生态系统的可持续发展是生命、经济和社会可持续性的基础,地球上的多数生态系统已经被人类影响和改变,其发展和演变机制是生态学领域的重要研究课题。本文以能值理论为主要方法,集合北方农牧交错带的主要陆地生态系统类型,探讨了相同环境条件下,不同生态系统的功能特征与能值代谢特征;以我国玉米、小麦生态系统为研究对象,阐述了不同环境条件下,同一生态系统的能值代谢规律。通过上述研究,进而分析生态系统的演变机制。野外试验与调查问卷于2015年6-8月完成,以国家草地生态系统科学研究观测站为中心平台,在河北省沽源县境内进行。.试验样地包括天然草地、人工草地与粮食作物和经济作物四种当地主要的生态系统类型。其中天然草地为割草地和自由放牧地;人工草地包括燕麦(Avena sativo)、羊草(Leymus chinensis)和青玉米(Zea mays);粮食作物有莜麦(Avena chinensis)、胡麻(Linum usitatissimum)和小麦(Triticum aestivum);经济作物包含大白菜(Brassica rapa pekinensis)和马铃薯(Solamum tuberosum)。共计十个生态系统。另外,全国玉米、小麦生态系统的能值代谢分析基于我国2014年的相关统计数据。主要研究结果如下:1.大白菜、青玉米、马铃薯和燕麦生态系统的生物量较高,天然草地最低,氮素添加在一定程度上可以增加天然草原的生物量。大白菜生物量的鲜干比达到24.2,含水量最高,为155.4 t/hm2,马铃薯、青玉米和燕麦的含水量较高,分别为72.4、66.3和37.0t/hm2。地下水是关系生态安全和社会发展的核心资源,在干旱地区尤为明显。由于经济利益的驱动,含有大量水分的蔬菜和马铃薯在当地大面积灌溉种植且主要销往外地,因此可能对当地地下水资源和生态安全构成威胁。2.不同生态系统中,植物组织的全氮(TN),全磷(TP)含量和氮磷比(N:P)差异显著(P<0.05)。马铃薯0-30cm 土层的平均土壤有机碳(SOC,8.01gkg-1),TN(1.05Skg-1)和TP(0.33g kg-1)含量显著低于其它生态系统(P<0.05)。0-30cm土层的平均碳氮比(C:N)在10个生态系统之间没有显著差异(P>0.05);马铃薯土壤的碳磷比(C:P)比大白菜略低(24.64 vs 33.17,P>0.05),两者均低于其它生态系统。九个生态系统的N:P值之间没有显著性差异(P>0.05),但都高于马铃薯生态系统(P<0.05)。总的来说,N是当地生态系统生物量生产的限制因素。土壤的C:P和N:P随土地利用强度的增加而显著下降。适当增加氮肥的使用,保护土壤有机质将有利于当地生态系统的可持续发展。3.十个生态系统中,购买能值投入从3.53到147.67×1014seJ/ha/yr不等分布,雨水能是最高的可更新自然资源能值投入,为4.78×1014seJ/ha/yr。地下水对于需要灌溉的生态系统来说是最重要的不可再生资源。马铃薯(27.81)和大白菜(19.03)的能值投资率(EIR)均高于其它生态系统,但割草地和人工羊草地有较高的能值自给率(ESR)。天然草地、人工羊草草地、青玉米和传统粮食作物具有低环境负荷和高的可持续性,而马铃薯、大白菜和燕麦生态系统相反有高的环境负荷和低的可持续性。从环境负载率和初级生产力的角度看,雨养人工草地在当地具有较高的发展潜力。4.就玉米生态系统而言,可更新自然能值(R)投入从新疆的0.62×1014seJ/ha到广西的6.34×1014seJ/ha不等变化;不可更新自然能值(N)投入从河南的3.95×1014 seJ/ha到吉林的9.46×1014seJ/ha不断改变;可更新购买能值(PR)投入,从黑龙江的2.97×1014seJ/ha到甘肃的26.14×1014seJ/ha逐步增加;不可更新购买能值(PN)投入最低的是四川的14.89×1014seJ/ha,最高的是甘肃的33.00×1014seJ/ha。小麦生态系统的R值投入从新疆的0.53×1014 seJ/ha到湖北的3.91×1014 seJ/ha不等变化;N值投入从河南的3.42×1014 seJ/ha到黑龙江的7.61×1014 seJ/ha不断改变;PR值投入从黑龙江的3.90×1014 seJ/ha到宁夏的21.63×1014 seJ/ha逐步增加;PN值投入最低的是黑龙江的9.90×1014seJ/ha,最高的是内蒙古的31.34×1014seJ/ha。此外,玉米生态系统中,黑龙江的环境负载率最高,其次是内蒙古(4.79),吉林(3.95)和辽宁(3.52),拥有相对较低环境负载率的是贵州,重庆,广西,云南和四川。同样,我国南方省份的能值可持续性指数也高于其它地区。多数省份的玉米、小麦生态系统属于发达的经济生态系统,但是也具有高的环境负荷率。5.玉米生态系统的自然和购买能值投入占比从新疆的13.65%vs 86.35%到黑龙江的33.70%vs 66.30%不断变化。区域尺度上分别接近于30%vs 70%(中国东北),25%vs75%(中国西南),22%vs78%(黄土高原),20%vs80%(黄淮海平原)和15%vs 85%(中国西北)。此外,小麦生态系统自然能和购买能的投入占比分别接近于40%vs60%(中国东北),27%vs73%(中国西南),23%vs77%(长江中下游),18%vs82%(黄土高原),15%vs85%(中国西北)和14%vs86%(黄淮海平原)。玉米、小麦生态系统中自然能量的投入影响了购买能量投入的数量和比例。总的来说,自然能量是维持生态系统发展的基本力量,人为能量投入是生态系统发生演变的直接原因。自然和购买能值的不同组合可以在不同的环境条件下维持同一种生态系统的存在和发展。一般情况下,一定的自然资源对应特定的自然生态系统,人为能量的干扰下,自然生态系统脱离原有的系统发展模式,形成新的生态系统。