生态系统的碳交换作为影响碳循环的关键因素,已逐渐成为全球变暖研究的核心内容之一。黄土高原半干旱区由于其特殊的地理位置和气候条件,其脆弱的生态系统对于气候变化和人类活动的影响都极为敏感。兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)对CO2通量和水汽通量、辐射及常规气象要素的长期连续观测,为我们深入研究西北黄土高原地区生态系统碳交换特征提供了有力的数据基础。本论文着重就西北黄土高原半干旱区土壤湿度因降水的不均匀分布所发生的变化对总生态系统生产力、光能和水分利用率的影响进行了评估；深入分析了云和气溶胶对西北黄土高原地区净生态系统CO2交换的作用,并就气候变化对生态系统碳交换所造成的可能影响进行了讨论；此外,还针对北方半干旱区SACOL、兴隆山和通榆观测站CO2通量的基本特征进行了对比分析。对于植被生产力、光能和水分利用率的分析将有助于我们进一步了解干旱半干旱区的碳循环和水循环过程。我们采用涡动相关(EC)系统对SACOL站的二氧化碳通量和水汽通量进行了长期连续监测,使得我们能够精确获得黄土高原半干旱区草地的总生态系统生产力(GEP)、光能利用率(LUE)和水分利用率(WUE)。GEP、LUE和WUE的日变化与入射光合有效辐射(PAR)、空气温度(Ta)和水汽压差(VPD)的日变化有关,这些变量的变化还依赖于冠层的发展。日平均GEP与蒸腾速率和PAR呈线性相关。LUE则随着Ta和土壤湿度的增大先增强后减弱,但与地表反照率呈负相关关系。在生长季,GEP和LUE对降水造成的40cm层以上的土壤湿度响应强烈。在不同的土壤湿度条件下,LUE和WUE对PAR响应的检验表明当土壤水分有效性超过VPD时,矮草地对光能的利用效率较高,但水分的利用效率相差不大。通过对SACOL站云和气溶胶(通过气溶胶光学厚度)对净生态系统碳交换(NEE)作用的分析,结果表明：云对半干旱草地生态系统(LAI值较小)的碳吸收作用显著,并且不同于森林和草地生态系统。该站点冠层光饱和水平较低,约为434.8W m-2。所以,在全天为光学厚云的条件下,CO2的吸收随着CI指数(地表太阳辐射与行星太阳辐射之比)的增加而增强,且当CI指数为0.37时,CO2的吸收最强,植被的光能利用率最大,但对应的空气温度却较低。在其它天空条件下,CO2的吸收随着云量的增加而减小,但由于散射PAR比例的增加使得植被的光能利用率增强了。此外,在有云的条件下,净生态系统的碳吸收变化还受到许多环境因素的共同作用,尤其是空气温度。与碳吸收对太阳辐射变化的响应相反,它对AOD的增加表现出微弱的负作用。半干旱草地的响应与森林和农田的差异可能是由于冠层结构的不同造成的。SACOL站和兴隆山观测点虽受同一气候系统的影响,但因其下垫面状况不同,两个站点CO2通量的月平均变化却存在着明显的差异。兴隆山观测点农作物的碳交换变化主要依赖于植被的物候,而在SACOL站则主要是受降水的影响。此外,SACOL站和兴隆山观测点影响CO2通量变化的各气象要素的临界值都比较低,当某一气象要素超过临界值时,就会对碳交换产生相反的作用。东北半干旱通榆退化草地站白天对CO2的吸收和夜间的呼吸作用都明显大于SACOL站,但两个站点的月变化特征基本一致。虽然通榆站2007年的降水量较其它年份偏少,但退化草地对CO2的吸收能力仍然大于SACOL站,这表明两个站点的CO2通量除了与植被有关外,还可能受到地理位置和环境等因素的共同影响。此外,当通榆站退化草地对CO2的吸收达到峰值时,各气象要素(如空气温度,土壤温度,土壤湿度等)所对应的临界值都明显大于SACOL站,这表明通榆站的退化草地可能比SACOL站的稀疏草地对气候变化(如全球变暖)的调节能力更强。