陆地生态系统的碳、水循环是全球变化科学的热点和核心问题。陆地生态系统碳循环包括植物的光合作用、自养呼吸作用及异养呼吸作用三个过程,其中光合作用通过植物的气孔调节行为,与控制水分散失的蒸腾作用相联系,构成了土壤—植物—大气系统中相互作用、互为反馈的碳、水循环过程,它们的动态变化将对气候系统产生重大影响。农田生态系统是受人类活动干扰最大的陆地生态系统,也是气候变化的主要承受者,对农田生态系统中碳、水循环机理过程、变化趋势及其对环境响应的综合研究,将有助于了解农田生态系统缓解全球CO₂浓度上升的潜在可能性及其对全球变化的贡献,并为构建生态系统尺度碳、水循环模型奠定基础。本研究以冬小麦为研究对象,利用LI-6400R光合—蒸腾测量系统、LI-6400-09土壤呼吸室和禹城生态试验站涡度相关系统等高精度仪器设备,对2007年和2008年小麦拔节至乳熟期间涉及碳、水循环过程的叶片光合—蒸腾作用、土壤呼吸作用及相关农田气象要素和植被特征进行了野外试验测定和分析,在试验观测基础上提取了重要生理参数,建立了基于过程的农田与大气间物质输送和能量交换的多层—双叶模型,并对2008年试验期间冠层上方碳通量特征进行了模拟,试验分析和模拟的主要结论如下:1.叶片水平光合—蒸腾过程的碳、水循环特征:不同生育期中测定的不同层次阴、阳叶片具有各自明显的净光合速率、蒸腾速率和水分利用效率日变化特征,这是包括光合有效辐射、气孔导度、CO₂浓度、温度等影响因子在内的综合作用的结果,进行气孔限制分析是解释日变化规律的有效方法;随光强增加,各层次叶片净光合速率均呈直角双曲线增加,蒸腾速率呈直线增加,在两者共同影响下,叶片水平水分利用效率亦呈直角双曲线增加,且存在“光饱和”特征;随CO₂浓度增加,各层次叶片净光合速率呈直角双曲线形式增加,同时气孔导度下降导致蒸腾速率呈波浪式下降,两者共同使叶片水平水分利用效率提高,蒸腾速率对由CO₂浓度变化而引起的气孔运动的响应比净光合速率快。2.土壤呼吸过程的碳循环特征及根呼吸的贡献:不同组分土壤呼吸存在明显日变化和季节变化特征,其中季节变化是以温度起重要作用并受根生物量协同影响的综合结果,5-10cm土壤温度大约可以解释不同组分土壤呼吸季节变化的49%～65%,土壤中根生物量大约可以解释土壤呼吸季节变化的44%;综合根去除法和根生物量外推法两种方法估算的研究期间根呼吸对土壤总呼吸的贡献为32%～45%。3.农田生态系统尺度的能量平衡与碳、水循环特征:植物以叶片为生命活动的基本单元,在生态系统尺度通过湍流交换等形式推动物质（碳、水）循环流动,并与系统中驱动物质循环的能量传输密不可分。本研究分析结果表明,利用涡度相关技术直接测定的农田生态系统尺度能量和物质通量,具有明显的日变化和季节变化特征,但涡度相关技术与常规观测技术相比存在低估趋势。利用生态系统水分利用效率（WUEe）可以衡量生态系统尺度碳、水循环关系,其日变化特征随生育期不同而不同。将生态系统水平与叶片水平的水分利用效率日均值进行比较,前者较后者高,原因可能与研究时对不同尺度采用了不能直接可比的不同的测定方法有关,也可能与涡度相关技术对能量通量的低估有关。4.多层—双叶模型对冠层上方碳通量的模拟:综合考虑农田水、热因子及叶片氮含量的非线性垂直分布对碳、水循环的影响,将农田按植株高度分为上、中、下三层,并通过叶片集聚指数计算阴、阳叶面积以区分叶片的空间分布受光状态,建立了均匀农田与大气间物质输送和能量交换的多层—双叶模型,对农田冠层上方基于光合—呼吸的碳循环过程进行了模拟应用研究。利用涡度相关碳通量观测数据对模型模拟能力的检验结果表明,模拟值大约可以解释实测值的78.5%,拟合程度较高,模拟的CO₂通量日变化特征在晴天的日间比在阴雨天和夜间的效果好。在叶片非随机分布的密集农田中,阴叶对GPP的贡献率在35.7%左右,说明阴叶对生产力的贡献也很重要,分层模拟显示,作物最终产量的形成主要依赖上层叶片,对GPP贡献率占80%以上,模型估算的试验期间冬小麦NPP累计约为626.3gC·m^-2。