大气 CO 2 浓度不断升高是全球气候变化的主要组成部分，其对个体植株生
理生态过程的调节直接影响到群落组成与大气-植物-土壤圈的物质循环。在降
雨量小、蒸发量大且土壤贫瘠的黄土高原，作物生长遭受着土壤干旱-复水（有
限降雨）-干旱的循环过程，干旱与氮素缺乏是作物生长的主要限制因素。目前
关于 CO 2 浓度升高对 C 3 植物生理过程的影响与调控的工作较多，而 C 4 植物对
CO 2 浓度升高的生理生态适应性仍存在不少争论。光合调节是植株适应气候变
化最直接的表现方式，体内碳氮分配与转运策略是评估植株长期适应能力的主
要内容。研究 CO 2 浓度升高、干旱与氮素胁迫三者的交互作用对 C 4 植物光合
能力与体内碳氮分配与转运策略的影响有利于为探索旱区植物对未来气候变化
的适应性提供理论依据。
本研究以水培玉米幼苗为试验材料，采用人工气候室内控制 CO 2 浓度，聚
乙二醇（PEG-6000）模拟水分胁迫的方法，利用碳氮化学计量技术、同位素示
踪技术、叶绿素荧光和气体交换测定技术，从玉米生长、光合生理、碳氮分配
及转运、碳氮利用等角度，研究了水分胁迫下高浓度 CO 2 减轻叶片光合抑制的
作用机制、源库器官活力对植株生长的影响，分析了高浓度 CO 2 提高源库器官
活力的途径，探讨了氮胁迫抑制高浓度 CO 2 作用的机理，以及受旱植株对不同
程度复水的生理适应能力。主要研究结果如下：
（1） CO 2 倍增显著减少了受旱玉米叶片有活性的 PSII 反应中心数目，提
高了单位反应中心光能捕获、转化与传递能力，进而增强叶片单位横截面积的
能量流动效率及电子传递速率；在碳反应过程中，CO 2 倍增使受旱植株具有较
高饱和光合速率，表明 CO 2 倍增可以通过提高光能利用为碳反应提高较多还原
力。
（2）在正常供氮条件下，CO 2 倍增可通过增强玉米叶片 PEPC 的羧化能力
（V pmax ）并减轻气孔限制（SL）缓解由水分胁迫产生的光合限制；在氮素限制
条件下，CO 2 倍增可通过提高玉米叶片 Rubisco 羧化能力（V max ）并减轻气孔限
制，部分地减缓光合限制。CO 2 倍增下氮素限制使植株向叶片分配较多氮素，提高光合氮利用效率并降低整株氮利用效率。CO 2 倍增可以减轻干旱对叶片光
合作用的抑制，但随着植物氮素供应水平不同，其受抑程度也存在一定差异。
（3）CO 2 倍增加快了受旱植株源叶碳输出速度、老叶碳输出量、以及库叶
碳输入量，并减少了碳素从地下部向地上部的反向运输。CO 2 倍增延长了新固
定氮素在根系中的存留时间，增加了库叶氮素的总输入量。CO 2 倍增改变了体
内碳氮分配与再利用方式，使库叶碳氮素供应显著增加，并增强了植株生物量
与碳氮素积累，表明 CO 2 倍增有助于减轻植株受水分胁迫的影响。
（4）CO 2 浓度升高显著提高了玉米整株氮素积累量与库叶氮积累量。停止
氮素供应后，高浓度 CO 2 下水分胁迫处理通过减缓玉米功能叶“新氮”输入速度，
加快库叶“新氮”输入速度，并减少库叶“老氮”输入量以维持受旱植株生长，对
老叶氮素的输出没有显著提高。
（5）受旱玉米复水后，CO 2 倍增较正常 CO 2 使玉米植株具有较低的含水量
与较高的生长速率，并具有较高的光合能力(F v /F m , Φ PSII , P n , P n  /T r and P n  /G s )与
新叶生长潜力，即使在低氮条件下也是如此，说明 CO 2 倍增通过较高的光合能
力与较低含水量使植株提高水分利用效率、增强生物量积累。
关键词：高浓度 CO 2 ；光合作用；碳氮分配；水分胁迫；氮胁迫；玉米