黄土高原高耗水植物引进和高密度种植造成深层（＞1 m）土壤水分亏缺,导致该区大面积土壤干层的形成。土壤干层能在一定程度上加重土壤的斥水特性阻碍土壤水分运动,危害陆地生态系统生物小循环并削弱水文大循环,对已有的植被建设成果造成一定负面作用。深入了解黄土高原土壤水文过程及其对土地利用变化的响应对该区土壤水分可持续利用和合理植被建造具有重要科学意义。过去关于土壤水分和土壤干层的研究大都集中在样地尺度有限的观测及模型模拟,而对于黄土高原从农耕期到植被恢复期连续几十年的深层土壤水分长期变化过程研究较少,限制了对土壤水分植被定量关系以及土壤干层恢复与调控的深入认识。本论文选取黄土高原典型黄土区为研究区域,基于深剖面、南北样带和区域采样三套土壤数据,建立了典型黄土区土壤水力性质（包括van Genuchten模型参数、容重和饱和导水率）的传递函数模型,获得了区域尺度深层土壤水力性质的空间数据;然后,基于原位观测数据率定了Hydrus-1D模型,模拟了近百年时间尺度（1981-2060年）深层土壤水分对土地利用变化的响应过程;最后,在区域尺度模拟了农耕期到植被恢复期（1981-2014年）0-5 m剖面土壤水分的长期变化过程,量化了土壤储水量、潜在地下水补给量和实际蒸散发等水文变量的演变特征,并在黄土高原地带性草原区对基于土地利用变化调控土壤干层的可行性进行了定量研究,探讨了人工林植被转变为天然草地后土壤干层恢复过程及主控因素。取得的主要研究结果如下:（1）黄土高原区域尺度0-8 m剖面土壤水力性质与土壤质地、气候条件和地形因子等密切相关,考虑多种环境因素构建的土壤水力性质传递函数方程相比其他土壤传递函数具有更优的模拟效果和预测精度。基于建立的土壤水力性质传递函数模型,结合空间插值方法,模拟获取了典型黄土区空间连续的0-5 m土壤水力参数（含van Genuchten模型参数α、n、θr、θs,容重和饱和导水率）,发现黄土高原土壤水力性质具有明显的地带性空间分布特征,在空间上主要呈现出自西北向东南过渡,南部和北部显著不同的规律。其中,van Genuchten参数α呈现从西南部向北部递减,参数n从北部向南部递减,残余含水量θr从东南向西北递减,饱和含水量θs从西部向东部递减的规律。容重呈现北部最高,南部次之,中部和西部最低;饱和导水率则表现出自西南部向东部递减的规律。（2）样地尺度的土壤水分对土地利用变化的长期响应模拟结果表明,在农耕期-人工柠条/苜蓿植被-天然草地转变的过程中,土壤水分响应变化可以分为5个阶段:I—土壤水分随降水波动变化阶段（农耕地）;II—土壤水分显著下降阶段（农耕地转变为人工植被后的7-8年）;III—土壤水分低至凋萎系数并处于稳定阶段（人工植被）;IV—土壤水分逐渐恢复阶段（人工植被转变为天然草地后的7-8年）;V—土壤水分随降水波动变化阶段（天然草地阶段）。农耕地转变为紫花苜蓿和柠条锦鸡儿后,由于植物根系过度消耗深层土壤水分导致土壤水分处于负平衡状态,在人工植被种植3-4年后土壤干层开始发育形成;在紫花苜蓿和柠条锦鸡儿种植7-8年后,土壤干层的下边界可发育至4 m以下深度。人工植被转变为天然草地后,剖面土壤水分逐渐恢复,生长13年的人工植被0-4 m剖面土壤水分完全恢复至天然草地水平需要7-8年,表明可通过改变植被类型的措施对人工植被下伏土壤干层进行调控和修复。（3）黄土高原区域尺度土壤水分长期演变过程模拟结果表明,1981-2014年区域尺度叶面积指数总体上呈逐渐上升趋势。1981-1999年农耕期,年降水量、土壤储水量、实际蒸散发和潜在地下水补给量均呈现逐渐下降趋势,而潜在蒸散发有上升趋势。2000-2014年植被恢复期,年降水量和实际蒸散发呈逐渐升高趋势,潜在蒸散发为逐渐下降趋势,而土壤储水量和潜在地下水补给量的年际变化并不显著。所有因素的空间分布均存在显著的自东南向西北递减的地带性规律。相比农耕期,植被恢复以后的14年间,区域尺度年降水量增加了2.28%,叶面积指数增加了42.38%,潜在蒸散发增加了2.57%,实际蒸散发整体上升了1.27%,而土壤储水量减少了4.17%,潜在地下水补给量大幅下降了46.27%。（4）黄土高原地带性草原区域81%的人工林样地有土壤干层发育,土壤干层平均厚度为297 cm,土壤干燥化程度较严重。基于土地利用变化调控土壤干层的模拟结果表明,人工林地转变为天然草地后,整个区域5 m深度的土壤干层恢复需要2-13年（平均7年）。叠加冗余分析、方差分解和结构方程模型的结果表明,土壤干燥化程度（土壤干层内含水量）、土壤水力参数和地形因子共同影响着土壤干层的恢复时间,据此建立了包含土壤水力参数α和n、田间持水量、坡度及干层内土壤含水量等因素的经验模型:[土壤干层恢复历时=54.7-22.6×?-15.9×n+0.2×FC-19.4×cos（slope）-0.008×DSLSWC,R~2=0.76,RMSE=1.3年],从而可以快速估计土地利用变化情景下土壤干层恢复所需时间。本文建立了典型黄土区深层土壤水力性质空间分布数据集,为定量模拟分析区域尺度土壤水文过程及对土地利用变化的响应提供了基础数据支撑。人工引种高耗水植被可导致土壤水分负平衡,引起深层土壤干燥化,威胁恢复生态系统健康和可持续性,结合观测和模拟结果表明,通过改变植被类型或土地利用方式可使土壤干层得到有效修复,而其恢复所需时间受土壤干燥化程度、土壤水力性质和地形因子的共同影响。研究结果对深入认识黄土高原土壤水文过程及其对土地利用变化的长期响应机制具有重要科学意义,也为黄土高原人工植被土壤干层调控提供了科学依据。