在干旱荒漠地区，水分是生态系统格局和过程的主要驱动力，主导了干旱区景观分异、植被演替的主要过程。固沙植被在长期的演替过程中，土壤水分的时空异质性使得不同地区植物群落表现出不同的分布特征(随机分布、均匀分布和集群分布)，并在很大程度上决定了群落的格局；而植被格局的变化也影响着降水在土壤中的分配及入渗深度。这种植被-土壤水分相互作用的关系在小时间尺度上主要表现为植被的更新动态，如株高、冠幅、叶面积、新枝长等植物地上部分的动态变化及地下部分根系的周转等；而在大时间尺度上，则表现为群落斑块状(Spot)或者带状(Banded)的分布特征。位于腾格里沙漠东南缘的沙坡头人工固沙植被区，经过50余年的演变，已经形成了不同类型的植被分布区系，为我们从机理上研究植被水分的关系提供了一个天然的试验地。本文选取1990年固沙植被区中四个典型的植被群落，以SPAC理论为基础，采用试验和模拟的方法，首先研究了干旱沙区土壤水分动态、植被根系吸水和蒸腾耗水，分析不同植被类型的水分利用特征及植被对水分的反馈机制；通过修改植被-土壤水分关系的微分方程模型，尝试从机理上揭示植被格局的形成过程，预测干旱沙区人工植被群落格局的演替特征。主要结果如下：　　 (1)不同植被分布显著影响土壤水分的时空分布规律。柠条群落表层土壤水分变化较大，变异系数大于20％，主要原因在于表层更容易受到降水、气温以及植被根系吸水作用的影响，而深层的土壤水分含量变化较为平缓，呈现出典型的S形分布特征；油蒿群落具有明显分层利用的特点，呈现出双S形的分布特征，土壤水分的主要变化范围在0-100cm，特别是在20-40cm变化最为明显；混合植被群落(油蒿优势种)的土壤水分平均值为2.19％，略微小于油蒿群落的平均土壤水分含量2.24％，深层土壤水分在3-6月变化相对平缓，而在7-10月份变化较大；混合植被群落(柠条优势种)土壤含水量呈现出W形状的的分布特征，特别是在7-10月份表现的最为明显，土壤水分的主要变化范围为0-200cm。建立了柠条和油蒿根系吸水的一维数学模型，并利用实测数据验证了所建立模型的可靠性和合理性。　　 (2)验证了叶面积可以作为柠条和油蒿蒸腾耗水从叶片到群落水平的尺度转换变量。柠条和油蒿的日蒸腾速率及液流速率均呈明显的单峰曲线形式，其蒸腾耗水量约占该区蒸散量的59％和66％，太阳辐射是影响该区植被蒸腾的最为主要的环境因子。　　 (3)证实了Rodriguez土壤水分随机模型在干旱人工植被区具有良好的适用性，土壤活动层(0-60cm)土壤湿度概率密度函数峰值出现的位置及峰的阔度均与实际观测结果非常接近，可以对荒漠人工植被恢复区的土壤水分统计特征进行模拟与分析。利用Levins模型说明了在一定的条件下，柠条种群和油蒿种群将实现稳定共存，但是随着时间的推移，优势种将出现变化，两种群呈现出此消彼长的趋势。　　 (4)以降水为切入点，建立植被-土壤水分关系的确定性和随机性微分方程组，发现当降水在一定范围内变动时，植被将呈现出不同的格局分布特征。证实了在沙坡头地区的降水条件下，植被类型主要以斑块状为主；预测在以后的植被演替过程中，土壤水分和植被盖度均呈现出增加的趋势，其中土壤水分保持在2.5％的左右，但增加的速度较为缓慢；而植被的盖度将保持在40％左右，表现出波动形的变化趋势，并且增加的趋势明显的大于土壤水分。