摘要
随着全球变暖加剧和世界各地水资源日益匮乏，提高生态系统水分利用效率（WUE）对于雨养旱作农业的可持续发展至关重要。多样化的作物轮作是一项有前景的农学策略，可优化碳-水耦合并增强抗逆能力。本研究基于美国半干旱内陆太平洋西北地区三个代表性轮作系统为期三年的连续涡度相关观测数据，探讨了多样化轮作如何调控生态系统尺度的水分利用效率，重点关注冠层导度（Gc）的介导作用。生态系统水分利用效率受作物轮作制度、气温和土壤含水量的共同调控，主要通过依赖于冠层导度的生理途径实现。四种主要作物种类表现出不同的水热适应阈值和生理响应策略。冬小麦-春小麦-冬豌豆轮作系统维持了最高且最稳定的年际水分利用效率（2.67 g C kg?1 H2O），并在复合干旱-高温极端事件期间水分利用效率下降幅度较为温和。相比之下，包含鹰嘴豆的轮作系统水分利用效率较低，抗逆性也较弱。水汽压亏缺在所有作物类型中均对冠层导度产生约束，而土壤水分则通过改变冠层生理状态间接影响水分利用效率。组成作物之间不同的水热适应性特征为最优轮作系统表现出的卓越功能性能提供了合理的机理解释。研究结果表明，合理设计的禾谷类-豆类轮作体系能够优化冠层尺度的生理功能，增强生态系统碳-水耦合，并提高半干旱农业生态系统对复合干旱-高温胁迫的抵抗能力。本研究为在全球水资源受限的旱区开发节水型、抗逆适应型作物系统提供了生理机制见解和可操作的轮作管理指导。
通俗摘要
在全球变暖和水资源短缺的威胁下，旱作农业用地面临日益严峻的挑战。我们在美国半干旱内陆太平洋西北地区开展了为期三年的田间调查，旨在了解多样化作物轮作实践如何影响农业生态系统的水分利用和碳交换。基于多年涡度相关通量观测数据，研究结果表明，作物组成、气温和土壤水分通过冠层尺度的生理性状共同调控生态系统的水分利用绩效。冬小麦-春小麦-冬豌豆轮作系统表现出最佳效果：水分利用效率最高，且在复合干旱-高温极端事件下功能下降幅度相对较小。组成作物对温度和土壤水分表现出不同的适应性响应，从而产生互补的生理优势，支撑了该轮作系统更高的稳定性。本研究成果为在全球水资源受限的农田中制定气候韧性作物策略提供了实用指导。
利益冲突声明
作者声明与本研究相关的无任何利益冲突。
数据可用性声明
本研究使用的全部数据已归档于Zenodo（Yao等人，2026），并可在以下网址公开获取：https://doi.org/10.5281/zenodo.21109418。
