中文摘要：

以气候变暖、降水频率增大以及太阳辐射减弱和组分的变化为主要特征的气候变化显著地影响着华北平原的农业生产和农田水分利用。本研究拟在作物－水分关系实验和农田生态系统水热和CO2通量观测的基础上，探讨多个气候要素变化对农田辐射与热量平衡、水热传输和光合作用与蒸腾作用等生理生态过程等综合影响的机理；构建以植物生理生态过程和农田生物物理过程为基础的新一代作物系统模型，使得其具备较准确地反映作物生长对气候变化响应的能力，以解决当前作物系统对气候变化影响的分析与预测中较大的不确定性等问题。研究主要包括以下两个方面1）太阳辐射、温度、降水等因子对作物冠层水热通量和CO2通量以及作物生长的作用以及因子之间的相互增强和削弱作用； 2）作物冠层对太阳辐射截获和水热耗能的分配、以及作物光合作用与蒸腾作用对温度和辐射因子和土壤水分因子等响应的定量表达。

结论摘要：

气候变化及其影响已成为全球学者广泛关注的热点问题和重要的研究领域。以温度上升、太阳辐射降低及极端降水事件增加为特征的气候变化显著影响着农业生产方式、种植制度、生产潜力、水肥管理等各个方面。本项目在华北平原禹城和栾城试验站完成了田间试验观测，获取了一套完整的作物生长发育、土壤、微气象数据及农田水热与CO2通量数据。在此基础上，分析了冬小麦和夏玉米生长季水热、CO2通量及作物水分利用效率的日际变化规律，揭示了其与环境因子的定量关系；分析了太阳辐射降低及辐射组分变化对冬小麦产量和蒸腾以及小麦产量构成的影响；系统分析了华北平原冬小麦碳-水通量的环境、生物控制因子的多尺度效应；不考虑品种变化、农田管理措施等人为因素影响，利用自主开发的农田生态系统模型（ChinaAgrosys），分析了华北平原近50年来冬小麦产量及水分利用效率，及未来气候情境下，CO2浓度升高对华北平原冬小麦生长及水分利用的影响及其区域差异。主要发现包括（1）华北平原辐射显著下降可以导致冬小麦产量下降，但这种下降趋势被散射辐射比例增加和CO2施肥效应所抵消，使得产量变化不明显，甚至有所上升。（2）CO2浓度升高对ET的影响作用是气孔导度降低、叶面积增加和冠层温度升高三者共同作用的结果，大气CO2浓度升高，能显著增加叶片光合速率，使得气孔导度降低，气孔部分关闭，作物蒸腾阻力增加，蒸腾速率降低，但是由于光合作用的增加使得LAI增加又增加了作物蒸腾耗水，造成CO2浓度升高对ET的影响很有限，甚至增加作物耗水，特别是在生育期内降水较少的北方地区。CO2增加减少蒸腾水分损失同时，导致作物主要生育期内冠层温度增加0.23-0.32oC，在未来气候背景下，这可能会进一步加剧作物遭受高温胁迫的风险。（3）大气CO2浓度增加对小麦WUE的影响在不同的水分条件下有明显差异，WUE增加的幅度随土壤可利用水量增加而增加，在低水分条件下增加的比例大于中、高水分条件下，且WUE的增加与可利用水量之间是非线性负相关，可能是由于在低水分条件下，作物水分亏缺造成气孔部分关闭对蒸腾的影响大于对光合的影响，使蒸腾作用下降作用大于光合作用下降，因此在一定程度上水分亏缺范围内，作物干物质下降的比率低于水分消耗下降的比率，从而导致作物的WUE提高的比率大于中高水分条件下的情况，这说明CO2浓度升高有助于小麦在有限的水分供给条件下提高作物产量。