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水分利用效率(WUE)是深入理解生态系统水碳循环间耦合关系的重要指标，揭示生态系统WUE的时空变异特征及机制有助于预测气候变化对生态系统水、碳过程的影响。中国草地样带横跨中国东北蒙古高原至青藏高原，囊括了我国温带草原和高寒草原的主要草地类型，本论文基于该样带上四个典型草地生态系统连续三年(2003～2005)的涡度相关观测和Shuttleworht-Wallace双源蒸散模型，在通过模型对各生态系统蒸散(ET)进行拆分并揭示其时空变异的主控因子的基础上，系统阐述了四个生态系统WUE(GPP/ET)在不同时空尺度上的变异特征及土控因子。这四个生态系统分别为高寒沼泽化草甸(SD)、高寒灌丛草甸(GCT)、高寒草甸草原(DX)和温带典型草原(NM)，他们代表样带上最主要的草地类型并且体现出明显的水分梯度特征。另外，本论文基于样带沿线的植被和气候资料揭示了降水利用效率(PUE，地上净初级生产力/年降水量)在中国草地样带上的空间变异特征及主控因子。论文的主要研究结果如下：
(1)Shuttleworht-Wallace双源蒸散模型在不同时间尺度上模拟的ET与涡度相关实测ET具有较强的一致性。基于模拟结果发现，在四个典型草地生态系统，土壤蒸发占生态系统蒸散较大比重(E/ET)。全年总和，该比值为52～74％；在生长旺季，该值为10～57％。E/ET的变异性在小时尺度上主要受冠层导度控制，而在季节和年际尺度上则受叶面积指数(LAI)控制。
(2)日尺度上，净辐射Rn是控制各生态系统ET季节变化的主导因子，但在不同生态系统，空气饱和水气压差(VPD)、LAI、气孔导度和土壤含水量的作用强度存在差异；年尺度上，各生态系统ET的年际变化主要由T的年际变化引起，SD、GCT、DX和NM的ET年际变异的主导因子分别为Rn和VPD、LAI、气孔导度、LAI，其中，LAI的年际变异性在GCT由气温控制，在NM则由降水控制。
(3)在所有生态系统中，WUE与总光合(GPP)表现出相同的季节变化趋势，即在生长季初和生长季末较低而在生长旺季达到最大，在年尺度上及生态系统之间，除水分饱和的高寒沼泽化草甸以外，WUE同样与GPP表现出相同的变异趋势，即在GPP较高的年份或生态系统，其WUE也较高。WUE的上述时空变异特征与LAI直接相关，在这些草地生态系统中，土壤蒸发占蒸散很大的比重，LAI通过影响E/ET的变异性造成GPP与ET对其变化的响应存在差异，进而导致WUE与GPP表现出相同的变异特征。
(4)在中国草地样带上，随着年均降水量的增加，ANPP和PUE均呈上升趋势，同时，相同降水条件下，温带草原的PUE高于高寒草原。各草地类型的PUE大小关系为：温带草甸草原＞温带典型草原＞高寒草甸＞温带荒漠＞温带荒漠草原＞温带草原化荒漠＞高寒草原。植被高度和盖度是PUE在该样带上的空间变异性的主要控制因子，而LAI的作用不显著。
论文最后基于热力学重要定律——功率最大化法则，提出受水分限制的生态系统通过自我优化机制调节水通量分配过程以实现生产力的最大化，并基于上述研究结果对该假设进行了初步验证和探讨。本研究结果突出反映了植被结构对于生态系统水碳循环关系重要作用，未来气候变化间接通过对草地植被结构的影响进而对生态系统水碳关系的影响将可能大于其直接效应。