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农田生态系统通过地上植被的光合作用固定大气中的CO2和农田土壤固碳的方式可作为全球生态系统中较大的碳库。不同于其他自然生态系统，人类活动的干扰（主要指籽粒收获，桔秆还田）会使农田生态系统的碳汇功能发生变化，从而使农田生态系统转变为碳中性甚至碳源。然而，倘若采取科学的农田管理措施，控制CO2的排放量，增加农田土壤碳储量，就会使农田生态系统的固碳潜力得到增加。华北平原是我国最大的粮食生产中心，冬小麦和夏玉米轮作是该地区的主要种植方式。由于该地区幅员辽阔，故在农田固碳和减少温室气体排放方面发挥着重要作用。评价华北平原农田生态系统的碳交换速率不仅有利于估测温室气体的区域平衡，而且还有利于发展验证农田生态系统碳循环模型和评价遥感数据。利用涡度相关技术对植被-大气间碳交换速率进行直接的原位观测是评价陆地生态系统碳收支平衡的一种重要方法，对生态系统碳交换进行长期的连续观测能够充分反映碳交换速率的年际变异特征。碳交换速率的年际变异又能够向人们提供有关生态系统生态过程对气候变化作出响应的丰富和有价值的信息。 本研究利用华北平原山东禹城农田试验站2003～2012年和河北栾城农田试验站2007～2012年的涡度相关观测数据着重探讨了农田生态系统光合作用响应参数、农田生态系统呼吸、农田净碳交换速率的年际变异及机制以及生态系统光合作用和呼吸作用对净碳交换速率的控制作用，主要研究结论如下: (1)利用直角双曲线拟合出的农田生态系统的三个主要光合作用响应参数，即表观量子效率(α)，生态系统最大光合速率(Amax)和白天平均生态系统呼吸(Rd)，呈现出与农田生态系统的发育进程相一致的季节变异特征。通过对全年作物的主要生长季有效数据的拟合发现禹城的α，Amax，Rd的年值在2003～2012年的波动范围分别是0.0022～0.0065(0.0033±0.0013，平均值±标准偏差，下同)mg CO2μmol photon-1，2.33～4.43(3.15±0.61)mg CO2 m-2 s-1，0.13～0.47(0.31±0.09) mgCO2m-2s-1，栾城站在2008～2012年的波动范围为0.0016～0.0021(0.0018±0.00018) mg CO2μmol photon-1,3.00～6.30(4.4±1.21) mg CO2m-2 s-1和0.06～0.27（0.16±0.083）mg CO2 m-2s-1。简单回归分析表明较高的生长季平均饱和水气压差(VPD)会抑制α和Rd的年值，但由于α与Amax在年际尺度上成显著负相关，因此VPD会对最大生态系统光合作用(Amax)产生间接的促进作用。进一步用斜率同质模型（HOS模型）量化生物功能变化和环境条件对光合作用响应参数的年际变异的贡献的结果表明，在禹城站，生物功能变化通过VPD和土壤含水量(SWC)来对三个光响应参数的年际变异产生影响。然而，在栾城站，没有发现生物功能的变化会对α和Rd的年际变异产生影响，同时生物功能的变化对Amax的年际变异产生较小的贡献。进一步表明禹城和栾城站环境条件的季节变异是光响应参数年际变异的主要来源。 (2)农田的生态系统呼吸(RE)呈现明显的年际变异。禹城站和栾城站农田的年总RE在2003～2012年和2008～2012年间的波动范围分别是1945.6～1545.4(1776.03±133.05)gC m-2year-1和1997.7～2606.0(2284.26±221.38) gC m-2year-1。栾城站的年总RE高于禹城站的年总呼吸，这是由于两个站点之间的冬季温度、冬小麦机械收割后的作物残留量以及两站点地下水位的差异所共同导致的。本研究发现，夏玉米生长季呼吸与温度相关关系的斜率（以下简称夏玉米呼吸温度斜率）是影响年总RE的关键因素。在禹城站，RE的年际变异与夏玉米呼吸温度斜率呈显著正相关(R2=0.60，p＜0.001)。但RE的年际变异与冬小麦生长季呼吸与温度相关关系的斜率无关。进一步研究表明，禹城站夏玉米生长季呼吸温度斜率与每年5～7月的平均土壤含水量呈显著正相关(R2=0.52，p=0.02)。因此每年5～7月的平均SWC通过改变夏玉米生长时期的生态系统呼吸敏感性对全年的生态系统呼吸产生控制作用。然而，较高的SWC会抑制夏玉米呼吸温度斜率的增加。然而在栾城站还暂时没有发现相似的规律。 (3)农田生态系统的净碳交换速率（大小用NEP来表示，NEP=-NEE）和净生物群系生产力(NBP)在年际之间波动较为明显。禹城和栾城站农田NEP多年的波动范围分别是187.1～718.5(475.6±159.4)gCm-2year1和-322.2～304.2(43.0±353.3)g C m-2year-1。禹城站和栾城站年总NBP的变化范围分别是-334.7～136.6(-76.1±174.5)g C m-2year-1和-844.3～-130.1(-564.1±272.2)g C m-2year-1。虽然农田NEP和NBP在年际间波动明显，但农田的年总经济产量(NEP-NBP)相对于生态系统生产力而言则相对稳定。农田生态系统NEP和NBP的年际变异与年总碳汇持续期(CUP)呈显著正相关。当CUP每增加一天时，NEP和NBP就会分别增加每年14.8±5.2 gC m-2year-1和14.7±6.6 gC m-2year-1。当把两个作物分开考虑时，冬小麦生长季NEP及NBP和夏玉米生长季NEP及NBP也与其自身的CUP密切相关。年平均大气温度(MAT)通过对碳汇起始日期(CUPstartdate)的负向控制作用从而决定了CUP的长度。MAT越高，农田生态系统的CUPstartdate的起始日期越早，CUP则越长，年总固碳量就越大。当只考虑单个生长季（冬小麦）时，春季温度是控制生长季总碳交换速率年际变异的主要控制因素。 (4)利用GEP, RE，NEP三者的关系求出了总生态系统生产力(GEP)，发现农田GEP也呈现明显的年际波动。禹城站和栾城站年总GEP在2003～2012年间和在2008～2012年间的变化范围分别是1908.32～2612.33(2237.97±212.89) gC m-2year-1和1675.48～2606.68(2290.28±380.12) gC m2year-1，两个站点的年总GEP大致相同。本研究表明了无论是在月尺度还是在年尺度上，农田NEP主要与GEP呈显著正相关，而与RE没有关系。因此当考察GEP、RE、NEP三者间的关系时，本研究表明生态系统的光合作用是决定NEP的因素。农田GEP与农田RE的比值(GEP/RE)要比GEP更能说明农田NEP的季节和年际变异。在月和年尺度上，NEP均随着GEP/RE的增加而增加，呈极显著正相关关系。从GEP/RE的年际变化范围可看出，农田的气候条件和管理措施都会对NEP的年际变异产生影响。