水资源不足是世界主要农业产区普遍存在的问题，而随着农业生产的发展，我国水资源形势也日益严峻。作为我国重要农区的华北平原水资源严重缺乏。水资源已成为制约我国农业生产和发展的关键因素，但是多数情况下的有限降雨以及灌溉用水并未得到充分利用，而且作物水分利用的生理过程(如固定CO2和蒸腾耗水等)与水分之间的定量关系尚不清楚，造成了农业用水许多不必要的浪费。稳定性同位素技术能够帮助我们深入了解农田水分循环以及作物水分利用，能够为土壤-植物-大气连续体(Soil Plant Atmosphere Continuum，SPAC)中的水分循环研究和节水农业的发展提供理论基础与指导。　　 本文通过玉米-小麦轮作的大田试验进行田间水分循环及水量平衡研究，并利用氢、氧稳定性同位素来研究田间水分循环与田间作物水分利用；而采用可控水分的盆栽进行作物水分胁迫试验，并利用碳稳定性同位素来探讨不同水分胁迫程度下作物水分利用效率(Water use efficiency，WUE)与碳同位素判别值(Carbonisotope discrimination，△13C)之间的关系，并分析了玉米和小麦的WUE和△13C之间的差异。得到了如下主要结论：　　 (1)研究时段内全年(2007年6月-2008年5月)降雨量为613.7mm，接近于该地区多年平均降雨量，其中玉米生育期(2007-6-5至2007-9-12)为427.4mm，小麦生育期(2007-10-16到2008-5-31)为179.3 mm，且降雨在作物各生育期上分布不均匀。封丘地区降雨的δD与δ18O呈极显著正相关关系，降雨δD和δ18O呈现出明显的季节性变化，具有“夏季贫化冬季富集”的显著性季节差异。综合降雨同位素和水汽输送信息，该地区雨季降雨主要来自于南方海洋蒸发水汽；降雨氘盈余(d)值表明雨季降雨主要来自于海洋蒸发水汽，而旱季降雨主要来自于局地蒸发水汽，而且局地水循环形成的降雨对全年总降雨的贡献较大，占全年年总降雨量的28.3％；雨季降雨量大，降雨存在着显著的“降雨量效应”，而气温对雨水同位素的影响作用较弱，雨水的δD和δ18O变化范围也小；旱季降雨量小，降雨量效应不明显，温度对雨水的δD和δ18O具有重要影响，且影响结果与“温度效应”相反，旱季降雨中δD和δ18O的变化主要受平衡分馏影响，同时雨水的δD和δ18O变化范围较大；与我国西北和西南地区不同的是，相对湿度对封丘地区降雨δD和δ18O在季节分布上并没有显著影响；大气压的变化趋势与温度相反，其对δD和δ18O的影响作用也和温度相反；雨水同位素的季节性差异掩盖了风速对δD和δ18O的影响。　　 (2)本研究建立的线性混合模型与δD-δ18O plot的耦合模型综合了各种水分氢氧同位素信息，能够定量计算多种水源对植物的贡献率，且计算结果比线性混合模型准确；各水源对玉米的贡献随着生育期而变化。表层土壤水为玉米苗期和拔节期的重要水源，40 cm深处土壤水对拔节期贡献最大；而80 cm深处土壤水为抽雄期和灌浆期玉米地重要水源；降雨为玉米全生育期的一个重要水源，且其对玉米的贡献和该生育期的降雨量呈正相关关系；各水源对小麦的贡献随着生育期的变化而变化。在全生育期中，土壤水分是小麦的重要水源。各水源对小麦的贡献随着生育期的变化而变化，在分蘖期、返青期和拔节期，小麦的主要水源为表层(20 cm)土壤水，且各土壤层次对小麦水分的贡献随着土壤深度的增加而降低；孕穗期，40、80和180 cm处土壤水为主要水源，地下水也贡献了10.6％的水分；开花期的重要水源是80和180 cm处土壤水，均占小麦全部水源的30％以上，40 cm土壤水和地下水也分别贡献了13.9％和16.4％；乳熟期利用最多的水分来自于40 cm土壤(46.3％)，其次是80 cm土壤(39.5％)，其余各种水源利用很少。降雨在各生育期对小麦的贡献均很小(小于5％)。玉米和小麦对各层土壤水分的利用与土壤含水量并不存在一致性的关系，其原因可能是作物根系活性格局随生育期发生了变化，如表层根系活性随着生长的进行发生死亡或者活性降低，从而导致作物利用水源的深度随着生育期的增加而增加。　　 (3)水量平衡模型计算结果表明2007年玉米季全生育期(2007-6-5至2007-9-12)蒸散量为481.8 mm，而大型称重式蒸渗仪测定蒸散量为367.0 mm(不包括2007-8-7至2007-8-23)。水量平衡模型计算的蒸散量分布在苗期、拔节期、孕穗期、抽雄期、灌浆期-成熟分别为122.7、81.9、82.5、71.5、123.2mm，大型称重式蒸渗仪测定的蒸散分布在苗期、拔节期、孕穗期、灌浆期-成熟分别为116.8、92.6、68.6、89.1 mm。同位素质量平衡模型计算结果表明，玉米蒸腾在5个生育期中分别占蒸散的10.06％、65.00％、77.98％、82.02％、50.02％，相应的，土面蒸发占蒸散的89.94％、35.00％、22.02％、17.98％、49.98％。　　 (4)水分胁迫降低了玉米各生育期生物量干重，而严重水分胁迫将导致各生育期生物量干重的极大降低；除严重胁迫外，玉米各生育期的WUE随着水分胁迫程度的增加而增加；玉米叶片光合同化物质往茎秆转移时没有发生碳同位素的分馏作用；在玉米的各生育期，叶片△13C、茎秆△13C和玉米WUE呈一致性的负相关关系；各生育期的SLA与△13C呈正相关关系，而与WUE呈显著的负相关关系。轻度水分胁迫条件下小麦生物量干重最高，其次为充分灌溉，再次为中度水分胁迫，而严重水分胁迫将导致小麦各生育期生物量干重的极大降低；小麦在轻度水分胁迫时WUE最高，在充分灌溉时WUE最低；小麦叶片光合同化物质往茎秆转移时会产生碳同位素的分馏作用；在小麦的各生育期，叶片△13C、茎秆△13C和小麦WUE呈一致性的负相关关系；整个生育期的WUE与△13C也呈现出显著的负相关关系。　　 (5)玉米拔节期水分胁迫时气孔关闭导致了Ci降低。在孕穗、抽雄和灌浆期，W1、W2和W3处理下Ci依次降低。W4处理由于严重干旱而导致Ci大于W2和W3处理；成熟期叶片的老化导致了Ci在成熟期随着水分胁迫的增加而增加；叶片△13C和Ci/Ca的关系受水分条件和生育期双重影响，从拔节到灌浆，叶片△13C在W1、W2和W3三种处理中的变化趋势与Ci/Ca一致，而成熟期则不一致；W4处理的叶片△13C从孕穗到灌浆的变化趋势与Ci/Ca一致，其余生长期不一致。而在各水分处理下，叶片△13C与ψ均呈极显著正相关，且ψ对叶片△13C的影响均大于Ci/Ca；在不同水分处理中，ψ的变化和叶片△13C的变化一致。W1、W2和W3处理下，ψ随着水分胁迫的增加而降低，但严重水分胁迫会增加ψ。