的Pn[45]。本研究中大气CO2浓度升高通过增加N 的吸收和利用效率，进一步增加水分亏缺条件下玉米Pn的原因主要是叶片N 含量升高可以提高碳同化过程关键酶Rubisco 含量。同时，玉米叶片N 对轻度和中度水分亏缺条件下CO2浓度升高的响应同Pn的变化呈现基本一致的趋势，表明土壤水分亏缺和大气CO2浓度升高对玉米Pn的协同影响与叶片N 含量密切相关。本研究对玉米叶片含氮量和净光合速率进行拟合得到的结果也直接证明了玉米叶片的含氮量在较大程度上决定了Pn的变化。