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中国有近3.9亿公顷的天然草地，约占国土面积的40％，这些草地主要分布在我国北方和西部的半干旱区域，而相对于如此广大面积的半干旱草原，其温室气体交换的观测以及相关机理研究却较少，致使迄今仍难以准确估算其温室气体的源、汇强度，更难以系统、定量地评价人为活动、气候和环境变化等因素对我国温带半干旱草原温室气体源汇的影响。目前，已有研究表明，除了植物生长季之外，冰雪覆盖期和土壤冻融期的温带草地土壤温室气体排放量也不容忽视。因此，在对草地土壤温室气体的区域排放量进行估算时，除了要考虑观测样点的空间异质性（土地利用类型、植被、土壤、地形等）之外，还应包含观测结果的季节差异性以及各种现实存在的环境过程的影响（如冻融交替过程、干湿交替过程等）。
为此，本研究选取位于内蒙古锡林河流域典型半干旱草原生态系统作为研究区，通过模拟浇水与天然覆雪两种条件下的多次土壤冻融循环过程，分析了室内培养实验与野外原位观测中土壤冻融循环对土壤温室气体交换影响的差异，提出了进行室内冻融模拟实验的优化方案；并通过采集该草地生态系统各种主要土地利用类型的原状土柱样品，根据野外实际条件对这些原状土柱样品进行室内模拟培养研究，包括控制土壤含水量与温度，以及模拟土壤干湿交替和冻融交替等自然过程。从而研究CO2、CH4和N2O等温室气体通量变化与不同土地利用类型、土壤性质、土壤湿度和温度之间的关系，并对整个锡林河流域土壤-大气间的温室气体区域收支进行了初步估算。本研究的主要结论概括如下：
（1）浇水与天然覆雪两种条件下的冻融循环过程对土壤CO2和CH4交换通量影响的差异并不显著，但两种条件下冻融循环过程对土壤N2O排放通量影响存在很大的差异：在浇水条件下，N2O排放通量在第一次消融期间增加最为明显，而后其排放通量随着冻融循环次数的增加而逐渐减小；但在覆雪条件下，第一次消融期间排放的N2O增幅较小，而在随后两次消融期间N2O排放通量的增幅则更为显著。造成浇水与天然覆雪两种条件下N2O排放规律出现明显差异的主要原因可能是在两种处理过程中土壤水分动态变化的不同，进而导致在多次冻融循环过程中土壤团聚体的破坏程度以及表层土壤的水分含量存在较大的差别。
（2）内蒙古锡林河流域典型草原表层土壤的反硝化潜能显著高于下层土壤的结果（P<0.001），土壤水分含量的增加会一定程度上提高土壤的反硝化潜能，但影响并不十分显著。与土壤氮素相比，碳素对该区域典型草原土壤反硝化潜能的影响更为明显。
（3）土壤湿度与温度对各种土地利用类型土壤-大气间CH4和CO2交换通量的影响都十分显著。通常，CH4的吸收通量与土壤湿度之间呈负相关，而与温度呈正相关；CO2的排放通量与土壤湿度和温度之间都呈显著正相关。将土壤湿度与温度相结合可以解释大部分的CO2（最高达87％）和CH4（最高达68％）交换通量的时空变异性。
（4）土壤干湿交替对各种土地利用类型土壤CO2排放的促进作用非常显著，但对土壤CH4交换通量的影响并不明显。而土壤冻融交替过程对土壤.大气间CO2和CH4交换通量的影响都较显著。
（5）在整个研究期间，各种土地利用类型土壤剖面的CH4气体浓度呈现明显的成层分布，并且不同土壤层之间的CH4浓度梯度随土壤深度增加而逐渐减小，这表明表层土壤的CH4氧化吸收能力最强。另外，各种土地利用类型土壤的温室气体地表通量与土壤剖面气体浓度之间都存在较好的相关性，表明土壤剖面气体浓度的动态分布可为地表通量的变化提供有力的佐证。
（6）土地利用类型对土壤-大气间温室气体交换通量的影响十分显著。其中，对大气CH4吸收能力的强度依次为：典型草原≥山地草甸≥沙丘>河滩湿地。对于土壤CO2的排放通量，本研究中4种主要土地利用类型土壤向大气排放CO2的强度依次为：山地草甸>典型草原≥沙丘>河滩湿地。造成不同土地利用类型土壤.大气间温室气体交换通量存在较大差别的主要原因是土壤物理、化学以及微生物性质的差异，主要包括土壤容重、土壤水分、有机碳含量、NH4+含量以及土壤微生物种群和活性等方面的不同。
（7）对锡林河流域的区域土壤.大气间CO2和CH4收支的初步估算结果表明，这两种温室气体的年交换量分别为871.0±132.3×103tCyr-1，和-420.2±57.6tCyr-1。由于典型草原占整个研究区的面积比例较大，因此也是这两种温室气体最主要的源或汇。通过比较不同估算方法下CO2和CH4的区域收支大小，表明在进行土壤-大气间温室气体区域全年估算时，如果不综合考虑土壤干湿交替和冻融循环等特殊环境过程的影响，可能会造成估算值一定程度的偏低。今后在开发和应用生物地球化学机理模型时，应重点关注这些特殊环境过程的影响。
（8）通过对全球增温潜势（GWP）的计算表明，内蒙古锡林河流域土壤-大气间CO2交换的全球增温潜势影响最大，而CH4交换的影响较小。虽然河滩湿地土壤产生的N2O和CH4也使得其成为该研究区温室气体排放的热点地区，但对于整个区域来说，其贡献量较小。各种土地利用类型中单位面积对大气温室效应贡献最大的是山地草甸，其次是典型草原，最小的是河滩湿地。