近年来，质谱仪测量技术的发展促进了稳定性同位素技术在生态学领域的广泛应用。稳定性同位素具有示踪、整合和指示物质循环过程的功能，同时能够综合较大时间和空间尺度上的生态学信息，因此常常用来研究气候因子变化、大气氮沉降增加和土地利用变化等人为干扰因素对陆地生态系统碳、氮循环的影响。　　本研究以稳定性同位素为工具，利用中国北方干旱、半干旱区长约3200km的草地样带，结合模型模拟和数据整合分析等手段，研究区域及全球尺度上的碳、氮循环过程。干旱、半干旱区草地生态系统在区域的经济发展和生态系统服务功能上起着重要的作用，但由于全球变化而引起的降水强度和频率的改变，使得草地生态系统的养分循环也会发生明显变化;土地利用变化是人类改变地表覆盖系统的重要方式，特别是自然生态系统被转变成农业用地，这个过程显著地改变了土壤中氮素的输入和输出通量;土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库，研究其分解速率及影响因素对于预测气候变化具有重要的指示意义。　　针对以上几个科学问题，本研究得到以下主要结果:　　(1)干旱区(AI＜0.32)土壤的δ15N值随着干旱指数的增加（或是降水的增加）而逐渐升高，而在半干旱区(0.32＜AI＜0.57)则表现出相反的规律（AI为干旱指数=蒸发量/年均降水量）;同时植物叶片的氮同位素、与硝化/反硝化过程有关的微生物基因丰度数据、土壤呼吸熵(qCO2)以及土壤微生物群落结构等数据随着干旱指数的增加也都表现出在干旱区和半干旱区明显的相反变化趋势。通过这些数据可以得出以下结论:降水极低的干旱区，间断性降水仅能激微生物的活性而不能引起植物的迅速反应，微生物矿化出的无机氮不能立即被植物吸收而通过气体形式释放到大气中，气态氮的损失比例高于植物吸收氮的比例，造成土壤δ15N值的升高;而在半干旱区，降水量则足以同时激发微生物和植物的活性，植物吸收氮素的比例高于气态氮损失的比例，土壤δ15N值随着干旱指数的增加而降低。本研究首次揭示了干旱区草地氮循环的非线性变换模式，丰富了我们对陆地生态系统氮循环过程的理解。　　(2)干旱区和半干旱区草地六种优势植物（针茅、羊草、隐子草、锦鸡儿、红砂和白刺）叶片的碳同位素δ13C值随着降水升高而逐渐降低，暗示植物的水分利用效率随着降水增加而逐渐下降;三种灌木植物（红砂、白刺和锦鸡儿）的δ13C值对水分增加的响应比其余草本植物更为强烈，这暗示未来全球降水格局的改变对灌木分布的影响可能会比草本植物大。土壤δ13C值随着降水的升高表现出先增加后下降的趋势，这主要是因为干旱区和半干旱区土壤碳的来源以及土壤有机碳分解速率不同而引起的。　　(3)自工业革命（1860年）至今（2000年），由于土地利用方式的改变，即自然生态系统转变为农田系统的过程中，陆地生态系统氮素的输入增加了近1倍，其中80％是由于农田面积扩大和化肥使用量增加造成的。利用同位素模型(Stable isotopemodel)及IMAGE模型计算得出，由于农田面积增加造成气态氮和液态氮输出量分别增加了40％和13％; NO、N2O、和NH3途径损失的氮素分别增加了42％、31％和106％。这些活性氮将会对区域及全球的环境变化和人类健康产生重要的影响。惰性气体(N2)增加了约7 TgNyr-1，仅占总活性氮(N2O+NO+NH3+淋溶)增加的20％，说明N2对于减缓由农田面积增加引起的环境负效应的作用是有限的。　　(4)利用土壤有机碳同位素δ13C及碳含量（对数转化后）在垂直剖面上的线性关系，可以计算出土壤有机碳周转速率的指示值1n(-β)，其值越大表示有机碳周转速率越快。通过数据整合分析发现，全球范围内ln(-β)值随着纬度的增加而逐渐下降;从生态系统类型来看，热带萨王纳草地生态系统土壤的ln(-β)值最高，表明这里的土壤有机碳分解最快，其次为热带森林，而后是温带森林、温带草原和沙漠生态系统;ln(-β)值与温度和土壤氮含量均呈显著正相关关系;而ln(-β)值随降水量和黏粒含量增加则表现出抛物线变化模式，说明全球范围内一定条件下水分促进有机碳的分解，但过高的水分则会抑制有机碳的分解速率。