为了进一步阐明根系分区交替灌溉及其在大气二氧化碳浓度升高环境下的节水调质机理,本研究引入稳定性碳同位素对水分利用效率的指示特性,以经济作物番茄为研究对象,采用田间小区试验与人工气候室盆栽试验相结合的方法探讨作物番茄的水分与氮素利用效率、气孔导度模型和果实品质对根系分区交替灌溉与升高的二氧化碳浓度调控的机理响应研究,从而为水资源更加短缺和未来二氧化碳浓度更加富集环境下的节水优质高效灌溉提供一定的理论依据与支撑。取得的主要成果如下:(1)番茄果实田间鲜重水平的产量和水分利用效率完全可以代表干重水平的产量和水分利用效率。相比常规灌溉,交替灌溉田间水平的水分利用效率可以提高19.6%,产量维持相当水平,而节约灌水量达到33.3%。交替灌溉,尤其是交替滴灌是调节叶片光合作用过程的一种更有效的灌溉方式,可以调控气孔开度到最优,维持光合同化过程,将Ci/Ca值下降,从而降低了叶片和果实的碳同位素分辨率(Δ13C)值,提高了从叶片到田间尺度的水分利用效率。因此果实成熟期番茄植株的Δ13C值在一定程度上可以为优化水分利用效率提供一个合适与快速的表征途径。(2)二氧化碳浓度升高环境下充足的氮肥供应能够显著地增强番茄植株的光合能力,极大地降低叶片的气孔导度和蒸腾速率,从而明显地提高叶片水平的水分利用效率。特别是升高的二氧化碳浓度环境与交替灌溉能够协同地减少叶片的气孔导度和蒸腾速率,而保持了叶片的活力和光合速率,进而促使了番茄叶片水平水分利用效率的明显提升。交替灌溉方式下,升高的二氧化碳浓度环境与充分的施氮量相结合能够显著地增多植株的干物质重、碳的累积和氮的吸收。而番茄仅在亏缺氮肥条件下具有较高的植株水平的水分和氮素利用效率。(3)升高的二氧化碳浓度环境明显提高了 Ball-Berry气孔导度模型的斜率值,表明番茄叶片光合与气孔导度的耦合关系是独立适应于两个二氧化碳浓度环境的。采用整个根系的土壤基质势对Ball-Berry气孔导度模型进行修正后可以明显提高对不同灌溉方式和二氧化碳浓度环境下番茄叶片尺度的气孔导度和水分利用效率的预测与模拟精度,且相同的二氧化碳浓度环境下交替灌溉植株具有相对更高的水分利用效率。(4)交替灌溉方式下的水分调控能够明显地提高成熟期田间番茄果实的硬度、可溶性固形物、维生素C、有机酸和可溶性糖的品质属性。不同灌溉方式,尤其是节约三分之一灌溉定额的交替灌溉下果实单一品质指标对水分亏缺响应最为敏感的时期均是在果实的转色期,说明交替灌溉能更有效地调节果实生长关键时期的品质形成、积累与分配的过程。(5)不论哪个灌溉方式和二氧化碳浓度环境,亏缺的氮肥供应虽然减少了番茄果实的数量和产量,但可以提高果实的硬度、总糖和总酸的品质属性。升高的二氧化碳浓度环境下生长的植株可以减轻交替灌溉对果实产量的亏缺影响。在充足的氮肥施用量条件下,升高的二氧化碳浓度环境与亏水灌溉,特别是与交替灌溉方式相结合可以明显地促进光合产物向果实的累积与转化,从而提高了番茄果实矿物质营养和风味属性的综合品质。