为防治严重的水土流失、改善区域生态环境,我国黄土高原地区自1999年开展了大规模的退耕还林(草)工程。植被恢复过程中,主要以大量的人工植被为主要的植被类型。其中,紫花苜蓿(Medicago sativa)由于抗旱、耐贫瘠、保土、高产等优点,作为优质牧草被广泛种植。同时它生物量大、为多年生牧草,具有强蒸散、高耗水等特性。多年连续种植后会过度消耗大量土壤水分,造成生态环境恶化。另一方面,随着黄土高原地区城镇化的快速发展,农村人口大规模向城镇迁移,致使大量苜蓿草地被撂荒。本文以半干旱黄土高原小流域苜蓿草地撂荒过程为研究对象,对不同演替阶段群落地上、地下生物量、凋落物生物量、土壤水分、土壤有机碳和土壤全氮等指标进行研究,研究撂荒地恢复演替过程中群落生物量的特征、地下生物量的分布以及功能群组成,分析不同演替阶段苜蓿草地土壤水分的动态特征,探讨土壤水分对苜蓿草地撂荒过程的响应,揭示物种多样性、地上碳储量、土壤水储量、土壤有机碳储量和土壤全氮储量5种主要生态功能在植被恢复草地自然演替过程中的权衡关系,从而为黄土高原植被恢复提供科学依据。(1)通过对苜蓿地撂荒过程中四种草地群落地上、地下生物量、凋落物生物量和根冠比的研究发现,不同草地群落地上生物量、地下生物量和凋落物生物量差异显著(P<0.05)。其中,以苜蓿为主要优势种群落的地上生物量显著高于其它3种群落类型(P<0.05),且苜蓿+赖草群落、赖草群落和长芒草群落地上生物量无明显变化(P>0.05)。在功能群的组成中,苜蓿群落中豆科所占比例显著高于其它群落(P<0.05);而禾本科和杂草科所占比则呈上升趋势,且赖草群落和长芒草群落禾本科所占比显著高于其它两个群落(P<0.05)。表明随着草地群落的恢复,禾本科与杂草科植物是群落生物量构成的主体。四种草地群落的地下生物量随着土层深度的增加逐渐降低。其中,0～20 cm土层的地下生物量最大,占各类草地总地下生物量的50%以上。通过对比发现,苜蓿群落的根冠比值最大,为3.71。草地群落恢复过程中,植被根冠比变化整体呈逐渐降低的变化趋势。(2)对2016-2018年生长季节苜蓿群落、苜蓿+赖草群落、赖草群落和长芒草群落的土壤水分进行动态监测。结果发现,在撂荒演替过程中,土壤水分随群落恢复时间的延长呈先增加后降低的变化。其次干旱年和平水年之间的土壤水分存在显著差异(P<0.05)表明降水与土壤水分的关系密切相关。撂荒过程,0～0.4 m土壤水分受降水波动较大,各群落土壤水分并无明显差异。表明该土壤层通过降水使不同群落土壤水分得到很好的补给。降水对0.4～1 m深度的土壤水分有定的影响,且不同草地群落土壤水分存在显著差异(P<0.05);1～1.8 m深度土壤水分随时间动态并无明显变化表明降水对深层土壤水分没有进行有效补充,同时土壤水分含量也较为稳定。不同草地群落2～5 m深层土壤水分均存在着随土层深度增加呈升高的变化趋势。同时2 m以下各草地群落同一深度的土壤水分均显著差异(P<0.05)。通过以上研究表明撂荒过程使深层土壤水分得到了一定程度的恢复。(3)苜蓿地撂荒自然恢复过程中物种多样性、地上碳储量、土壤水储量、土壤有机碳储量和土壤全氮储量5种生态系统功能的变化以及生态系统功能之间的权衡和协同关系。结果表明:五种生态系统功能的相对收益随着苜蓿地撂荒自然恢复的过程中各群落均存在显著差异;物种多样性相对收益随群落的演替呈显著增加趋势,草地群落地上碳储量的相对收益呈先下降后上升趋势,土壤水储量的相对收益随着群落的恢复呈先上升后下降变化,而土壤有机碳储量和土壤全氮储量的相对收益则均呈先下降后上升的变化。草地生态系统功能的权衡中,土壤有机碳储量和土壤全氮储量之间的权衡最低,表明两个生态系统功能之间存在稳定的协同关系;物种多样性和土壤有机碳储量以及物种多样性和土壤全氮储量表现为中等权衡;最高的权衡发生在与地上碳储量以及土壤水储量有关的生态功能指标。苜蓿地撂荒自然恢复至赖草群落时,在赖草群落中功能间的权衡最小(最均衡),在长芒草阶段多功能性得以恢复。