以水-碳循环为核心的农田生态水文过程研究已成为当前农学、生态学和水文学的前沿与热点。定量把握主要粮食作物的水-碳通量是区域水资源优化配置和农田CO2减排的基础。本文以涡度相关系统为主要技术手段,在鄱阳湖平原和华北平原的典型农田上开展了水-碳通量的长期定位观测试验,并以此为基础深入研究了不同农田生态系统水碳通量的时空变异特征与环境响应机制。为确保数据质量,论文在进行一系列通量校正和计算的基础上,对校正后的数据进行了质量控制与分析。结果表明,WPL校正、倾斜校正以及平均周期的选择均可显著影响CO2/H2O通量,而储存效应对净生态系统生产力和蒸发蒸腾的影响可忽略不计。稳态测试表明稻田通量观测数据质量比较可靠。能量平衡闭合分析的结果显示两种农田生态系统均存在能量平衡不闭合现象,年尺度上鄱阳湖平原典型稻田生态系统的能量闭合度约为88.4%,华北平原典型冬小麦-夏玉米的能量闭合度约为85%。南昌站观测数据主要来源于目标区域。早、晚稻生长期内,白天约有90%的通量数据来源于目标区,夜晚则为70-80%。针对不同数据空缺长度选择合适的插补方法,综合考虑多种气象驱动因子以及根据下垫面状况与气象条件分段插补,可有效提高CO2/H2O通量缺失数据的插补效果。基于2011～2013年稻田和2003～2005年冬小麦-夏玉米轮作田的水-碳通量观测资料,从生态系统水、碳传输的角度,揭示了不同时间尺度的生态水文变化过程,并分析了不同农田生态系统的异同。结果表明,ET和NEE在小时尺度、日尺度和季节尺度上均具有明显的变化特征。ET日变化呈“倒U型”曲线,日变化峰值一般出现在12：30～13：00；NEE日变化呈“U型”曲线,ET, CO2吸收峰通常出现在12：00左右。在作物主要生育期,白天生态系统吸收CO2 (NEE为负)、夜间排放CO2 (NEE为正),碳吸收量远高于碳排放量,生态系统表现为明显的碳汇。农田生态系统ET日进程在一年内表现为双峰趋势,稻田生态系统ET主要受气象因子的驱动,而冬小麦-夏玉米轮作生态系统主要受作物生长发育的调控。作物生长期内,夜间ET占日ET的比例在10%以下,作物耗水主要发生在白天；而在非生长期,这一比例为10-20%。采用稻-稻-紫云英种植模式的稻田生态系统NEE日进程在一年内表现为三峰变化趋势,而冬小麦-夏玉米轮作生态系统则为双峰变化趋势,两种农田生态系统的净碳吸收均主要受作物生长发育的影响,最大日碳吸收量出现在LAI最大的生育期。冬小麦-夏玉米轮作生态系统的最大日碳吸收量和最大日碳排放量均>稻田生态系统。作物生育期耗水量年际差异较大,水稻田的日均耗水量远>冬小麦-夏玉米轮作田。考虑籽粒含碳量后,早稻田、麦田及玉米田均由强碳汇转变为微弱的碳源或碳汇,而晚稻田则仍能维持中等程度的碳汇。两种农田生态系统在作物生长期的NEE总量相当,NEE年际差异主要体现在非作物生长期。研究表明,尽早移栽晚稻能提高作物的碳同化量。稻-稻-紫云英种植模式相比稻-稻-冬闲模式,可使稻田在冬季表现出一定程度的碳汇,具有较好的推广价值。在不同时间尺度上,深入分析了农田生态系统水-碳通量与辐射、气温、湿度、风速等气象因素和叶面积指数等作物生理生态指标的相关关系,探讨了水-碳通量的环境响应机制。结果表明,不同时间尺度上ET与NEE的主控因子不同。小时尺度上,净辐射是ET的主要控制因子。ET对气象因子的响应受到LAI和土壤水分条件的影响。日尺度上,辐射仍然是ET的主控因子,夜间平均v是稻田夜间ET的主要控制因子。月尺度上,气温成为稻田生态系统的主控因子,降雨及灌溉导致的土壤水分变化则会改变旱作农田ET的主控因子。小时尺度上,NEE与PAR的关系可用非直角双曲线形式的光合光响应模型描述。PAR=1000μ mol/m2/s可能是农田生态系统冠层尺度利用光能的一个阈值,当光强低于该阈值时,PAR是限制光合速率的最重要因素。日尺度上,NEE的限制因素开始转变为气温。稻田生态系统和冬小麦-夏玉米轮作生态系统的临界温度分别为10℃和5℃左右,在临界温度的前后表现出碳源与碳汇的转变。月尺度上,作物生长期内,LAI是NEE的主控因子。非作物生长期,气温成为主控因素,NEE对气温表现出非对称性环形响应特征。