[目的]干旱少雨是制约沙区发展的决定因素，为此科学评估沙区防护林水源涵养能力是调控沙区防护林建设，制定退沙还林计划的重要依据。[方法]以库布齐沙漠鄂尔多斯造林总场内5种常见防护林为研究对象，利用野外实测与室内浸泡进行枯落物及土壤持水性能研究，采用层次分析法（AHP）与熵权法(EWM)相结合对林分水源涵养能力综合评估。[结果]（1）各林分枯落物厚度介于6.56-22.2mm，蓄积量介于1.44-13.62 t/hm2，拦蓄能力表现为旱柳杨树混交林>杨树林>樟子松林>沙柳3年林>沙柳8年林。（2）枯落物的最大持水深与其干质量呈线性关系，各林分最大储存约1.36-2.04升降水，表明枯落物最大持水能力主要取决于枯落物干重量，而树种、树龄、气象等相关因素通过影响枯落物干重量间接影响持水能力。（3）对数函数和幂函数可较好表现枯落物的动态持水量和动态吸水率。（4）随着土深增加，各林分土壤饱和持水率、毛管持水率与总空隙度基本呈现下降趋势，土壤容重基本呈现上升趋势。（5）林分水源涵养能力上看，杨柳混交林高于其它林分，杨树林与樟子松林水源涵养能力相近，沙柳林最低。[结论]未来在沙漠地区人工防护林建设中，优先培育混交林，并通过考虑树种间水源涵养差异进行更科学的退沙还林规划。