小麦冠层碳利用效率(CUE)与水分利用效率(WUE)对温度与水分胁迫的响应机制及其气候适应意义

（编辑推荐）本研究通过8年半田间实验，系统解析了小麦花后冠层碳(CO2)与水(H2O)通量对温度与干旱的响应规律。创新性揭示碳利用效率(CUE)对夜间温度(TN.mean)的敏感性高于日间温度(TD.mean)，而水分利用效率(WUE)响应主要由碳通量驱动，为气候变化下作物模型优化提供关键参数。

　　

ABSTRACT

研究基于法国INRAE研究中心C3-GEM实验平台8年数据，首次在冠层尺度揭示小麦花后阶段碳-水耦合机制。通过土壤-植物-大气研究(SPAR)单元精确控制环境变量，发现碳利用效率(CUE= A_Cnet/A_Cgross)呈现显著变异性，与经典恒定性假说形成挑战。夜间温度每升高1°C使CUE降低2.3%，其敏感性是日间温度的2.6倍，这归因于夜间呼吸(R_Cnight)的显著增强。

1 Introduction

全球变暖背景下，昼夜温度不对称升高与极端干旱事件频发，使作物生产力预测存在巨大不确定性。传统研究多关注日均温(T_mean)而忽略昼夜差异，本研究创新性地将冠层气体交换参数分解为日间(T_D.mean)与夜间(T_N.mean)组分。小麦作为全球主要粮食作物，其花后阶段对终端高温干旱敏感，但冠层尺度碳-水通量协同响应机制仍是空白。

2 Materials and Methods

2.1-2.3 实验体系

C3-GEM平台通过4个SPAR单元实现环境精准调控，监测5个冬小麦品种在1993-2002年间不同温度(自然光下±10°C梯度)与水分处理(WW/WD)下的气体交换。采用Kok方法估算日间呼吸(R_Cday)，并通过反S型函数确定有效光合期(t_e)。

2.4-2.9 数据分析

建立多变量回归模型(VIF<2.5)解析环境因子影响：

• •

  温度组分：T_D.mean、T_N.mean、热激(HS)

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  非温度因子：水分亏缺(WD)、CO₂升高(eCO₂)

3 Results

3.2 温度响应规律

冠层呼吸(R_Ctot)对T_N.mean敏感性达0.022 mol·°C^-1，是T_D.mean的1.5倍。净光合(A_Cnet)与T_N.mean负相关(R²=0.342)，而总光合(A_Cgross)仅与T_D.mean相关。水分亏缺使碳同化总量降低22.9%，但使WUE_gross提升12%。

3.3 效率参数变异

CUE变异系数达14%，主要受T_N.mean调控；WUE_net与WUE_gross响应解耦，前者对温度敏感度是后者的3倍。eCO₂使WUE提升14%，但对CUE无显著影响。

4 Discussion

4.3 CUE非恒定性机制

与传统认知不同，冠层尺度CUE随温度升高递减，这与叶片尺度研究结论形成鲜明对比。夜间呼吸增强是主要驱动因素，而日间光合-呼吸的稳态耦合缓解了T_D.mean的影响。

4.5 模型优化启示

当前作物模型忽略昼夜温度异质性，可能高估变暖下小麦生产力。建议将T_D.mean与T_N.mean作为独立变量，并引入CUE动态算法。干旱条件下需同步优化碳-水耦合模块。

5 Concluding Remarks

研究开创性揭示小麦冠层碳分配存在昼夜节律性调控，为应对气候变化提供了两维度适应策略：培育夜间呼吸效率改良品种，以及基于分时段温度响应的精准灌溉管理。未来需扩大基因型与环境互作研究以完善预测模型。