土地利用/覆盖变化是所有与可持续发展相关的问题的核心，土地利用与土地覆盖变化的作用是全球变化的关键。从生态环境响应的角度发现生态环境的反馈机制，研究该区域的土地利用/覆盖变化对生态环境的影响过程，探索土地利用/覆被变化导致退化土地的恢复和重建机制，对了解区域生态环境变化，以及探讨生态安全下的土地利用模式具有重要理论意义。分析区域土地利用变化的空间差异特征及其产生的水资源与环境效应，客观认识土地利用的空间配置对水资源空间变化以及生态状况的影响，揭示区域特殊的水土耦合关系，为流域水土资源合理利用提供重要的科学决策依据。 本文利用动态度、转移矩阵和土地利用程度数量化综合指标研究了永定河流域土地利用/覆盖数量变化。通过计算土地利用重心迁移和景观格局指数，分析了土地利用/覆盖变化的趋势和景观格局特征。揭示了土地利用格局成因与机制。从宏观用地总量需求和微观土地供给相平衡的角度，在同时考虑土地利用系统宏观驱动因素复杂性和微观格局演化复杂性特征的基础上，构建了模拟流域土地系统结构、功能和动态行为特征的系统动力学模型和反映土地利用演变规律的元胞自动机模型(CellularAutomata，CA)与人工神经网络模型,对永定河流域土地利用格局进行了预测与模拟。 基于线性分解模型、光能利用率模型和地表干燥度指数(Temperature-VegetationDrynessIndex，TNDI)分别估算了气候变化影响下受土地利用约束的不同时期永定河流域植被盖度、NPP和土壤水分，分析了植被盖度、NPP和土壤水分的时空变化格局及不同土地利用/覆盖类型下的土壤水分特征。重建了气候未变化情景下而土地利用/覆盖变化后不同植被类型的NDVI序列，在此基础上，估算了流域的植被盖度和NPP，分析了气候未变化情景下土地利用/覆盖变化对植被盖度和NPP的影响。利用SWAT分布式水文模型。模拟了永定河流域的月平均流量变化，分析了土地利用/覆盖变化对地表径流过程的影响。最后提出土地利用-生态-水文过程模型(LUCC-ECO-HYDRO)耦合模型。主要结论如下： (1)1978～1987年由于受气候干旱化的影响，桑干河和洋河上游的河流面积减少，主要转化农田.由于大同是矿产资源基地，工矿用地扩张极为迅速，大同市附近的大量农田转化为居民地和工矿用地。1987～2000年大同市、丰镇市附近一些居民地和工矿用地转化为农田，与农田相邻地区的林地转化农田。流域交通用地增加主要来自于农田面积的转化，发生转移的类型主要分布于流域各城镇之间平坦地区。受退耕还林还草工程的影响，农田分布区边缘地带，生长条件较差的地区覆盖类型转化为草地.与1987～2000年相比，2000～2005年农田转化为居民地和工矿用地较少，转移的类型主要分布于张家口、宣化、涿鹿、怀来和延庆一带。由于退耕还林还草工程的影响，这5年间，农田的面积发生了转移，转移面积较大的地区处于流域西部各县。 (2)1978～1987年，农田的土地利用重心向东南偏移，居民地和工矿用地的重心坐标向东偏移，交通用地和林地的重心逐渐向东北偏移，由于大量的农田和林地转移化草地，草地重心向东偏移。1987～2000年，农田的土地利用重心位置变化较小。2000～2005年，水体重心坐标东移。由于退耕还林政策实施，原有退化的林地得到恢复、新的林地面积增加，林地重心向西偏移。 (3)永定河流域景观格局向破碎化方向发展，降低了区域生态平衡和抗风险能力。均匀度逐渐增加，表明不同类型景观的分布越来越均匀。流域的破碎逐渐增加，显示出整个流域破碎化程度明显增加，表明了受各种因素的影响，景观受到极大的干扰，与以前相比，系统极不稳定，更为复杂和脆弱。 (4)由模拟的不同气候情景土地利用总量可以得出：耕地、林地、草地、水体和未利用土地对气候干旱化响应较为明显，而交通用地、居民地和工矿用地对气候干旱化响应不明显.响应的变化趋势是：气候由湿变干，林地、草地、水体的面积总体呈减少的趋势。随着社会经济发展，居民地和工矿用地、交通用地增长较为迅速.在国家退耕还林还草的政策和迅速扩张的居民地和交通用地共同影响下。耕地的面积逐渐减少，人地矛盾将日益突出。 (5)保持前一期气候不变情景下土地利用/覆盖变化对植被盖度的影响研究表明：从1978～1987年，流域大部分地区的植被盖度降低，降低范围的主要处于20～60％。与1987年相比，2000年流域大部分地区的植被盖度增加。2000～2005年流域北部，植被盖度降低，流域中部、东部和南部植被盖度增加，增加的幅度主要处于0～40％；保持1978年气候不变情景下土地利用/覆盖变化对植被盖度的影响研究表明：1987～2000年的植被盖度主要表现出增加的趋势，有极少地区的植被盖度减少。流域东部地区的植被盖度增加范围主要在40～60％，中部和西部地区的植被盖度增加范围主要处于0～40％。2000～2005年，流域大部分地区的植被盖度减少,中部和东部部分地区植被盖度呈现增加的趋势。 (6)保持前一期气候不变情景下土地利用/覆盖变化对植被NPP的影响研究表明：与1978年相比，1987年流域植被NPP降低，降低范围的主要处于20～50gC/m2。1987～2000年。流域大部分地区的植被NPP增加，西部和中部部分地区增加了40gC/m2以上，东北部的植被NPP增加幅度主要处于20～30gC/m2.2000～2005年的植被NPP降低的区域主要在流域的西北部、北部和东部。保持1978年气候不变情景下土地利用/覆盖变化对植被NPP的影响研究表明：1987～2000年的大部分地区的植被NPP增加，主要增加范围在10～30gC/m2。2000～2005年，流域西部和西北部的部分农田转化为草地、林地转化草地，转化后植被NPP减少，减少范围为40～50gC/m2。流域中部和东部的植被NPP主要减少了10～30gC/m2. (7)1987～2000年，流域大部分区域增加的土壤水分大于60％，少部分区域增加的土壤水分处于20～40％。西北部较大面积的草地转化为农田，土壤水分增加，增加的幅度处于20～80％。在1987年农田分布边缘地带，2000后转化成为草地，土壤水分主要处于增加的趋势，土壤水分增加的范围为20～60％。2000～2005年，北部的草地主要转化农田，中部的部分草地转化为农田，土壤水分减小。减小的范围为0～60％.林地转化草地区域的土壤水分减少幅度较大，大部分地区的减少范围在60～100％之间。 (8)土地利用/覆盖变化对水文过程影响研究表明：1970s～1980s，土地利用/覆盖变化对径流的可能影响程度为13％，1980s～1990s的可能影响程度较小，为9.69％，1990s～2000s，土地利用对水文的影响程度达到了17.95％。1970s～2000s年的土地利用/覆盖变化对径流的可能影响程度达到了23.33％。 (9)深入理解土地利用、生态和水文过程耦合机制，构建土地利用－生态－水文过程耦合模型(LUCC-ECO-HYDRO)，提出模型耦合框架，描述了土地利用、生态和水文过程耦合机制及模型参数化过程，模拟了2010年土地利用/覆盖变化、植被盖度、NPP、土壤水分和2006～2015年的水文过程。