气候变化是全球变化研究的核心问题之一,许多模型预测结果表明,未来一段时间内全球气温仍将持续升高,降水的时空分布也将发生变化,极端降水事件频率增加、干旱加剧,这些变化将进一步影响到陆地生态系统的结构和功能。生态系统碳和水的耦合是地表物质和能量循环的重要生物物理过程,光合作用吸收的碳和蒸腾作用散失的水分通过叶片气孔耦合在一起,作为表征生态系统碳和水耦合程度的重要指标水分利用效率(WUE)指的是损耗单位质量水分所固定的碳,反映了生态系统碳水循环规律和相互作用关系,是评价生态系统对气候变化响应的一种综合指标。降水量的变化是影响陆地生态系统的重要因素之一,了解生态系统WUE对水分供应变化的响应机制,有助于我们理解在全球气候变化背景下生态系统对降水变化的调整和反馈。因研究目的和数据获取的差异,不同研究对于生态系统WUE的计算方法存在差异,生态系统所固定的碳和消耗的水有多种不同的表征方式。基于不同算法的生态系统WUE,因包含了不同碳和水交换过程而有着不同的内涵,涉及不同的生态学过程,其控制机制也存在差异,但彼此之间又因包含了相同的核心过程而有着密切的联系。目前对于生态系统水分利用效率的研究,不同定义的WUE之间的研究缺乏可比性,导致生态系统WUE的研究片面化、分散化,不利于生态系统水碳循环耦合的机理研究。本文定义了3种不同生态系统水分利用效率,生态系统的碳吸收由光合作用固定的有机碳总初级生产力(GPP)来表征,生态系统消耗的水分别由降水(P)、蒸散发(ET)和植被蒸腾(T)来表征,3种WUE的计算方法为GPP与P的比值为WUE-P;GPP与ET的比值为WUE-ET;GPP与T的比值为WUE-T。在相同的范畴下,研究不同植被功能类型、不同干旱分区的3种不同定义的生态系统WUE之间的联系及差异,以及对于年降水变化响应的差异性。在气候变化对全球植被影响的研究中,3种水分利用效率指标都有不同的应用,而哪种指标对气候变化更敏感,更适合分析生态系统的变化特征,是文中着重讨论的核心问题。本文在站点尺度上和全球格网上研究生态系统的3种WUE的特征。首先在站点尺度上,通过通量站的实际观测数据优化蒸散发模型的参数,将站点尺度上植被蒸腾部分T由蒸散发ET中的分割出来。结果表明,通量站点上T/ET的范围在0.29-0.72之间,植被的蒸腾和截留蒸发的比例(T+EI)/ET的结果在0.57-0.86之间。不同植被功能类型、不同气候区的蒸散发分割结果存在较大的差异,其中站点尺度上的T/ET值随年降水量增加呈明显下降趋势。分析站点尺度和全球格网上不同的植被功能类型、不同气候区的3种WUE,结果发现站点尺度和全球格网上3种WUE的变化存在一致性,不同的植被功能类型和不同气候区之间的3种WUE存在明显的差异性。不同定义的水分利用效率,同时受到生态系统固定的碳和消耗的水分影响,与3种WUE的相关性最高的都是净初级生产力GPP,这说明光合作用所固定的碳是影响不同生态系统水分利用效率的决定因素,而水分的消耗在其次。最后分析年降水量的变化对生态系统水分利用效率的影响,3种WUE对年降水量变化的响应存在显著差异性。在站点尺度上WUE-P在干旱年份较湿润年份明显升高;WUE-ET在干旱年份和湿润年份的变化不明显;WUE-T在干旱年份出现了降低而湿润年份出现升高的情况。在全球格网上,干旱对3种WUE的影响与站点上存在一些差异,从干旱指数DSI与3种水分利用效率的相关系数的空间分布来看,随着干旱的加剧,WUE-P呈现增加趋势的区域较多,降低的区域较少;WUE-ET呈现增加趋势的区域逐渐减少,降低的区域逐渐增加;而WUE-T出现增加的区域范围更广。造成3种WUE对降水量变化的响应不同的主要原因,是由于GPP、ET和T对于年降水量变化的敏感性之间存在差异,其中GPP对降水变化的敏感性最强,ET次之,而植被的蒸腾作用T对于降水的敏感性较弱。在全球气候变化背景下,3种WUE作为对植被影响的评价指标,有着不同的作用,WUE-P受到降水的影响明显,WUE-ET干湿年份内较为稳定变化不显著,WUE-T是一个较为合适的指标来评价气候变化对水碳耦合的影响。