干旱沙区常因降雨量低、蒸散量高而呈现负水量平衡状态，水分成为植物生存与生长的主要限制因素。以植被重建为主的生态修复与重建对防治荒漠化具有重大意义。地下水是水资源匮乏的沙漠生态系统中重要的水源，干旱区有无地下水的生态系统的水量平衡，与植物生长密切相关，这直接决定了生态修复的可持续性。然而，对于沙漠生态系统中水量平衡与植物生长特性随地下水存在与否的变化规律，目前研究较少。

中国科学院西北生态环境资源研究院张志山研究员团队，依托沙坡头沙漠研究试验站于2019年建成的“中国北方沙区水量平衡自动模拟监测系统——沙坡头蒸渗仪(Lysimeter)群”，采用其中12个大型称重式蒸渗仪(填充土壤为腾格里沙漠的风沙土，从裸沙到多种单一栽植及灌木与半灌木混合栽植)，系统量化了2019-2023年间不同沙漠生态系统(有无地下水)的水量平衡组分及植物生长动态。

大型称重式蒸渗仪。(a)中国北方沙区水量平衡自动模拟监测系统—沙坡头蒸渗仪群；(b)本研究使用的12台蒸渗仪；(c)蒸渗仪群平面图；(d)蒸渗仪群地下设备。BS: 裸沙; 油蒿(Artemisia ordosica, Ao, 半灌木); 柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii, Ck, 灌木); 驼绒藜(Ceratoides latens, Cl, 半灌木); 油蒿和柠条锦鸡儿混种(Ao & Ck); 驼绒藜和柠条锦鸡儿混种(Cl & Ck); G: 有地下水; NG: 无地下水。

研究发现，地下水补给(-2.5 m地下水位)使土壤水储量变化向新的水量平衡状态转变，增加了实际蒸散发量和渗漏量。线性混合效应模型表明，地下水对水量平衡组分具有显著影响，并能促进植物生长。增强回归树模型显示，地下水可缓解干旱和降水稀少对沙漠水量平衡的影响。在有、无地下水补给的沙漠生态系统中，油蒿单一栽植的水分利用效率分别为6.74和3.10 kg m^-3；而在有地下水的沙漠生态系统中，柠条锦鸡儿单一栽植及油蒿和柠条锦鸡儿混种的水分利用效率分别为3.05和2.64 kg m^-3。

地下水与植物栽植对水量平衡各组分的影响。裸沙(a, c)和栽植植物的蒸渗仪(b, d)在无地下水条件(a, b)和有地下水条件(c, d)。E_a: 实际蒸发量；ET_a: 实际蒸散发量；∆S: 土壤水储量变化；DL:渗漏量。

2020-2023年两种地下水条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变化与累积实际蒸散量(b)和ET_a/PET(c) 的关系。蓝色阴影表示95%置信区间，PET：潜在蒸散发量。

研究明确了半灌木在有无地下水的沙漠生态系统中都发挥着重要作用。对于无地下水的沙漠生态系统，推荐采用油蒿半灌木单一栽植；而在有地下水的沙漠生态系统中，油蒿单一栽植、柠条锦鸡儿灌木单一栽植以及油蒿与柠条锦鸡儿混合栽植是更优的植物配置方案。

本研究通过以水分利用效率为主要评估指标的植物生长性能分析，为含地下水沙漠生态系统的推荐植物配置方案提供了直接证据。干旱沙区的植被重建是防治沙漠化的有效解决方案，其中合理的植物配置方式是确保生态修复与重建长期可持续的关键。

相关研究成果以“Groundwater Altered Water Balance and Plant Water Use Efficiency in Desert Ecosystems”为题，发表于国际顶尖期刊Water Resources Research。西北研究院南益聪为第一作者，张志山研究员和德国于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich)的Groh Jannis教授为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划项目(2024YFF1306903)，国家自然科学基金联合基金项目(U23A20223, 32301314, 32171630)和CPSF博士后奖学金计划项目(GZC20232954)等项目的资助。Doi: 10.1029/2025WR040545

撰稿人：南益聪

发稿人：高艳红