全球变暖和大气氮沉降对生态系统乃至整个生物圈产生的巨大影响，已成为全球变化的重要现象并引起科学界的广泛关注。我国北方温带半干旱草地生态系统具有对气候变化敏感、碳收支年际波动大等特点，在未来全球变化背景下可能会发生较大的变化。草地生产力和碳氮磷等元素对维持生态系统功能和结构的稳定具有重要作用，并对生态系统碳循环有重要影响。以前关于全球变化对草地生态系统生产力和碳氮磷特征影响的研究大都是基于单个站点，但缺乏在区域尺度或者干旱梯度下多点同时开展控制实验的研究，因而不能清楚地揭示全球变化对生态系统的影响效应是如何随环境梯度变化的。对此，本研究在内蒙古自治区沿东西干旱梯度，选取荒漠草原、典型草原和草甸草原三种草地类型，每种类型设置3个研究站点，并在各研究站点布设增温和氮添加控制实验开展研究。本研究主要探究：（1）草地生态系统生产力和碳氮磷特征随干旱梯度是如何变化的？（2）增温和氮添加如何影响不同类型草地生产力和碳氮磷特征的？（3）干旱度如何对增温或氮添加的效应产生影响的？（4）采用样带调查与控制实验两种研究方法结果有何异同？本研究获得的主要研究结果如下：

（1）在样带上沿自然干旱梯度，禾草与非禾草地上生产力平均变化范围分别为37.2–128 g m^-2和13.2–149 g m^-2。总地上生产力和根生物量平均变化范围分别为58.9–259 g m^-2和725–2274 g m^-2。由于不同年份降水对植物生物量分配模式的影响，总地上生产力与根生物量存在相反的年际差异。根系生产力和周转速率的平均变化范围分别为175–406 g m^-2 yr^-1和0.210–0.311 yr^-1。土壤有机碳和氮磷浓度以及根系磷浓度年际差异不明显，而由于降水对不同草地土壤养分和植物吸收的影响不同，根系碳氮和叶片碳氮磷浓度的年际差异因草地类型而异。植物总地上生产力随干旱度的增加而降低，而干旱度对禾草与非禾草地上生产力的影响因年份而异。根生物量、根生产力和根冠比均与干旱度有负的相关关系，而根系周转与干旱度关系不明显。土壤有机碳和总氮磷浓度均与干旱度呈负相关关系，而根系氮浓度与干旱度正相关，但是干旱度对根系磷浓度没有影响。根系碳浓度和叶片元素浓度与干旱度的关系因年份或功能群的不同而异。

（2）增温在干旱年份分别使禾草与非禾草地上生产力平均降低了36.6%和29.2%；由于不同功能群植物对水分的不同需求，在湿润年份增温使禾草地上生产力平均降低了30.2%，使非禾草地上生产力平均增加了23.1%。增温引起的土壤水分的降低在干旱年份使根冠比平均增加了120%。但是在湿润年份增温分别使根生产力和根系周转速率平均降低了28.5%和28.2%，抑制了草地生态系统根系的碳输入和养分循环。增温使土壤铵态氮浓度平均增加了37.7%，表明增温显著提高了土壤氮矿化。但是由于不同草地的水分条件以及植物对养分的吸收差异，增温对硝态氮的影响因草地类型而异。增温使土壤速效磷浓度平均增加了11.7%，表明增温有利于土壤有机磷的矿化。增温有降低土壤有机碳浓度的趋势，但是对叶片和根系碳浓度影响较小。增温对土壤和根系氮浓度没有显著影响，但是有降低禾草叶片氮浓度的趋势，并对非禾草叶片氮浓度没有显著影响。增温能显著改变叶片或根系碳氮或碳磷之间的耦合关系，加强了叶片氮磷的耦合，但是对根系氮磷耦合的影响因年份而异。

（3）氮添加在干旱年份分别使禾草与非禾草地上生产力平均提高了5.83%和13.0%，在湿润年份分别使其提高了24.1%和30.9%。氮添加对根生产力没有显著影响，却在湿润年份使根系周转平均增加了13.2%。氮添加有显著增加表层土壤铵态氮浓度的趋势，并使土壤硝态氮浓度平均增加了250%，表明外源氮输入有利于提高土壤的氮矿化。氮添加降低了干旱草地和增加了湿润草地的土壤有机碳浓度，但对根系和叶片碳浓度影响不明显，表明植物碳浓度有较高的稳定性。氮添加在干旱年份使表层土壤氮浓度增加了4.87%，但是在湿润年份植物对氮的吸收较强，因而氮添加对土壤氮浓度的影响不明显或降低了草甸草原土壤氮浓度。氮添加分别使根系和叶片氮浓度平均增加了6.09%和22.8%。氮添加在干旱年份能够增加干旱草地和降低湿润草地土壤磷浓度，而在湿润年份影响不显著。氮添加使禾草叶片磷浓度平均降低了4.77%。氮添加引起的碳氮比的降低有利于凋落物分解和生态系统的养分循环。氮添加能显著改变叶片或根系碳氮或碳磷之间的耦合关系，加强了叶片氮磷的耦合，但是对根系氮磷耦合的影响因年份而异。

（4）在干旱梯度上，干旱对增温或氮添加处理下植物地上生产力的变化的影响因年份而异，但对增温处理下根生物量和根冠比的变化没有影响。干旱分别促进了增温以及抑制了氮添加引起的根生产力和根系周转的变化。在增温或氮添加处理下，干旱促进了土壤有机碳浓度的变化，但是对根系以及叶片碳浓度没有显著影响，反映了植物碳浓度的稳定性。干旱对增温或氮添加处理下土壤氮浓度的变化没有显著影响并抑制了根系氮浓度的变化，以及氮添加处理下叶片氮浓度的变化。干旱增加了增温处理下土壤磷浓度变化，并抑制了干旱年份增温或氮添加处理下根系磷浓度的变化，但是对叶片磷浓度的变化的影响因年份而异。干旱对增温或氮添加处理下土壤、叶片和根系碳氮比的变化有促进效应，但是抑制了土壤氮磷比的变化，对叶片或根系氮磷比的变化有促进效应。

（5）本研究显示样带调查和控制实验中温度与氮素的增加对生态系统生产力与碳氮磷特征的影响结果大部分是不一致的，即草地生产力和碳氮磷特征对全球变化因子的短期响应与长期适应性不同。因此，短期的控制实验不能真正反映生态系统生产力和碳氮磷特征对全球变化因子的长期适应性，这表明开展长期定位控制实验是十分必要的。

综上所述，本研究采用样带调查与控制实验相结合的手段，在较大区域尺度上阐明了增温和氮添加对草地生态系统生产力和碳氮磷特征的影响。增温和氮添加通过改变温湿度和养分，直接或者间接地影响土壤理化性质、微生物活性和植物生长、光合与吸收来影响草地生态系统生产力和碳氮磷特征。而干旱度导致不同的草地生态系统具有不同的植被和土壤特性，又会对全球变化因子的效应产生调节作用。本研究显示采用控制实验与样带调查两种研究方法探究环境因子对草地生态系统的影响，会产生不一致的结果。因此开展长期的定位控制实验是十分必要的。本论文有助于深入认识与理解区域尺度上全球变化对草地生态系统的影响过程。