土壤干旱往往伴随着土壤氮素的低利用率,而合理的水氮调控对于提高作物水氮利用效率至关重要。植物与外界进行气体交换主要通过气孔进行,气孔是调控植物光合作用与蒸腾作用两大生理功能的重要结构,探究气孔运动调节机制有助于深入理解植物对环境胁迫的响应及植物水分和养分利用效率。近年来,大气CO₂浓度不断升高,而如何进行合理的水肥调控以应对未来气候变化将是农业生产中面临的一个新的问题和挑战。因此,本研究以燕麦和大麦（WT与其对应的ABA缺失突变体Az34）为材料,运用¹⁵N、¹³C、¹⁸O同位素技术,分析了水氮胁迫下燕麦表型及生理生化变化;采用非损伤微测技术,测定大麦活体叶肉/保卫细胞离子流变化,定量化记录离子的跨膜运动,并结合叶片蛋白组学分析,从亚细胞和分子水平探究其表型变化原因;将水氮耦合与未来二氧化碳浓度升高的情景相结合,研究了大麦的生理响应变化及其内在生理机制,并分析了大麦籽粒的品质属性,为未来大气CO₂浓度升高及水资源紧缺下实现节水节肥优质高产农业提供理论依据。取得的主要成果如下:（1）中度水分胁迫（50%土壤最大持水量）或高氮处理（298 mg/kg N）显著降低了燕麦气孔导度,降低了植株耗水量,提高了气孔和植株水平上的水分利用效率。在水分胁迫或高氮处理下,气孔部分关闭对光合速率无显著影响。轻度（70%土壤最大持水量）和中度干旱胁迫下,尽管植株地上部生物量分别下降了6.7%和21.3%,但在这两种水分亏缺处理下,燕麦的植株水分利用效率（WUE_b）分别比水分充足（90%土壤最大持水量）的植株增加了10.8%和7.4%。中度水分胁迫或高氮处理提高了植株中的碳同位素组成(δ¹³C)。此外,δ¹³C和氧同位素组成(δ¹⁸O)呈正相关关系,表明在土壤水分亏缺或高氮处理下,气孔和植株水平上水分利用效率提高的主要归因于气孔导度的降低。以上研究结果表明,中度干旱胁迫和高氮处理在提高燕麦水分利用效率和减少耗水量方面效果最好。（2）10%聚乙二醇（PEG）6000处理2小时后,两种基因型大麦叶片ABA浓度均显著增加,且WT叶片ABA浓度高于Az34。PEG处理9天后,WT叶片ABA浓度显著高于其对照植株,而Az34叶片ABA浓度与其对照植株相比并无显著变化。PEG处理24小时后,WT叶片保卫细胞的K⁺外排量明显高于Az34。与对照相比,两种基因型大麦保卫细胞的Ca²⁺内流量在PEG处理2小时后均显著增加,4小时后达到最大值。WT叶片ABA浓度增加与K⁺外流和Ca²⁺内流增加以及气孔导度降低的趋势相一致,尽管其叶片IAA浓度、GA₃浓度和ZR浓度在PEG处理4小时后均增加。此外,PEG处理引起叶片叶肉细胞大量的H⁺内流,这可导致质外体碱化,有利于木质部ABA向保卫细胞的转运。这些结果阐明了ABA在干旱胁迫下介导保卫细胞离子转运从而调控大麦气孔运动的机制。（3）无PEG胁迫下,无氮的Hoagland营养液（N0）处理72 h的大麦植株叶片ABA浓度要高于Hoagland完全营养液（N1）处理72 h的植株,而N0处理72 h的大麦植株的气孔导度和蒸腾速率也要略微低于N1处理植株但并未出现显著差异。无PEG胁迫下,和N1处理相比,N0处理72 h后,两种基因型大麦的光合速率显著降低;而15%PEG胁迫下,N0与N1处理植株光合速率无显著差异。无论N处理如何,15%PEG处理植株光合速率均低于无PEG处理植株。N0处理72 h后的光合速率显著低于N0处理12 h的光合速率。干旱胁迫（12 h或72 h）显著降低了大麦根水势。无PEG胁迫下,N0处理72 h后,两种基因型大麦的根水势高于N1处理的植株。N胁迫、水分胁迫或是水氮胁迫（12 h或者72 h）引起了两种基因型大麦叶肉细胞H⁺内流;PEG诱导的干旱胁迫（12 h或72 h）引起了保卫细胞K⁺外排,与气孔导度降低和ABA升高趋势一致,此时WT叶片的钾转运蛋白在干旱胁迫下表现为下调。在干旱胁迫、N胁迫及水氮胁迫下,WT可通过加强糖酵解途径及渗透势调节,来增强植株对环境胁迫的适应性。（4）两种基因型大麦对水氮耦合方式的响应不同,尤其是在高CO₂浓度（e[CO₂],800ppm）下。虽然e[CO₂]对WT的气孔导度、蒸腾速率和水分利用效率影响不大,特别是在亏缺灌溉（DIN,灌溉量为充分灌溉的70%+水氮耦合）和根系分区交替灌溉（PRDN,一半根系灌溉量为充分灌溉的70%+水氮耦合,另一半根系进行干旱处理,直到土壤含水量降到7%-10%以下,然后进行轮换）条件下,但增加了光合速率,从而增加了气孔、叶片和全株水平的水分利用效率（WUE）。e[CO₂]显著提高了Az34的光合速率,降低了气孔导度和蒸腾速率,从而提高了Az34的WUE。e[CO₂]增加了两种基因型大麦的百粒重和地上部干物质,但对其产量和籽粒的水分利用效率（WUE_g）无显著影响。与充分灌溉（FIN,90%的土壤最大持水量+水氮耦合）相比,PRDN提高了两种基因型大麦的产量、收获指数和WUE_g。与FIN相比,DIN和PRDN增加了两种基因型大麦在e[CO₂]下的植株氮吸收量。与大气CO₂浓度（a[CO₂],400ppm）相比,e[CO₂]提高了两种基因型的¹⁵N吸收和¹⁵N回收率。此外,与FIN处理相比,DIN和PRDN处理可促进更多氮素分配到大麦籽粒中。总体来说,DIN和PRDN促进了氮素向籽粒的分配,提高了水分利用效率,特别是在e[CO₂]条件下。减量灌溉下的水氮耦合方式,特别是PRDN,可在未来缺水和CO₂富集的环境中优化作物的水分利用效率和N营养。（5）高CO₂减轻了减量灌溉处理（DIN和PRDN）对大麦籽粒N、P和S含量、C/N比、C/P比带来的负面影响。DIN和PRDN处理不影响大麦籽粒中K、Ca、Mg、Fe、Mn和Cu的含量,且由于大麦籽粒产量在DIN和PRDN处理下的提高,K、Ca、Mg、Fe、Mn和Cu积累量也相应的提高。高CO₂增加了籽粒Fe和Cu含量,并在FIN和PRDN处理下增加了WT籽粒的B浓度,籽粒P、K、Ca、Mg、S、Mn和Zn含量不受高CO₂的影响。因此,在未来CO₂浓度升高的背景下,DIN和PRDN可以成为一种节水优质的灌溉施肥方式。