天然草地作为黄土高原的植被主体,其生态功能的稳定与可持续对区域气候调节、水土保持和生物多样性保护等方面具有重要意义。天然草地植被的多功能维系需要从不同角度更好地理解其作用机理,探究天然草地自然恢复中的地上—地下生态过程是草地生态功能研究的重要科学问题,也是草地植被可持续的关键。本研究以黄土高原半干旱区禁牧恢复的典型草地为研究对象,通过野外调查、实地采样和室内分析,并结合多种统计分析方法,系统研究草地群落自然恢复过程中物种及功能群组成对生产力和物种多样性的影响;探讨物种多样性维持对土壤有机碳及土壤水分入渗性能的影响过程;并分析群落生产力、物种多样性、土壤有机碳储量和土壤水储量4种生态功能在草地自然恢复过程中的权衡关系,确定半干旱区典型草地禁牧恢复的最佳时间,从而为黄土高原地草地植被的恢复与管理提供科学依据。研究取得了以下主要结论:(1)黄土高原半干旱区典型草地自然恢复过程中,生产力和物种多样性均维持在相对较高的水平,但草地群落组成却发生显著变化;群落空间结构来看,不同恢复阶段群落的物种组成受不同高度物种影响,随着恢复时间的增加,影响群落组成的主要物种高度也不断增加;在草地自然恢复演替过程中,群落生产力维持的主要驱动力为草地的优势功能群—禾草类功能群;维持物种多样性的主导功能群在恢复过程中变化为杂草类—杂草类+禾草类—禾草类,整个恢复过程完成由杂草类功能群向禾草类功能群的过渡。(2)禁牧显著促进草地群落地表枯落物增加,而枯落物增加有效抑制土壤水分蒸发,增加土壤持水能力,进而地表枯落物与土壤含水量呈显著的正相关关系;物种多样性主要通过促进地上生物量、改变群落结构、地表枯落物及地下根系而增加有效提高土壤持水性,土壤有机碳的输入;物种多样性可解释土壤有机碳储量49%的变异量。(3)草地地下生物量随着禁牧年限的增加而显著增加,其变化主要发生在0-20 cm土层;在草地自然恢复过程中,地上植物群落物种多样性与土壤团聚体平均重量直径、土壤总孔隙度及土壤水分入渗性能均呈显著的正相关关系;物种多样性主要通过影响地下根系分布和土壤有机碳含量,促进土壤水稳性团聚体的增加,改善土壤结构,增强土壤颗粒抗水流分散能力;同时增加了土壤总孔隙度,提高土壤水分入渗能力,有利于土壤水库补充;物种多样性可解释土壤入渗能力26%的变异。(4)草地自然恢复过程中生态功能的权衡关系呈现不同的变化。总体而言,生产力与多样性的权衡关系在放牧草地相对均衡,随着禁牧年限增加呈现多样性—生产力—多样性的交替变化;禁牧对生产力、多样性和土壤有机碳储量的相对收益有不同程度提高,其显著增加土壤水分储量的相对收益;草地自然恢复至16年左右时,群落生产力—物种多样性,土壤水储量—土壤碳储量的权衡值均达到最小,此时群落生产功能和生态功能达到一个权衡点,基于此结果,提出黄土高原天然草地自然恢复至16年左右时应适度利用的管理建议。