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中国西北地区气候干旱,水资源短缺,是我国生态环境脆弱的地区,也是建设的重要地带,在干旱区研究中具有一定的典型性和代表性。西北干旱半干旱地区降雨稀少,蒸发量大,地下水可作为干旱区植被生长的主要环境因子。但是传统的SPAC系统并没有明确考虑地下水这一作用,因此在浅地下水埋深地区,将地下水与SPAC系统构成地下水—土壤—植物—大气连续体(GSPAC),将更有助于研究沙地GSPAC系统水分特征。毛乌素沙地就是我国典型的干旱半干旱草原气候类型代表地区。本文针对本地区关于GSPAC系统水分研究较少,在试验区选择2种主要天然植被进行了观测试验;并探讨了地下水对天然植被生长、生理和产量的影响机制,制定了它们之间定量关系,确认了适合于本地区的天然植被作物水分响应模型,并初步估算了天然植被生态需水量;运用SWAP模型模拟了地下水埋深的动态变化,建立了天然植被生长与地下水关系的模型。研究成果为进一步研究遏制典型荒漠化草原区生态环境的恶化提供了理论依据,对实现区域可持续发展具有重要意义。研究获得的主要结论如下:(1)分析了天然植被叶水势、蒸腾速率在不同生育阶段、不同地下水位条件下的变化规律。探讨其与环境因素(温度、净辐射、饱和差和土壤含水率)之间的关系,建立叶水势、蒸腾速率与气象因素之间的定量关系式。芦苇、赖草的叶水势与环境因子的出现了相反的关系,分析原因可能是由于芦苇的地下水位较高,耐旱性较差,温度与饱和差增加,叶水势下降;而赖草地下水位较低,当发生受旱的时候,可能其气孔关闭,所以产生相反的关系。(2)降雨量对地下水影响的临界值是8mm。小于8mm时对地下水基本没有影响,可以忽略。(3)试验区天然植被生态需水量分别是:地下水埋深0.84~1.66m时为6.55×105 m3/ha;地下水埋深1.79~2.69m时为2.24×103 m3/ha;地下水埋深2.89~3.70m时为1.84×103 m3/ha;地下水埋深4.15~4.89 m时为0.68×103 m3/ha。(4)试验区天然植被适宜地下水埋深分别为:芦苇为1.45m,赖草为1.90m。本研究为今后沙地GSPAC系统水分研究和旱地植被的生态环境需水量的计算提供了一定的参考价值。