水资源匮乏是内陆河流域植被生长和生态恢复的一个重要限制因子,地处我国西北的黑河流域就是一个典型例子。黑河大部分水资源被用于农业灌溉,随着绿洲的不断扩张,用水量逐年增加,导致该区域水资源短缺问题日益严重。伴随水资源日益短缺的现状,生态系统的水文过程也在发生变化,引发生态系统近年来出现不断退化的现象。因此,提出水资源短缺问题的解决方案、以提高水资源的利用效率,对保证生态系统的生态安全就显得格外重要。针对黑河中游水资源短缺、景观类型多样、农田耗水量大、冬季冻融时间漫长,以及景观单元破碎的现实条件；本文采用野外监测、室内样品分析、模型模拟和理论分析相结合的研究方法,对典型景观单元和景观过渡带生态-水文过程进行了研究；重点揭示了不同景观植被耗水和土壤水量平衡特征、不同类型玉米农田耗水特征差异、不同景观单元冻融过程的水-热迁移,以及景观过渡带的水文联系和生态效应；提出了提高水分利用效率和灌溉水利用效率的灌溉和植被管理措施。本研究取得了如下主要研究成果：(1)量化了农田、林地、荒漠三种景观单元的植被耗水特征和水量平衡。不同景观单元土壤水分差异明显,灌溉和地下水位差异是导致水分差异的主要原因。农田和林地水分受额外灌溉补给,水量平衡的各收支项均较大；荒漠只有少量降雨补给,水量平衡各收支项均较小。农田和林地渗漏量较大,表明当前灌溉制度不合理。荒漠蒸发量和入渗量较为接近,表明荒漠植被(梭梭)水分主要来源为深层土壤水或地下水。(2)对比了河滩农田、老绿洲农田和新绿洲农田水分耗散特征,并提出了优化的灌溉方案。土壤类型、地下水位和灌溉制度的差异导致三种类型农田水分耗散有明显差异。当前灌溉制度下,各农田均有渗漏发生,且作物吸水受到不同程度的水分胁迫,均表明现有灌溉制度不合理。均匀灌溉是当前灌溉制度不合理的主要表现形式,合理的灌溉应综合考虑作物不同生育期的需水量和根系分布深度。优化后的灌溉方案可以显著减小当前灌溉量而不会引起作物吸水的水分胁迫,在土壤水量平衡方面表现为更低的土壤蒸发和深层渗漏；对于河滩农田,更多的地下水被作物和土壤蒸发消耗。(3)系统分析了农田、林地、荒漠三种景观单元的土壤冻融特征。农田土壤冻结现象最为强烈,林地其次,荒漠最弱,表现为农田和林地有更深的冻结深度和更长的冻结时间。中子仪和时域反射仪(TDR)的结合可以有效测定土壤冰含量。土壤液态水和冰含量随着冻融过程的发生而消长,而土壤水分运动只在中等含水量条件的林地表现明显。浅地下水埋深条件下,地下水位的变化与土壤冻融过程有很好的相关性,冻结期间水位下降,融化期间水位抬升。冻结过程可以有效减小土壤蒸发和渗漏,有利于冬季土壤水分的保持和来年植被萌发与利用。(4)揭示了农田-林地-荒漠过渡带景观间水文联系(水量交换)的发生形式,量化了单次灌溉事件引起的景观间水分补给。农田-林地的水文联系密切,农田-荒漠和林地-荒漠的水文联系较弱；景观单元间的水文联系主要通过灌溉引起的土壤水分和地下水位差异造成的横向水流和根系延伸吸水的方式维持。单次的农田灌溉可以补给距农田15 m处林地的土壤水分,最大补给量为25 mm左右；单次林地灌溉可以补给农田距林地15 m以上区域的土壤水分,最大补给量为20mm一左右；林地灌溉对荒漠补给距离为5m左右,对近边界处的土壤水分补给量达200 mm。农田和林地的相互补给维持的时间较长,在一周左右；而林地对荒漠的补给维持时间很短。水分补给维持时间和补给量的差异主要受到土壤类型和初始地下水位条件的影响。(5)量化了景观间水文联系对过渡带植被生育性状的影响。沿过渡带方向植被生长呈阶梯性分布(根系生物量、地上生物量、胸径、植被高度等)；杨树根系延伸对农田作物生长的影响范围和根系分布一致,为7-9 m；农田对林地的补给导致林地近农田区域树木长势较远处好,表现为更大的胸径和树高。林地根系沿过渡带方向分布特征受土壤含水量和地下水位影响明显。农田和林地交替灌溉是提高过渡带灌溉水利用效率的有效途径；农田灌溉对林地水分补给有限,在现有灌溉条件下林地的宽度需要减小至15-20 m。(6)构建了景观过渡带的水循环模式图,揭示了影响过渡带水循环过程的主要因素。除了灌溉和植被因素外,地下土层结构、区域性地下水运动和附近机井抽水都会影响过渡带的水循环。隔水层的存在显著减小了农田和林地的深层渗漏,增强了农田和林地的水量交换现象。区域性地下水位的下降和机井抽水加剧了地下水流从农田往林地和荒漠方向流动的速度,导致灌溉水利用效率的降低。