关中平原是我国西北地区重要的粮食产区之一。随着水资源的日益短缺，大量的农业需水量和有限的淡水资源之间的矛盾日益突出。在气候变化的背景下，如何合理利用淡水资源优化水资源配置成为了当前热点问题之一。农田生态系统的能量及水碳通量是农田生态水文过程的主要过程。本文以关中平原作为研究区域，以能量及水碳通量观测为基础，选择典型的冬小麦夏玉米农田进行了以水碳通量观测与模拟为主要目标的农田生态水文过程研究。分析了关中地区典型农田生态系统的生态水文过程机理，构建了适用于该类型农田生态系统的生态水文模型，并以原位观测数据对该模型进行评价。研究得到以下结果：
　　1．冬小麦夏玉米农田能量及水碳通量季节与年际变化特征分析
　　基于涡度相关系统和微气象观测系统的观测数据分析表明：轮作年的年总蒸散发(ET)分别为627mm-775mm。ET会随着叶面积指数(LAI)的快速增长而增长，并且ET在LAI达到最大时达到相应的峰值。此后，ET会随着叶片的衰老而降低。冬小麦日ET的最大值为5.5至6.0mmday-1，夏玉米日ET的最大值为5.2至6.7mmday-1。冠层导度(Gc)在玉米季和小麦季分别可以达到19.5mms-1和29.5mms-1的峰值。对于夏玉米和冬小麦，Gc对Priestley-Taylor系数(α)影响的阈值为10mms-1，低于该阈值时，α随着Gc的增大线性增大。当LAI达到最大值时，波文比(β)日值处于0.1和0.2之间。当处于轮作期时，β日值一般处于1.5与2.9之间。玉米季和小麦季的平均值分别为0.59和0.53。环境因子分别解释了夏玉米季和冬小麦季82.6%和85.9%ET的变异性。Gc主要受净辐射(Rn)和饱和水汽压差(VPD)的直接影响，而ET仅主要受Rn的直接影响。夏玉米总初级生产力(GPP)比冬小麦高，但由于夏玉米生态系统呼吸(Re)值远大于冬小麦，夏玉米净生态系统碳交换(NEE)量反而比冬小麦小。
　　2．适用于该地区夏玉米农田的作物系数曲线的计算
　　基于夏玉米蒸散发的实测数据，提出了适用于当地气候类型和田间管理措施的作物系数曲线，同时研究了夏玉米蒸发蒸腾量各组分(植物蒸腾量和土壤蒸发量)的季节与年际变化。结果表明，夏玉米农田的蒸发蒸腾量的不同组分具有明显的季节变化特征。在夏玉米的生长初期，土壤蒸发约占蒸发蒸腾量的78%–85%。随着冠层的不断生长，土壤蒸发量所占比率逐渐降低。在生长中期，土壤蒸发量很低，此时植物蒸腾量占蒸发蒸腾量的比率为54%–81%。基于研究地实测蒸发蒸腾量数据得出的不同生长阶段的作物系数分别为：生长初期为0.57，生长中期为1.01，生长后期为0.50。此作物系数曲线可以精确地预测作物需水量。由于气候和观测方法的不同，玉米作物系数的变异性很大。不同的蒸散发观测方法使得作物系数变异性很大。基于蒸渗仪测得的蒸散发数据得出的生长中期作物系数为1.20–1.53，显著高于基于涡度相关系统测得蒸散发数据得出的生长中期作物系数。尽管蒸渗仪被视作观测蒸散发的标准方法，但由于其观测尺度较小，区域代表性较低，通常会高估蒸发蒸腾量，进而会使得出的作物系数偏高。
　　3．基于SPAC系统的生态水文学模型(SCOPE_STEMMUS)的构建
　　基于SPAC系统，将SCOPE和STEMMUS模型进行了耦合，结果表明，将SCOPE模型和STEMMUS模型进行耦合后，陆面通量的模拟和蒸散发ET的分离得到了改进，尤其当植被受水分胁迫时提升尤为明显。与SCOPE_STEMMUS与SCOPE、SCOPE_SM和STEMMUS进行对比，耦合模型STEMMUS_SCOPE可以很好的模拟当植被处于水分胁迫时的能量及水碳通量，同时该模型还可以模拟土壤水热和植被根系的动态变化。然而，该模型还有许多方面需要进一步改进。首先，在灌溉时，土壤温度的上边界条件估计还不够准确，这会显著影响到土壤温度的模拟。其次，土壤呼吸模块也需进一步改进，目前的模型对土壤呼吸的模拟仅考虑了土壤温度而忽视了土壤湿度对土壤呼吸的影响。综合而言，该模型集成了辐射传输、光合作用、根系动态生长及土壤水热运移等模块，可以作为模拟农田生态水文过程的准确方法。