黑河中游荒漠绿洲过渡带地处中国内陆西北干旱区,在全球气候变化的大背景下,在特殊的地理位置和气候环境的控制下,该区域降水稀少且季节性分配不均匀,蒸发量较大,水资源严重短缺是干旱地区最明显的环境特征,也是制约该地区经济与社会发展的主要瓶颈之一。过渡带上天然植被呈斑块状分布格局。近年来,随着黑河调水计划实施、工农业用水需求的日益增加以及人类活动的破坏,该过渡带出现植被退化、枯萎,甚至死亡的现象,生态环境逐步恶化,表层土壤风蚀严重,从而导致周边沙尘暴频率增多。过渡带生态系统的这种脆弱性和不稳定性,就决定了土壤水分状况是该系统的重要生态因子。土壤水分是连接地气之间的纽带和中心环节,参与水分循环和能量、动量交换等陆面过程,是气候系统和生态系统中不可缺少的关键参数。尤其是对干旱荒漠区而言,土壤水分是表征干旱区土壤状况的一个至关重要的指标,影响着植被的生长与恢复、分布格局以及演变过程,同时可以反映和解释区域土壤风蚀化程度。土壤水分由于受下垫面类型、气候环境、土壤质地、地形地貌、人类活动等众多因素综合作用的影响,在时间上和空间上都具有高度的异质性。本研究采用三种方法从三个不同尺度对黑河中游荒漠绿洲过渡带斑块植被区土壤水分的时空异质性进行研究。第一,在样方尺度上(面积为340m×300m样方,40m×40m等间距布样),结合统计学和地统计学方法,对典型样方10cm、20cm、40cm、60cm、80cm土层土壤水分的空间异质性组成、程度、尺度、变异函数及自相关性进行了定量分析;第二,在单点尺度上,在一定的初始条件和边界条件下,应用Hydrus-1D模型对该过渡带两种下垫面类型下,裸土样点和有植被样点处各层土壤水分在时间序列上的动态变化进行模拟,探究典型样点处各层土壤水分随时间的变化特性,并用野外实测的土壤水分数据进行验证,探究Hydrus-1D模型对该斑块植被区典型样点土壤水分在时间变化上的模拟效果,获得相应的模型参数,为向区域尺度推广和应用奠定基础;第三,在区域尺度上,利用同期MODIS数据,采用热惯量的方法反演该过渡带斑块植被区表层土壤含水量,探究区域尺度表层土壤水分在时空上的变异特征,并用实测的土壤含水量数据进行验证。研究结果如下:(1)通过描述性统计分析,在样方上随着土壤深度的增加,该过渡带斑块植被区土壤水分含量均值呈现逐渐增加的趋势;且5层土壤水分含量的变异都属于强变异性,尤其是土层20cm土壤含水量的变异系数最大,达到了159.62%。(2)通过地统计学方法的分析,样方5层土壤水分含量的空间异质性特征有明显差异。5层土壤水分空间变异的变程在45.5m~119.4m范围之间变化;10cm、20cm、40cm土层土壤水分含量的最佳理论拟合模型均为指数模型,而60cm和80cm土层土壤水分含量的最佳理论拟合模型为球状模型。5层土壤水分含量的块金系数都小于25%,表明该荒漠绿洲过渡带斑块植被区样方土壤水分的空间异质性由随机因素引起变异的比例较小,主要由结构因素引起;样方范围较小,气候条件和立地条件基本相同,植被的斑块状分布格局是是驱动该典型样区土壤水分空间异质性的主要因素。(3)在典型样方垂直梯度上,5层土壤水分含量的全局空间自相关Moran’s系数均为正值,说明各层土壤水分均具有空间正相关性,并且具有空间集聚特征;土层60cm土壤水分具有较为强烈的空间集聚性且其空间集聚特征较其它土层更为明显。(4)IDW和Kriging两种插值方法得到的各土层空间上土壤水分含量的预测结果趋势基本相同,但IDW插值法由于受土壤水分极值的影响出现了“牛眼”现象;通过比较评价指标和插值预估图而言,Kriging插值精度较IDW插值精度高,插值图也较平滑。(5)在单点尺度上,通过Hydrus-1D模型对该斑块植被区两种下垫面类型下,两个典型样点处不同土层土壤水分含量随时间动态变化进行模拟,结果表明,无论在裸地单点处还是在有植被区单点处,模拟出的不同层土壤水分含量动态变化趋势与实测值的变化趋势基本一致,相关系数R2均大于0.52,均方根误差(RMSE)和相对误差(RE)都控制在较小的范围内,Hydrus-1D模型能较好的模拟该斑块植被区土壤水分随时间的动态变化规律。(6)在区域尺度上,利用MODIS数据,采用热惯量方法对该斑块植被区表层土壤水分含量进行反演,在建立热惯量与土壤含水量关系模型的基础上,对比线性、指数、幂函数模型,发现指数函数对土壤含水量反演的相关性较高,反演的表层土壤水分与实测的土壤水分之间的误差较小,热惯量反演表层土壤含水量的应用为干旱荒漠区获得大范围长时间序列的土壤水分资料提供一种有效而可行的方法。研究结果能更深入的认识该典型区域土壤水分的空间分布状况和时间变化规律,为区域植被分布格局、土壤风沙侵蚀的防治等研究提供理论基础;为该区域生态植被修复、维护绿洲生态环境安全以及合理利用水资源提供可借鉴的理论依据。同时为该典型区域获得大范围和长时间序列的土壤水分资料提供有效可行的方法。