在农田生态系统中,太阳辐射是主要能量来源,光合作用是作物产量形成的主要途径。其中作物主要利用波长在400~700 nm的光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)来进行光合作用。作物通过光合作用将光能固定并转化为干物质,地上部生物量和最终产量都取决于冠层截获光合有效辐射的能力以及辐射利用效率(radiation use efficiency,RUE)的大小。在无环境胁迫的条件下,作物干物质产量与冠层截获的PAR线性相关,这种线性关系的斜率就是作物的辐射利用效率或RUE。冠层PAR截获率在作物整个生育期内随着叶面积和茎秆的生长而动态变化,我们一般使用Lambert-Beer定律计算冠层PAR截获率,其中消光系数是能够定量描述作物冠层形态与叶片分布的重要的参数。辐射利用效率反映了作物对PAR的利用效率,是一个经验性的参数,其大小受到作物品种、种植结构、灌溉制度、施肥量以及气候条件等因素的影响,同时在作物的不同生育期内,RUE也是不同的。作物冠层PAR截获率与RUE的这种关系被应用于作物生长模型中计算作物的干物质积累和产量形成。此外,作物接收到的太阳辐射能够进一步影响农田中的温度、相对湿度、土壤水分的分布,并通过叶片蒸腾和土壤蒸发调节冠层内部的温度。同时,冠层相对湿度垂直分布在不同生育期遭受水分胁迫条件下也会相应改变。为了探讨不同生育期土壤水分胁迫对冬小麦和夏玉米冠层受光特性、温度和相对湿度的影响,本研究分别开展了2个生长季的冬小麦(2015-2016和2016-2017)和夏玉米(2015和2016)田间试验。试验设置营养阶段受旱(early stress for wheat,ES;jointing stress for maize,JS),生殖阶段受旱(later stress for wheat,LS;filling stress for maize,FS)以及全生育期不灌水(whole stress,WS)3个不同处理,另外设置充分灌水处理作为对照(CK),冬小麦和夏玉米灌水定额分别是80和110 mm。冠层中的PAR通量、温度、相对湿度通过每个小区中心处安装的气象站全天候、不间断测得。本研究得到的结论如下:(1)冬小麦受旱时的土壤相对含水率明显低于其他同期不受旱的处理。ES、LS和WS处理的最大叶面积指数(leaf area index,LAI)分别比CK处理低31%、15%和58%。CK、ES、LS和WS处理的最大冠层PAR截获率分别是0.90、0.88、0.79和0.42,WS处理显著低于其他3个处理。水分胁迫对于WS处理消光系数的负面影响最大。CK、ES、LS和WS处理两年的平均地上部生物量分别为1532、1443、1403和1077 g/m~2。冬小麦的作物生长速率(crop growth rate,CGR)呈现出和地上部生物量累积相似的规律,二者之间具有良好的相关性(R~2=0.93)。冬小麦的RUE,ES和LS处理要比CK处理低17%和2%,但是WS处理却比CK处理高66%。冬小麦的RUE在整个生育期呈先增大后减小的趋势,在开花期达到峰值。营养阶段受旱引起的冬小麦RUE降低幅度更大,全生育期受旱下冬小麦RUE呈现不同的干旱响应机制,有待于进一步研究。本研究认为将消光系数和RUE并非单一常数,而应作为生育期或者积温的函数来对待,这样可以帮助改善作物模型中干物质的估算精度,降低模拟结果的不确定性。(2)夏玉米在拔节期遭受水分胁迫情况下叶面积指数数值低于在灌浆期遭受水分胁迫的数值,叶面积指数在整个生育期遭受水分胁迫下其数值降低幅度最高。夏玉米在不同的生育期受旱对其冠层PAR截获率和RUE产生了显著的影响。其中,拔节期受旱有助于在提高夏玉米冠层的PAR截获率,峰值比CK处理高18%,而灌浆期受旱则明显减低夏玉米冠层PAR截获率,峰值比CK处理低39%。单一生育期受旱对夏玉米地上部生物量影响不大。本研究中获得的夏玉米RUE介于1.6~4.74 g/MJ之间,其中,拔节期受旱会明显减低夏玉米全生育期的RUE,而灌浆期受旱对其则影响不大。夏玉米籽粒产量由于水分胁迫因素而减少,其中在拔节期遭受水分胁迫条件下籽粒产量低于在灌浆期遭受水分胁迫的处理,这导致JS处理的夏玉米收获指数低于FS处理。(3)冬小麦和夏玉米的土壤水分状况与冠层温差具有良好的相关性,本研究基于遮雨棚下大田控水试验数据分别建立了冬小麦和夏玉米的冠层与空气温差和土壤含水率的函数关系。水分胁迫通过影响作物叶片的生长进而影响冠层相对湿度的分布,尤其是在营养阶段受旱和全生育期受旱条件下,叶片发育不良导致冠层底部相对湿度变低,这不利于作物冠层下方的蒸腾作用。此外,夏玉米和冬小麦的冠层相对湿度垂直分布随着生育期的推进差异变大。