叶片、个体尺度的水分利用效率体现作物的遗传特性，群体、生态系统尺度的水分利用效率同时反映栽培与农田水分管理，从不同尺度上提高水分利用效率是实现农业高效用水的核心。本项目以小麦－玉米复种农田生态系统为对象，采用红外气体分析法、稳定同位素法、收获/蒸散法和涡度相关法，分别从叶片尺度、个体尺度、群体尺度和生态系统尺度开展农田生态系统水分利用效率的多过程、多尺度的综合观测，认识农田碳固定、水分散失过程的耦合关系，探讨环境因子和生理过程对水分利用效率的调控机制，分尺度建立估算水分利用效率的数学模型，分析不同尺度水分利用效率的层次性及其相互联系，实现对农田蒸散中作物蒸腾和土壤蒸发所占比例的定量区分，从而深刻认识作物生理需水、生态需水和无效用水与水分利用效率的关系，确定进一步提高水分利用效率的主要变异来源，从而为从作物的遗传改良和农田水分管理两方面入手提高水分利用效率提供重要的科学依据。

认识农田碳固定、水分散失过程的耦合关系，探讨环境因子和生理过程对水分利用效率的调控机制，分析不同尺度水分利用效率的层次性及其相互联系，实现对农田蒸散中作物蒸腾和土壤蒸发所占比例的定量区分，对提高农田水分利用效率具有重要意义。项目采用红外气体分析法、收获/蒸散法和涡度相关法，分别从叶片尺度、群体尺度和生态系统尺度对农田生态系统水分利用效率进行了研究。在叶片尺度上，研究了光合作用、蒸腾作用以及叶片水分利用效率的日变化规律及其环境控制机制，分析了C3和C4作物气体交换的差异；在群体尺度上，建立了光合与呼吸、蒸腾与蒸发等水碳通量各个组分的拆分方法，准确计算了蒸腾和蒸发的比例及其对水分利用效率的贡献率，并分析了水分利用效率的层次性及其相互联系。在生态系统尺度上，揭示了农田生态系统水碳通量在上午和下午非对称响应的原因。