人类活动使大气层中温室气体不断积累，全球气温发生变化，由此带来的一系列气候变化问题已经成为人类社会关注的热点。陆地生态系统是全球重要的碳库之一，时刻与大气间存在碳交换，且陆地碳源汇的年际波动较大，主导了大气二氧化碳浓度的年际波动，因此在全球气候变化中扮演着重要角色。在所有陆地生态系统类型中，半干旱区生态系统碳循环过程对环境因子的变化十分敏感，碳源汇特征易发生方向性逆转，对气候变化起着重要反馈作用。
　　本研究围绕全球半干旱区，基于涡动相关法长期定位通量观测站、全球通量网资料和遥感观测资料，从全球尺度、区域尺度和台站尺度开展研究，采用多元逐步回归分析和主成分分析等统计学方法，分析半干旱区生态系统碳交换的时空规律、主要驱动因素、关键的过程和机理。研究主要结果如下:
　　1、以东亚半干旱区为例探讨半干旱区生态系统碳交换在不同时间尺度上的变化特征和影响因子。东亚半干旱区生态系统碳源汇特征具有高度不确定性，水分条件，尤其是土壤含水量，是主导碳源汇时空变化的环境因素(R2=0.43，P＜0.01)。进一步分析不同气候亚带上草甸草原生态系统(吉林通榆站)和典型草原生态系统(内蒙古毛登站)高频通量观测资料发现，生态系统水分条件和优势物种不同，碳交换特征和基本影响因子有相似性，也存在差异性。日尺度上，草甸草原净生态系统交换量(NEE，Net Ecosystem Exchange)和光合作用总初级生产力(GPP，Gross Primary Productivity)的日变化过程呈不对称分布，而典型草原NEE和GPP日变化曲线较对称。主成分分析表明，在草甸草原，光合有效辐射是NEE日变化的主导因子;而在典型草原，光合有效辐射和浅层土壤含水量(地表下5cm)共同主导了NEE的日变化过程。两处半干旱草原生态系统固碳速率受水分胁迫的显著抑制，水分胁迫下草甸草原净固碳速率降低55.26％，典型草原44.00％，草甸草原碳通量对水分胁迫的敏感度比典型草原高。在季节尺度上，物候探头提取的绿度指数能够生动刻画植被季节动态变化。草甸草原物候期整体比典型草原早15天左右。水分条件是主导典型草原碳通量季节变化的环境因子;在草甸草原，碳通量的季节动态与气温变化更相关，只在干旱年份，碳通量季节变化受水分条件影响。年际尺度上，两处半干旱草原生态系统在碳源和碳汇间波动，平均表现为弱碳汇(草甸草原2011-2017年年均NEE为-22.9gCm-2yr-1，典型草原2013-2017年年均NEE为-11.8gCm-2yr-1)。两处半干旱生态系统碳源汇的年际变化与水分条件高度相关，尤其是土壤含水量和夏季降水。温度对草甸草原碳交换变化的影响不显著，但在典型草原站，夏季气温对碳交换具有显著影响(R2=0.82)。
　　2、气候变化背景下，降水变化不仅体现在降水量的变化，也体现在降水强度、降水频率和季节分配等多维特征的变化，影响了半干旱区碳交换过程。2000-2018年，全球主要半干旱区降水量年际变异度高(4.9％)，但总体变化趋势不显著。其中，南非(24.7％)和澳洲半干旱区(23.9％)降水量年际变异度较高，亚洲半干旱区(8.2％)较低。GPP年际波动相位与降水量较为一致，且年际变异度的高值区和低值区与降水量也较为一致。全球多数半干旱区降水无显著变化趋势，仅亚洲和南非半干旱区降水具有显著上升和下降趋势。受降水量变化的影响，亚洲半干旱区春季和秋季GPP显著上升，南非半干旱区夏季和秋季GPP显著下降。当降水事件分布特征发生变化，即降水强度增加，降水频率降低，半干旱区土壤水分亏缺和饱和水汽压差将显著降低，这提升了半干旱区光合作用固碳速率，增加了半干旱区碳汇强度。但是不同生态系统碳交换对降水分布变化的响应具有较高异质性，且响应的程度不同，开放灌丛(OSH)对降水分布变化的响应较不显著。总体来看，降水强度和降水频率变化对半干旱区碳交换的影响程度与降水量变化带来的影响相当。
　　3、极端气候事件和人类扰动对全球半干旱区碳循环的影响是决定未来半干旱区碳源汇转变的关键因素之一。发生在不同季节的干旱事件对半干旱区碳交换的影响过程不同。生长季干旱降低GPP，甚至引起光合作用停滞，且对光合作用的影响强于生态系统呼吸(Ecosystem respiration，Re)，因此直接削弱生态系统净固碳能力。生长季前期干旱则明显推迟植被返青期，并影响生长季中后期植被固碳能力。极端降水事件对碳交换过程的影响与前期水分条件高度相关。当极端降水事件前期无其他明显降水时，极端降水事件引起GPP和Re的脉冲式上升，但是GPP和Re响应速度不一致，因此降水后2日内生态系统碳释放增加;当极端事件前期有其他明显降水时，GPP和Re无明显脉冲式上升，生态系统净固碳作用维持平稳。半干旱区生长季末刈割明显降低生态系统光合作用，生态系统由碳汇迅速转变为碳源，降低了全年固碳量。