干旱沙區(qū)常因降雨量低、蒸散量高而呈現(xiàn)負(fù)水量平衡狀態(tài)，水分成為植物生存與生長的主要限制因素。地下水是沙漠生態(tài)系統(tǒng)中的重要水源，旱區(qū)地下水生態(tài)系統(tǒng)的水量平衡，與植物生長密切相關(guān)，直接決定了生態(tài)修復(fù)的可持續(xù)性，對以植被重建為主的生態(tài)修復(fù)及荒漠化防治具有重大意義。然而，對于沙漠生態(tài)系統(tǒng)中水量平衡與植物生長特性隨地下水存在與否的變化規(guī)律研究目前較少。

中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院張志山研究員團(tuán)隊(duì)，依托沙坡頭沙漠研究試驗(yàn)站的“中國北方沙區(qū)水量平衡自動模擬監(jiān)測系統(tǒng)——沙坡頭蒸滲儀(Lysimeter)群”，采用其中12個大型稱重式蒸滲儀(填充土壤為騰格里沙漠的風(fēng)沙土，從裸沙到多種單一栽植及灌木與半灌木混合栽植)，系統(tǒng)量化了2019年至2023年間不同沙漠生態(tài)系統(tǒng)(有無地下水)的水量平衡組分及植物生長動態(tài)。

研究發(fā)現(xiàn)，地下水補(bǔ)給（-2.5 m地下水位）使土壤水儲量變化向新的水量平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，增加了實(shí)際蒸散發(fā)量和滲漏量。線性混合效應(yīng)模型表明，地下水對水量平衡組分具有顯著影響，并能促進(jìn)植物生長。增強(qiáng)回歸樹模型顯示，地下水可緩解干旱和降水稀少對沙漠水量平衡的影響。在有無地下水補(bǔ)給的沙漠生態(tài)系統(tǒng)中，油蒿單一栽植的水分利用效率分別為6.74 kg m^-3和3.10 kg m^-3。在有地下水的沙漠生態(tài)系統(tǒng)中，檸條錦雞兒單一栽植及油蒿和檸條錦雞兒混種的水分利用效率分別為3.05 kg m^-3和2.64 kg m^-3。

研究明確了半灌木在有無地下水的沙漠生態(tài)系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要作用。對于無地下水的沙漠生態(tài)系統(tǒng)，推薦采用油蒿半灌木單一栽植。在有地下水的沙漠生態(tài)系統(tǒng)中，油蒿單一栽植、檸條錦雞兒灌木單一栽植以及油蒿與檸條錦雞兒混合栽植是更優(yōu)的植物配置方案。

本研究通過以水分利用效率為主要評估指標(biāo)的植物生長性能分析，為含地下水沙漠生態(tài)系統(tǒng)的推薦植物配置方案提供了直接依據(jù)；指出干旱沙區(qū)的植被重建是防治沙漠化的有效解決方案，其中合理的植物配置方式是確保生態(tài)修復(fù)與重建長期可持續(xù)的關(guān)鍵。

相關(guān)研究成果以Groundwater Altered Water Balance and Plant Water Use Efficiency in Desert Ecosystems為題，發(fā)表于國際權(quán)威期刊Water Resources Research。西北研究院博士生南益聰為第一作者，張志山研究員和德國于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich)的Groh Jannis教授為共同通訊作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目和CPSF博士后獎學(xué)金計劃項(xiàng)目等的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2025WR040545

大型稱重式蒸滲儀。(a)中國北方沙區(qū)水量平衡自動模擬監(jiān)測系統(tǒng)—沙坡頭蒸滲儀群；(b)本研究使用的12臺蒸滲儀；(c)蒸滲儀群平面圖；(d)蒸滲儀群地下設(shè)備。油蒿(Artemisia ordosica,Ao,半灌木);檸條錦雞兒(Caragana korshinskii,Ck,灌木);駝絨藜(Ceratoides latens,Cl,半灌木);油蒿和檸條錦雞兒混種(Ao & Ck);駝絨藜和檸條錦雞兒混種(Cl & Ck);G: 有地下水;NG: 無地下水。

地下水與植物栽植對水量平衡各組分的影響。裸沙(a,c)和栽植植物的蒸滲儀(b,d)在無地下水條件(a,b)和有地下水條件(c,d)。Ea: 實(shí)際蒸發(fā)量；ETa: 實(shí)際蒸散發(fā)量；?S: 土壤水儲量變化；DL:滲漏量。

2020-2023年兩種地下水條件及不同植物配置下的水分利用效率(a)，以及植物生物量增量變化與累積實(shí)際蒸散量 (b)和ETa/PET(c) 的關(guān)系。藍(lán)色陰影表示95%置信區(qū)間，PET：潛在蒸散發(fā)。