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本文应用时空转换的方法，通过野外定位观测与实验室分析，围绕沙漠化的生物学过程这一主题，对科尔沁沙地潜在沙漠化、轻度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化和严重沙漠化影响下的植物群落生物量与能量动态，植物-土壤系统碳氮储量与碳氮平衡变化特征，以及有机物质的分解矿化等进行了初步研究，并对沙漠化逆转过程中生物结皮的形成对土壤呼吸的影响，以及放牧退化草地恢复过程中的碳平衡与碳储量变化进行了测定与分析。主要结果如下：
(1)沙漠化的发展不仅导致沙地植物群落生物量明显下降，而且引起植物群落生活型和生物量组成结构发生改变。随着沙漠化的发展，活体生物量构成地上和地下生物量的主体，而地表凋落物的积累量和向土壤的输入量显著减少。从潜在沙漠化到严重沙漠化沙地，地上生物量下降90.1﹪、地下生物量下降90.4﹪、生物量总量下降90.3﹪、能量现存总量下降90.7﹪、能量净固存量下降85.6﹪、光合有效辐射利用率下降85.7﹪。
(2)沙漠化的发展，伴随着土壤质地变粗、容重增加、土壤有机碳和氮含量的显著减少。从潜在沙漠化沙地到轻度、中度、重度和严重沙漠化沙地，100cm深土壤有机碳平均含量分别下降56.0﹪、78.5﹪、89.1﹪和91.6﹪，全氮含量分别下降49.0﹪、74.6﹪、84.5﹪和85.8﹪。沙漠化的发展中，土壤有机碳、氮与土壤细颗粒组分(＜0.1mm)含量之间表现为同增同减性。100cm深土壤C/N比随沙漠化的发展呈现递减的趋势，从潜在沙漠化到严重沙漠化沙地依次为9.385，8.138，8.006，6.703和5.541。
(3)沙漠化的发展过程是植被退化和土壤退化两个过程的统一。从潜在沙漠化沙地到严重沙漠化沙地，植物-土壤系统碳(有机碳+无机碳)与氮储量分别下降92.4﹪和83.1﹪，生物量有机碳与氮储量分别下降91.0﹪和93.2﹪，土壤有机碳、无机碳与全氮储量分别下降90.1﹪、97.2﹪和82.7﹪。
(4)土壤是科尔沁沙地生态系统最大的碳库和氮库载体。潜在、轻度、中度、重度和严重沙漠化沙地中，土壤碳(有机碳+无机碳)占植物-土壤系统碳储量的比例在87.0﹪～94.9﹪之间，土壤有机碳占系统有机碳储量的比例在86.1﹪～93.2﹪之间，土壤全氮占系统氮储量的比例在96.5﹪～98.8﹪之间。
(5)沙漠化的发展过程中，生物量碳与氮储量在沙漠化后期(从重度到严重沙漠化)的衰减快于沙漠化初期(从潜在到轻度沙漠化)，而土壤有机碳与氮储量在沙漠化初期的衰减快于沙漠化后期；在沙漠化初期生物量氮储量的衰减快于生物量碳的衰减，而在沙漠化后期生物量碳储量的衰减快于生物量氮的衰减；在整个沙漠化过程中，土壤有机碳储量的衰减快于土壤全氮的衰减。
(6)沙漠化过程中，表征土壤生物活性和土壤肥力乃至透气性的土壤呼吸作用与植物群落生物量、土壤有机质含量具有相同的变化趋势，即随着沙漠化的发展呈现递减趋势。沙漠化的发展导致沙地生态系统从大气CO2的汇向大气CO2的源转变，潜在沙漠化沙地处于碳平衡状态或净固存121.9gC·m-2·生长季-1，而严重沙漠化沙地向大气净释放47.4～80.5gC·m-2·生长季-1。
(7)指数模型能够较好的揭示不同类型生境土壤呼吸对温度变化的响应，且在25～30℃温度范围内模型拟合效果更好。土壤呼吸与气温之间的相关性大于土壤呼吸与土壤温度之间的相关性。在日时间尺度上，土壤呼吸作用的主导因子是温度；在季节尺度上，土壤呼吸作用受温度与水分的共同影响，但温度的作用大于水分。基于不同时间尺度、不同温度的土壤Q10值，流动沙地在1.25～1.36之间，半固定沙地在1.53～2.12之间，固定沙地在1.42～2.61之间；高温环境下的Q10值普遍低于低温环境下的Q10值。
(8)潜在、轻度、中度、重度和严重沙漠化沙地土壤中的凋落物经过110d的分解后，干物质失重率分别为61.5﹪、59.2﹪、54.8﹪、44.4﹪和41.2﹪，C残留率分别为37.1﹪、36.6﹪、41.4﹪、53.6﹪和51.1﹪，N残留率分别为43.8﹪、47.6﹪、54.2﹪、59.4﹪和58.9﹪。表明随着沙漠化程度的增加，凋落物的干物质失重率降低，C、N释放速率减缓。分解过程中，凋落物在各生境土壤中C的释放速率明显快于N；C含量变化趋势为先下降后略有上升，但总体低于原始C含量；N含量总体表现为上升的趋势。
(9)室内土壤碳氮矿化培养实验表明：土壤有机碳和氮含量极低的流动沙地，表现为微弱的土壤微生物呼吸和极低的有机氮矿化潜力；外源有机物质在流动沙地土壤中矿化释放C、N的速率显著低于固定沙地；土壤中添加C/N比高于30的外源有机物质后，氮素从微生物的固持到释放这个转折点的时间，流动沙地明显迟缓于固定沙地，说明沙漠化的发展延迟了土壤中的外源有机物质释放有效养分的时间。
(10)随着沙漠化的发展，土壤净矿化氮和净硝化氮总量下降。从潜在沙漠化到轻度、中度、重度和严重沙漠化，净矿化氮总量分别减少28.8﹪、52.3﹪、91.4﹪和95.5﹪，净硝化氮总量分别减少25.3﹪、51.3﹪、90.0﹪和94.5﹪。各生境中土壤净硝化氮占净矿化氮的比例均为100﹪。表明沙漠化的发展导致土壤供给植物生长的无机氮素显著减少，并且沙地土壤维持无机氮素的能力较低。氮平衡分析表明，重度和严重沙漠化沙地土壤无机氮的供给量显著低于植物氮素的吸收量。沙漠化的发展导致土壤有机质衰减，微生物发展受到限制，进而使得土壤有效氮的供给能力的急剧减弱是植被衰退的根源之一。
(11)沙漠化逆转过程中生物结皮的形成可以有效抑制土壤呼吸作用，减少土壤向大气的CO2排放量，即生物结皮有减缓温室效应的生态功能；在湿润和较低温度条件下，以及形成的生物结皮越厚、结皮中的粘粉粒含量越多，对土壤呼吸的抑制作用越明显。
(12)退化草地的围封禁牧是科尔沁沙地沙漠化防治、保护生态环境的一项重要举措。不同强度放牧后自然恢复的沙质草地的碳储量和碳平衡分析表明，采取围封恢复措施后，植被恢复和凋落物积累使土壤免遭风蚀，也显著增加了土壤有机质的输入。无牧和重牧后恢复草地的碳素输入和输出处于平衡状态，而轻牧和中牧后恢复草地的碳素输入显著高于输出，净截存量分别为84.89和76.51gC·m-2·生长季-1。说明退化沙质草地在采取围封恢复措施以后，有益于大气CO2的截存，而适度放牧后的恢复更有利于增强沙质草地的碳汇作用。