农田生态系统水热和CO2传输过程是国际研究的前沿问题。理解农田生态系统水热和CO2传输机制有助于了解农田生态系统在陆地生态系统水碳循环中的作用，并认识农田水分利用效率的变化规律及农田生产力的形成机制。本文在华北平原典型农田站点采用涡度相关方法对瞬时农田水热和CO2通量进行了长期和连续的测定，分析了冬小麦和夏玉米生长季水热、CO2通量及水分利用效率的日季变化规律，揭示了其与环境因子的定量关系；在此基础上分析了土壤-植被-大气连续体中发生的生物物理过程和生理过程的机制，建立了模拟水热和CO2通量日变化的冠层尺度光合-蒸腾耦合模型，并分析其对不同气候条件的响应；建立了模拟C3和C4作物水热和CO2通量及冠层微气象剖面的多层光合-蒸腾耦合模型，并与单层和双源模型进行了对比；进一步将作物生长与水热和CO2通量传输模型结合起来建立了农田生态系统综合模型，以模拟农田生态系统作物生长和发育过程及水热和CO2通量的长期变化；在光合-蒸腾耦合模型的基础上分析了时间步长的变化对模型模拟结果的影响。　　 本文的主要研究成果如下：　　 (1)系统分析了农田生态系统水热、CO2通量的日季变化规律及其与环境因子的关系：　　 感热通量与净辐射的日变化基本一致，日峰值出现在12:00-13:00，而潜热通量由于强烈依赖于水汽压差(VPD)的变化，因此日峰值要落后1-2个小时。CO2通量的日峰值一般出现在11:00-12:00，基本与光合有效辐射的峰值一致。不过在冬小麦生长季中观测到光合午休现象，主要是由于高的水汽压差和高的冠层温度导致强烈的蒸腾失水而引起气孔关闭造成。　　 一年中月平均感热通量和潜热通量的最大值分别出现在6月和8月。感热通量和潜热通量在净辐射中的比重与作物的生育期密切相关，在冬小麦和夏玉米的生长旺期，月平均波文比一般都小于0.5。在冬小麦和夏玉米的旺盛生长阶段，土壤热通量约占净辐射的0.1左右，在其它时期变化在0.2-0.5之间。6月份由于地上残茬、根和土壤呼吸都十分强烈，农田成为一年中CO2的最大源，而5月份由于冬小麦叶面积指数较高，生理活动强烈，农田成为一年中CO2的最大汇。当作物不受土壤水分亏缺影响时，农田CO2通量的季节变化主要由太阳辐射、叶面积指数和土壤温度的变化所决定。　　 冬小麦和夏玉米对光强的响应符合直角双曲线。整个生育期，冬小麦的水分利用效率变化在0-12mgCO2g H2O-1之间，夏玉米的水分利用效率存在明显的季节变化，最大值出现在8月中旬，约为10mgCO2g H2O-1。　　 (2)建立了水热和CO2通量日变化模拟模型并分析了其对环境因子变化的响应。　　 基于CO2和水热通量传输的生理和物理过程，将双层蒸散模型和双叶光合一气孔导度模型耦合建立了冠层尺度的光合和蒸腾耦合模型。模型的验证显示，模拟的净辐射、CO2通量、感热和潜热通量与测量值较为吻合。CO2通量、冠层导度和潜热通量对太阳辐射、气温、土壤湿度和大气CO2浓度变化的响应分析表明：冠层导度的最优温度略低于光合的最优温度，更低于蒸腾的最优温度，且随着太阳辐射的增加，冠层光合和冠层导度的最优温度也在增加；当土壤水分亏缺时，冠层导度和冠层光合的午休现象加重；大气CO2浓度升高使作物冠层水分利用效率增加，且CO2浓度增加对冠层光合的增加作用在高温时更大。　　 (3)建立了多层光合—蒸腾耦合模型并与单层、双源模型进行比较。　　 基于计算感热和潜热通量的多层模型和叶片光合—气孔导度模型发展了一个C3和C4作物的多层光合-蒸腾耦合模型。基于涡度相关试验对单层、双源和多层模型的比较显示，考虑冠层微气象剖面对模拟CO2通量的精度无显著改进。在整个生育期，单层模型低估潜热通量，而多层模型的模拟效果最好，不过其对冠层蒸散、冠层阻力及冠层水分利用效率的模拟与双源模型的差别很小。不同层次冠层水分利用效率的日最大值出现在8:00-10:00，之后迅速降低。顶部冠层的水分利用效率高于底部冠层的水分利用效率。模拟的冬小麦的水分利用效率波动很大，变化在5-20 mg CO2 g H2O-1之间，而夏玉米的水分利用效率相对稳定，维持在10 mg CO2 g H2O-1左右。　　 (4)建立了农田生态系统作物生长与水热和CO2传输的综合模型(ChinaAgrosys)。　　 将能量和CO2通量传输与作物生长和发育结合起来建立了农田生态系统综合模型，可以模拟能量和CO2通量的日季变化及株高、叶面积指数和干物质等生长因子。通量的模拟主要基于耦合的光合-气孔导度-蒸腾模型，模型考虑叶水势的动力变化对气孔导度的影响，提高了CO2和水汽通量的模拟精度。　　 (5)讨论了时间步长对水热碳通量模拟模型的影响。　　 应用光合—蒸腾耦合模型摸拟水热和CO2通量时，不同时间平均变量驱动的模型差别很大。对于NEP，主要由于光合有效辐射的日变化较大造成不同步长模型的差异。不同步长模型模拟的日蒸散差异由各种因子的日变化对过程的交互作用造成。小时尺度模拟的蒸散在一天中积分获得的日蒸散要高于由日平均资料计算的日蒸散。