为揭示植被自然恢复演替对土壤碳库动态变化与周转特征的影响与机制，本研究选取黄土高原子午岭林区不同恢复阶段植被演替序列为研究对象，通过研究不同植被恢复年限生态系统碳库及其组分的动态变化特征，探讨了该区植被和土壤碳库随植被恢复的变化规律，明确了土壤有机碳库和无机碳库随植被恢复的变化特征及其相互关系，评估新、老土壤有机碳对土壤碳库的相对贡献，明确了植被恢复过程不同来源土壤有机碳的周转特征。本研究主要取得以下成果：1）初步明确了黄土高原子午岭植被自然恢复过程的生态系统碳库累积动态。 探讨了黄土高原子午岭林区植被自然恢复过程的生态系统碳库累积动态，发现：经过150 年左右的天然植被恢复，0-100 cm土层不同土壤深度有机碳储量均显著增加，但在植被恢复的前27 年土壤有机碳储量增加不明显，土壤碳库对生态系统碳库贡献为 67-85%；植被碳库在自然恢复初期缓慢增加，在恢复后期增速加快，植被总碳库约增加28 倍；生态系统碳库动态随植被恢复可分为两个阶段，在植被恢复的最初27 年，生态系统碳库动态随土层深度变化波动增加，平均固碳速率为0.13 Mg ha-1 yr-1，在 27 年以后，生态系统碳库动态增速明显加快，其平均生态系统固碳速率为0.54 Mg ha-1 yr-1。上述研究结果表明，长期植被恢复能够显著提高表层和深层土壤碳库储量，而短期植被恢复只能够增加表层碳库储量，长期植被恢复的生态系统固碳效应较短期恢复更为显著。2）初步探明了黄土高原植被自然恢复过程中土壤总碳库及其各组分的动态变化。对黄土高原子午岭林区不同恢复年限自然植被群落土壤有机碳、无机碳和总碳库的动态变化及其相互关系进行了探讨，发现0-100 cm 土层平均有机碳含量和储量分别为5.80-7.58 g kg-1和10.2-15.3 Mg ha-1；0-100 cm土层平均无机碳含量和储量分别为16.2-14.0 g kg-1和225.1-184.8 Mg ha-1。随着植被恢复演替，0-10cm 土壤有机碳含量显著增加；与此相反，0-10 cm土壤无机碳表现出显著下降趋势，土壤无机碳含量和储量下降速率分别为0.052 g kg-1 yr-1和0.092 Mg ha；下层土壤无机碳随植被恢复无显著变化趋势。由于表层有机碳增加和无机碳下降的抵消作用，土壤总碳储量随植被恢复无显著差异。总体上，土壤无机碳库占总碳库的比例随植被演替逐渐下降，其比例从演替初期的65%下降到后期的43%。相反，土壤无机碳库对土壤总碳库的贡献随土层深度增加而增加，其比例从0-10cm 的39%增加到0-100cm的72%。进一步分析表明，对于0-30cm 土层土壤，由植被恢复驱动的有机碳含量是决定土壤无机碳含量的关键因素；而由土壤母质特征决定的土壤质地、pH 等指标是影响下层土壤无机碳的主要因素。本研究发现子午岭林区不同演替阶段植被群落土壤有机碳与无机碳之间存在极显著负相关关系，二者共同维持着该区域土壤总碳库的动态平衡。因此，在评估黄土高原自然植被恢复下土壤碳库潜力时需同时考虑土壤有机碳库和无机碳库的变化，注重土壤碳库的长期效应。3）黄土高原植被自然恢复过程中土壤有机碳的来源判定与周转特征。利用13C 稳定同位素示踪的方法，初步估算了不同植被恢复阶段土壤有机碳周转速率，量化了植被恢复过程中新、老土壤有机碳的变化动态及数量，探讨了植被土壤碳库动态变化的主要影响因素，结果发现：土壤新碳的增加速率在植被恢复初期（110.2 g m-2 yr-1）明显高于后期(28.2 g m-2 yr-1)，植被恢复初期新碳增加量约为后期增加量的 3.9 倍，对应的，土壤有机碳的分解速率在恢复初期（k=0.04）明显高于后期（k=0.005），对于0-20 cm土层，农地恢复30 年左右，土壤新碳和老碳量相当；相关分析和逐步回归分析表明，影响土壤有机碳固定速率的主要因素是土壤C：N，土壤新碳的增加量主要受到植物细根生物量的控制，土壤有机碳的分解速率主要有土壤粉粒含量决定。上述研究对于指导脆弱生态系统自然植被恢复过程中土壤碳库管理具有重要意义。本研究得到国家自然科学基金委资助。