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水分利用效率（WUE）定义为总初级生产力（GPP）与蒸散发（ET）的比值,它是联系陆地生态系统碳循环和水循环的关键指标。通过耦合水汽压差（VPD）对WUE的非线性影响,本论文提出并验证了陆地生态系统潜在水分利用效率（uWUE）模型。在此基础上,建立了陆地生态系统蒸散发分离的新方法——uWUE方法,并将其应用于黑河流域的3个典型生态系统。基于4个陆地生态系统模型,分析了uWUE对20世纪全球环境变化的响应特征。将基于植物气孔的碳水交换过程与最优化气孔导度模型相结合,理论推导得到uWUE(=GPP·VPD0.5/ET)模型。在日内半小时尺度上,证明uWUE模型相比IWUE（=GPP·VPD/ET）或WUE（=GPP/ET）模型更稳定。建立GPP-ET-VPD日内滞后模型,进一步验证了GPP·VPD0.5与ET的强相关关系。在日尺度上,证明日平均VPD可以替代日有效VPD,保证uWUE模型升尺度的稳定性。日尺度GPP·VPD0.5与ET之间（r=0.85）的线性相关系数比GPP·VPD与ET之间（r=0.81）更高。基于uWUE与IWUE模型模拟日尺度GPP,发现uWUE模型（r=0.81）的模拟效果显著好于IWUE模型（r=0.59）。提出潜在uWUE(uWUEp=GPP·VPD0.5/T)和表观uWUE(uWUEa=GPP·VPD0.5/ET)的概念,采用uWUEa与uWUEp的比值估算生态系统蒸腾比（T/ET）。在单一植被类型的站点,uWUEp保持相对稳定,且站点uWUEp与叶片尺度uWUE基本一致。对于落叶植被,T/ET与植被覆盖度之间呈现强线性相关关系。uWUE方法为生态系统蒸散发分离提供了一个简单的新途径,将进一步推动全球通量观测在蒸散发分离方面的应用。将uWUE方法应用于黑河流域的3个典型生态系统,并与传统的蒸散发分离方法进行对比。在生长高峰期,采用uWUE方法估算日尺度T/ET与稳定同位素及蒸渗仪/涡动相关方法具有较好的一致性。uWUE方法与茎流计方法估算的蒸腾具有一致的季节及日内变化过程。此外,采用uWUE方法能避免尺度不匹配问题,且能有效捕捉植被变化及灌溉等因素对T/ET的影响。最后,提出了一个综合归因分析方法,采用4个陆地生态系统模型,分析了1901-2010年间全球环境变化因子的趋势和年际变异性对陆地生态系统uWUEa变化的贡献。发现大气CO2浓度的增长趋势对uWUEa的趋势起决定作用,而气候的年际变异性是决定uWUEa年际变异性的主要因素。