黄土高原地区的植被恢复战略已经实施十余年,退耕还林还草有可能会改变土壤结构、土壤入渗性能和持水能力,进而导致小流域径流量发生变化,这种变化在气候过渡带的表现尤为突出,会影响到当地水安全、流域生态恢复的布局与实施方案。本文选择黄土高原半湿润半干旱地区泾河上游的中沟小流域作为研究区,选择了小流域内25年生刺槐林地,退耕后的荒草地和油菜农地作为研究对象,于2012和2013年的不同季节,通过野外实验,室内分析,以及计算机模拟等方法,研究了降雨、土壤水入渗、土壤结构、土壤持水特征以及土壤水分含量的时空格局变化及其与植被、季节变化等因子的关系,旨在揭示土地利用变化对土壤水力特征和水分平衡的影响,为流域植被建设综合管理及干旱缺水地区的可持续发展提供理论依据和科学指导。主要结论如下:(1)对农林草地土壤的理化性质对比研究表明:退耕后土壤理化性质产生了一些方面的有益变化。与农田相比,林草地土壤土质疏松,孔隙发育好、机械组成中粉砂粒含量增加、粘粒含量有所下降,有利于土壤水分向下传输。CaCO3含量偏高,有利于土壤结构形成,降低了径流侵蚀危害。与林草地相比,农田的土壤具有较高的全氮含量和水溶性盐分和粘粒含量,以及阻隔水分养分下渗的犁底层。农林草地的土壤根系发育有显著差异,农地细根生物量远低于草地和林地,不同土地利用下的有机碳含量和pH值尚没有显著差异。(2)研究区不同土地利用下的饱和导水率有显著差异,表现为:草地(678 cm d-1)>林地(320 cm d-1)>农地(195 cm d-1)。草地、林地土壤中丰富的大孔隙、土壤细根发育和土壤动物活动都促进了土壤的导水性能,而农地由于耕作活动形成的犁底层,大大降低了土壤导水率。林地、草地饱和及近饱和导水率的最大值出现在9月,最小值出现在3月。这与此时土壤动物和微生物群落受低温影响,以及植物细根生长季节性有关。农田土壤饱和导水率主要受到耕作活动的影响,9月油菜地翻耕播种时土壤饱和导水率最大,而6月(作物收获期)和3月(作物开花期)的土壤饱和导水率相对较低。各土地利用的土壤饱和导水率差异随深度增加而衰减,在30cm以下,饱和导水率的季节变化不明显。3种土地利用下表层土壤入渗能力均较强,但农田30 cm以下土壤导水率远低于当地降雨强度极值(49.8mm/h),遇强降雨会引起地表径流发生。(3)不同的土地利用下近饱和导水率表现为草地>林地>农田。但随着吸力的增加,林草地非饱和导水率下降速度也较高,这是大孔隙优先流作用逐渐退出的过程。随着吸力增加,土壤质地的影响不断增强,各样地土壤的导水率在高吸力(<-100cm)时趋于接近。农田土壤由于粘粒含量稍高,因此在部分观测中,高吸力水平时的导水率高于林地和草地。非饱和导水率没有显著的季节变化。(4)对当量直径>1mm导水性大孔隙度的分析表明,直径为1.5-1mm的大孔隙含量最高,其次为3-1.5mm和>3mm的大孔隙。当量直径>1mm的大孔隙度在整个土壤剖面的平均值表现为草地(0.0701%)>林地(0.0250%)>农田(0.0143%)。这部分大孔隙虽然占总孔隙度的比例不高,但是对水流的贡献度却达到了11.89%-81.97%。不同土地利用间当量直径>1mm的大孔隙对水流的贡献率平均值表现为:草地(41.33%)>林地(33.49%)>农田(33.03%)。9月初农田翻耕对土壤孔隙结构产生了显著影响,土壤导水性大孔隙在0-6cm的贡献率高达81.97%。而在农田30cm土壤中,土壤较大孔隙的数量和连通性均较低,传导水流的主要为<1mm的孔隙。(5)对不同土地利用下的土壤水分特征曲线的分析表明,在0-6cm和30-36cm土层中,林地具有较高的田间持水量和较低的萎蔫系数,因此有效水容量高于草地和农田。草地土壤大孔隙多,土壤排水能力较强,具有较高的土壤空气容量,较低的田间持水量和有效水容量。农田具有较低的空气容量。在农田底层土壤中,耕作形成的犁底层导致其萎蔫系数较高,因而有效水容量低于林地和草地。不同土地利用间土壤空气容量、田间持水量、有效水容量和萎蔫系数在60-66cm和100-106cm土层中的差异不显著。土壤空气容量、田间持水量、有效水容量和萎蔫系数亦存在显著的季节变化,但该季节变化较为复杂。可能需要更多的重复试验以及更长的观测时间才能得出更加准确的数据。(6)中沟流域的土壤水分状况较好,林地和草地下的土壤体积含水量在整个土壤剖面的平均值为24.9%。含水量表现为秋季(9-10月)>春季(3-5月)>夏季(6-8月)。林地的土壤含水量平均值为26.4%,高于草地的23.6%。在100cm土层内,林地的全年的总耗水量为492.6mm,草地为488.4mm。林地的耗水量在其生长期高于草地,非生长期则低于草地。表明林地较草地有更强的土壤持水能力,和更高的水分利用效率。其生长期的高利用效率和夏季的低土壤含水量对保持水土、减少径流损失更有意义。(7)与草地相比,林地中的土壤水分有效性更佳。在浅层土壤中,林地的有效水含量显著高于草地,在40cm以下,不同植被覆盖对土壤有效水含量并没有显著影响。林地土壤中的饱和水,易效水,中效水含量均高于草地;而草地土壤中的难效水稍高于林地。对土壤水分亏缺度的分析可知,除了6月的生长期,研究区内全年其他月份内的土壤水分均能满足植物生长的需求。总而言之,在农田退耕后,人工刺槐林和荒草地(25年恢复年限)均对土壤的水力学物理特征产生一定程度的改善。人工刺槐林和撂荒20余年的草地的表层土壤容重降低、土壤疏松、土壤大孔隙发育,促进了土壤入渗性能,包括非饱和入渗能力,有效改善了土壤的持水能力,使土壤中的含水量和有效水含量增加。草地相对于林地,其浅层入渗能力较强,但是持水能力较差,产生径流损失可能性大,其保水性能不如林地。