长期过度放牧导致内蒙古半干旱典型草原氮素亏缺,少量施用氮肥能否作为退化草原恢复的有效措施,一直是学术界争论的问题。干早半干旱草原地区,水分是初级生产力的首要限制因子,氮素对提高初级生产力的贡献,很大程度上依赖于水分有效性。施用氮肥引起的物种组成变化以及物种多样性降低,很可能对草原生态系统的生产和生态服务功能造成负面影响；此外,限制性资源水氮有效性的改变,会影响物种竞争格局,进而可能会影响群落恢复演替的方向和轨迹以及优势种的更替。在全球气候变化所引起的降水量及降水模式显著改变的背景下,研究水氮交互作用对草原生态系统初级生产力、物种组成及群落恢复演替的影响,对于评价氮肥对退化草原恢复的作用,显得至关重要。基于上述背景,本项研究包括两个部分：1、通过对2005-2014年,布置在内蒙古典型草原中度和过度放牧样地的长期定位试验数据的综合评价,研究水氮交互作用对初级生产力、物种组成及群落演替的影响(第三章和第四章)。该定位试验,设二个样地(中度和过度放牧)、二个水分处理(自然降水和模拟丰水年降水量和分布进行补充灌溉)、三个氮肥处理(0.25.50 kgN/ha)；测定了地上部净初级生产力、水分利用效率、主要物种地上部生物量及年际变化；保存了试验年份和过去20年的气象数据。2、应用稳定性同位素13C和15N,研究内蒙古典型草原主要物种对不同深度水分和氮素的响应(第五章)。该试验在中度和过度放牧样地上进行,在0、15、45 cm土层添加相同数量的水分和15N标记的氮肥,测定了主要物种地上部生物量、13C和15N丰度、氮素生产力、群落地上部净初级生产力和资源利用效率。通过上述研究内容,获得以下主要结果。1、随降水量增加,地上部净初级生产力(ANPP)的限制因子由水分向氮素转移。植物收获年水分投入低于250 mm时,生产力主要受水分限制；植物收获年水分投入为250-450 mm时,生产力受水氮共同限制；植物收获年水分投入高于450mm时,生产力主要受氮素限制。2、降水季节分配和单次降水量多少,显著影响了地上部净初级生产力：单次降水量大或冬季降水量多,土面蒸发少,对提高地上部净初级生产力具有重要作用。3、中度和过度放牧样地对水氮有效性的响应,取决于物种及功能群组成。试验前5年,过度放牧样地初级生产力,显著高于中度放牧样地；而试验后期,两样地间无显著差异,这主要是由于过度放牧样地多年生物种增加,而一二年生物种显著减少所引起的。4、过度放牧样地物种发生明显的演替过程,稳定的水氮投入可促进多年生禾草的优势度,有助于物种的演替,而在降水量年际波动较大的情况下,优势物种的更替年际间变异显著,氮素添加进一步加剧了优势物种的年际变异,不利于物种的演替。5、过度放牧样地的物种丰富度和香农多样性指数显著低于中度放牧样地,补充灌溉显著增加了物种丰富度而对香农多样性指数无显著影响,补充灌溉条件下,氮肥添加显著降低了物种丰富度和香农多样性指数。6、在中度和过度放牧样地,地上部净初级生产力,水分利用效率和15N-氮肥利用效率,均随灌溉施肥深度的增加显著增加,地上部净初级生产力和水分利用效率在过度放牧样地显著高于中度放牧样地,而15N-氮肥利用效率则显著低于中度放牧样地。7、一年生物种猪毛菜地上部生物量和15N丰度显著高于其他物种,且随灌溉施肥深度的增加显著增加。利用稳定性同位素标记方法可间接区分不同物种植物根系分布及其对水氮资源的竞争吸收能力。