陆地生态系统与大气间的碳水交换是物质和能量循环的关键过程,开展植被与大气间碳、水通量的长期观测对人们深入研究和理解全球变化与陆地生态系统碳水循环的相互关系及其控制机理具有重要的意义。本研究以中国东北松嫩草甸草原为研究对象,以涡度相关方法为主要技术手段,以长岭野外实验站四年的碳、水通量及微气象数据为依托,客观评价了涡度相关技术在草甸草原碳、水循环研究中的适用性,完成了通量数据的质量评价和控制,集中探讨了该草地生态系统净碳交换和水分蒸散在不同时间尺度上的变化特征及其驱动机制,对比分析了能量和水量平衡的年际收支差异,以及叶片和系统尺度上的水分利用效率动态。最后对中国东北松嫩草甸草原生态系统碳源/汇强度和格局进行了初步评价。研究结果可概括为以下几个方面:(1)松嫩草甸草原在2007、2008、2009和2010年(1~9月)生态系统碳收支分别为:-64.2、-160.5、-116.8和-139.9 gC m-2。即使在极端干旱年,该生态系统仍呈明显碳汇,而且碳汇强度高于内蒙古和外蒙中部的典型草原。(2)生长季频繁的干旱和高温胁迫强烈抑制了松嫩草甸草原的光合生产力。土壤水分含量是控制松嫩草甸草原光合生产力的主要环境因子。(3)春旱不仅导致了生产力的下降,而且还使得生物量分配的格局发生了改变。充足的水分不仅有利于地下生物量的积累,还有利于生物量从地上向地下的迁移,从而提高生态系统的稳定性。(4)在松嫩草甸草原,降雨分布模式不仅决定了生态系统碳汇强度,而且还决定了碳的流动方向和能量分配。干旱的强度和持续时间决定了对碳吸收的抑制程度。夏旱虽然延长了春旱对植物生理的影响,但对系统碳吸收的抑制程度相比春旱而言还较低。(5)松嫩草甸草原丰水年的降雨量基本与年蒸散量持平。然而,无论春旱还是夏旱年,松嫩草甸草原的年蒸散量要高于降雨量。系统蒸散所需水分除了一部分来自于降雨,还有一部分通过地下水来补给。降雨和地下水的再分配过程控制着能量通量的季候变化动态。(6)松嫩草甸草原生态系统水分利用效率较典型草原高。而春旱无疑是导致系统蒸散减少的原因,然而,对蒸散的抑制程度相对总生态系统生产力来说还较轻。因此,春旱导致系统水分利用效率的降低是通过抑制碳交换能力实现的,这与典型草原的研究结果不同。(7)土壤水分在春旱年有很大一部分没有用于植物蒸腾,而是以土壤蒸发的形式进入大气。通过Shuttleworth-Wallace双涌源模型得到的结果来看,春旱期间土壤蒸发量在总蒸散量中占有较大的比重,从而降低了系统水分利用效率,此外生长季推迟使得植被蒸腾长时间保持低的水平。强烈的土壤蒸发还会进一步加剧松嫩草甸草原土壤表层盐碱化进程。(8)系统水分利用效率的变化同冠层导度的变化是一致的。干旱造成冠层导度大幅度降低,同时会引起植物根茎导水率的变化,进而影响植物蒸腾,这也被认为是植物在极端环境中的一种自我保护和调节的措施。