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施用氮肥是调节作物生长和实现作物高产的重要手段。但氮肥对作物生长的影响可能受天气(干旱、温度变化等)及土壤条件的干扰,进而影响作物产量、养分利用效率和水分生产效率。本研究通过三年田间试验,结合文献分析,明确我国东北春玉米水分生产效率现状,在不同天气与土壤条件下,探究调控氮肥用量对玉米水分生产效率的影响极其生理机制,深入认识氮肥×环境互作对玉米产量和水分利用效率的影响规律,阐明玉米水分生产效率与产量和耗水量的相互关系,为同步提高产量和水分生产效率提供理论基础。同时,利用两个根系大小有显著差异的玉米近等基因系,进一步阐明水分×氮互作对营养生长阶段玉米根系生长及地上部生长的影响；通过不同播期和氮水平的田间试验,探究温度×氮素互作对玉米根系生长的影响；最后利用模式植物拟南芥,深入研究温度如何决定根系生长过程。主要结果如下：1. 玉米水分生产效率与产量显著正相关。施氮对玉米水分生产效率的影响主要来自对产量的影响,而对耗水量的影响较小。随着施氮量增加,玉米产量和水分生产效率先增加后降低,在N240时达到最大值。相关性分析结果表明,壤土上,约215 kg ha-1的施氮量可以同时使产量和水分生产效率达到最高。沙土上,达到最高产量的施氮量(241 kg ha-1)高于最高水分生产效率的施氮量(207 kg ha-1)。过多施氮(N312)使水分生产效率和产量分别下降11%和8%。2. 土壤类型显著影响水分生产效率,壤土上的玉米水分生产效率显著高于沙土,因为壤土玉米的籽粒产量显著高于沙土;氮肥×土壤互作效应不显著。耗水量的差异主要表现在吐丝后期,较大的叶面积指数使壤土上的耗水量高于沙土。天气条件显著影响玉米水分生产效率,因为耗水量受到降雨量的显著影响。苗期和吐丝期过多的降雨对生物量累积和籽粒形成都没有贡献,反而会增加耗水量,导致玉米水分生产效率下降。3.氮肥对根系生长的影响表现为先增加后降低,过量施氮(N360)使根长、根重和根表面积减少,并且根系在深层土壤中的分布减少,加剧了干旱胁迫。大根系基因型(L67)的抗旱性能优于小根系基因型(L98)。4.相同叶龄时播期对玉米地上部干物质、株高、最终叶片长度没有显著影响,早播玉米第1、2轮节根数和重、第1轮节根长超过适温播种。适温播种玉米第2、3轮节根长、第3轮节根数和重超过早播玉米。无论播期早晚,适量施氮(N180)使苗期玉米地上部和根系的生长最优,过多施氮(N360)限制了地上和地下的生长。5.随温度升高(15℃-25℃),根的最大基本伸长速率和最终细胞长度逐步增加,而伸长区长度保持不变；随着温度升高,分裂区长度缩短,但总的细胞产生速率保持不变。30℃为胁迫温度,使拟南芥根系伸长区缩短,细胞分裂受到限制。综上所述,适宜的施氮量及提高土壤质量可以实现产量、氮肥生产效率与水分生产效率的同步提高。过多施氮抑制根系生长,使根系分布较浅,使玉米对水分胁迫的适应性下降。低温(早播)不利于玉米节根的伸长,而过多施氮加剧低温的负作用。