森林生态系统中大气与植被界面的水、碳过程是系统内主要的物质和能量循环组成部分,水、碳过程之间存在着明确的耦合关系,其耦合机制的研究,对制定森林水碳权衡对策具有重要的意义。由于传统研究方法的不足,之前的研究多集中于叶片尺度的瞬时水碳耦合关系,对于树木长期水碳耦合的研究仍处于发展的阶段,成为阻碍森林水文学和植物生态学过程定量化研究的关键节点。本研究利用稳定同位素技术和树木年代学原理,以华北地区典型树种侧柏、油松、栓皮栎、刺槐和小叶杨为研究对象,通过测定树轮碳稳定同位素值δ13C,推算年光合-气孔导度耦合值iWUE,掌握iWUE的变化特征及对气象因子的响应;分析了气候变化背景下不同退化程度的树木生长历程、光合-气孔导度耦合关系变化特征及其对气象因子的响应特性,揭示树木生长过程与气候动态互馈关系;构建了水碳耦合模型,进而定量表达林木蒸腾量与固碳量之间的耦合特性;分析了气候变化背景下不同生长状况的树木光合-气孔导度耦合的响应、预测及提升策略。主要研究结果如下:(1)树轮纤维素δ13C序列均表现为高密度林分树轮纤维素δ13C高于低密度林分,林龄较大的林分δ13C高于小林龄林分,陡坡林分δ13C高于缓坡林分,阳坡林分δ13C高于阴坡林分。不同类型林分树轮纤维素δ13C平均值大小排序为:侧柏>油松>栓皮栎>刺槐。四个树种年均iWUE均呈逐渐上升的趋势,针叶树种iWUE显著大于阔叶树种。iWUE与年降水量之间呈弱负相关关系,与年均RH没有显著的相关关系,与年均气温、大气CO2浓度之间存在极显著正相关关系。(2)随着退化程度的加深,树轮纤维素δ13C逐渐增大,△逐渐降低;正常生长的小叶杨和退化的小叶杨iWUE均呈现极显著上升趋势,退化的小叶杨iWUE高于正常生长的小叶杨。不同退化程度小叶杨树轮纤维素δ13C、△、Ci和iWUE均存在极显著差异。降水量和RH不是影响小叶杨发生退化的主要因素;正常生长、轻度退化和重度退化的小叶杨iWUE均随年均气温升高而增加,存在显著的正相关关系;iWUE存在保守性和变异性,随着环境阻力的加大,水碳耦合关系会出现“脱耦”现象,即发生树木退化或死亡。(3)通过构建的水碳耦合模型对侧柏长期年固碳量和年蒸腾量进行估算,1880年至2016年期间,侧柏年固碳量呈现极显著二次曲线的增长趋势,且斜率不断增大,年蒸腾量呈现极显著二次曲线的增长趋势,斜率逐渐减小。侧柏长期水分利用效率呈极显著增长趋势。在气候变化和大气CO2显著升高的背景下,侧柏水碳耦合关系随之变化,水分利用效率逐渐升高。(4)2010至2100年期间,侧柏、油松、刺槐和栓皮栎iWUE预测值均呈逐渐上升趋势,平均iWUE排序为:侧柏>油松>栓皮栎>刺槐。正常生长的侧柏、油松、刺槐和栓皮栎达到iWUE最高值时的树龄分别为220a、200a、134a、150a,iWUE最高值排序为侧柏>油松>栓皮栎>刺槐。