荒漠化严重影响着我国西北、东北和华北地区经济社会的可持续发展进程。有关这些地区生态建设与恢复、水文与水资源问题等的研究是荒漠生态系统中亟待解决的重点和热点问题,而土壤水是影响荒漠生态系统的关键性因素之一。一些研究表明,毛乌素沙地的油蒿群落受土壤水的驱动,其演替经历着这样一个循环过程:裸沙地→流动沙地先锋物种阶段→半固定沙地稀疏阶段→固定沙地阶段→固定沙地退化阶段→裸沙地(或流动沙地)。现有与土壤水有关的研究重点集中于表层土壤含水量和人工模拟降水条件下的浅层土壤入渗,但由于缺乏对土壤水分的实时、长期和连续监测,有关土壤水分动态、土壤水分对降水的响应过程、土壤水分影响机制、土壤水分平衡等问题仍旧需要进一步系统分析。基于此,本研究采用自动监测系统,对研究区内降水和土壤水进行野外连续定量监测,进行实地调查、野外测定等试验,并结合当地优势种的根系分布情况,系统分析研究区内不同类型沙地(固定沙地、半固定沙地和流动沙地)土壤水分运移规律,得出不同类型沙地土壤水分对天然降水的响应,剖析影响土壤水分变化的因子,对比不同类型沙地内降水对土壤水的补给差异,估算不同类型沙地水量平衡关系及土壤水转化比例,探讨固沙植被稳定性和土壤水的植被承载力。本研究有助于揭示降水和干旱条件下的沙地水分变化特征及水分平衡机理,为深入认识毛乌素沙地植被群落演替具有重要的理论和实际意义,并可以为半干旱沙地植被的合理配置、植被恢复与重建提供科学依据。本研究采用了 EC-5 土壤水分监测系统,可以对土壤水分进行长时间大尺度的监测,保证了数据量和连续性,能更好地反映土壤水分动态、降水入渗和土壤水分平衡情况。通过标准化降水指数法将研究期划分为不同的时段,在每个时段的研究中首先采用经典统计学分析土壤水分时空变异之间的内在联系,建立数学模型对土壤水分进行模拟和预测,并通过RDA和主控环境因子预选分析了不同时段内影响土壤水分时空动态的因素,然后采用环境因子的定量分离来研究各主控因子对土壤水分变化产生的贡献。本研究主要结论如下:(1)标准化降水指数表明:2014年为丰水年(中度湿润年),2015年为亏水年(中度干旱年),2016年和2017年均为平水年(正常年份)。不同降水年型下的降水量和有效降水次数均出现显著差异,每年生长季内所发生的降水次数和降水量均占全年总降水量的87%以上,其中尤以7-9月的降水最集中,该时段内的降水量占整个生长季的80%以上。研究区内降水强度和降水频率均处在较低水平,降水强度小于2.5 mm/h的出现频率超过80%,仅有1%左右的降水强度超过15mm/h;生长季内平均降水间隔以48-120小时为主。(2)在不同降水年型的作用下,油蒿群落不同年份(丰水年、亏水年和平水年)之间的土壤含水量出现了显著差异,但每年内各层土壤水分季节动态都大致类似,主要表现为:①每年11月-次年2月,土壤水分含量稳中有升,维持在4%-7%之间;②每年3-7月,土壤含水量先显著上升,但从5月开始缓慢下降,最低值一般在4%以下;③每年8-10月,土壤含水量整体上显著上升,并随着降水出现多次峰值。(3)固定沙地内各层土壤含水量显著低于半固定沙地和流动沙地,半固定沙地和流动沙地之间无固定规律。在固定沙地、半固定沙地和流动沙地中,年平均土壤含水量最高的土层分别为60cm、40cm和40cm,土壤含水量关于土壤深度之间的变化关系基本呈线性。从空间分布上来看,土壤水分的垂直分布分为3层:土壤水分剧变层(0-10cm)、土壤水分活跃层(10-120cm)和土壤水分稳定层(120-200cm)。灰色关联度分析表明各层土壤含水量之间均具有很强的相关性;3个土壤水分垂直层的差异主要体现在土壤含水量与各时空变异指标(标准差、变异系数、偏度和峰度)的关系上。(4)固沙植被的建立增加了土壤水分的时间稳定性,降低了土壤水分的空间异质性,并且对研究区内的土壤水分分布及动态、降水入渗和土壤水分平衡都形成了显著影响。丰水年和平水年内的土壤蓄水量基本不会出现下降,降水对土壤水分的补给可以基本满足蒸散需求;但在干旱条件下和亏水年内,固定沙地的土壤蓄水量出现了亏缺。为了避免固定沙地中油蒿群落出现退化,本研究计算得出在植被恢复时的最大植被覆盖度不能超过68.4%。(5)应用分数阶土壤水分运动模型和多室模型来对土壤水分动态和降水入渗情况进行模拟,在初步验证模型后进行参数修正,结果表明经过参数修正后的模型参数满足设定的取值范围,拟合优度满足统计学要求,并且修正后的模型能更好地反映不同降水量、不同降水强度、不同样地内的土壤水分运移情况,表达不同降水条件下和不同时间段内植物与土壤水分之间的关系。在年度尺度内对土壤水分进行拟合时,应以分数阶土壤水分运动模型为主;在单次或连续降水尺度内对土壤水分进行拟合时,应以多室模型为主。(6)随着油蒿群落植被覆盖度的增加,土壤粉粒含量增加,土壤结构逐渐稳定,土壤持水量和土壤有机质含量逐渐上升,提高了土壤保水、保肥和抗风蚀能力。不同样地内地下生物量的分布趋势为固定沙地>半固定沙地>流动沙地,三者之间存在显著差异。大部分根系生物量集中在0-40cm层内,根系生物量随土层深度的增加呈指数下降关系。三类样地中,随着植被覆盖度的增加,细根占比在逐渐升高,粗根和中粗根占比在逐渐降低。各样地、各时间段和各土层内影响土壤蓄水量变化的13个环境因子(降水量、降水强度、降水间隔、土壤初始含水量、根系生物量、土壤容重、土壤粒径、土壤温度、风力和风速、太阳辐射、土壤孔隙度、土壤有机质含量和空气湿度)可以解释土壤蓄水量变化的85%以上,能够提供超过90%的相对贡献率,并且排名前两位的环境因子能够提供超过80%的相对贡献率。但能对土壤水分产生显著影响的因素只有降水量、降水间隔、降水强度、根系生物量和土壤初始含水量;土壤容重和土壤粒径对土壤蓄水量变化的贡献值不大,并且在三类样地中湿度、温度、土壤有机质、风力和风速对土壤蓄水量的影响极小。除土壤初始含水量以外,影响固定沙地土壤水分的最重要因素是植被覆盖率,影响流动沙地土壤水分的最重要因素是降水格局,半固定沙地的土壤水分受到植被和降水的双重影响。