土壤水分是半干旱区科尔沁沙地植物生长发育的主要限制因子,决定土壤植被承载力。稳定性同位素技术可以帮助我们深入了解作物水分的来源,为土壤-植物-大气连续体(SPAC)中的水分传输和荒漠治理的发展提供科学依据。本研究选取了典型的科尔沁沙地作为试验区,采用混合端元模型,通过将土壤水样与已知氢氧同位素的水样混合,研究了混合土壤水样的稳定氢氧同位素的变化,为干旱区土壤水极低的情况下氢氧同位素获取提供了新的方法。通过模拟降水变化,运用氧稳定同位素技术,定量研究了降水变化对科尔沁沙地典型固沙植株水分利用率的影响;采用分层挖取根系法研究了不同降水处理小叶锦鸡儿和差巴嘎蒿的根系分布状况,研究了其在生物量分配、根冠比和根系分布等对降水变化的环境响应。本论文的主要研究结果如下:(1)通过分析稳定性同位素,发现土壤水、混合水、超纯水的氢氧同位素在同一条直线上,呈极显著线性相关(R2>0.99,P<0.001),与端元混合模型计算结果非常吻合(R2>0.99,P<0.001),且不受土壤质地与有机碳等因素的影响。(2)通过对科尔沁小叶锦鸡儿和差巴嘎蒿木质部水和潜在水源(降水和土壤水)的氧稳定同位素比率(δ18O)的季节性变化分析,发现小叶锦鸡儿和差巴嘎蒿在减水处理中8180的含量显著高于增水与对照处理。采用Iso-Source模型研究了降水变化对科尔沁沙地两种典型植被小叶锦鸡儿和差巴嘎蒿水分利用状况的影响,发现降水量减少显著改变了小叶锦鸡儿和差巴嘎蒿水分利用效率。这主要表现为:小叶锦鸡儿在5月和6月中,增水处理与对照处理可以利用0-120 cm 土层的水分,减水处理则在5月、6月分别利用0-40 cm和80-120 cm 土层的水分,利用率分别为53.2%和55.3%;9月,增水处理与对照处理主要利用100-120cm 土层的水分,减水处理为40-120cm,利用率分别为67.2%,49.6%和94.2%;差巴嘎蒿在6月和9月份增水与对照处理均匀利用0-80cm 土层的水分,减水处理则利用60-80cm和20-80cm 土层的水分,贡献率分别为82.4%和88.6%。本研究对制定有效的植被管理对策具有十分重要的理论与实际意义。(3)通过比较不同降水量的小叶锦鸡儿和差巴嘎蒿的地下与地上部生物量,发现降水量的增加可以显著增加小叶锦鸡儿的根冠比,增强其抗旱能力,降水量的减少显著减少差巴嘎蒿的地上生物量。对于这两种植物根系生物量,降水的变化能显著改变这两种植物的输导根在0-60cm的生物量,且其根系生物量与降水量成正比。降水减少会使根系浅层化。