本研究依靠机理模型计算,同时整合实验观测的结果,从群落发展的多年尺度来研究生物量和土壤水分动态的耦合变化。研究发现,降雨的长期波动以及干旱的影响,使得灌木相对于草本植物而言,显示出更强的竞争力,延缓了在毛乌素沙地群落演替后期草本植物成为群落优势种这一格局的出现,增强了灌木作为群落优势种的竞争性。　　 研究了中国半干旱地区毛乌素沙地生态系统不同植被覆盖情况的水分分配各环节的数量及空间格局。从最初的裸地状态,到植被LAI达到最大并出现衰退迹象,降水输入的水分分配格局会在短短的20-30年间发生明显的变化。早期以蒸发和渗漏为主要水分分配途径,占年均降水量的46.1％和39.2％。植物需要的蒸腾水分由当年降水和土壤中充足的蓄水量共同提供。以1.5m深度来计算,植物可利用性水分为年降水量的约50％加上100-120mm的往年积累的土壤蓄水量,这些水分对于植被早期需水量是过剩的。随着植被盖度增大,蒸腾和蒸发成为主要水分分配途径,土壤水库内的水分储量逐步被消耗殆尽,其对干旱的缓冲作用的角色也会有所下降,植物可利用性水分单纯依赖50％左右的年降水量。植被的发育使得土壤水分利用向浅层化发展,这使得土壤水分的明显变化往往只发生在浅层1m之内,深层渗漏很少发生,在根系活跃区域之下,则可能出现土壤水分非常低的干层。研究启示在干旱和半干旱区人工植被建设的时候,应该高度重视植物可利用性水分的“先充足后稀缺”的变化特点,人工植被早期的密度需要根据稳定期的可利用性水分来进行优化设置。　　 通过联系群落地上、地下结构功能的,而且区别细根和粗根水分功能的机理模型,研究了沙地生态系统中植物根系结构及其水分功能的动态变化。这个模型的突出特点是没有预设根系分布,根系格局随环境和生长状态而定；可以反映群落斑块尺度上的动态发育过程；关键参数只有两个,反映物种根深特性的参数和反映细根粗根结构比例的参数,方便引入到其他动态植被模型。模拟结果显示了在30多年间的植被从小到大的发育过程中根系深度、生物量分布格局、细根比例等根系结构因子的动态性,启发了将这些因子置于群落发育背景之下,以动态发展的观点来考虑会更为准确。模拟中灌木根系分布的先深层化发展而后浅层化发展并造成土壤水分格局浅层化分布,反映了植物根系既对土壤可利用性水分做出响应,同时也会对土壤水分格局起到反馈作用,两者是耦合在一起的。　　 研究了沙地生态系统中浅根型灌木油蒿和深根型灌木柠条的根系结构及其水分功能的动态变化。模拟结果显示,浅根型的油蒿,利用密集分布于1.5m内的根系,与草本在浅层土壤区展开激烈的水分竞争,将降水之后入渗的水分在根系深度内利用充分,保持较高的盖度优势。深根型的柠条用更高的根系构建代价,获得了空间上更深、时间上更为持久的水分利用格局,从而维持了更好的蒸腾吸水、盖度以及根系生物量的稳定性。在连续干旱的两年内,柠条2m以下根系吸水提供29.9％和23.9％的蒸腾用水。灌木最深层的根系在不断向下延伸过程中,可以吸收土壤中往年储存的水分,作为向下延伸的诱导,而浅层根系接收地表降水,能为根系深层发展提供保证。模拟的两种灌木根系吸水格局与细根分布格局都表现出很强的一致性。