有关森林生态系统碳储量、格局与潜力及气候变化对森林碳循环的影响是当前森林生态学的热点研究问题。本研究以陕西黄土高原人工刺槐林(Robinia pseudoacacia)为研究对象,在陕西省绥德县、安塞县与永寿县三个不同降雨区域(年平均降雨量约为450 mm、500 mm与600 mm)共获取了206个刺槐样木。并且在每个区域分别调查了完整的人工刺槐林林龄序列(约5-55年)。分析了人工刺槐林发育过程中碳储量、格局及其碳/源汇变化特征。同时探讨了降雨梯度下刺槐林生态系统碳储量以及不同区域森林碳循环长期动态的差异。最后,分析了影响人工刺槐林固碳速率的主要气候因子。主要结论如下:(1)构建了陕西黄土高原人工刺槐林不同降雨量区域森林生物量估算的本地模型、一般模型与幼龄林模型,为准确估算该区域刺槐林生物量提供了工具。研究表明随个体胸径增加,人工刺槐林地上与地下生物量呈指数增加,根冠比则呈显著线性降低趋势(p<0.05)。在个体与林分尺度,450 mm与600 mm区域森林生物量根冠比无显著性差异,且均显著小于中间降雨量区域(500 mm)。随着降雨量升高,森林生物量急剧增加(p<0.001)。且不同降雨区域刺槐林生物量与根冠比的年际动态存在差异。随着森林发育,450 mm与600 mm区域森林生物量持续增加,根冠比呈显著线性降低趋势(p<0.05)。在500 mm区域,刺槐林生物量先持续增加,然后在老龄林阶段急剧下降;而根冠比则先增加再降低。该结果显示林龄与降雨量对森林生物量的积累与分配有着重要的影响。(2)黄土高原半干旱区人工刺槐林在发育过程中从碳汇转化为碳源状态。5年至38年生态系统持续积累碳,其碳储量从30.45 Mg C ha-1增加到79.44 Mg C ha-1。老龄林时期(38-56年),由于乔木大量死亡引起生态碳储量急剧降低(p<0.001),整个森林成微弱的碳源状态。森林土壤则呈显著线性持续积累有机碳。随林龄增加,灌木碳库呈显著线性增加趋势,草本与枯落物碳库则与林龄无显著线性关系。造林导致了土壤有机碳库在不同土层之间重新分配,表层(0-20 cm)土壤有机碳占0-100 cm土壤有机碳储量的比例呈显著线性增加(p<0.05)。(3)随降雨量增加,黄土高原人工刺槐林乔木碳库、土壤有机碳库与生态系统碳储量均显著增加(p<0.001),森林最大碳固持量分别为57.57 Mg C ha-1、79.44 Mg C ha-1与182.66 Mg C ha-1。在本区域,降雨量变化影响了刺槐林碳固持长期动态特征。较干旱区域(450与500 mm区域)刺槐林土壤有机碳储量随林龄增加呈显著线性增加趋势(p<0.05),但较湿润区域(600 mm),造林初期(5-10年)土壤有机碳储量急剧降低。此外,450 mm与600 mm区域乔木碳库呈显著线性持续增加(p<0.05),而500 mm区域森林发育后期则急剧下降。林分在早期(600 mm区域)与后期(500 mm区域)为碳源状态。上述结果显示降雨量差异改变了森林碳固持林龄动态与最大碳固持量。(4)对不同研究区域的气候数据分析表明,近30年来本研究区域存在显著变暖与干旱的趋势。线性回归显示,影响陕西黄土高原刺槐林不同组分固碳速率的气候因子不同。其中,乔木固碳速率主要受年降雨量的影响(R=0.71,p<0.01)。而土壤固碳速率则受年降雨量与生长季平均温度的影响,两者共同解释了80%的变异。刺槐林生态系统固碳速率则主要受到年降雨量与年平均温度的影响,两个因子共同解释了90%的变异。该结果对预测气候变化背景下黄土高原刺槐林生态系统固碳能力的潜在变化提供了参考。